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5.2结构设计（Detai design）
PID完成后就可以开始具体的结构设计了，结构设计之初需要考虑清楚：
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各零部件之间的装配，定位和固定；
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各零部件的材料，工艺；
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各零部件的强度，加工限制；
本节按照上述三点对手机中常见结构件的设计作简单介绍。
一．塑料壳体（Housing）
手机中壳体的作用：是整个手机的支承骨架；对电子元器件定位及固定；承载其他所有非壳体零部件并限位。壳体通常由工程塑料注塑成型。
1．壳体常用材料（Material）
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ABS：高流动性，便宜，适用于对强度要求不太高的部件（不直接受到冲击，不承受可靠性测试中结构耐久性测试的部件），如手机内部的支撑架(Keypad frame，LCD frame)等。还有就是普遍用在要电镀的部件上（如按钮，侧键，导航键，电镀装饰件等）。目前常用奇美PA-727，PA757等。
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PC+ABS：流动性好，强度不错，价格适中。适用于绝大多数的手机外壳，只要结构设计比较优化，强度是有保障的。较常用 GE CYCOLOY C1200HF。
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PC：高强度，贵，流动性不好。适用于对强度要求较高的外壳（如翻盖手机中与转轴配合的两个壳体，不带标准滑轨模块的滑盖机中有滑轨和滑道的两个壳体等，目前指定必须用PC材料）。较常用GE LEXAN EXL1414和Samsung HF1023IM。
在材料的应用上需要注意以下两点：
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避免一味减少强度风险，什么部件都用PC料而导致成型困难和成本增加；
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在对强度没有完全把握的情况下，模具评审Tooling Review时应该明确告诉模具供应商，可能会先用PC+ABS生产T1的产品，但不排除当强度不够时后续会改用PC料的可能性。这样模具供应商会在模具的设计上考虑好收缩率及特殊部位的拔模角。
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通常外壳都是由上、下壳组成，理论上上下壳的外形可以重合，但实际上由于模具的制造精度、注塑参数等因素的影响，造成上、下外形尺寸大小不一致，即面刮（面壳大于底壳）或底刮（底壳大于面壳）。可接受的面刮<0.15mm,可接受底刮<0.1mm。在无法保证零段差时，尽量使产品的面壳大于底壳。一般来说，面壳因有较多的按键孔，成型缩水较大，所以缩水率选择较大，一般选0.5%。底壳成型缩水较小，所以缩水率选择较小，一般选0.4%，即面壳缩水率一般比底壳大0.1%。即便是两件壳体选用相同的材料，也要提醒模具供应商在做模时，后壳取较小的收缩率。
2．壳体厚度(Wall Thickness)
壳体设计的第一个步骤是抽壳（Shell），首先要确定壳体的基本壁厚。壳体的壁厚对部件的很多关键特性的影响至关重要，包括结构强度，外观，成型及成本。设计阶段优化的壳体厚度可以降低后续可靠性测试的风险，修模的成本以及成型的困难。简单地讲，对于平板状截面(Flat wall section)，每增加10%的壁厚，部件的刚性会增加33%左右；对于一个简单的塑料面，厚度增加25%可以使壳体的刚度增加一倍。但增加厚度会对手机的外观，部件的成型时间，成本及整个手机的重量带来负面的影响。
壳体厚度的设计上要注意以下几点：
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壁厚要均匀，厚薄差别尽量控制在基本壁厚的25%以内（低缩水率材料<0.5%），可以避免明显的翘曲，填充及外观缺陷等问题。
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对于直板机，在厚度方向上壳体的厚度尽量在1.1-1.2mm，侧面厚度1.5-1.7mm。镜片支承面厚度0.8mm，整个部件的最小壁厚不得小于0.4mm，且该处背面不是A级外观面，并且面积不得大于100mm2。
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对于折叠机和滑盖机，在厚度方向上壳体的厚度1mm，侧面厚度1.2mm。外镜片支承面厚度0.8mm，内镜片支承面厚度最小0.7mm，转轴处壁厚1.1-1.2mm，滑轨滑道面1.0mm, 整个部件的最小壁厚不得小于0.4mm，且该处背面不是A级外观面，并且该处面积不得大于100mm2。
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电池盖Battery cover折叠机和滑盖机壁厚取0.9-1.0mm，直板机取1.0mm。
3．螺丝柱（Boss）
抽壳之后就要确定好壳体之间如何固定，通常我们采取螺丝加卡扣的方式来固定两个壳体。螺丝柱通常用于装配螺丝（Screw）或螺丝嵌件（Insert/Nut），螺丝柱通常还起着对PCB板的定位作用。对于直板机，建议用4-6颗螺丝。对于折叠机和滑盖机的主机部分尽量用4颗螺丝，翻盖和滑盖部分也尽量用螺丝来固定，且不要少于2颗。如果是2颗，要尽量靠近转轴。
在螺丝柱的设计上需要注意以下几点：
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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.gif 为了避免螺丝柱背面的表面缩水，螺丝柱壁厚（Boss-wall thickness）与壳体壁厚的关系应该保持和加强筋厚度（Rib thickness）与壳体壁厚的关系（见下面关于加强筋的介绍）。
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如果螺丝柱壁厚相对于壳体壁厚的比例关系超过了推荐的比例，可以考虑在其根部设计一圈凹坑来减少缩水的可能。见图5-1。
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在螺丝柱底部加倒圆角可以减少应力集中和潜在的破裂危险，但过大的倒圆角会导致缩水。对于手机壳体，0.2-0.4mm的倒圆角会增强螺丝柱的强度而不会造成螺丝柱背面的表面缩水。
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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.gif 用于Insert/Nut热压的螺丝柱的设计基本原则：其外径应该是Insert/Nut外径的1.5倍。但是我们在手机的设计上往往会按照经验值来取偏小的值。图5-2中M1.4X0.3的Insert/Nut外径为2.5mm，设计中螺丝柱的外径设计为3.70mm。但实际取3.90mm会更加可靠（单边壁厚0.70mm）。
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Insert/Nut热熔在螺柱里后要能承受2.5Kg.cm的扭力和15Kg的拉力。
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图5-3中所示的Insert/Nut与螺丝柱尺寸关系为：Md—螺丝螺径；A=Md+0.2；B=2xMd+0.2；C=B+0.4；E>=0.8mm；F尺寸很关键，是必须在装配图中明确标出的Insert/Nut热熔后与基准面的距离，且每次新送样都要检验。H=螺柱外径+0.20mm。下壳螺柱底面与Insert/Nut面的距离为0.05mm；下壳螺柱外圈顶住PCB板处与PCB板的距离为0.05mm。
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用于自攻螺丝的螺丝柱的设计原则是：其外径应该是Screw外径的2.0-2.4倍。图5-4为M1.6x0.35的自攻螺丝与螺柱的尺寸关系。设计中可以取：螺柱外径=2x螺丝外径；螺柱内径(ABS,ABS+PC)=螺丝外径-0.40mm；螺柱内径(PC)=螺丝外径-0.30mm或0.35mm（可以先按0.30mm来设计，待测试通不过再修模加胶）；两壳体螺柱面之间距离取0.05mm。
图5-3
图5-4
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表5-1列出了常用自攻螺丝装配及测试（10次）时所要用的扭力值。
4．止口（Lip）
止口的作用：
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手机壳体内部空间与外界的导通不会很直接，能有效地阻隔灰尘/静电等的进入；
Ø
上下壳体的定位及限位；
壳体止口的设计需要注意的地方：
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嵌合面应有0.5~1°的拔模斜度，端部设倒角或圆角以利装入。
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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image013.gif上壳与下壳圆角的止口配合，应使配合内角的R角偏大，以增大圆角之间的间隙，预防圆角处的干涉。
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止口设计要如图5-5将侧壁强（即图中上面的一个壳）的一端的止口放在里边以抵抗外力。
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图5-5止口的设计，位于外边的止口的凸边厚度按0.6-0.8mm（至少大于壳体侧壁壁厚的一半）；位于里边的止口的凸边厚度按从大于0.50mm到壳体侧壁壁厚的一半来设计；B1=0.10mm；B2=0.20mm。
5．卡扣（Snap）
设计完止口就该设计卡扣了。卡扣的应用在手机的壳体是很普遍的，主要是指上壳与下壳的扣位配合。在考虑扣位数量位置时，应从产品的总体外形尺寸考虑，要求数量平均，位置均衡，设在转角处的扣位应尽量靠近转角，确保转角处能更好的嵌合，从设计上预防转角处容易出现的离缝问题。
卡扣设计需要注意的地方：
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直板机如果用4颗螺丝来固定前后壳体，那么在壳体上左右两边两螺柱之间要各设计2个卡扣（每个卡扣的长度不要超过7mm，如果只能设计一个，卡扣的长度应该是10-12mm）；顶部设计2个卡扣（长度4mm左右），如果受元器件摆放位置的限制，如卡扣的内斜销运动过程中与Speaker/Receiver/Motor/Camera等元器件的定位/音腔发生干涉，顶部可以只设计1个卡扣（长度6mm左右）。
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直板机如果用6颗螺丝来固定前后壳体，那么在壳体上左右两边每两个螺柱之间要设计1个卡扣。其余与上相同。
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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image016.gif折叠机/滑盖机如果用4颗螺丝来固定上下壳体，那么在壳体上左右两边两螺柱之间要各设计1个卡扣（每个卡扣的长度应该在6-8mm之间，）；顶部设计2个卡扣（长度4mm左右），如果受元器件摆放位置的限制，如卡扣的内斜销运动过程中与Speaker/Receiver/Motor/Camera等元器件的定位/音腔发生干涉，顶部可以只设计1个卡扣（长度6mm左右）。
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卡扣处注意防止缩水与熔接痕（Melt line）。
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朝壳体内部方向的卡扣，斜销运动空间留4mm；注意周边不要设计其他特征。
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卡扣细部设计按照图5-6来设计。A1=0.4-0.6；A2=0.10mm；A3=0.05mm；A4=0.10mm；
A5>=0.70mm；AA=0.40-0.55mm（视卡扣周边情况及壳体侧壁厚度，侧壁厚度大于1.5mm时AA取0.4mm；小于1.2mm时取0.55mm。没有把握时先按小设计，待验证后再加胶）。
6．加强筋（Rib）
上述螺柱，止口以及卡扣的作用都是用于装配及配合的，所有配合特征设计好了之后，就可以开始设计补强的特征了。加强筋是一种经济实用的加强壳体强度（Strength）和刚度（Stiffness）的特征，加强筋还起到对装配中元器件定位的作用；对相互配合的部件起对齐的作用；对机构起止位和导向的作用。图5-7表示达到2倍的刚性，通过设计加强筋仅需增加7%的材料，而通过加厚壁厚却需要增加25%的材料。
加强筋的设计涉及到厚度(Thickness)，高度（Height），位置（Location），数量（Quantity），成型（Moldability）等五个方面。厚度（rib thickness）很关键，太厚会引起对面的表面上有缩水（Sink）和外观（Cosmetic）的问题。
加强筋的设计要注意以下原则：
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表5-2为常用材料加强筋厚度设计通用参考（加强筋厚度=壳体壁厚的%），图5-8为加强筋设计时几个主要尺寸之间的关系。
表5-2
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壁厚<=1.5mm的薄壁零件允许加强筋的厚度比上表略厚一点，但应小于壳体壁厚的75%；
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壁厚<=1.0mm的薄壁零件允许加强筋的厚度与壳体壁厚相同。
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高光面应该采用薄的加强筋；
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可以用几个矮的加强筋来代替一个高的加强筋，主要尺寸见图5-9。
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较多的加强筋会增强部件的强度和防止破裂，但实际上也可能会降低部件吸收冲击的能力。根据模具上加筋比去除筋容易的原则，对加强筋的应用应该本着需要的原则来设计。
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加强筋的布置方向最好与熔料充填方向一致。
图5-8
图5-9
7．角撑（Gusset）
通常我们还会设计一些角撑来加强螺柱，壳体折弯等部分。设计角撑的原则和加强筋是一样的，但要注意方形的角撑在尖角处容易形成气包。图5-10告诉我们如何来设计角撑。
图5-10
图5-11
8．圆角（Radius）
太小的圆角或没有圆角会导致应力集中，相反，太大的圆角会导致壳体表面缩水。图5-11所示为圆角和壳体壁厚的比例R/h与应力集中之间的对应关系。圆角与壳体壁厚的比例R/h为0.15时，补强效果（对于小的或中度冲击）和外观质量可以得到一个比较好的折衷。
9．拔模角度（Draft）
由于塑料壳体的成型特性，我们要对所设计的塑料件加上拔模特征（这项工作尽量在所有特征都建完之后再做），见图5-12。设计拔模特征时注意：
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要对所有平行于模具上钢铁分开（Steel separation）的方向的面进行拔模；
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外壳面拔模角度大于2.5度；
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除外壳面外，壳体其余特征的拔模角度以1度为标准拔模角度。特别的也可以按照下面原则来取；
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低于3mm高的加强筋拔模角度取0.5度，3mm-5mm取1度，其余取1.5度；
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低于3mm高的腔体拔模角度取0.5度，3mm-5mm取1度，其余取1.5度；
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表面要咬花的面拔模角度：1度+H/0.0254度（H=咬花总深度）
10．底切（Undercut）
在设计塑料壳体时，会遇到需要有意底切的情况，如图5-13。当材料为ABS，PC+ABS或PC时，底切Undercut不要大于2%。[%Undercut=(D-d)/D%]
图5-13
图5-14
11．超声波焊接（Ultrasonic welding）
超声波焊接是一种快捷，干净，有效的装配工艺，目前被运用于热塑性塑料制品之间的粘结，塑胶制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘结。
它取代了溶剂粘胶及其它的粘接工艺，是一种先进的装配技术。
超声波焊接不但有连接装配功能而且具有防潮、防水的密封效果。超声波焊接在手机壳体的设计中主要用于：
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Lens与前壳的装配（从内往外装）；
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电池底壳和面壳的焊接（牢固密封，防潮防水）；
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其他两件壳体之间的连接；
超声波焊接是采用低振幅，高频率振动能量使表面和分子摩擦产生热量，塑料熔化而使相连热塑性制件被焊接在一起。超声波焊接设计有两点很重要：能量带的设计和溢胶槽的设计。
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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image039.gif 图5-14所示为典型的超声焊接能量带的尺寸，适用于壳体壁厚在1mm以下的情况。我们规定能量带的宽度为0.30-0.40mm（即图中的0.25W）；高度也是0.30mm-0.40mm；夹角由宽度和高度确定。
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图5-15所示为能防止溢胶的Z形能量带设计，这种设计能帮助两个零件定位，在使用时耐拉伸，提高了耐剪切性能，并能消除外部溢料。但这种设计对壁厚的要求在1.2mm以上，外边肩膀部分的宽度和高度以能成型为基准，应大于0.40mm。三角形的能量带尺寸按照图5-14的要求来设计。X方向的滑动间隙取0.05mm；两件之间在厚度方向的间隙为0.40-0.50mm。
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另外还需注意一下超声线的长度，太长了塑胶超声时没地方跑，不容易压下去，需要用较大的振幅才可以，我常做的超声线长度一般为3-4mm。
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设计超声焊接时要注意两个零件的材料能否被超声焊接，图5-16列出了常用塑料材料相互超声焊接的性能好坏。（红色表示超声后强度好，兰色表示强度尚可，白色表示不能超声。）
[ 本帖最后由 SLGLNFS 于 2008-11-19 16:19 编辑 ] |
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发表于 2005-3-29 16:52:00
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