金属部件设计及制造工艺

手机金属部件设计及制造工艺

1.1前言

金属部件在手机结构设计中发挥越来越大的作用.某些手机的翻盖上壳采用的是铝合金冲压成形再进行阳极氧化的制造工艺而翻盖下壳则是采用镁合金射铸工艺成型，由于金属的强度较高，因此可以实现塑件无法实现的结构。本章将介绍目前手机中常用的金属部件的结构设计及其制造工艺。

1.2镁合金成型工艺

在手机结构件中，镁合金由于其重量轻，强度高等特点已大量的被采用。镁合金零件目前主要采用压铸(die-casting)和半固态射铸法(thixomolding)进行生产。本节主要介绍镁合金压铸工艺和半固态射铸工艺特点及设计注意事项。

1.2.1镁合金压铸工艺

压铸机通常分为热室（hot-chamber）的与冷室的（cold-chamber）两类。前者的优点是：模具中积流的残料少，铸件表面平整，内部气孔、疏松少，但设备维护费较高。

镁合金熔体对钢的浸蚀并不特别严重，因此，除采用热室压铸机制造零部件外，也可选用冷室压铸机。通常，可根据零部件大小与铸件特性来选择压铸工艺。如铸造大的与较大的汽车零件；若压铸机的压力较小，则只好用冷室压铸；若压铸机较多，大中小结构搭配合理，还是宜选用热室压铸法。而铸造轻薄的3C（笔记本电脑，照相机，摄像机）机壳零部件与自动控制阀的细小零件，则可选热室压铸工艺，因其压铸速度快，成品率也较高（此处成品率＝铸件质量/所消耗的熔体质量）。

1.2.2镁合金半固态射铸工艺

半固态射铸是美国道化学公司(Dow chemical Co.0)开发的一种高新技术，在工业发达国家是一项成熟的工艺，在我国台湾省此项技术已趋于成熟。我国此项技术已经开始进入生产阶段，但是模具国内仍然无法自主设计和开发。它的制造原理是将镁合金粒料吸入料管中，加热的同时通过螺杆的高速运转产生触变现象，射出时以层流的方式充填模具，形成结构致密的产品。如图5-1所示为镁合金半固态射铸系统示意图。

图5-1 镁合金半固态射铸系统示意图

镁合金半固态射铸法的优点是：

1.零件表面质量高，低气孔率，高致密性，抗腐蚀性能优良；

2.可铸造壁厚薄达0.7～0.8mm的轻薄件，尺寸精度高，稳定性好；

3.强度高，刚性好；

4.不需要熔炼炉，不但安全性高、劳动环境好而且不产生热公害；

5.不使用对臭氧层有严重破坏作用的六氟化硫气体，不会形成重金属残渣污染；

6.铸件收缩量小；

7.铸件的表面良品率高，可达50％或更高些，此处所说的良品是压铸工序无表面缺陷的。

一般压铸工序的良品率还不到35％，有一部分存在表面缺陷的次品还可在修补后转入下道工序。

半固态射铸技术的主要不足之处是：

1.装备昂贵；

2.维护较困难,机械与控制设备故障率较高，维修费用多，比压铸法的高50％左右，产品

成本较高；

3.原料价格也较高，约比压铸法的高20％，因压铸法用的是镁锭，而半固态射铸法用的是

经过加工的镁粒；

4.铸件生产周期长，为普通压铸法的2～3倍；

5.产能方面，例如：一台220吨的镁合金射铸机一模一穴一个月能生产约60000pcs。

一般的镁合金件加工工艺如下：

射出→冲切→抛光→一次检查→振动研磨→machining→机械加工→手工加工→一次加工检查→皮膜化成→涂装→涂装检查→最终检查→出货

1.2.3镁合金半固态射铸工艺设计注意事项

1、由于镁合金在成型时模具压力大，对模具的强度要求高，所以镁合金在作为壳件设计时不要使用内抽芯。

T5-1

2、镁合金在作为外壳设计时，壳件厚度一般大于0.8mm，局部厚度可以在0.5mm，不能小于0.3mm。

3、镁合金在作为翻盖设计时需要装配转轴，当转轴孔的拨模角太大时和转轴的配合不好，当转轴孔的拨模角太小时，镁合金的模具行位不易成型，采用下图的设计方案比较理想，在转轴孔的平行两侧加四个筋位，这种方案即可保证孔的拨模角又可保证转轴的配合松紧度。

T5-2

4、由于镁合金的刚度比塑料大，不易变形，所以同是镁合金的壳件不能使用卡扣连接，多使用螺钉连接。镁合金和塑胶壳之间可以使用卡扣连接，卡扣的配合尺寸要比胶壳之间的配合尺寸小，避免造成装配和拆卸的困难和损坏。

T5-3

1.3钛及钛合金的特性和用途

纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K ，比钢高近500K。

钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。

钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。

钒具有“亲生物”性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。

由于钛合金有很强的金属感和很高的强度，目前在手机上的应用也越来越多。参见图T5-4、T5-5

T5-4

T5-5

1.4金属屏蔽盖设计与制造工艺

金属屏蔽盖薄型结构件一般都采用箔材冲压成形。作为结构件，屏蔽盖必须保证具有一定的外形尺寸精度要求，并且要按照薄壁冲压件的特点进行设计。作为屏蔽件，它与电磁场及其频率有关，必须保证一定的电磁性能要求。在SMT组装方面，屏蔽盖是作为一个器件（SMD）来完成焊接工作的。在设计屏蔽盖时，必须同时考虑其结构工艺、电气性能和组装焊接性能等多方面的技术问题。

1.4.1屏蔽盖材料

1.4.2设计要求

设计屏蔽盒时应注意以下几点：

1.屏蔽盒的孔主要用来散热和减轻重量。最大允许孔径与电磁波频率有关。按手机的频率

计算，孔径应不大于φ3mm。

2.屏蔽盒的长、宽尺寸公差一般为±0.10；高度公差为±0.08；平面度误差0.10。大于35mm

时公差值应再加0.05mm。

3.材料的厚度一般为0.13～0.2mm。

4.SMT吸盘尺寸应大于6mm。

5.二件式屏蔽盒的上盖底面应高出下盖底面最少0.5mm，以免SMT焊接时将上盖也焊死。

6.需焊接的底面建议冲成锯齿形，齿间距小于3mm，以使能更好的焊接。

7.最小冲切缝隙为0.8～1mm。

8.上盖尺寸应比下框单边大0.1mm。

9.凹坑与凸起点的作用：一是触点要导电接通；二是锁扣将二件扣住。其结合要保证既压

紧又易取。跌落试验时，不得脱离。结合力一般为20～50N。

10.最合理的材料选择为：镍白铜底＋不锈钢盖。

1.5天线螺母设计要点

手机天线螺母由于结构加工工艺的不同，可分为：热压型螺母、挤压型材型螺母、金属压铸型螺母和薄板冲压型螺母等。

1.5.1热压型天线螺母

热压天线螺母的结构简单、性能可靠，应用较为普遍。这种螺母一般不进行表面处理，必要时可镀金（D2Ni4Au0.2）或镀镍D2Ni5。主要由自动车床完成切削加工。生产热压螺母的厂家均可生产热压天线螺母。

常用的天线螺母规格有：M4、M5、M6等细牙螺纹；

螺母材料：黄铜H59 或CuZn38Pb2；

塑胶压合量一般为0.6～0.7mm（塑胶孔径向差）；

螺母抗拉力约为2000N。

目前，科健公司没有制定关于热压天线螺母的技术参数的检测标准。有关技术参数的确定请参照P.S.M和BOLLHOFF设计指导文件。

1.5.2挤压形材型天线螺母

将铜棒在拉模内拉出具有天线螺母外形的铜条，然后在自动车床上完成天线螺母的全部加工。由于结构工艺简单，容易保证质量，此类型天线螺母应用非常普遍。设计中有关技术数据如下：

形材材料：黄铜H59

（单位：mm）

配合尺寸公差：0

03

.0

拧入端单面倒角：0.5345°

表面处理：D2Ni4 Au0.2

配合表面粗糙度：3.2

1.5.3金属压铸型天线螺母

金属压铸工艺适于大批量生产的复杂形结构件。精密的压铸模具价格较高。

螺母材料：铸造锌合金

表面处理：D2Ni5或D2Ni4 Au0.2

1.5.4冲压天线螺母

用铜带冲压成形。螺纹部分由无切削挤压加工完成。冲挤成形工艺简单、成本低。

螺母材料：黄铜H59

表面处理：D2Ni4 Au0.2或化学钝化

1.6弹片设计要点

手机中的弹片主要有天线弹片、电池弹片、SIM卡弹片连接的卡片等。

1.6.1冷轧碳素钢弹片

由冷轧获得弹性。弹性好、成本低，需表面镀覆。进行防锈处理。如镀锡、镉、锌。主要用于要求弹力大、不需导电的结构件。

1.6.2不锈钢弹片

主要材料有SUS303、SUS304、1Cr18Ni9Ti等。弹性均由冷轧获得，不需表面处理。主要用于弹力要求不大，而对外观及防锈蚀要求较高的弹性零件。

1.6.3磷青铜弹片

不能通过热处理来改善弹性，均采用冷轧磷青铜带制作弹片，表面可镀金、银、镍等成本较低，可用于导电弹片。

1.6.4铍青铜弹片

主要特点是可通过热处理提高硬度和弹性。材料在低弹性下成形，其形状和尺寸更为准确、精密。经回火（时效处理）后可获得较大弹性。表面可进行电镀金、银、镍、镉等处理。工艺复杂、价格较贵，常用于要求弹性较大而稳定的天线弹片、电池弹片等处。

1.7螺钉、螺母及弹簧设计要点

1.7.1螺钉

手机常用螺钉主要有3种：M1.6、M1.4及自攻螺丝。

螺钉生产自动化程度很高，一般工序如下：

由盘状钢丝在自动机上冲螺钉头、切断→滚丝机上滚丝→热处理→表面处理→包装

1.7.1.1螺钉用材料

手机常用螺钉材料如下：

1.低碳钢：一般用于较大尺寸的螺钉（M2以上），可不进行热处理。

2.中碳钢：小螺钉需要有一定强度。一般采用中碳钢加热处理强化提高硬度（HRC40～45）。

3.不锈钢：耐腐蚀、不需表面处理。但一般不锈钢均无磁性，不能用带磁性螺丝刀进行装

配。

1.7.1.2螺钉的表面处理

钢制螺钉必须进行表面处理以防腐蚀，根据需要可能选择不同颜色和不同的金属镀层。常用的种类如下：

1.黑色氧化：螺钉呈黑色。成本低，但易腐蚀、需油封。

2.镀黑锌：D2Zn5 表面呈黑色。镀层厚度5μ应用较普遍。

3.镀黑镍：D2Ni5（黑）。常用于精密机械。

4.镀镍：D2Ni5 表面呈银色。通常较多采用。

5.镀彩锌：D2Zn5，彩色钝化。常用于较大螺钉。

6.镀金：D2Ni4Au0.2，表面呈金色。用于高档机。

1.7.1.3超薄头螺钉

在进行结构设计时，往往由于厚度的原因需要薄头螺钉。一般小螺钉头的厚度大约是0.6～0.8mm。最近由日本OSG公司开发研制的超小型精密螺钉的头部，厚度仅有0.2mm。目前，它在手机、手表、相机以及PDA、VCD等诸多领域中得到广泛的应用。

1.7.2热压螺母

1.7.

2.1螺母压入胶壳后的强度指标

科健公司提出关于M1.6螺母热压后的固定强度指标是：

拉力：125N

扭矩：25N2cm

1.7.

2.2螺母生产厂家

BOLLHOFF：质量好、价格高。螺母材料：青铜CuZn38Pb2

P.S.M：质量较高、价格较低。材料：黄铜（B）

国内厂家：国内生产厂家较多，但质量较差（主要是外圆滚花较差），价格低，多数扭矩指标低。螺母材料：黄铜H59。

1.7.

2.3热压螺母工艺方法

热压质量较好，已有专用热压设备，设备价格低。不建议采用超声压接，超声压接设备很贵。

1.7.3弹簧

1.7.3.1螺旋弹簧加工工艺

螺旋弹簧一般采用冷拉钢丝，在专用的无心绕制设备上，经校直钢丝并调整好直径、螺距、圈数以及拼扣等弹簧参数要求全自动化完成。

根据材料状态的不同以及对弹性性能要求的不同应有不同的工艺安排。如果弹簧材料选为软状态（如退火状态）时，必须在绕制后安排淬火及回火热处理工序。一般用大形或精密弹簧，如选择硬状态材料时，绕制后只需回火处理。一般用于小形的或对力与变形关系要求不严格的弹簧。淬火的目的是提高硬度、增加弹性。回火的目的是稳定尺寸、稳定弹性。

螺旋弹簧加工的全过程大致如下：

弹簧绕制→清洗除油→（淬火）回火→表面处理→检测（包括外形尺寸和弹性性能参数测量）

1.7.3.2弹簧材料的选择

弹簧材料一般都选择具有较高弹性极限的弹簧钢材。如碳素弹簧钢丝、冷拉碳素弹簧钢丝、合金钢丝等。

对于一些对弹性要求不是十分严格的小形弹簧，为了既能防锈蚀又要避开易造成污染的电镀工艺，经常选择冷拉不锈钢丝材料。

1.7.3.3手机用弹簧设计

1.弹簧外形尺寸

一般卡扣弹簧的外形尺寸经常是由结构所限制被确定的，如弹簧外径、工作长度等。而钢丝直径及弹簧圈数等参数则必须由设计者根据弹簧的刚度性能要求进行计算（或试验）来确定。

2.弹簧刚度

装机时，弹簧在正常位置时是被预压的。这个预紧力的大小决定了手感好坏和卡住电池的可靠性。预紧力大手感太硬，预紧力过小电池易脱落。

K699的预紧力选择较为合适，大约在150gf左右；K269预紧力大约为180gf。钢丝直径为φ0.3mm。

3.弹簧材料

手机用弹簧的材料主要有以下二种：

冷拉不锈钢丝SUS 304；

冷拉碳素弹簧钢丝（琴钢丝）

4.选择表面处理时应注意：

不锈钢弹簧——如希望表面银亮时，则要求回火热处理前必须清洗干净，否则表面将呈淡黄色。

采用碳素弹簧钢丝时必须进行表面处理以防锈蚀。最常用的方法是：黑色氧化和镀镍（D2Ni5）。其它镀层也有选用，但镀锌（易产生氢脆现象）；镀镉（易造成环境污染）。