防水手機(jī)中框設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅衛(wèi)強(qiáng)，唐 斌，王理?xiàng)潱罨輧x

（廣東長(zhǎng)盈精密技術(shù)有限公司，廣東東莞 523003）

0 引言

當(dāng)前的手機(jī)中框多采用分體式結(jié)構(gòu)，存在防水性差、密封性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工生產(chǎn)良品率低、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，如采用CNC切削整塊鋁板制得的中框和先鍛造后切削的中框，都存在工藝復(fù)雜、原材料利用率低、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，分析當(dāng)前同類技術(shù)，具體存在如下問(wèn)題。

（1）采用鍛壓不銹鋼胚料的方式一體成型出金屬中框的雛形，再對(duì)該金屬中框的雛形進(jìn)行CNC精加工，一方面，這種通過(guò)胚料成型再精加工的方式，需要切除較多的廢料，材料浪費(fèi)較多；另一方面，不銹鋼胚料的硬度較大，精加工時(shí)刀具的損耗很大，而且速度較慢。上述問(wèn)題導(dǎo)致了傳統(tǒng)的金屬中框生產(chǎn)的生產(chǎn)效率較低，制造成本難以降低。

（2）采用壓鑄的方式進(jìn)行，降低生產(chǎn)成本，但是通過(guò)壓鑄完成的中框結(jié)構(gòu)不夠緊密，表面光澤不好，局部容易形成氣孔或收縮孔，影響鑄件的耐氣密性。

（3）由于手機(jī)為背板、金屬中框、面板等配件裝配而成，各配件之間具有間隙，水分容易通過(guò)間隙滲入到電子設(shè)備內(nèi)的電路，造成電路短路，從而導(dǎo)致手機(jī)不能正常使用。

針對(duì)以上本領(lǐng)域的關(guān)鍵性、共性技術(shù)難題，深入分析了手機(jī)的金屬中框制造工藝，本文重點(diǎn)研究了在保證手機(jī)外觀質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也能降低企業(yè)的制造成本的防水中框結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種全新結(jié)構(gòu)的防水手機(jī)中框。

1 手機(jī)防水設(shè)計(jì)概況

在1999年，愛立信推出全球第一款防水手機(jī)，手機(jī)采用鎂金屬機(jī)身設(shè)計(jì)，縫隙中加入橡膠處理，保證手機(jī)的防水性能；進(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代后，在2012年索尼移動(dòng)將防塵防水功能列入手機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，防水級(jí)別達(dá)到IP65/IP68水準(zhǔn)；在2016年，三星再次把防水功能拉入旗艦智能手機(jī)的行列。可見防水手機(jī)不斷完善，甚至被作為高端手機(jī)的重要條件。

一般防護(hù)設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：材料防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)、工藝防護(hù)[1-2]。

（1）材料防護(hù)

材料防護(hù)主要指正確、合理地選材，同時(shí)通過(guò)金屬材料的冷、熱加工和熱處理工藝措施改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，非金屬材料的改性處理以進(jìn)一步提高材料的抗蝕能力。

目前外殼、中框一般選用鋁合金金屬材料，耐腐蝕性能好、耐老化。而非金屬材料，從最先得ABS塑膠材料漸漸變?yōu)榫厶妓狨ィ≒C）材料，現(xiàn)在大量使用的是PC+ABS材料。目前也有使用PC+纖維，該材料沖擊、耐腐蝕，在一定程度上提高了其抗彎強(qiáng)度，有效保證了密封的可靠性[3]。2020年OPPO推出的Find X2 Pro皮革版，引入皮革材質(zhì)的機(jī)身設(shè)計(jì)，提高手機(jī)的防水防塵等級(jí)，實(shí)現(xiàn)IP等級(jí)里面最高的IP68[4]。

（2）結(jié)構(gòu)防護(hù)

對(duì)于三防手機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮外殼的結(jié)構(gòu)，第一種是直接運(yùn)用一體成型的工藝，可確保外形結(jié)構(gòu)不易變形，并且鋁鎂合金一體成型的機(jī)身的防水防塵性能也十分優(yōu)良。第二種采用橡膠和塑料結(jié)合的材料作為外殼，將塑料部分先進(jìn)行注塑措施，目的就是先確保手機(jī)外殼的強(qiáng)度，以達(dá)到手機(jī)抗擊外界摔擊的能力，再進(jìn)行橡膠材料的注塑，能有效保證密封的效果，進(jìn)而加強(qiáng)抵抗外界灰塵和抵抗外界水流的能力[5-6]。

（3）新工藝防護(hù)

納米防水處理工藝。納米防水涂層就好像荷葉的表面，具有疏水、不吸水的表面，落在上面的液體會(huì)因表面張力的作用形成水珠。納米鍍膜則是在手機(jī)生產(chǎn)線的中后期加入一道工序，通過(guò)霧化鍍膜的方式在手機(jī)電路板、外殼、耳機(jī)孔、充電口等部位用斥水涂層覆蓋表面，為手機(jī)加上最后一道屏障。但納米防水涂層防水能力比較弱，并不能長(zhǎng)期浸泡在水中，僅能防波濺[7]。

陽(yáng)極氧化工藝。鋁及鋁合金通常采用電化學(xué)氧化或?qū)щ婈?yáng)極氧化處理來(lái)達(dá)到防護(hù)的目的。導(dǎo)電氧化膜除了具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和吸附能力外，還能導(dǎo)電，所以經(jīng)常用于面板、儀表板的防護(hù)處理。對(duì)于耐磨表面的鋁合金零件采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理。

封閉絕緣工藝。封閉絕緣工藝包括注塑工藝和密封圈。注塑工藝就是用熱熔狀態(tài)的樹脂、橡膠等材料，通過(guò)澆口填充，可以保護(hù)電子元件避免潮濕、腐蝕外，還可以避免強(qiáng)烈振動(dòng)、沖擊及溫度劇烈變化等對(duì)電子元件的不良影響。密封圈，由于手機(jī)上有些組件是突起的，比如按鈕、接口、卡托等組件，大部分的手機(jī)使用密封膠圈進(jìn)行防水，一般防水手機(jī)的SIM卡托就能看到明顯的橡膠圈，像是充電接口的內(nèi)部同樣有橡膠圈進(jìn)行保護(hù)[8-9]。

2 防水手機(jī)中框設(shè)計(jì)

2.1 榫卯式加工工藝設(shè)計(jì)

自2009年以來(lái)，手機(jī)外觀件從塑料到金屬、后殼到中框不斷的革新改變，加工工藝也日漸成熟。近年來(lái)，手機(jī)外觀件加工主要以板材全CNC工藝、型材鍛壓加CNC工藝、壓鑄加CNC工藝等3種方式為主，但這些工藝均采用單一材質(zhì)，致使手機(jī)外觀件加工存在制造成本高、材料利用率低、生產(chǎn)效率低等缺陷。

針對(duì)現(xiàn)有工藝成本高、效率低等缺陷進(jìn)行新工藝創(chuàng)新改善，開發(fā)榫卯式加工工藝。榫卯式工藝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由外觀材質(zhì)邊框（如高強(qiáng)度鋁、不銹鋼、鈦合金等可做高亮外觀材質(zhì)）和壓鑄鋁/鋁中板、塑膠3部分組成，此工藝產(chǎn)品相對(duì)于現(xiàn)有工藝鋁中框強(qiáng)度以及外觀效果大大提高，相對(duì)于不銹鋼中框重量、加工工時(shí)、加工成本大大降低。

通過(guò)鉚接方式裝配中板與邊框。本防水式手機(jī)中框在中板上設(shè)置有卡接部，在邊框朝向中板的一端設(shè)置有卡接槽，卡接部最外端的外形大小與卡接槽的外形大小相對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)邊框與中板的緊密連接。與現(xiàn)有手機(jī)中框的加工工藝相比，該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的中間廢料非常少，材料的利用率達(dá)到90%以上，大大降低了廢料的處理時(shí)間，而且工藝也變得更簡(jiǎn)單易和操作，大大提高了加工效率。同時(shí)避免了因金屬中框自身結(jié)構(gòu)的限制而導(dǎo)致難以走刀或走刀次數(shù)增加的現(xiàn)象，這樣節(jié)省了CNC工藝的加工量，減少了對(duì)異形刀具和夾具的使用，有利于提高中板和邊框的表面處理質(zhì)量。

圖1 鉚接方式示意圖

2.2 納米級(jí)防水工藝

手機(jī)中框屏幕面和后殼面邊框、中板結(jié)合位會(huì)有細(xì)微縫隙，防水性能弱。因此，在中框與中板之間設(shè)置密封件。將第一密封件與第二密封件設(shè)置或直接注塑成型于邊框和中板的縫隙中，其中，第一密封件與面板抵接，第二密封件與背板抵接，使手機(jī)中框具有良好的防水性能，從結(jié)構(gòu)上杜絕了外部滲水對(duì)手機(jī)內(nèi)部的影響，解決了因產(chǎn)品外部磨損而影響產(chǎn)品防水的問(wèn)題，從而可大幅度地提高產(chǎn)品的防水年限。

具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）第一密封件和第二密封件位于邊框和中板的縫隙中，不易脫離中框，防水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而大幅提升手機(jī)的防水年限；

（2）第一密封件與面板抵接，第二密封件與背板抵接，既可以使手機(jī)各配件緊密連接，又具有較好的防水性能；

（3）中框、邊框均為金屬材料制備而成，如鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)、鋁鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)、鈦鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)，滿足消費(fèi)者對(duì)手機(jī)質(zhì)感的需求；

（4）具有防水功能的第一密封件和第二密封件制作在手機(jī)內(nèi)部，不用給手機(jī)外部套上防水套，使得人手可以與手機(jī)直接接觸，提高人對(duì)手機(jī)的操作手感。

圖2 防水手機(jī)中框設(shè)計(jì)

2.3 密封件材料

第一密封件和第二密封件所使用的塑膠材料主要由聚苯硫醚（Phenylene sulfide，PPS）制成，聚苯硫醚是以苯環(huán)和硫原子交替排列構(gòu)成的線性或略帶支鏈的高聚物，分子鏈規(guī)整體性強(qiáng)，由剛性苯環(huán)與柔性硫醚鏈連接起來(lái)的主鍵具有剛?cè)嵯酀?jì)的特點(diǎn)；由于苯環(huán)與硫原子形成共軛，且硫原子尚未處于飽和，經(jīng)氧化后可使硫醚鍵變成亞砜基，或使相鄰大分子形成氧橋支化或交聯(lián)，使得熱、氧穩(wěn)定性十分突出；由于硫原子的極性被苯環(huán)共軛及高結(jié)晶度的束縛，使PPS呈現(xiàn)非極性或弱極性的特點(diǎn)，因此PPS的電絕緣性、介電性、及耐化學(xué)介質(zhì)性也很突出。因此，減少塑料收縮率，提高密封材料的剛度，具有強(qiáng)度高、輕量化、易成型、加工穩(wěn)定、防水性能優(yōu)異等特點(diǎn)。此外，該聚苯硫醚還添加有玻璃纖維GF，限制了塑料的高分子鏈間的相互移動(dòng)，使得塑料的收縮率大幅下降、而剛性則大幅提升。

3 創(chuàng)新性

創(chuàng)新設(shè)計(jì)了行業(yè)復(fù)合金屬鉚接式中框結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝。原有技術(shù)的中框工藝有兩種，一種是CNC切削整塊鋁板，另一種是先鍛造后切削，以上兩種工藝都存在工藝復(fù)雜、原材料利用率低、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。本文的防水手機(jī)中考設(shè)計(jì)打破行業(yè)固有思維，重新設(shè)計(jì)中框結(jié)構(gòu)，采用邊框與中板鉚接的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，邊框采用硬度較低的鋁合金，直接將邊框折彎鉚壓于中板即可制成手機(jī)中框，加工效率大幅度提升。

大幅提升手機(jī)中框性能和生產(chǎn)效率。本文介紹的納米注塑防水密封技術(shù)，在中板的正反兩面注塑聚苯硫醚改性材料，通過(guò)E處理工藝在中框、中板表面形成眾多納米小孔，注塑時(shí)聚苯硫醚改性材料滲透至納米孔洞內(nèi)形成錨栓效應(yīng)，增強(qiáng)塑膠與金屬的結(jié)合力。還利用該材料熱、氧穩(wěn)定性好、電絕緣性、介電性、及耐化學(xué)性質(zhì)突出的優(yōu)點(diǎn)，使中框具有優(yōu)異的防水性能。在制造工藝方面，原本的CNC工藝制造的中框，在粗加工至少需要4道工序，本文設(shè)計(jì)的防水的中框只需在邊框和中板鉚壓完成后焊接固定，一共兩道工序即可完成，節(jié)省2道工序，生產(chǎn)效率大幅提升。

4 與常規(guī)工藝對(duì)比

相對(duì)于常規(guī)工藝，榫卯式加工工藝通過(guò)邊框與中板分開式加工主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面。

（1）材料兼容性強(qiáng)。可適用多種金屬材質(zhì)，根據(jù)材料特性的不同，只需設(shè)計(jì)不同形式鉚接配合結(jié)構(gòu)即可，制程相同，實(shí)現(xiàn)材料兼容。

（2）提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性，對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)CNC加工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)榫卯式加工工藝也能輕松實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大增強(qiáng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新活力。

（3）鉚接新工藝兼容性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)同種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同材質(zhì)產(chǎn)品快速驗(yàn)證，其模治具共用，只需更換刀具材質(zhì)，微調(diào)加工編程參數(shù)，節(jié)省不同材質(zhì)工藝研發(fā)驗(yàn)證時(shí)間。

（4）生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)。

（5）防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升中框產(chǎn)品防水等級(jí)。

鉚壓新工藝與常規(guī)工藝效果對(duì)比如表1所示。

表1 鉚壓新工藝與常規(guī)工藝效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防水性差、生產(chǎn)良品率低、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低等關(guān)鍵性、共性技術(shù)難題，提出了金屬中框的鉚接結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)新性地將鉚接工藝與注塑成型工藝相結(jié)合，替代CNC切削整塊金屬板材的中框生產(chǎn)工藝，且將PPS與玻纖混合形成改性材料進(jìn)行注塑，利用該改性材料剛性強(qiáng)、耐磨性能突出、與金屬粘接性能優(yōu)異等特點(diǎn)，提升中框防水性能，解決了目前智能手機(jī)金屬中框及其加工領(lǐng)域的關(guān)鍵性及共性的技術(shù)難題，對(duì)改進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)的手機(jī)中框生產(chǎn)工藝具有重大技術(shù)影響和現(xiàn)實(shí)意義。