硅胶件设计指南Word下载.docx
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生化试剂厂
供应商资源开发部
机加中心
计划部
采购部
生产管理部
生产工程中心
财务管理部
财务部
总裁办
办事处
由:
质管部
第1章概述
1.1硅胶的特性及用途
硅胶是橡胶的一个种类,是二甲基硅氧烷的聚合物。
硫化后的硅橡胶具有耐热、耐寒、耐臭氧、耐大气老化及很好的电绝缘性能。
硅橡胶的缺点是扯断强度和扯断伸长率较小,压缩变形大。
它适用于制作在高温、低温、阳光、大气、臭氧环境中使用的零件以及电绝缘零件。
1.2尺寸精度概述
硅胶材质是弹性体,相比于塑胶材质,其收缩率的直接影响因素多而复杂,精度比塑胶件更难做准,一直是该行业最复杂的问题之一。
在具体设计中应充分考虑到这一点,不应有精度高的地方。
2.1.1推荐标注公差
硅胶按键的推荐标注公差不得严于下表:
尺寸
L<
10
10<
L≤100
L>
100
公差
±
0.05
±
0.10
0.1%*L
如果基本尺寸太大,无法满足设计上要求的尺寸精度,可用定位柱配基片变形的方法解决,见2.9节。
对尺寸精度有所要求的地方,设计上须留有方便修模的余地
2.1.2推荐未注公差
下表可作为硅胶件的未注公差参考:
L≤20
20<
L≤30
30<
L≤50
50<
0.08
0.15
0.20
0.4%*L
0.5%*L
1.3推荐优选材质
下表材质是目前我公司按键类产品用得较成熟的材质,推荐选用:
材质
硬度(ShoreA)
比重(g/cm3)
颜色
抗拉强度MPa
撕裂强度KN/m
伸长率%
收缩率%
寿命
KE-951U
50
1.15
乳白色透明
8.8
12.7
350
3.8
普通
TSE6016US
1.16
8.7
25
3.9
KE-5141-U
40
1.06
4.7
8.0
470
4
高
为方便转厂,普通寿命情况下图纸上可以标明两种材料:
KE-951U或TSE6016US。
1.4蚀刻文字与图案
硅胶基片上可设计出商标图案及文字,在成型制品时同时成型出来。
制品上的图案及文字有凸型和凹型两类。
考虑到模具加工的方便性,一般均设计成凸型的。
为更换标记或型号方便起见,在进行模具设计时,可将标记部位设计成镶件形式,当产品型号改变时,只更换模具型腔中标记部位的镶件就能够满足标记更换的需要。
作为这类制品零件的设计,应当允许在其标记部位镶拼块的轮廓线处有飞边残迹存在。
第2章硅胶按键设计
2.1硅胶按键典型结构
硅胶按键典型结构如图:
图1按键典型结构及各部位名称
基片厚度可取0.8~1.2mm,过厚的基底会增加收缩率,影响尺寸精度。
对于导电橡胶,行程一般取0.8~1.5mm为宜;
排气槽(即气坑)是为防止按键动作过程中与PCB板间产生吸附现象而设,排气槽的结构尺寸见2.6.3节。
对于轻触开关,行程取决于开关自身的行程(及防误操作的行程),见后述。
如基片不贴合PCB板,则可省去空气槽这一结构要素。
斜臂及导电粒后续介绍。
2.2按力-行程曲线图介绍
要做好按键设计,需要较好地了解按力-行程曲线图。
图2按力-行程曲线图
该图中,红色线为按压力与行程的关系,绿色线为回弹力与行程的关系。
按键设计有个手感问题,不同的曲线图对应不同的手感,根据经验,当(FP-FC)/FP在40%至60%时,手感较好。
2.3按键典型结构形式及应用
根据按键使用的具体场合,以及产品对按键的寿命、按压力、手感等具体要求,按键结构形式及应用如图3所示。
硅胶按键的寿命与材质及斜壁结构直接相关,根据设计需求来定。
部分产品硅胶按键寿命参考:
遥控器类:
50万次;
电话机类:
100万次;
手提电脑:
400万次~500万次;
电脑键盘:
500~1000万
监护类产品硅胶按键寿命定义为50万次以上;
B超硅胶按键的普通寿命定义为100万次以上,高寿命定义为400万次以上。
图3按键典型结构应用参考
2.4斜臂的设计
按键形状和按键的尺寸会影响到按键的手感,其中斜臂设计是获得良好手感的关键。
斜臂是按键与基片相连接的过渡部分,斜臂壁厚与斜臂形式直接影响按压力、按压手感及按键寿命。
2.4.1斜臂的形式对“按力-行程曲线”的影响
斜臂典型形式有圆锥形、拱形、平坦型,三种形式各有特点:
圆锥形斜臂,手感节奏明显,按压力大;
拱形斜臂按压力小,手感差,寿命长;
平坦型斜臂则自身不反弹,无按压手感。
斜臂的形式对“按力-行程曲线”的影响及适用范围如图4所示。
图4斜臂形式对按力-行程曲线的影响
2.4.2斜臂的厚度、角度、行程及材料对“按力-行程曲线”的影响
斜臂的厚度、角度、行程及材料对“按力-行程曲线”的影响如图5。
硅胶硬度通常采用邵氏硬度表示,又叫邵尔A硬度,度数0~100。
原材料厂家的供货规格误差一般在±
5度,有特殊要求时,生产厂自身能调配±
2~3度。
一般操作面板按键类,硬度取45±
5或50±
5度。
普通寿命建议尽量选单一硅胶材料,硬度指标在图纸的技术要求里同时予以明确,注意与1.3材料栏一致。
图5斜臂厚度、角度、行程及材料对“按力-行程曲线”的影响
2.4.3斜臂的压力设计
须根据不同按键大小设计不同的按压力要求,若不分大小设计成一种按压力,会导致大的按键总体手感轻,且不易反弹,二者应成相对的正比关系。
峰值按力的制作误差为±
15%~20%。
推荐如下:
小小按键(参考面积40~95mm²
):
80g±
15%
小按键(参考面积95~175mm²
100g±
中小按键(参考面积175~350mm²
130g±
中大按键(参考面积350~630mm²
170g±
大按键(参考面积630~950mm²
210g±
对于导电橡胶按键,推荐使用圆锥形斜臂结构,其斜臂角度宜控制在45°
至60°
之间,以获得较为清晰的节奏感。
斜臂的水平宽度尺寸一般情况推荐设计为1~1.2mm。
如下图(按这设计后,上述按键要求按压手感基本接近):
图6圆锥形斜臂尺寸推荐
与轻触开关配合使用的按键,其弹力主要由轻触开关提供,该种按键的斜臂可以设计成平坦斜臂,装配后按键的弹力由轻触开关的弹力和斜臂的弹力合成,按键的行程为轻触开关的行程+间隙,注意间隙不得太大,推荐间隙0.2,间隙太大手感不好。
下图是推荐的两种平坦臂结构形式:
图7与轻触开关配合使用的平坦臂尺寸推荐
图8外部覆盖式配轻触开关使用的平坦臂尺寸推荐
斜臂设计只是模型搭建及图纸推荐,但厂家会结合按压力要求、寿命要求及斜臂结构做适当调整。
2.5导电粒与导电油墨
2.5.1导电粒
为取得良好得导电性能,在按键底部成型一颗导电粒,当接压按键时,导电粒会接触PCB导通电路。
导电粒主要由碳粉与硅橡胶混合制成的,通常其硬度在70度左右,形状通常为圆形,根据导电要求可选择不同的导电粒,如低电阻黑粒,金属粒。
导电粒的结构尺寸见下图所示:
图9导电粒的结构尺寸
导电粒的直径规格有:
2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、8.0mm。
厚度有:
0.4、0.5、0.6mm。
2.5.2导电油墨
另一常用的导电方式,是丝印导电和移印导电。
导电油墨被印刷于按键底部,可印刷不同形状和尺寸。
但印刷导电的寿命比导电粒短,且电阻较大。
导电油墨的常见形式见图10,其厚度为25~40微米。
图10导电油墨的形式
2.5.3一般导电粒规格
一般导电规格:
黑粒:
250克力下的PCB板上测试<
150OHM
移印导电:
100OHM
丝印导电:
250OHM
2.6基片的设计
基片上的主要结构要素如下所述。
2.6.1密封骨
密封骨形式见图11,密封骨可防止灰尘和水气的进入。
图11密封骨
2.6.2C形坑
C形坑可沿PCB的外缘包裹PCB板,见下图所示:
图12C形坑
2.6.3排气槽
排气槽位于按键与PCB板之间,当按下按键时,空气会沿着排气槽排出。
当放开按键时,空气会沿着排气槽回流,使按键回复到原来位置。
排气槽的形式、尺寸可参考下图:
图13基片排气槽
2.6.4基片开孔
1)基片上开孔时,出模后在制品开孔部位往往残留披锋状薄片,需手工剔除,考虑到工艺及产品使用过程的基本强度需要,圆孔边缘距斜壁至少应有2mm以上的距离,距基片边缘也至少应2mm以上的距离。
当开孔为方孔时,该值至少为3mm(开方孔时注意方孔四角倒圆角,避免应力集中)。
图14基片开孔注意事项一
2)当基片与PCB板有螺钉连接时,需注意一定要把基片孔开通,不然在拧紧螺钉时,基片会受到扭力,而使按键手感、动作失常。
如下图示意:
图15基片开孔注意事项二
2.7硅胶导光柱
因硅胶成型的特殊性,可将局部透明结构与半透明的按键部分成型于一体,故对面板上有发光指示的小孔,往往直接在硅胶按键基片上成型导光柱,用以导出LED的光。
也可单独直接用硅胶制作导光柱,见下图示意,具体设计须结合灯的形式变通。
图16导光柱结构示意
2.8键体设计
2.8.1整体按键应遵循的最小尺寸
整体按键各结构要素设计应遵循下图所示的最小尺寸:
图17标准按键最小尺寸
2.8.2键体与机壳的间距
对于带导电粒的键体与机壳的间距设计见图18所示:
图18带导电粒键体与机壳的间距
对于配轻触开关的按键,设计按键凸出距离,无需保证图18所示的“行程加至少0.6”。
而按下述原则设计:
从方便操作、不卡键考虑,按键凸出需加大;
从外观考虑按键凸出又不宜过大。
以下计算公式适用于小按键,如中、大按键,可根据外观需要适当放大尺寸。
图19配轻触开关键体与机壳的间距
参考图19,其中:
D为按键空行程,一般取:
0.2mm,对于有防误操作要求的按键,可放大至0.5~1mm。
A为按键顶端到机壳按键孔壁外拐角的高度,推荐设计:
A=轻触开关行程+D+0.8~1.2(根据按键大小取不同值)
B为按键圆角与直边相接点到机壳按键孔壁外拐角的高度,推荐设计:
B=D+0.2~0.4
注意,在完全压实按键后,因硅胶会变形,要考虑按键拐角在高度方向上至少高于孔壁内拐角1.5mm。
即须同时满足下面条件:
C为按键拐角到机壳按键孔壁内拐角的高度,推荐设计:
C≧轻触开关行程+D+1.5
对于防误操作按键沉入面壳内时,A、B无需按上述原则设计,按:
B设计为负数,A根据操作功能设计;
C按上述原则设计。
机壳模具设计上需保证分型面在内拐角而不要在外拐角(而且从模具加工、fit模及修模容易考虑,按键孔建议做一个内台阶沉孔、沉孔面为平面),其批锋方向在模具结构允许的条件下,最好沿图示的孔壁垂直方向。
2.8.3按键面的形式
常见按键面的形式如图20所示:
图20常见按键面的形式
2.8.4按键拔模角
拔模斜度与零件出模方式密切相关。
对于模压成型的硅胶零件,零件高度(沿出模方向)在(约)10mm以下时,可做成零拔模。
高度更高时,一般取1至1.5º
都已足够,见下图示意。
对有特殊表面处理的则应视具体情况而定。
图21按键的拔模角度
2.8.5按键稳定柱
键体较高的按键需增加稳定柱,以减低按键的摆动幅度。
稳定柱的设计可参考图22:
图22按键的稳定柱
当空间允许时,稳定柱面积应适当做大。
2.8.6按键的透光
当按键透光时,需注意根据按键大小布置LCD灯的数量及位置,避空导电粒及稳定柱,注意发光的均匀性,而且即要透光又不能看到光源的轮廓。
需注意,颜色及透明度在图纸上是较难描述的,其合格与否涉及发光元器件等因素,须与具体PCB板、甚至具体面壳装配后看效果,需经过打样、试装配、反馈意见修正来达到产品要求,最终以签样合格为准。
2.9定位柱设计
定位柱有拉伸型定位柱、推伸型定位柱及倒勾式定位柱,
定位柱把基片固定于PCB板上,使其成为一体,便于生产装配,同时也可协助定位。
如下图所示。
图23拉伸型定位柱
图24推伸型定位柱
图25倒勾式定位柱
对于较大尺寸的零件,如果按键公差无法满足设计要求,可以用定位柱配合精度较高的PCB或胶壳,保证装配后按键中心准确,这种情况建议在基片上设计易变形结构,或者局部做薄,使其易变形,调节尺寸公差,如图26。
用凸起结构调整公差
用局部薄壁调整公差,薄壁厚度可设计为0.5-0.8mm
图26基片上变形结构
2.10按键的表面处理
2.10.1丝印
各类数字、文字或图形可通过丝印直接印刷于按键表面,丝印的线条宽度最小可做到0.3mm,丝印处与按键边缘一般应留有至少0.5mm的距离。
在上凸和下凹的键面上都可做丝印,但过于凹凸会给丝印带来困难,可参考下图:
图27丝印表面的曲率参考
2.10.2表面喷涂
为增加按键丝印的耐磨性,可在按键表面喷涂上一层涂料。
丝印后的表面处理一般有:
喷一般雾面、喷金油、喷耐磨油以及滴胶等,应在图纸技术要求上注明。
对其耐磨性能测试有纸带耐磨测试(RCA)及橡皮耐磨测试二种,该二种方法意义相同。
橡皮耐磨测试常用荷重有200g和500g,橡皮头的硬度有40度和70度二种,一般要求为来回磨1000至1500次为合格,做到2000次为较高的要求。
纸带耐磨测试常用荷重有150g和175g,分点放式与平拉式二种,点放式是纸带按一定频率间断性地磨擦按键表面,平拉式则是连续磨擦。
相对而言,纸带耐磨测试比橡皮耐磨测试更严酷一些。
Motorola手机按键为40圈的样子。
通过以上测试合格后,究竟对应于产品能耐10年还是15的使用,生产厂家目前没有这方面的数据积累。
可以考虑用喷雾面油的方式来防止卡键,目前我公司喷耐磨胶PU9769(金允通公司)。
但需注意,喷雾面油会增大按键按压力、降低按键寿命、会使按键颜色变得更黄些。
2.10.3镭射雕刻
镭射雕刻是用激光去除表层油墨,露出底层油墨的一种雕刻工艺,可刻出各种图案、文字。
见图28所示:
图28镭雕按键的剖面结构
2.10.4滴塑
按键表面滴塑,又称滴胶,滴塑可改变按键顶面的形状,起装饰及保护丝印作用,分滴软胶和硬胶二种,由手工用滴管操作,故一般不适用于按键外表下凹的状态。
按键下凹时,可以滴胶,但质量不易控制,故有滴塑要求时,按键面不能做凹面形状。
滴胶层厚度为中间厚边缘薄,中间厚度一般在0.4至0.7mm。
目前滴软胶较普遍。
图29按键滴塑
2.11按键的防误操作
按键的防误操作,在结构上可考虑按键适当低于面板(图30),或面板上局部凸起高于按键面;
当有开关时,还可考虑硅胶按键与开关间设计0.5~1mm左右的空行程(图30,尺寸0.5)。
总的一个指导思想是需要特意操作才能使按键起作用,视具体产品而定。
图30按键的防误操作及防泼洒
第3章橡胶模压制品的缺陷分析
了解硅胶件的缺陷产生原因,对制品设计、生产跟进、零件检测、合格品签样等有很大帮助。
硅胶件的生产手段主要是模压成型。
橡胶类模压制品产生废次品的原因较多,但主要有下列几种情况:
1)橡胶收缩率计算不准。
2)成型、硫化工艺不正确。
3)模具结构不合理。
4)胶料本身存在缺陷。
5)制品尺寸公差过小。
橡胶模压制品的废次品分析见下表:
表1橡胶模压制品的废次品分析
序号
废品类型
废品特征
产生的原因
1
尺寸不准
制品厚度不均,外形尺寸超差。
a)设备模具平行度不良;
b)收缩率计算不准;
c)模具加工不良。
d)硫化烘烤温度不当。
2
缺胶
制品没有明显的轮廓,其形状不符合图样要求;
制品有明显的轮廓,但存在局部凹陷、欠缺。
a)装入的胶料重量不足;
b)压制时上升太快,胶料没有充满型腔而溢出;
c)排气条件不佳。
3
飞边增厚
制品在模具分型处有增厚的现象。
a)装入的胶料超量过多;
b)模具中没有必要的余料槽或余料槽过小;
c)压力不够。
气泡
制品的表面和内部有鼓泡。
a)压制时型腔内的空气没有全部排出;
b)胶料中含有大量水分或易挥发性物质;
c)模具排气条件不佳。
d)装入的胶料重量不够。
5
凸凹缺陷
制品表面有凸凹痕迹(如低洼、麻点)。
a)模具工作面留下的加工痕迹;
b)胶料本身有缺陷(如粘度大或超期);
6
裂口
制品上有破裂现象。
a)起模取出制品时注意不够;
b)因型腔内涂刷隔离剂过多而造成胶料分层的现象;
c)模具结构不合理。
d)胶料成型方法不正确。
7
皱折、裂纹、离层
制品表面皱折;
制品表面和内部有裂纹或离层的现象。
a)型腔内装入了脏污的胶料;
b)型腔内涂刷隔离剂过多;
c)不同胶料相混;
d)工艺操作(成型、加料方法)不正确;
e)胶料超期。
8
杂质
制品表面和内部混有杂质。
a)胶料在塑炼、混炼及保管、运输过程中混有(入)杂质;
b)模具没有清理干净(包括飞边、废胶未清理干净)。
9
分型面错位(缝)
制品在分型面处有明显甚至较大的错位。
a)模具制造精度误差和加工精度不准;
b)模具定位不良。
卷边(缩边)
制品在分型面处有明显的向内收缩的现象。
a)胶料加工性能差;
b)模具结构不合理(厚制品应采用封闭式结构模具和合理开设余料槽)。
11
表面质量不好
制品表面粗糙度不符合有关标准的相应要求。
a)模具型腔表面粗糙度不够细;
b)镀铬层有部分脱落;
c)有些胶料腐蚀型腔表面。
12
结合力不强
金属嵌件与橡胶结合不好
a)金属嵌件镀铜或吹沙的质量不好;
b)没有严格执行涂胶工艺规程(包括使用过期胶粘剂或混炼胶);
c)压制地点的相对湿度太大;
d)胶料与金属粘接剂选择不当。
13
孔眼
制品有孔眼缺陷。
a)杂质脱落;
b)气泡破裂;
c)装入的胶料重量不够。
14
接头痕迹
制品有接头痕迹
a)成型、加料不正确;
b)模具结构不合理;
c)胶料流动、结合性能差。
附录A:
硅胶按键图纸技术要求
以下为硅胶按键图纸的技术要求,工程师可根据需要摘取其中的适合项。
1.按键寿命:
编号为1-15#按键的寿命为400万次以上,其余为100万次以上。
2.按键峰值按力(平臂型按键此点要求不适用):
A、B详图所示键:
20g;
C详图所示键:
30g;
其余按键:
15g。
要求各键“按力—行程曲线图”波形特征相似,各键手感相同。
3.3D模型之斜壁厚度、角度为参考尺寸,须以满足上述按键峰值按力要求为准(平臂型按键此点要求不适用)。
4.已注公差尺寸为关键尺寸,须确保制作精度;
所有定位柱、按键中心位置公差为±
0.1;
其它未注公差尺寸,按下表公差要求:
0.4%
0.5%
角度公差要求:
0.2°
。
5.未注尺寸、不规则曲面及拔模斜度严格按3D模型制作。
6.硅胶硬度:
肖氏硬度(SHOREA)xx度±
5度(普通寿命推荐单一材料设计,硬度50±
5度或45±
5度)。
7.零件飞边(溢边)的成型位置须经迈瑞公司确认,飞边需清除干净,飞边厚度不得大于0.15mm。
8.颜色:
颜色按迈瑞公司色板制作,色号为MRxxx。
透明度(视产品要求):
本件为半透明件,要求透光均匀,亮度适中;
半透明程度须满足迈瑞公司要求,通过试制调整。
以上要求之合格制品,以签样为准。
9.滴塑层(视产品要求):
本件表面丝印后滴软胶,要求滴胶牢固、无脆性,色泽晶莹。
注意图面尺寸为滴胶后尺寸。
10.镭射雕刻(视产品要求):
1~5#按键需进行镭射雕刻,要求如下:
底层喷字符要求的xxxxx色号油墨,第二层喷外观要求的xxxxx色号油墨,要求所雕刻的字符、图案边界清晰。
11.表面丝印(或镭雕)后,喷金允通公司KW胶KT-01B10PT。
丝印、喷油的检测需符合迈瑞公司《q-t-002-05-i通用塑胶件检验规范》耐磨、耐化性要求。
(KW胶主要是提高了耐磨、耐酒精;
如果没有丝印或有滴胶要求,可以不喷或把KW胶改为雾面油PU9769。
按键面喷雾面油PU9769可有效避免卡键,但PU不耐酒精,而且有发黄、降低寿命的风险。
12.严格控制产品质量,表面和内部不得有气泡、裂纹、离层等缺陷;
按键本体色泽须均匀一致,无缺胶、麻点、孔眼、杂质、刮痕等任何外观缺陷。
13.本件每一按键均带导电粒,尺寸规格如图有Ø
3.5和Ø
5二种。
导电规格要求:
250g力下的PCB板上的测试<
200ohm。
14.制品必须进行二次硫化,确保使用过程中无硅油等挥发物析出。
15.背胶要求(视产品需要):
按图示位置背胶,不干胶使用3M9731硅胶专用胶。
16在指示区域蚀刻零件编码及版本、模穴号。
附录B图表目录
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部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 硅胶 设计 指南
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