rubber key.doc

1Rubber Keypad Research Report第一章 问题的提出 一. Out of Spec问题. 一直以来, 很 多Rubber Keypad来货 Out of Spec, 包括Force, Click等导致一系列 的品质问题.一方面由于模具生产维修造成的变化及老化; 另一方面由于我公司部分 图纸规定的Spec不恰 当, Vendor根本做不到或者很 难做到. 例如某Model Keypad P/N: 39-4033, 图纸规定AF值为135(20, RF为90(10, 未规定Click值,Vendor做不到. 二. 对Silicone Rubber Keypad的认识. 长期以来, 我们对Silicone Rubber Keypad弹力曲线缺乏认识, 对Tooling的制作 和维护,对 Rubber Keypad成型 工艺等认识不深, 这需 要我们全面地, 深层地认识它.三. 期望对一些长期以来, 悬而未的问题进行解. 如我公司RMA机Rubber Keypad 表面油污的产生及防止. 本报告根据我们多年来积累的经验以及对Vendor访问的记录,希望能对我公司以后设计Rubber Keypad及对其品 质控制有所帮助. 同时, 也可能有不确切或不完善的地方. 我们希望今后能进一步对Keypad进行深入的分析, 使本报告不断完善.第二章 Rubber Keypad材料Rubber Keypad的原材料主要为硅橡胶, 另还有硫化剂, 色剂和硅油等附加成分.一. 硅橡胶. 硅橡胶即聚硅酮橡胶(Silicone Rubber), 它是一种分子链兼具无机和有机性质的 高分子弹性材料. 柔软且透明, 具有较好的抗疲劳强度和抗撕裂强度. (一). 硅橡胶的合成. 合成工艺路线. CH3 | 硅粉 单体合成 精馏 水解 重组 -(-Si(O?n (线状) | CH3 氯甲烷 Cat: Cu CH3 HCl Cat | CH3 ( Si? Cl | CH31. 单体合成. 硅橡胶的单体为二甲基二氯硅烷 , 目前制取二甲基二氯硅烷的工艺路线普 遍是以氯甲烷及硅粉在氯化亚铜催化剂作用下一步直接合成, 生成甲基硅 烷混合物, 经精馏提纯得产品 二甲基二氯硅烷. CH3 | CH3 CH3 CH3SiCl Cu | | | Si + CH3Cl Cl(Si(Cl + CH3( Si(Cl 精馏 CH3 300320C | | CH3 CH3 CH3 | Cl SiCl | CH3 2. 水 解, 聚合 二甲基二氯硅烷经水解后成环状硅氧聚合物, 再经催化剂催化作用, 形成 线性的硅氧聚合物, 即硅橡胶. CH3 CH3 CH3 CH3 | 水解 | 水洗 | Cat | Cl( Si(Cl ? Si (O?n (环状) + HCl ? Si(O?n (环状) -Si(O?n (线状) | | -HCl | | CH3 CH3 CH3 CH3 (二). 硅橡胶的结构和主要性能. 1. 硅橡胶的结构: CH3 | 硅橡胶的化学结构式为: ? Si (O?n | CH3 (1). 由分子式看, 硅橡胶的主链均由Si(O 组成,键角为109160(,其结合距离 大, 电子密度小, 故链内旋转较易, 呈现出良好的柔软性, 也造成透气,透油等 特性. (2). 由于Si(O的燃烧值106Kcal/mol, 所 以硅橡胶具有良好的耐热性(热光分 解稳定性)和 耐候性. (3). Si(O的燃烧热(结合力)大 ,使硅橡胶对化学药物的不活泼性增加,但由于 d+ d+ d+ 三Si(O(Si三(分极), 使酸盐较易切断硅橡胶的分子链,故其耐化学药品 性 较差 . (4). 由于硅橡胶为无机物主骨格构造, 使其具有较好的硬度.并且在受热时分 解为SiO2产物, 故有较好的难燃性和绝缘性.2. 硅橡胶的主要特性. (1). 物理机械性能:项目比重(25C)硬度抗张强度(kg/cm)延 伸率(%)抗拉强度(kg/cm)压缩量(%)硅橡胶1.111.18408057010010 100MW(250VDC 100MA)2x1014(W-cm)2925kv/mm2.635Mhz14x10-3103Mhz (二). 硅胶类型. 1. 硅胶按 生产地域可分为两大系统: 日本系统和欧美系统. 日本系统材料较为粘手, 但成型性 能较好. 欧美系统材料较不粘手, 但成型性 能稍差于日本系统.2. 硅胶按 其分子结构和性能不同可分为以下四大类: (1). 二甲基系 (发展 初期) CH3 CH3 CH3 | | | ?O(Si(O(Si(O(Si(O?n | | | CH3 CH3 CH3 (2). 甲基-乙烯基系 : 该系对硅胶强度及压缩永久变形量方面进行了改良. CH3 CH3 | | ?O(Si(O(Si(O?n | | CH3 CH=CH2 (3). 甲基-苯基-乙烯基系: 该系具有良好的耐寒性,耐放射性. C6H5 CH3 CH3 | | | ?O(Si(O(Si(O(Si(O?n | | | CH3 CH3 CH=CH2 (4). 甲基-氟化烷基-乙烯基系: 其特性为耐油, 耐溶剂性. CH3 CH3 CH3 | | | ?O(Si(O(Si(O(Si(O?n | | | C2H4 CH3 CH=CH2 | CF3(三) . 应用. 由于各种品 牌的硅橡胶质量参差不齐, 为保证质量, 我们现阶段指 定 Shinetsu (信越),Dow Corning (道康宁),Toshiba(东芝)三种品 牌,而我们keypad供货商大多使用 信 越原料(Shinetsu). 常见的硅胶硬度有40(, 50(, 70(, 80(. 硬度 越高, Keypad手感越好.但硬度太 高会影Keypad的寿命. 硬度越低, 相应成形后的keypad越软,手感较差 , 且key与 塑料孔位摩擦力会增大, 易 造成Jamkey. 故此,我们一般要求材料硬度为60(5(. 为达到我们的要求,供货商现最常使用信越品牌的KE971U(硬度70()和KE951U (硬度50()硅胶各一半混合调配成60(硅胶, 而不直接采用KE961U(硬度60()硅胶. 这是因为KE961U的成型性 能较差, 成型 后较脆, 导致脱模时较易撕裂. 现将KE971U, KE961U, KE951U特性列表如下: 色泽塑性比重硬度强度 v强度u(%)压缩量(%)化强度KE951U透明2501.14519.3380137210C82 phr3.1E5KE961U灰2901.22629.0310146510C82 phr1.8E5KE971U灰3501.30717.3230155811C82 phr2.1E4二. 架桥剂 (硫化剂). 硫化剂作用为在硅胶中与硅胶分子发生交联反应, 改变分子链接构, 而改变生胶 性 能,使之在一次硫化时能够良好成型. (一). 反应过程. 硫化剂用量的多少会影硫化反应速率的快慢, 常用配比为100:0.5,其反应 主要为以下几种: 1. 架桥反应. (-1) | | | | (Si(CH3 +CH3(Si( (Si(CH2 + CH2(Si( (C-2以此反应为优先反应). | | | | 2. 架桥反应(-2) OR | | | | | (Si(CH=CH2 + CH3(Si( (Si(CH2CH2CH(Si( (C-8以此反应为优先反应). | | | | (二). 分类. 硫化剂有多种形态及物态, 但其作用相同. 我们常用的硫化剂为信越C-8和 C-2. 各种类硫化剂和用途列表如下:品名外观加硫化剂成分加量用途C-1白色膏 状苯羬氧化物50%.1.0phr120125C一般mold(薄物)用.C-2白色膏 状二-2,4,二氯苯羬氧化物50%1.5phr120125C常压热空气加硫用C-3白色油灰状Dicumyl peroxide 20%.3.0phr155160C水蒸汽加硫用.C-4灰白硬膏 状Di-t-butl peroxide 20%.2.7phr165170C一般mold用.C-7白色硬膏 状单氯苯苯羬氧化物50%.1.5phr常压热空气和水蒸汽加硫用.C-8灰色膏 状2.5-dimethyl-2.5-bis(t-butylperoxy) 80%.2phr165170C一般mold (厚)用.C-8A半透明膏 状成份同上(80%)0.6phr165170C一般mold (厚)用.C-10褐色硬膏 状含有金盐.无150170C附加mold (厚)用.C-14灰白色硬膏 状成份同C-44.0phr165170C一般mold用, 臭气除去品.C-15乳白色膏 状成份同C-11 50%1.5phr165170C一般mold, 防止黄变.C-16淡黄色透明液体成份同C-11 50%0.4phr165170C透明成型用.三. 色母. 加入色母, 以达到我们要求的Keypad颜色. 现主要为Toshiba及信 越色母.四 . 硅油. 主要为羟基硅油, 为无色或黄色透明油状物, 是一种低分子有机硅化合物. 它 是一种硅橡胶结构控制剂,可简化硅胶加工工艺, 改善加工性能, 防止胶料发生结构性 变硬. 但由于硅油为一种中性物质, 本身不发生化学反应,在Keypad成形后也会以原 状态存在Keypad中; 而Keypad使用过程中, 硅油会渗透或挥发出产品 表面,影电子产 品的导电性能, 因此我们的产品 对硅油含量有严格的规定,即成品 中其含量必须低 于2.5%含量. 第三章. 热压模具. 一. 模具材料. 模具钢材必须具有足够的硬度和 耐磨性, 足够的强度和韧性. 具备良好的加工性 能,良好的花纹可蚀 性. 故一般选用中碳合金钢.常用的有日本大同YK-30, 黄牌55CC, 一般为出厂状态使用, 调质处理后使用效果更佳.二. 模具结构. 模具由模板, 活页, 定位销等组成. 模板分公模和母模, 均为整体式结构. 由CNC铣切加工及EDM火花加工成形. 斜壁 部分由CNC铣加工成形. 模板厚度一般为3045. 模具面积为机台面积7585%. 尺寸 一般有以下几种: 350x350, 350x400, 400x450, 450x450, 500x500. 活页为连接公母模开合之用. 定位销用于合模时,对模具定位以保证公母模之间的相对位置准确不偏移.三. 模具的表面处理. 1. 电火花纹: 通过电火花机床进行电蚀 而在型 腔表面形成不同粗糙度的花纹. 放电后 模具表面呈雾状. 2. 喷砂. 1). 喷砂的种类.A. 喷玻璃砂: 模具表面光亮. 不易损伤模具.一般为120目.B. 喷金钢砂: 模具表面呈雾状, 有砂纹. 容易损伤模具,特别是损伤斜壁尖角部分. 一般为80目.C. 喷混合砂: 模具表面呈雾状,无光泽. 2). 喷砂的作用. A. 产品表面纹路要求. B. 模具生产一段时间后, 表面会粘附一层低分子物, 利用喷砂对其进行清洗. 3). 喷砂的时间. 一般来说, 大量生产时, 母模变脏后会随时喷砂清洗. 而公模每隔一段时间 喷一次砂, 以保养模具. 喷砂每次三十分钟左右. 4). 喷砂对Key的影. 喷砂会使斜壁厚度增加, 增大Force, 手感变差. 可通过改变料的硬度来调整喷 砂对Key的影. 5). 喷砂的优点和缺点. 喷砂成本低,操作方便, 且不会造成模具变形, 但是喷砂清洗, 使斜壁厚度 增加,造成力度变化, 影响质量. 3. 电镀. 1). 电镀的种类.A. 镀铬: 镀铬层表面较硬,因为放电关系, 表面镀层厚度 较不一致.且施工期较长, 镀铬层厚度为0.015mm.B. 镀镍: 镀镍层表面较软, 易 受损 ,但镀层厚度一致. 镀镍层厚度为0.005mm. 2). 电镀的作用. 当批量很 大时, 在大量生产之前, 可以对模具表面进行电镀处理. 当表面被低分 子物污染时, 用片即可清理, 不会因喷砂而使斜壁增加, 影质量. 3). 电镀对Key的影. 电镀因为镀层很薄, 对Force几乎没有影, 但当模板变形, 而修模时, 需 退镀, 退镀对模具损害较大. 4). 电镀的缺. 成本太高, 一般为56千元, 一般模具电镀会外发电镀厂电镀, 故很多公司不 采用电镀方式, 而采用喷砂.四 . 模具寿命. 模具使用寿命由材料, 生产件而定, 一般为10万次左右, 或保证2年使用期 .模 具一般不能翻新.五. 模具缩水率的设定. Keypad的收缩率定于原料厂商及硬度, 一般在一次成型后2.53%. 二次加 硫后为3.24%. 采用热压成形均需二次硫化.六. 模具的Cavity数. 模具面积一般为机台面积的7585%为宜. 而cavity的面积为模具面积的80%为宜. 一般无绳电话cavity数为1518为宜. Cavity数过多, 成形温度及压力分布不均, 品质 难以控制,Cavity数过少, 成本会增加.七.模具中的孔成形. 由于模具制作及成型 工艺的限制, RubberKeypad在成形时不能直接成形 通孔.故对于电话机Keypad的定位孔 成型只能先成盲孔,然后Vendor撕掉 孔表面一层薄料,此种方法叫 “ 自拆. (如图一)另一种方法是通过模裁 成型. “ 自拆孔保 证孔与Key 中心 图一 自拆孔形式 位置的尺寸,但不一定能保 证定位孔与定位孔之间的尺寸. 孔能保 证定位 孔与定位孔之间的尺寸, 但不一定 能保 证定位孔与Key中心位置尺寸. 故“自拆更能满足我们的尺寸要求, 但成本稍高于孔. 可考虑先成形盲孔,然 后用模掉多于薄料.八. 模具内的溢料槽 为了使Cavity之间胶料有良好的流动性, 一般在模具上Cavity之间开有溢料槽. 溢料槽一般根据试模后胶料在模内的流动情来设计作出. 溢料槽 图二 . 表示CAVITY的排位及溢料槽 Key高度越深, 溢料槽间距应设计得越大 .(如图二).第四 章 RubberKeypad生产工艺流程及设备一. RubberKeypad生产工艺流程图.二. 工艺流程及设备. 1. 原料采购. 硅胶原料常用品牌有SHIN ETSU, DOW CORNING, TOSHIBA, TORAY, GE, WALKEY, BUYER等. 产品现在使用SHIN ETSU, DOW CORNING, TOSHIBA三个厂家的Silicone Rubber, 此三个厂家 的原料质量较好且较稳定.常用 的Silicone Rubber硬度由40度到80度.(邵氏Shore A硬度).其具体细节请参看Rubber Keypad材料一章. 2. QC1, 指 来料检查 对Silicone Rubber原料的主要检查项目有: A.颜色, 硬度和密度.B.清洁度.C.收缩率. D.抗拉强度, 伸长率及撕裂强度等物理特性. 对黑粒原料主要检查项目有: A.直径和厚度.B.导电电阻. C.清洁度, 有无杂质.3. 原料入库. 检查合格的原料入库待生产. 库内要求干净整洁, 物品 分类分区摆放,标识清楚. 4. 领 料称量. 原料领 出去生产时, 其称量须严格按 配 方资料. Silicone Rubber原料用电子秤称量,每次称量最好大于5KG,以减小误差. 色母和硫化剂称量须用高精度电子秤, 其精度 须达到0.0001g. 因色母和硫化剂称量稍有偏差, 对Keypad颜色及硫化质量有很大影响. 5. 混炼. 将Silicone Rubber与其助剂混合均匀的过程称为混炼.Keypad生产中混炼的目 的是为了让色母与硫化剂均匀分散到Silicone Rubber之中,色母的作用是将Rubber 色. 硫化剂的作用是使Rubber分子链之间产生交联,使Rubber固化从而保持 形状和性 能.混炼常用双辊机,炼胶时辊筒温度应控制在30(C之下.辊筒温度越低,混炼效果 越好, 故混炼机械通常没有水冷装置, 以吸收混炼过程中产生的热.混炼好的物料在 热压成型前 应停留一段时间, 称预停留时间.预留作用是使硫化剂在Rubber中分散 更均匀. 适宜时间为2472小时. 时间太短, 硫化剂均匀性差 生产质量不稳定.但时间太 长物料流动性变差,生产时须重新设定 参数.所以预停留时间如超过72小时,则须重新 混炼后才可使用. 常用的硫化剂有两种: A.C-8 (C-8E), 用于一般制品. B.C-20, 用于透明抗黄制品中. 6. QC2. 混料检查, 其主要检查项目有: A. 硬度. B. 颜色. C. 混料均匀度. D. 清洁度. 硬度 测量用邵A (Shore A)硬度计, 常用型号为TECLOCK GS-706. 颜色用目测为多, 但也可 使用色差计分析. 7. 切料称量. 将片料压成要求宽度 的条料后再准确称量后, 待热压成型. 称量常用托盘天平, 其精度须达到0.1g以上. 8. QC3. 切料检查. 检查项目有: A.切料宽度和厚度. B. 物料清洁度. 不允许有杂质混入. C. 称量是否准确.9. 热压成型.(一次硫化) 将料条按落料要求放于下模板上, 再合模热压成半成品. 落料方式有两 种,一 种将料直接摆放在下模模腔, 第二种用铁氟龙托盘摆放, 避免未冷的模腔提前 将 料硫化.成型 条件 一般为: 上模温度165(C左右下模温度160(C左右.上,下模温差 为5(C为佳. 上模高于下模温度,是因为Keypad是留在上模, 剥片时用风枪吹,上模 散 热较下模快.故加热时温度 高一些.模温的高低主要取决于Key的大小及高度: Key 越细越高, 走料越难,要求走料时间长, 模具温度须低一些成型 时间较长.Key越大越 低, 走料越容易, 需 要走料时间短,模具温度 可以高一些, 成型 时间短, 生产效率高. 此工序注意控制的工艺参数: 上下模温, 成型压力, 硫化时间, 排气时间, 落料 方式. 常用的热压成型 机见下表 制造商面积100T150T200T250T300T霖城机台面积400x150150x500500x550550x600600x650模板面积300x350350x400400x450450x500500x550巨 荃机台面积400x450450x500500x550550x600600x650模板面积300x350350x400400x450450x500500x550敬隆机台面积400x400450x450500x500550x550600x600模板面积300x300350x350400x400450x450500x500信 多机台面积400x400450x450500x500550x550600x600模板面积300x300350x350400x400450x450500x500 注: 模板面积指 用此型号机时模具最大面积. 10. QC4, 热压成型 后半成品 检查, 主要检查项目有: A.尺寸.此工序仅测量Keypad基片厚度, 模具正常情况下, 基片厚度 尺寸跟 斜壁 厚度成线性关系, 从基片厚度变化可看出斜壁厚度变化. B. 力度. 一般用力度 计全检, 力度 计常用AIKOH 7002B, 精度须高于5g. C. 外观 , 如困气, 冲色, 料杂质等. D. 斜壁均匀度. KEY两侧斜壁厚相差不能超过15%. 11. 表面印刷. 产品 全部使用丝网印刷. Vendor按我司所给Spec印上文字, 图案等. 使用的丝印油墨有两类: A. 单液型. 指买回的油墨已加了硫化剂.开包后只须调色后就可 使用的油墨. B. 液型. 指买回的油墨须自己调配硫化剂后才使用的油墨. 单液型油墨优点是使用方便,品质稳定,由于此类油墨已加入硫化剂,故须低温保 存, 且在Spec规定的时间内使用.一旦开包使用, 须在Spec规定的时间内用完.(不超过5天). 液型 优点是生产时即配即用,生产需多少就调配多少.不象单液型开包后如用不完,造成浪费或品质下降.液型 的配量由厂家定,用多少,配多少.这是因为配好的液型油墨存放时间比单液型 短得多.液型 的配方,需 严格按照油墨厂家的Spec来做.不然,将会影丝印的质量,如附力下降等.比较各Vendor目前 使用的效果来看,液型 要好于单液型. 丝印的质量,除了与油墨的质量有关外, Keypad表面不能有污物, 脱模剂也会影丝印的质量. 12. QC5. 印刷检查主要项目有: A. 油墨颜色是否符合Spec或Sample. B. 印刷是否有缺陷, 如毛边, 砂孔等. Keypad是否干净, 如有无丝印油渍或 其它污 渍.13. 烘烤固化. 此工序目的是将丝印油烘干,烘干后的丝印油附着力仍不强 ,用手指 甲可剥落. 使丝印油完全固化要到二次硫化后.14. 冲模成型. 此工序是冲孔, 除批峰. 产品 的通孔全部要求做成自折孔(模具原生 出). 所以 无冲孔工序. 但Vendor仍有可能用冲模去批峰(边角料).15. QC6. 冲型 检查. A. 形状检查, 是否有漏冲. B. 尺寸检查, 如孔位是否冲偏. C. 毛边检查. D. 中心距检查.16. 二次硫化. 二次硫化是指 在高温下,使Silicone Rubber分子键在硫化剂作用下, 产生交联 固化,使形状,性 能稳定,并且让低分子物质挥发出去. Keypad的二次加硫条件: 温度201(C. 时间4小时.17. QC7. 二次硫化后检查项目有: A.力度: 要求用力度计100%检查AF和RF. 并且每批货均需用力度曲线仪 抽 查 模具力度曲线情况. 常用力度 计有AIKOH 7002B. 曲线仪 常用AIKOH 1012/1305D. GRADH TEC WX1100. B. 尺寸检查: 因二次硫化后的产品 已全部定型, 其尺寸为最终尺寸, 所以此时 尺寸应在Spec范围内,无法Rework, 不合格品 只有拋弃.常用检测仪器:卡尺, X.Y二维 坐标仪, 三维投影仪. C. 外观 , 颜色, 丝印, 冲色是否符合要求. 有无污渍等. D. 丝印寿命:丝印寿命常用RCA衡量,有自己的测试方法及标准.RCA测 试有标准测试仪器, 具体方法见Rubber Keypad测试一章. 测试丝印寿命是用 自行设计的机架. 寿命高于1000次为合格. E. 硅油含量. 产品硅油含量须低于2.5%. 测试方法见Rubber Keypad测试一章. F. 机械寿命. 产品机械寿命须大于20万次. 具体测试方法见Rubber Keypad测试一章.18. 表面喷涂. 为了提高丝印寿命及装饰Keypad表面, 常用的有Silicone涂料及PU涂料, PU Coating 也可以阻止油类物质通过keypad渗透. 19. QC8. 表面喷涂检查项目.A. 表面质量: 是否有亮斑, 暗斑,黑砂孔或颗粒等表面缺陷.表面光泽是否符合 要求. B. 喷涂的附力: 表面加Coating应紧密附在Rubber表面而不脱落.C. 喷涂位置: 不同part有不同的Coating要求, 如有些全表面Coating,而有些仅 Coating Key上部分而不能到斜壁, 有的Keypad别Key不Coating, 而有些所有Key都 同样Coating.20. 包装工序: 将合格产品按 要求方式装袋, 标贴, 装箱.21. QC9. 包装检查主要项目有: A. 排列, 包装方法. B. 数量. C. 型号, 标示, 所需设备: 电子 秤. 检查合格产品 就可以入库待 出货. 第五章 Rubber Keypad力度曲线一. Silicon Rubber力度曲线. Silicon Rubber Keypad的Click Feeling(手感).Force(力度)及Stroke(行程)是Silicon Rubber Keypad产品的三个主要参数,也是Keypad模具结构设计的三个决定性因素.此三个因素的相互 关系可以用Force-Stroke曲线来表示.芞1. 典型力度曲线 AF: Actuating ForceCF: Contact ForceMF: Max Rebounce ForceRF: Min Rebounce ForceSA: Actuation DistanceS : Travel Distance (Stroke). 图1所示的力度曲线是电话机 Keypad所用的典型