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类似手机外壳防水密封(IP等级)的材料选择和设计实现

类似手机外壳防水密封(IP等级)的材料选择和设计实现

发布日期:2018-08-09 浏览次数:1193

对于气密性检测来说,好的密封成功了一半。

无论您是否正在制造下一个突破性的电子产品,防水外壳都应用于所有类型的行业,从油田开采到iPhone手机,我们即将探索必要的设计方面,以确保永远不会破坏您一千美元的昂贵手机。

专业术语“防水”。当您设计智能手机外壳以防止雨水损坏几百美元的手机时,您的要求与设计用于监控深海钻探设备的电子外壳略有不同。但是是不是如何“防水”就足够了?

我们不是第一个提出这个问题的人。防水外壳多年来一直是必需品,我们可以探索许多经过验证的优秀设计元素,因此您的设计就是从第一个原型开始。让我们慢慢深入。这里我们探讨的更多的是如何让好的密封实现较好的气密性

国际保护(IP)标识系统

这种评估电子外壳的系统也被称为“入口保护”标记系统,通过提供必须在不同层次上通过的真实测试,赋予术语“防水”真正的意义。该系统在IP之后有两个不相关的数字:第一个数字表示防尘等级,而第二个数字表示防护等级的防水等级。

如果你只想指出防水等级,可以使用“x”代替第一个数字,仅表示第二个(例如:IPx7意味着我们知道它有多防水,但不知道,也可能不知道真的关心,关于灰尘)。在箱子和外壳上你会看到的最常见的标记是IP67和IP68,但所有标记都值得探索。

IP6x意味着它具有防尘功能,并且不会有灰尘颗粒进入内部。虽然这可能很重要,但大多数工业和消费者使用将更关注防水等级。防水当然不是防水设计,但一旦密封防止喷水,大多数人会认为它们可以防尘。

对于大多数应用,被认为是“防水”的最低等级是IPx4。这描述了许多旧款手表,这意味着内部部件将在水溅后继续工作,但更多的水将是一个问题。


IPx5是一个不错的升级,如果你从任何角度用水喷洒你的外壳,内部部件保持工作,但在这个水平,喷雾很轻(刚刚超过4磅/平方英寸,流量相对较低)。尽管如此,对于“防雨”外壳来说,这是一个很好的水平,并且很多电话外壳来自工厂,这是一个基本的满足程度。

在IPx6,测试变得有趣;你需要在101.3kpa的压力下用100升/分钟的喷射器喷射外壳几分钟。大多数消费电子产品都无法解决这个问题,如果可以的话,设计师们就会吹嘘他们的“IP等级”产品。

一个层次需要沉水:让外壳沉入一米水中30分钟。这是一个破坏性的测试。如果这是您的产品泄漏了,最终你得到废品。这就是气密性检测。

一个有意思的现象:仅仅因为你的外壳可以承受一米深的水的静压并不意味着它可以承受来自IPx6的水射流气密性测试,如果设计需要抵抗强力喷射,那么两者都必须测试,。

在这里,我们想到令人印象深刻的手机外壳。IPx8等级意味着您的外壳能够承受长期浸入某些指定深度的水,对于专业创新而言,深度为60米。在这个深度,外壳保证在6bar(87psi)的压力下保持气密封,令人难以置信!

任何高于这个水平的东西都会进入深奥的专业设计,但即使在这个水平上,也不难想象标准的密封机制会失败。那么,既然您已经知道了什么级别,那么如何创建能够承受这些测试的密封?

设计实际密封的密封件

虽然有几乎无数种不同类型的密封件,但最常见的三种是面垫片,静态O形圈密封件和动态O形圈密封件。我将简要介绍这些内容,但如果您想深入了解O形圈设计的深度,O形圈手册是关于这一主题的最好和最无聊的!但O型圈的一大优点是它们是一项众所周知的技术,这些在50年内没有改变,所以他们肯定会保证你的设计防水。


气密性用密封O型圈

O形圈有多种尺寸,但只有一种形状

静态O形密封圈

这些代表了一种理想的场景:你试图密封的连接或多或少是圆形的(并且肯定是凸起的),并且两个配合部分将永远保持在一起,或至少大部分时间是这样的。静态O型圈是一个很好的选择。

O形圈有各种尺寸,用“破折号”表示。-短划线编号是ASTM标识,表示标准尺寸。通常,最后两个数字越大,O形环I.D.越大(内径)。而较大的第一个数字表示较大的横截面直径。

当使用O形圈作为密封设计的一部分时,您需要设计一个O形圈可以放置的凹槽。最棒的是凹槽设计基本保持不变,无论是密封两个面,一个螺纹,还是一个圆孔中的方形钉。对于设计,您只需要考虑ID/IP(圆形密封的内径;非圆形密封形状的内部周长),O形圈的伸长百分比,横截面直径(也称为o)环宽度)和挤压百分比。

第一步:看看I.D密封,或计算I.P,如果你的形状不圆,这将是四个直边的总和,加上角半径的四个和弦的长度。将这些添加在一起,你就有了神奇的数字。只记得你正在寻找内部周边,所以这是凹槽的内部这个过程可以是迭代的,所以你最终可能会用不同的横截面直径计算几次。

获得ID/IP后,请查看ASTM图表以查找具有类似ID但更小的O形圈选项。这是拉伸百分比的来源,对于静态密封,您需要O形圈ID比凹槽ID小约1-5%。这使得O形圈紧密贴合密封表面,并防止其在外部压力下移动太多。请注意:如果您正在设计内部压力,则需要考虑外径-即密封面。

密封圈设计


切记保持凹槽的横截面积大于O形圈

凹槽的宽度取决于O形圈的横截面直径,该直径基于您要密封的表面的估计变化。显然,如果你计划在密封的表面上允许+/-0.010“的公差,那么0.010”的O形圈将难以密封其中的一些间隙。同样,如果你有高公差加工零件,那么得到一个1/4“厚的O形圈将是过度的。但是,一旦确定了O形圈宽度,就可以计算出凹槽的宽度。这是基于O形圈体积,并使用凹槽和O形圈的横截面积计算。为了形成密封,你需要压缩O形圈,你需要计划O形圈的10%-40%压缩(也称为挤压),并确保最大的交叉O形环的截面积(包括公差的变化)总是小于槽的最小横截面积。

厌倦了运行数字,你知道,工程?好消息-我们差不多完成了,你将能够比X档更紧密地封住这个外壳。

动态密封

动态活塞密封的理想情况?

动态O形圈密封

显然,拥有动态密封并不意味着您可以在水下打开外壳。但是,很多时候部件需要在暴露在雨中或海底时移动。那么,您如何确保容器保持防水和密封性?

好消息:它就像静态密封,但压缩程度更低,润滑更多。所有规则和百分比都适用,除了对于动态密封,您只需要10%-30%的压缩。


发动机垫片密封

并非所有垫片都很密封

垫片设计

关于外壳防水设计,这可能是一篇文章。或者一本书。甚至是一个小型图书馆。但今天,我们只关注防水垫圈-因此我们可以抛弃内燃机和极端高压密封所需的一切。

即使在这里也有很多材料,但我们会在一瞬间缩小所有这些内容;让我先说一下:像O型圈一样棒,你为什么要用垫圈?现在我已经从我的系统中得到了这个,我可以承认,垫圈在一个领域表现优异:真正复杂的面对面密封,特别是有多个腔体。

同样,与O形圈一样,您需要根据(通常)两个配合面的公差来考虑应用所需的压缩和厚度。然而,垫片设计的好处在于垫圈通常是定制的,因此不需要在桌面上查看标准尺寸的迭代运行计算。这是定制设计!

但是,有了这些选择,责任就来了。当用螺栓固定在一起时,表面会在螺栓之间翘曲,因此请考虑如何将安装硬件放在一起以使经线保持足够小,以便仍然与您指定的垫圈厚度密封。基本上,如果在四个角上将两个部件连接在一起,则中心区域将比角部更远。如果间隙大于垫圈的厚度,则外壳会泄漏,不能通过气密性检测。同样,如果垫圈太硬并且不允许两个表面的粗糙度,则外壳会泄漏-因此垫圈材料足够柔软以允许一些加工痕迹,除非您指定光滑的表面。

关于压缩时的蠕变

使用橡胶密封件时遇到的一个常见问题是蠕变。对此的主要解决方案是仔细选择材料-自太空时代开始以来开发的许多类似橡胶的材料都集中在这个问题上。这里的另一个考虑因素是材料的硬度。这两个问题都与找到合适的材料有关,我建议在选择之前对其进行大量研究,可以查询材料指南。

按钮

对于大多数消费类应用和许多工业应用,电子产品将具有某种接口,需要允许接口。按钮是最常见的方法。

对于低压应用,一个简单的选择是模制橡胶按钮,密封到外壳。这些便宜且简单,本文中有关一般按钮设计的更多细节。

另一个选择是使用硬质材料的按钮,如不锈钢,使用动态O形密封圈穿过外壳。这种按钮通常出现在重型应用中,例如海底外壳,高压可以激活软橡胶按钮,或者在坚硬的化合物使橡胶按钮可能失效的地方。

类似地,几乎任何类型的开关的设计,从滑动开关到旋钮,都可以设计到壳体中,使用动态O形环密封的计算。但请记住:密封越多,密封越多,密封失效。谨慎使用。


按钮密封

按钮动态O形环,其允许在高达60米防水

原型建议

在开始设计外壳时,在测试设计的实际防水能力之前,较低分辨率的材料非常适合于获得合身,功能和美观。3D打印PLA是第一个看到外壳外观的好方法,3D打印ABS和尼龙等材料可以测试零件界面。如果您决定使用定制垫圈,请尝试使用印刷橡胶般的第一个原型。

但是,不要将电子设备放在其中一个外壳中并将其扔进游泳池-您需要使用高分辨率材料来密封O形圈或垫圈,为此,您需要一种材料如刚性不透明材料,ABS或透明高性能塑料。这些材料打印精度高,因此您可以获得高质量的密封性。

对于超高压密封,在深水测试设计之前,您需要更进一步,使用CNC加工原型来确保控制表面质量。传统上这是一个非常昂贵且漫长的过程,好消息是目前已有厂商可以具备制造能力,降低了成本,同时仍然为您提供了这些类型气密性测试所需的高质量。

也许您的下一个设计项目是太空的密封性设计任务,或者只是要求在暴雨期间(或从一杯咖啡中保持电子设备安全),但这都是一个简单的问题,只要规划您的涉及,检查几个数字,以确定您的O形圈的大小,并为您的项目选择正确的按钮样式。然后,您,您的团队,最重要的是,您的老板,可以轻松休息,因为您知道您的外壳是完全防水的,达到气密性检测仪检测的要求。


合肥远智自动化科技有限公司是从事气密性检测仪,气密性检测设备的专业化公司,在密封性的研究领先于国内,在防水气密性检测有着独到的见解和案例,更多的技术文章和咨询请参阅 www.hfyzat.cn 或者www.hfyzat.com ,邮箱: sales@hfyzat.com  。



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