基于DIY耳機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的教學(xué)課題開(kāi)發(fā)

張 熒 張延杰

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650203）

學(xué)生是耳機(jī)電子產(chǎn)品的主要消費(fèi)者，特別是近年來(lái)對(duì)無(wú)線耳機(jī)的需求量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。耳機(jī)的外殼一般由熱熔塑料注塑而成，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、制造和成型工藝等機(jī)械類專業(yè)相關(guān)的知識(shí)和技能。耳機(jī)的電路安裝及產(chǎn)品組裝涉及電工電子實(shí)訓(xùn)相關(guān)的知識(shí)和技能。耳機(jī)外殼的設(shè)計(jì)及制造可應(yīng)用多種先進(jìn)制造技術(shù)提高設(shè)計(jì)的便捷性、制造質(zhì)量和制造精度，縮短產(chǎn)品的研制周期，降低成本。

因此，基于自己動(dòng)手做（Do It Yourself，DIY）耳機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的教學(xué)課題開(kāi)發(fā)，對(duì)于在校學(xué)生而言，從市場(chǎng)調(diào)研出發(fā)，建立基于情感化的耳機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念[1]，不僅可以親自體驗(yàn)包括從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)、從模具加工到產(chǎn)品注塑、從產(chǎn)品組裝到產(chǎn)品使用的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造典型過(guò)程，而且有利于實(shí)現(xiàn)寓學(xué)于樂(lè)。教學(xué)課題開(kāi)發(fā)邏輯如圖1所示。

圖1 教學(xué)課題開(kāi)發(fā)邏輯圖

1 耳機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)的課題開(kāi)發(fā)

以藍(lán)牙耳機(jī)為例，它一般由硅膠耳套、耳機(jī)外殼、導(dǎo)光柱、電子部件、聲學(xué)部件以及輔料部件組成。

1.1 耳機(jī)正向設(shè)計(jì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

耳機(jī)正向設(shè)計(jì)主要完成外殼外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。

1.1.1 外殼外觀設(shè)計(jì)

1.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耳機(jī)外殼一般可拆分為上殼、中殼和下殼3部分，細(xì)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成后進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展到內(nèi)部的藍(lán)牙芯片、硅咪、陶瓷天線、電池、彈針、喇叭、喇叭防塵網(wǎng)以及乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，EVA）泡棉等部件的三維建模，以體現(xiàn)耳機(jī)設(shè)計(jì)的完整性[3]。為滿足實(shí)際使用需要，耳機(jī)外殼內(nèi)部需設(shè)計(jì)定位與固定結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用實(shí)體建模功能中的草圖、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能實(shí)現(xiàn)。

正向設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)理念相關(guān)知識(shí)[4]，對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并用3D打印機(jī)打印檢驗(yàn)，再對(duì)設(shè)計(jì)的各部件進(jìn)行虛擬裝配。項(xiàng)目主要培養(yǎng)學(xué)生三維建模軟件應(yīng)用、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，可應(yīng)用到“機(jī)械三維建模技術(shù)”“增材制造”等課程教學(xué)中。

1.2 耳機(jī)逆向設(shè)計(jì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

耳機(jī)逆向設(shè)計(jì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容：一是模型比對(duì)建模，即根據(jù)設(shè)計(jì)或者給定的耳機(jī)三維模型進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于“機(jī)械三維建模技術(shù)”課程中；二是3D掃描建模，指對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行掃描后的逆向設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于“增材制造”課程中。兩種方式對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)不同。

模型比對(duì)建模主要培養(yǎng)的是學(xué)生的曲面建模和數(shù)字模型精度對(duì)比能力。學(xué)生利用NX等軟件曲線建模中的藝術(shù)樣條、橋接、偏置曲線等功能，以及曲面建模中的曲線網(wǎng)格、曲面編輯、縫合等功能，對(duì)設(shè)計(jì)或者給定的耳機(jī)三維模型進(jìn)行面片的擬合建模設(shè)計(jì)，并根據(jù)建模效果進(jìn)行數(shù)字模型精度對(duì)比，合理還原產(chǎn)品數(shù)字模型。

3D掃描建模主要培養(yǎng)的是學(xué)生對(duì)于3D掃描儀的使用、點(diǎn)云模型的逆向建模能力和手工測(cè)量能力。學(xué)生利用3D掃描儀對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有耳機(jī)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描生成點(diǎn)云模型，可應(yīng)用Geomagic Wrap及Design X等軟件進(jìn)行耳機(jī)產(chǎn)品逆向一比一建模和虛擬裝配或者教師根據(jù)耳機(jī)特點(diǎn)提出改型設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生對(duì)實(shí)物關(guān)鍵部位進(jìn)行手工測(cè)量，獲取耳機(jī)產(chǎn)品的重要尺寸信息，并完成改型設(shè)計(jì)建模和虛擬裝配。

1.3 耳機(jī)模具設(shè)計(jì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

耳機(jī)注塑為小批量生產(chǎn)，在滿足塑件要求、保證質(zhì)量的前提條件下，需兼顧模具的制造工藝性及制造成本，可不考慮模具的使用壽命。型腔采用螺釘緊固，型芯可采用螺釘緊固或臺(tái)肩式結(jié)構(gòu)加支承板固定，優(yōu)先選用直澆口B型模架，模板尺寸、型腔鑲件的外形尺寸根據(jù)現(xiàn)有模架測(cè)繪。耳機(jī)模具設(shè)計(jì)可應(yīng)用于“模具拆裝與調(diào)試”“塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)”“模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造（模具CAD/CAE）”等課程中，通過(guò)拆裝現(xiàn)有模具測(cè)繪模架，記錄模架尺寸規(guī)格后進(jìn)行耳機(jī)模具設(shè)計(jì)。

一方面，注塑模具設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)的耳機(jī)三維模型，對(duì)需要注塑的各外殼部件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。從現(xiàn)有塑料注射模模架中進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，并應(yīng)用NX、中望3D等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

規(guī)劃先行，落實(shí)責(zé)任，嚴(yán)格按照規(guī)劃要求的數(shù)量和規(guī)格選苗、定苗，并落實(shí)到人。為了保證苗木成活，避免疏漏，分工具體，要明確責(zé)任，層層落實(shí)，將任務(wù)分至每一個(gè)環(huán)節(jié)，落實(shí)到每一個(gè)人，形成一條線管理。任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都能找到責(zé)任人，確保移植苗木成活率。

另一方面，模流分析。初步完成耳機(jī)模具設(shè)計(jì)后，應(yīng)用注塑模CAE軟件如Moldflow、Moldex3D等分析模具設(shè)計(jì)方案，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，生成分析報(bào)告。

2 耳機(jī)數(shù)字化制造的課題開(kāi)發(fā)

2.1 耳機(jī)模具加工的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

耳機(jī)模具加工主要應(yīng)用于“機(jī)械CAD/CAM應(yīng)用”“鉗工實(shí)訓(xùn)”課程中，除培養(yǎng)學(xué)生的CAD/CAM應(yīng)用能力外，也培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控加工、鉗工操作、模具拆裝能力，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生工作態(tài)度、安全意識(shí)、職業(yè)規(guī)范、環(huán)境保護(hù)等方面的意識(shí)。

2.1.1 數(shù)控仿真與加工

根據(jù)設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行耳機(jī)模具加工。加工內(nèi)容主要包括型芯和型腔兩部分。使用數(shù)控設(shè)備、相關(guān)的工裝夾具，根據(jù)工藝要求對(duì)毛坯進(jìn)行數(shù)控加工。加工時(shí)應(yīng)注意尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面質(zhì)量、加工時(shí)間以及加工成本控制等內(nèi)容。項(xiàng)目需編制型芯、型腔零件的計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning，CAPP）加工工藝過(guò)程卡和工序卡，利用CAM編程軟件編制數(shù)控加工程序，并進(jìn)行程序仿真驗(yàn)證。

2.1.2 模具鉗工操作

采用斜頂塊、滑塊、鑲件等，對(duì)此類零件進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲、修配、研磨等鉗工操作。將加工完畢的型芯、型腔合模后，利用紅丹粉、氣動(dòng)打磨機(jī)等工具進(jìn)行修模，保證合模精度。修模完畢的型芯、型腔、斜頂、滑塊、鑲件等加工完畢的零件需進(jìn)行實(shí)物裝配，安裝成完整模具，并保證所有零部件可靈活拆卸，同時(shí)驗(yàn)證耳機(jī)模具的組裝精度、各零件的裝配合理性以及模具的使用性能。

2.2 耳機(jī)產(chǎn)品注塑的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

耳機(jī)產(chǎn)品注塑主要應(yīng)用于“模具拆裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)”課程。學(xué)生需使用現(xiàn)有的注塑機(jī)完成耳機(jī)產(chǎn)品注塑。項(xiàng)目以能否打出表面光潔無(wú)毛刺、無(wú)縮痕的合格耳機(jī)的上殼、中殼、下殼，且上中下殼能夠平滑組裝完成作為考核目標(biāo)。過(guò)程考核包括分型面合模精度、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度、頂桿能否頂出、模具零件之間配合精度、滑塊及斜頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)精度等，主要培養(yǎng)學(xué)生注塑機(jī)使用、模具拆裝與調(diào)試、塑件檢測(cè)、模具驗(yàn)收的能力。

2.2.1 注塑模拆裝與調(diào)試

一是對(duì)完成的模具進(jìn)行預(yù)檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題；二是裝配前對(duì)零件檢測(cè)、去磁和清洗；三是調(diào)整并保證分型面接觸緊密，防止飛邊產(chǎn)生；四是保證開(kāi)、合模動(dòng)作靈活，無(wú)松動(dòng)、卡滯現(xiàn)象；五是應(yīng)調(diào)整好復(fù)位及頂出位置，保證配合面間隙達(dá)到要求；六是保證管路暢通，不漏水，不漏電，閥門動(dòng)作靈活；七是試模，合格后對(duì)各模板進(jìn)行方向標(biāo)記，以免合模時(shí)出錯(cuò)。拆裝與調(diào)試這一過(guò)程不是簡(jiǎn)單的零件與部件拆卸與組合，而是邊裝配、邊檢測(cè)、邊調(diào)整的過(guò)程。如果注塑產(chǎn)品不合格，需要進(jìn)行多次拆裝、修模、調(diào)試。

2.2.2 注塑機(jī)使用

將裝配調(diào)試完畢的模具安裝到注塑機(jī)上，裝模時(shí)要注意定模和動(dòng)模安裝方位，并注意安全。操作過(guò)程中，射臺(tái)溫度很高，禁止用手觸摸調(diào)節(jié)注射壓力、注射速度、料筒加熱溫度、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行合模、熔膠、注射、保壓、冷卻、開(kāi)模、塑件取出等操作。通過(guò)多次模具拆裝與調(diào)試，可得到合格的耳機(jī)外殼塑件。

3 耳機(jī)組裝與使用的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

DIY耳機(jī)的組裝與使用主要應(yīng)用于“電工電子實(shí)訓(xùn)”課程，通過(guò)對(duì)耳機(jī)的安裝及測(cè)試，掌握耳機(jī)內(nèi)部孔、柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性，掌握耳機(jī)元件及電路的功能，了解耳機(jī)電子產(chǎn)品的裝配、檢測(cè)和調(diào)試過(guò)程，培養(yǎng)動(dòng)手能力、檢測(cè)能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

一方面，撰寫(xiě)耳機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)知的報(bào)告?；仡檾?shù)字化設(shè)計(jì)與制造的全過(guò)程，組成耳機(jī)的各部件如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)及制造；耳機(jī)內(nèi)線多采用0.4 mm粗的線材，不利于焊接及整理，需設(shè)置孔結(jié)構(gòu)；耳機(jī)內(nèi)配合間隙為0.02～0.05 mm，不利于螺絲固定，需采用BOSS柱（螺絲柱）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另一方面，耳機(jī)各部件組裝。購(gòu)置藍(lán)牙芯片、硅咪、陶瓷天線、電池、彈針等電子部件[5]，購(gòu)置喇叭、喇叭防塵網(wǎng)等聲學(xué)部件，購(gòu)置雙面膠、EVA泡棉、快干膠等輔料部件，將各類部件按照順序組裝入耳機(jī)外殼中并固定，測(cè)試完成后即可正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐基于DIY耳機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的教學(xué)課題，學(xué)生親自體驗(yàn)從耳機(jī)造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到耳機(jī)模具設(shè)計(jì)、從耳機(jī)外殼模具加工到耳機(jī)外殼注塑、從耳機(jī)零部件組裝到耳機(jī)使用的全過(guò)程，提升了學(xué)生的成就感和滿足感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于提高學(xué)生的知識(shí)技能應(yīng)用水平。