張 熒 張延杰

（云南機電職業(yè)技術(shù)學院，昆明 650203）

學生是耳機電子產(chǎn)品的主要消費者，特別是近年來對無線耳機的需求量呈穩(wěn)定增長態(tài)勢。耳機的外殼一般由熱熔塑料注塑而成，涉及產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、制造和成型工藝等機械類專業(yè)相關(guān)的知識和技能。耳機的電路安裝及產(chǎn)品組裝涉及電工電子實訓相關(guān)的知識和技能。耳機外殼的設(shè)計及制造可應(yīng)用多種先進制造技術(shù)提高設(shè)計的便捷性、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，基于自己動手做（Do It Yourself，DIY）耳機數(shù)字化設(shè)計與制造的教學課題開發(fā)，對于在校學生而言，從市場調(diào)研出發(fā)，建立基于情感化的耳機產(chǎn)品設(shè)計理念[1]，不僅可以親自體驗包括從產(chǎn)品設(shè)計到模具設(shè)計、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)計與制造典型過程，而且有利于實現(xiàn)寓學于樂。教學課題開發(fā)邏輯如圖1所示。

圖1 教學課題開發(fā)邏輯圖

1 耳機數(shù)字化設(shè)計的課題開發(fā)

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

1.1 耳機正向設(shè)計的項目設(shè)計

耳機正向設(shè)計主要完成外殼外觀設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)學生學習產(chǎn)品設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)知識和技能。

1.1.1 外殼外觀設(shè)計

1.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

耳機外殼一般可拆分為上殼、中殼和下殼3部分，細化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成后進行模具設(shè)計。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計拓展到內(nèi)部的藍牙芯片、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)耳機設(shè)計的完整性[3]。為滿足實際使用需要，耳機外殼內(nèi)部需設(shè)計定位與固定結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用實體建模功能中的草圖、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能實現(xiàn)。

正向設(shè)計完成后，結(jié)合機械設(shè)計和人性化設(shè)計理念相關(guān)知識[4]，對設(shè)計的模型進行優(yōu)化處理，并用3D打印機打印檢驗，再對設(shè)計的各部件進行虛擬裝配。項目主要培養(yǎng)學生三維建模軟件應(yīng)用、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能創(chuàng)新設(shè)計的能力，可應(yīng)用到“機械三維建模技術(shù)”“增材制造”等課程教學中。

1.2 耳機逆向設(shè)計的項目設(shè)計

耳機逆向設(shè)計的項目設(shè)計主要包括兩個項目內(nèi)容：一是模型比對建模，即根據(jù)設(shè)計或者給定的耳機三維模型進行逆向設(shè)計，可應(yīng)用于“機械三維建模技術(shù)”課程中；二是3D掃描建模，指對現(xiàn)有的市場耳機產(chǎn)品進行掃描后的逆向設(shè)計，可應(yīng)用于“增材制造”課程中。兩種方式對學生培養(yǎng)的側(cè)重點不同。

模型比對建模主要培養(yǎng)的是學生的曲面建模和數(shù)字模型精度對比能力。學生利用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，對設(shè)計或者給定的耳機三維模型進行面片的擬合建模設(shè)計，并根據(jù)建模效果進行數(shù)字模型精度對比，合理還原產(chǎn)品數(shù)字模型。

3D掃描建模主要培養(yǎng)的是學生對于3D掃描儀的使用、點云模型的逆向建模能力和手工測量能力。學生利用3D掃描儀對市場現(xiàn)有耳機產(chǎn)品的外觀進行數(shù)據(jù)掃描生成點云模型，可應(yīng)用Geomagic Wrap及Design X等軟件進行耳機產(chǎn)品逆向一比一建模和虛擬裝配或者教師根據(jù)耳機特點提出改型設(shè)計任務(wù)，要求學生對實物關(guān)鍵部位進行手工測量，獲取耳機產(chǎn)品的重要尺寸信息，并完成改型設(shè)計建模和虛擬裝配。

1.3 耳機模具設(shè)計的項目設(shè)計

耳機注塑為小批量生產(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)有模架測繪。耳機模具設(shè)計可應(yīng)用于“模具拆裝與調(diào)試”“塑料成型工藝與模具設(shè)計”“模具數(shù)字化設(shè)計與制造（模具CAD/CAE）”等課程中，通過拆裝現(xiàn)有模具測繪模架，記錄模架尺寸規(guī)格后進行耳機模具設(shè)計。

一方面，注塑模具設(shè)計。根據(jù)設(shè)計的耳機三維模型，對需要注塑的各外殼部件進行模具設(shè)計。從現(xiàn)有塑料注射模模架中進行選擇設(shè)計，并應(yīng)用NX、中望3D等軟件進行設(shè)計。

規(guī)劃先行，落實責任，嚴格按照規(guī)劃要求的數(shù)量和規(guī)格選苗、定苗，并落實到人。為了保證苗木成活，避免疏漏，分工具體，要明確責任，層層落實，將任務(wù)分至每一個環(huán)節(jié)，落實到每一個人，形成一條線管理。任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都能找到責任人，確保移植苗木成活率。

另一方面，模流分析。初步完成耳機模具設(shè)計后，應(yīng)用注塑模CAE軟件如Moldflow、Moldex3D等分析模具設(shè)計方案，根據(jù)分析結(jié)果進行評價，生成分析報告。

2 耳機數(shù)字化制造的課題開發(fā)

2.1 耳機模具加工的項目設(shè)計

耳機模具加工主要應(yīng)用于“機械CAD/CAM應(yīng)用”“鉗工實訓”課程中，除培養(yǎng)學生的CAD/CAM應(yīng)用能力外，也培養(yǎng)學生數(shù)控加工、鉗工操作、模具拆裝能力，重點培養(yǎng)學生工作態(tài)度、安全意識、職業(yè)規(guī)范、環(huán)境保護等方面的意識。

2.1.1 數(shù)控仿真與加工

根據(jù)設(shè)計的模具進行耳機模具加工。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)工藝要求對毛坯進行數(shù)控加工。加工時應(yīng)注意尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面質(zhì)量、加工時間以及加工成本控制等內(nèi)容。項目需編制型芯、型腔零件的計算機輔助工藝過程設(shè)計（Computer Aided Process Planning，CAPP）加工工藝過程卡和工序卡，利用CAM編程軟件編制數(shù)控加工程序，并進行程序仿真驗證。

2.1.2 模具鉗工操作

采用斜頂塊、滑塊、鑲件等，對此類零件進行鉆孔、擴孔、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、氣動打磨機等工具進行修模，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行實物裝配，安裝成完整模具，并保證所有零部件可靈活拆卸，同時驗證耳機模具的組裝精度、各零件的裝配合理性以及模具的使用性能。

2.2 耳機產(chǎn)品注塑的項目設(shè)計

耳機產(chǎn)品注塑主要應(yīng)用于“模具拆裝與調(diào)試實訓”課程。學生需使用現(xiàn)有的注塑機完成耳機產(chǎn)品注塑。項目以能否打出表面光潔無毛刺、無縮痕的合格耳機的上殼、中殼、下殼，且上中下殼能夠平滑組裝完成作為考核目標。過程考核包括分型面合模精度、移動機構(gòu)的運動精度、頂桿能否頂出、模具零件之間配合精度、滑塊及斜頂?shù)倪\動精度等，主要培養(yǎng)學生注塑機使用、模具拆裝與調(diào)試、塑件檢測、模具驗收的能力。

2.2.1 注塑模拆裝與調(diào)試

一是對完成的模具進行預(yù)檢，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題；二是裝配前對零件檢測、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、合模動作靈活，無松動、卡滯現(xiàn)象；五是應(yīng)調(diào)整好復(fù)位及頂出位置，保證配合面間隙達到要求；六是保證管路暢通，不漏水，不漏電，閥門動作靈活；七是試模，合格后對各模板進行方向標記，以免合模時出錯。拆裝與調(diào)試這一過程不是簡單的零件與部件拆卸與組合，而是邊裝配、邊檢測、邊調(diào)整的過程。如果注塑產(chǎn)品不合格，需要進行多次拆裝、修模、調(diào)試。

2.2.2 注塑機使用

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

3 耳機組裝與使用的項目設(shè)計

DIY耳機的組裝與使用主要應(yīng)用于“電工電子實訓”課程，通過對耳機的安裝及測試，掌握耳機內(nèi)部孔、柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性，掌握耳機元件及電路的功能，了解耳機電子產(chǎn)品的裝配、檢測和調(diào)試過程，培養(yǎng)動手能力、檢測能力及嚴謹?shù)目茖W作風。

一方面，撰寫耳機內(nèi)部結(jié)構(gòu)認知的報告?；仡檾?shù)字化設(shè)計與制造的全過程，組成耳機的各部件如何實現(xiàn)設(shè)計及制造；耳機內(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）進行設(shè)計。

另一方面，耳機各部件組裝。購置藍牙芯片、硅咪、陶瓷天線、電池、彈針等電子部件[5]，購置喇叭、喇叭防塵網(wǎng)等聲學部件，購置雙面膠、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外殼中并固定，測試完成后即可正常使用。

4 結(jié)語

通過實踐基于DIY耳機數(shù)字化設(shè)計與制造的教學課題，學生親自體驗從耳機造型結(jié)構(gòu)設(shè)計到耳機模具設(shè)計、從耳機外殼模具加工到耳機外殼注塑、從耳機零部件組裝到耳機使用的全過程，提升了學生的成就感和滿足感，激發(fā)了學生的學習興趣，有助于提高學生的知識技能應(yīng)用水平。