觸點(diǎn)自由鐓粗鉚接對(duì)電壽命的影響

張 強(qiáng)，蔡旭龍，王建宏

(1.寧波漢博貴金屬合金有限公司浙江寧波315221;2.溫州利爾德繼電器有限公司浙江溫州325604)

1 引言

在繼電器、開關(guān)生產(chǎn)行業(yè)廣泛使用鉚釘型電觸點(diǎn)，其電觸點(diǎn)與簧片的鉚接，基本采用沖壓設(shè)備，以自由鐓粗的方法進(jìn)行鉚接，這種鉚接方式，由于受自由鐓粗變性原理的影響，必然會(huì)影響觸點(diǎn)桿部與簧片孔徑的精密配合，從而影響產(chǎn)品的電壽命。

2 自由鐓粗的變形特點(diǎn)

用平鉚模具鐓粗圓柱坯料時(shí)，隨著高度的降低，金屬不斷向四周流動(dòng)，由于坯料受模具表面摩擦力的影響，在變形區(qū)域形成兩個(gè)難以變形的錐體區(qū)，如圖1所示。這兩個(gè)錐體區(qū)象楔入一個(gè)剛體的楔子，將外力P0轉(zhuǎn)化為P，其軸向分力P1使材料產(chǎn)生壓縮變形，徑向分力p2則產(chǎn)生鐓粗變形，鐓粗后坯料外觀呈鼓形，同時(shí)造成內(nèi)部不均勻流動(dòng)。

以銅棒自由鐓粗時(shí)桿經(jīng)的變形過(guò)程為例，(原始長(zhǎng)度L:2.42，原始直徑D:1.82，L/D=1.33)如圖2所示，試驗(yàn)表明，其坯料桿徑鼓形的變形程度隨高徑比的變化而變化，如果以鐓粗后相對(duì)直徑比KD作為評(píng)定鐓粗變形均勻性的指標(biāo)，即KD=(DD0)/D(D為:鐓粗后鼓形直徑，D0:為鐓粗后端面直徑)，當(dāng)高徑比為1 時(shí)，KD為0.056，當(dāng)高徑比為 0.5時(shí)，KD為0.078，鐓粗過(guò)程隨著高徑比L/D的減小，中部桿經(jīng)與端部桿經(jīng)的比值KD逐漸增加，即鼓形越明顯，如圖3所示。

圖1 圓柱坯料鐓粗變形分析

圖2 圓柱銅棒自由鐓粗鼓形變化圖

圖3 圓柱銅棒不均勻變形趨勢(shì)圖

3 自由鐓粗對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

自由鐓粗變形的不均勻性對(duì)鉚接質(zhì)量的影響，具體體現(xiàn)在鉚接后軸孔間局部產(chǎn)生縫隙，使變形金屬的外側(cè)表面與簧片孔不能達(dá)到的完全接觸，即減少了軸與孔的接觸面積。

根據(jù)圓柱銅棒鐓粗變形過(guò)程分析可知，其間隙的大小和位置與觸點(diǎn)桿徑的高低、孔徑和觸點(diǎn)桿徑的配合間隙、上鉚模形狀及鉚接方式等有關(guān)。

3.1 觸點(diǎn)桿徑過(guò)長(zhǎng)的影響:觸點(diǎn)桿徑過(guò)長(zhǎng)或軸孔配合間隙過(guò)大，意味著其鐓粗變形均勻性指標(biāo)KD越大，鉚接過(guò)程更易出現(xiàn)失穩(wěn)、彎曲、開裂現(xiàn)象，使鉚接質(zhì)量不宜控制，如圖4所示。

圖4 a 過(guò)長(zhǎng)桿徑鉚接過(guò)程變形開始示意圖

圖4 b 過(guò)長(zhǎng)桿徑鉚接后形成不良鉚接示意圖

3.2 鉚接方式的影響:根據(jù)鉚接時(shí)選用的設(shè)備不同，大致可分為沖鉚和旋鉚兩大類，這也是當(dāng)前鉚接技術(shù)中最常用的兩種鉚接方式。

其中沖鉚的鉚頭形狀有平面鉚頭、凹面鉚頭和V形鉚頭(鉚單面觸點(diǎn))。沖鉚鉚頭形狀不同，鐓粗鉚接時(shí)受摩擦力的影響不同，產(chǎn)生鐓粗變形均勻性大小也不同，平面鉚頭或凹面鉚頭沖鉚時(shí)，產(chǎn)生的摩擦力最大，對(duì)鉚接質(zhì)量十分不利。

而V形鉚頭沖鉚(又叫劈鉚)，其觸點(diǎn)桿部斷面和模具接觸面積小，模具對(duì)坯料端面金屬流動(dòng)阻礙小，減少了難變形區(qū)，提高了鐓粗變形均勻性，如果桿徑長(zhǎng)度和V形角度選擇合理的話，一般也能夠得到令人滿意的效果，但其缺點(diǎn)是仍屬于沖鉚方式，受鉚壓沖擊力大的影響，易出現(xiàn)彎曲等不良變形，且只能適用于單面觸點(diǎn)的鉚接，外觀也不夠美觀，如圖5所示。

圖5 a V形鉚頭沖鉚過(guò)程示意圖

圖5 b V形鉚頭沖鉚后良好鉚接效果圖

3.3 旋鉚方式的特點(diǎn):旋鉚和沖鉚在鉚接方式上有著很大的區(qū)別。首先是出力方式不同，旋鉚機(jī)的出力方式分為兩部分，一是以一定的擺動(dòng)角度軸向向下的下壓力，二是徑向的旋轉(zhuǎn)力，而沖鉚機(jī)僅僅只有垂直向下的軸向壓力。由于旋鉚機(jī)的作用方式是有擺動(dòng)角度的軸向下壓力及徑向旋轉(zhuǎn)力，使材料流動(dòng)均勻，幾乎不形成難變形區(qū)，其次是沖擊壓力小，如要達(dá)到同樣的鉚接效果，旋鉚所需的力僅僅為沖鉚的1/10，所以能有效地避免開裂、彎曲、鐓粗等不良變形，且旋鉚機(jī)鉚接后的觸點(diǎn)外表美觀。特別是對(duì)雙面觸點(diǎn)的鉚接，由于受桿徑較長(zhǎng)的限制，故選擇旋鉚方式進(jìn)行鉚接尤為重要，如圖6所示。

圖6 a 旋鉚過(guò)程示意圖

上圖為旋鉚(良好)，下圖為沖鉚(有明顯間隙)圖6b 相同雙面觸點(diǎn)旋鉚與沖鉚效果對(duì)比圖

4 鉚接質(zhì)量不良對(duì)電壽命的影響

電觸點(diǎn)是開關(guān)電器的關(guān)鍵元件，擔(dān)負(fù)著接通和分?jǐn)嚯娏鞯娜蝿?wù)，而不良的觸點(diǎn)鉚接質(zhì)量，由于接觸面積減少，無(wú)疑會(huì)增大觸點(diǎn)和簧片之間的過(guò)渡電阻，使觸點(diǎn)溫升異常，相應(yīng)地增大了電弧的侵蝕作用，觸點(diǎn)接觸面將會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，熔著和異常消耗的發(fā)生率就會(huì)增大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品早期失效，無(wú)法滿足開關(guān)電器運(yùn)行的可靠性及使用壽命。以下舉例說(shuō)明不同的鉚接質(zhì)量對(duì)電壽命的影響情況:

4.1 3F繼電器觸點(diǎn)不良鉚接質(zhì)量試驗(yàn):

試驗(yàn)負(fù)載:10AX250VAC阻性負(fù)載，額定電壽命10萬(wàn)次。鉚接方式:凹面鉚頭沖鉚，試驗(yàn)前觸點(diǎn)做切片抽樣檢驗(yàn)，動(dòng)觸點(diǎn)軸孔配合處有明顯縫隙，如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果:產(chǎn)品電壽命3萬(wàn)余次時(shí)發(fā)生早期粘接失效。

金相分析顯示:觸點(diǎn)溶蝕嚴(yán)重，動(dòng)觸點(diǎn)和簧片孔接觸處出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象，鉚接面縫隙處形成大量電弧生成物，簧片孔徑增大，導(dǎo)致觸點(diǎn)松動(dòng)，如圖8所示。靜觸點(diǎn)發(fā)生銀層和銅層結(jié)合部的剝離，邊沿部分反翹現(xiàn)象，如圖9所示。

圖7 3F動(dòng)觸點(diǎn)試驗(yàn)前鉚接質(zhì)量:很差的結(jié)合

圖8 a 3F動(dòng)觸點(diǎn)試驗(yàn)后鉚接面處電弧生成物

圖8 b 3F動(dòng)觸點(diǎn)試驗(yàn)后觸點(diǎn)與簧片孔明顯間隙

圖8 c 3F動(dòng)簧片試驗(yàn)前后孔徑對(duì)比

圖8 d 3F動(dòng)觸點(diǎn)試驗(yàn)后觸點(diǎn)松動(dòng)

圖9 3F靜觸點(diǎn)銀層剝離，邊沿部分反翹

4.2 32F繼電器不同鉚接方式對(duì)比試驗(yàn):

試驗(yàn)負(fù)載:10AX250VAC阻性負(fù)載，額定電壽命10萬(wàn)次。鉚接方式:選用同一規(guī)格觸點(diǎn)，分別采用沖鉚和旋鉚，試驗(yàn)前觸點(diǎn)做切片抽樣檢驗(yàn):沖鉚后動(dòng)、靜觸點(diǎn)軸孔配合處有明顯縫隙，如圖10所示，旋鉚后動(dòng)、靜觸點(diǎn)軸孔配合良好，如圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)果:沖鉚產(chǎn)品電壽命5萬(wàn)余次后粘接失效，如圖12所示。而旋鉚產(chǎn)品電壽命10萬(wàn)次以上，未發(fā)生失效，如圖13所示。

由試驗(yàn)前后觸點(diǎn)和簧片硬度比較可知，試驗(yàn)后沖鉚觸點(diǎn)和簧片硬度降低明顯，而旋鉚觸點(diǎn)和簧片硬度基本無(wú)變化，如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，沖鉚觸點(diǎn)鉚接不良，是引起觸點(diǎn)溫升過(guò)熱，簧片彈性能劣化，最終導(dǎo)致產(chǎn)品電壽命早期熔焊失效的主要原因。觸點(diǎn)抗溶焊性能，旋鉚明顯優(yōu)于沖鉚。

圖10 a 沖鉚:32F靜點(diǎn)試驗(yàn)前金相(有縫隙)

圖10 b 沖鉚:32F動(dòng)點(diǎn)試驗(yàn)前金相(有縫隙)

圖11 a 旋鉚:32F靜點(diǎn)試驗(yàn)前金相(良好鉚接)

圖11 b 旋鉚:32F動(dòng)點(diǎn)試驗(yàn)前金相(良好鉚接)

圖12 a 沖鉚:32F靜點(diǎn)電壽命5萬(wàn)次金相

圖12 b 沖鉚:32F動(dòng)點(diǎn)電壽命5萬(wàn)次金相

圖12 c 沖鉚:32F動(dòng)簧電壽命5萬(wàn)次體視

圖13 a 旋鉚:32F靜點(diǎn)電壽命10萬(wàn)次金相

圖13 b 旋鉚:32F動(dòng)點(diǎn)電壽命10萬(wàn)次金相

圖13 c 旋鉚:32F動(dòng)簧電壽命10萬(wàn)次體視

表1 不同鉚接方式電壽命前后觸點(diǎn)和簧片硬度變化比較

5 預(yù)防和改良措施

5.1 適當(dāng)降低桿徑長(zhǎng)度，減少鉚接前軸孔配合間隙，是提升鉚接質(zhì)量的基礎(chǔ)工作。

5.2 單面觸點(diǎn)選擇旋鉚或劈鉚，雙面觸點(diǎn)選擇旋鉚，是提高自由鐓粗變形均勻性的有效方式。

5.3 實(shí)現(xiàn)旋鉚自動(dòng)化，不僅鉚接質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和企業(yè)形象。

5.4 建立切片金相檢驗(yàn)制度和抽樣規(guī)則對(duì)監(jiān)控鉚接質(zhì)量十分必要。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前許多繼電器、開關(guān)生產(chǎn)廠家仍采用傳統(tǒng)的沖壓設(shè)備，以沖鉚的方式對(duì)電觸點(diǎn)與簧片進(jìn)行鉚接，對(duì)鉚接工序的質(zhì)量控制僅關(guān)注鉚接牢度，而忽略了對(duì)鉚接后軸孔縫隙的關(guān)注和監(jiān)控，當(dāng)產(chǎn)品電壽命失效后，往往被誤認(rèn)為是觸點(diǎn)材料問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)自由鐓粗鉚接及電壽命失效實(shí)例的分析，闡述了確保觸點(diǎn)鉚接后軸孔配合處無(wú)縫隙的重要性。希望對(duì)各生產(chǎn)廠家提高鉚接質(zhì)量有借鑒意義。

［1］ 齊克敏，丁樺，材料成形工藝學(xué).北京:冶金工業(yè)部出版社，20006，238