彈性接觸件選用和可靠性研究

楊奮為，房大慧

(1.上海航天技術(shù)研究院808研究所, 2.關(guān)西電子進出口(蘇州)有限公司)

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綜述與簡介

彈性接觸件選用和可靠性研究

楊奮為1，房大慧2

(1.上海航天技術(shù)研究院808研究所, 2.關(guān)西電子進出口(蘇州)有限公司)

彈性接觸件是影響電連接器電接觸性能的關(guān)鍵零件。本文在闡述各種結(jié)構(gòu)形式彈性接觸件性能特征和選用基礎(chǔ)上，重點介紹瑞士PRECI-DIP 技術(shù)集成創(chuàng)新的冠簧式(鷹爪)插孔接觸件，并論述了電連接器彈性接觸件質(zhì)量控制和可靠性保證要點。

彈性接觸件；選用；可靠性

1 彈性接觸件的分類和選用

彈性接觸件分為彈性插孔和彈性插針兩類。彈性插孔對應(yīng)于剛性插針，反之，彈性插針對應(yīng)于剛性插孔。彈性插孔有片簧式、冠簧式和線簧式等三種型式。其中，片簧式包括圓形側(cè)開槽、圓形直開槽和方形等型式。而彈性插針主要有絞線式和片簧式兩種型式。

1.1 彈性插孔接觸件

1 ) 片簧式

片簧式插孔結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，在接觸電阻和電流負載方面提供相對好的性能，但插拔次數(shù)和插拔力有所限制，插拔次數(shù)≧200次、失效概率10-2～10-3。目前，70%的電連接器選用片簧式插孔。

(1)圓形

圓形接觸件分為直開槽和側(cè)開槽兩種型式。

直開槽可多開幾個直槽，開槽一定要中心對稱，為滿足收口均勻性和簧片變形的一致性，應(yīng)盡可能采用專用工裝收口。由于在無護套情況下，易受較大插針損傷，使簧片向外發(fā)生塑性變形會導(dǎo)致插孔松弛接觸不良失效，故目前軍用電連接器都采用帶有不銹鋼護套的直開槽接觸件，見圖1所示。

側(cè)開槽前端保留一段整圓，只開一個側(cè)槽和直槽，直槽位置不一定要在插孔中心，可根據(jù)插孔壁厚、簧片長度和接觸壓力要求而定。由于前端存在整圓，可很好防止較粗插針對簧片損傷，見圖2。

圖1 圓形直開槽片簧式插孔

圖2 圓形側(cè)開槽片簧式插孔

(2)方形

方形接觸件內(nèi)簧片與插孔緊密接觸產(chǎn)生正壓力，保證低而穩(wěn)定的接觸電阻，外簧片卡在絕緣體臺階上，起固定接觸件在絕緣體內(nèi)位置的作用，見圖3。方形接觸件一般具有止檔結(jié)構(gòu)，限止簧片產(chǎn)生塑性變形而使彈性失效。方形接觸件耐過應(yīng)力能力強、成本低、裝配自動化程度高，可髙速裝入印制板電連接器，對對準插合性要求不嚴。由于方形接觸件耐力學環(huán)境性較差，故很少用于耐環(huán)境性能要求髙的軍用電連接器，僅應(yīng)用于環(huán)境條件較好的印制板電連接器。

圖3 方形片簧式插孔

圖4 圓形冠簧式插孔

2) 冠簧式

冠簧式接觸件內(nèi)置鈹青銅多簧并帶斜紋連接，彈性不會失效，可保持插孔內(nèi)冠簧與插針良好的電接觸和避免插合時損傷插針見圖4所示。其壽命達5000次，插拔力可達3-10KN(按客戶需要定制)，與插針插合有許多接觸點，插拔力小，接觸電阻低而穩(wěn)定，允許帶電插拔。失效概率為10-4～10-5。優(yōu)點是制造成本比線簧接觸件低，并具有高動態(tài)接觸可靠性、插拔柔和、接觸電阻小、抗震、耐沖擊等特點。是理想的軍用電連接器彈性接觸件。

3) 線簧式

線簧式插孔是由多根彈性金屬絲按單葉回轉(zhuǎn)

雙曲面的直母線排列，形成兩端大中間小的鼠籠式插孔。插合時彈性鈹銅絲在插孔中起重要作用，多根彈性鈹銅絲均勻而緊緊地包絡(luò)在插針四周表面上，使插針和插孔中多根獨立的鈹銅絲同時接觸，構(gòu)成多個導(dǎo)電通路，見圖5所示。插孔小于0.76mm時仍有12根獨立簧線，每根簧線與插針形成一個接觸點，插拔次數(shù)≧100000次、失效概率為10-8～10-9。與其它插孔接觸件相比；線簧式插孔接觸件具有接觸電阻低、操作力矩小、插拔柔和、耐磨損、機械壽命高和耐振動沖擊性能好等特點，特別適用于制造接觸可靠性要求高的軍用電連接器。

圖5 線簧式插孔

圖6 絞線式插針

表1列出了片簧式、冠簧式、線簧式等三種插孔的制造成本、插合接觸點數(shù)、插拔次數(shù)、失效概率和接觸電阻等性能對比。由表1可見，片簧式插孔接觸件適用于插拔次數(shù)和插拔力有所限制的應(yīng)用場合。冠簧式插孔接觸件適用于要求插拔力和接觸電阻比片簧插孔更小的應(yīng)用場合。線簧式插孔接觸件具備冠簧插孔全部優(yōu)點，接觸更加可靠，接觸電阻最小，插拔次數(shù)最多，失效概率最低，但其制造成本也最高。

表1 三種形式插孔的性能對比

2.2 彈性插針接觸件

1)絞線式

由于圓柱開槽接觸件直徑<0.6mm時，插針強度下降，插孔內(nèi)孔車制困難，表面粗糙度難達到1.6μm要求，可靠性存在諸多問題。絞線式插針的出現(xiàn)，為電連接器實現(xiàn)髙密度、小型化(間距1.27mm、0.635mm)奠定了基礎(chǔ)。

絞線式插針是在三股芯纜銅線外包著七股鈹銅線構(gòu)成的彈性線纜做成一段纜束，再壓接到套筒上，最后鼓腰而形成絞線式插針，配合的插孔為非彈性管。由于插入時絞線式插針外面七股鈹銅線變形，緊密接觸插孔管壁，產(chǎn)生可靠的電接觸，參見圖6。

2)片簧式

釆用鈹銅帶經(jīng)沖制成帶有三片彈性片簧和針體壓接組裝成片簧式插針。依靠插針上周向均勻分布的三片彈性片簧與剛性插孔內(nèi)壁緊密接觸產(chǎn)生正壓力，保證低而穩(wěn)定的接觸電阻(圖7)。

圖7 片簧式插針

圖8 瑞士PRECI-DIP無護套鷹爪插孔

3 瑞士PRECI-DIP 技術(shù)集成創(chuàng)新的鷹爪插孔

瑞士精密接觸件的制造商PRECI-DIP， 采用其獨特的專業(yè)技術(shù)和豐富的制造經(jīng)驗，研制開發(fā)出一款新的高性能兩件式無護套鷹爪插孔，參見圖8。其結(jié)構(gòu)型式與前述冠簧式插孔有點相似。整個制造過程全部自動控制，鷹爪和插孔主體所采用的簡化裝配和分離式電鍍，與傳統(tǒng)的直開槽式插孔相比具有很大的設(shè)計優(yōu)勢。

3.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

該無護套鷹爪插孔由兩部分組成：由不同材料的插孔主體和鷹爪(單獨壓入插孔主體)組成。插孔主體是由C34500黃銅經(jīng)過高速車制加工而成的；采用C34500優(yōu)質(zhì)黃銅壓接時無需退火工藝處理。經(jīng)過精密沖壓制成的鷹爪采用C17200鈹銅。插孔主體和鷹爪采用分離式電鍍工藝，節(jié)省貴金屬，降低成本，體現(xiàn)了最好的性價比。

采用全自動裝配生產(chǎn)線在線完成插孔主體和鷹爪零件生產(chǎn)和裝配。鷹爪精確地安裝在插孔內(nèi)，通過頂端收口進一步固定和防止脫落，插孔保持力大于40N。并全自動裝配線上進行在線機械性能和電氣性能檢測。

3.2 技術(shù)特性

1) 瑞士PRECI-DIP 無護套鷹爪插孔專利技術(shù)受國際專利保護，目前可選用接觸件號有16、20 和22。

2) 經(jīng)沖壓和修剪而成的鷹爪具有高優(yōu)質(zhì)表面，鷹爪零件上三至六片彈性片簧與插針可保持良好的表面電接觸。

3) 廠內(nèi)完成插孔主體和鷹爪零件的分離式電鍍。插孔主體采用C34500黃銅，表面鍍鎳層不小于2.5μm。鷹爪采用C17200鈹銅，底層鍍鎳不小于2.5μm，表層鍍金不小于1.27μm

4) 鷹爪插孔與插針插拔配合柔和，插入力和拔出力之間差異很小，見圖9。

圖9 鷹爪插孔與插針插拔配合柔和

圖10 精密規(guī)則幾何形狀的鷹爪

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)直開槽式插孔相比，沖壓成精密規(guī)則幾何形狀的鷹爪(圖10)與插針電連接時能達到同心和最佳對稱狀態(tài)，見圖11所示。鷹爪插孔具有定向斜面、直徑插入和配合插針自動調(diào)整的多種功能。而傳統(tǒng)直開槽式插孔可能會有誤差和變形，參見圖12。

圖11 鷹爪插孔(徑向)

圖12 直開槽插孔(徑向)

4 彈性接觸件質(zhì)量控制

4.1 材料質(zhì)量

目前，我國電連接器生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的絕大部分產(chǎn)品都為參照國外標準生產(chǎn)的“仿制”產(chǎn)品。例如國內(nèi)某軍用電連接器龍頭企業(yè)，憑借自身工藝裝備仿制的某型號壓接式圓形電連接器和國外同類產(chǎn)品相比，從外形結(jié)構(gòu)到加工工藝均已無可挑剔，但檢測兩者的接觸電阻性能指標相差甚遠。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，兩者壓接式接觸件所用的材料性能參數(shù)不同，從而使得同樣結(jié)構(gòu)形式壓接式接觸件的接觸壓力有明顯差異。由此說明，產(chǎn)品光"形似"是不夠的，企業(yè)必須重視原材料選用等產(chǎn)品設(shè)計基礎(chǔ)研究，才能達到"神似"等效替代進口同類電連接器的目標。

4.2 外觀質(zhì)量

接觸件尺寸、精度和表面粗糙度等外觀質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計圖紙和產(chǎn)品標準要求。插針插合端近似為半球面，插孔插合端應(yīng)倒圓角或倒斜角，以便于插針導(dǎo)向和對準插入?！峨娺B接器接觸件總規(guī)范》(GJB1216)規(guī)定了全部插針接觸件的插合端直徑、端部允許的平面直徑以及接觸件壓接前和壓接后的同軸度，規(guī)定表面粗糙度插合面電鍍后Ra為0.8mm、其它表面電鍍后Ra為1.6mm。

目前，國內(nèi)部分電連接器生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的接觸件表面質(zhì)量，與發(fā)達國家同類零件相比尚存在一定差距。圖13為瑞士Preci-Dip生產(chǎn)的針體放大45倍表面實況，圖14為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的針體放大45倍表面實況。對比觀察可見，國產(chǎn)的針體表面粗糙度較差。

圖13 瑞士Preci-Dip生產(chǎn)的針體表面(45×)

圖14 國內(nèi)某公司生產(chǎn)的針體表面(45×)

4.3 力學檢測

1)接觸件單孔分離力

單孔分離力檢查目的是為保證電連接器接觸件具有一定的接觸壓力，接觸可靠。驗收時，應(yīng)采用產(chǎn)品標準規(guī)定的分離力檢查方法，用標準插針對電連接器每個插孔進行100%分離力檢查。由于部分企業(yè)生產(chǎn)的電連接器插孔收口成型工序仍靠手工操作，尺寸一致性差，往往很容易造成插孔應(yīng)力松弛。單孔分離力過小，在受振動沖擊載荷時有可能造成信號瞬斷。實踐證明，用單孔分離力檢查接觸是否可靠比測接觸電阻更有效。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單孔分離力超差的插孔，測量接觸電阻往往仍合格。

2)接觸件固定性

接觸件固定性檢測目的是在連接器的接觸件上施加軸向力，以確定連接器承受使接觸件從連接器絕緣安裝板中的正確位置產(chǎn)生位移的力的能力和承受使接觸件脫出的力的能力是否合格。在規(guī)定軸向力作用下，若接觸件在絕緣安裝板中的位移超差，說明接觸件的固定性不良，將影響電連接器的可靠接觸與連接。

接觸件固定性應(yīng)按GJB1217電連接器試驗方法規(guī)定，每單個電連接器中的全部接觸件數(shù)的20%進行試驗，但應(yīng)不少于3個接觸件。在電連接器內(nèi)只須裝入要試驗的接觸件，沿每個接觸件縱軸會使接觸件向后位移的方向加力。施加的軸向力最大預(yù)負荷為13.6N，然后按規(guī)定施加負荷。接觸件軸向位移應(yīng)不超過0.30mm，且不應(yīng)引起對接觸件或絕緣安裝板的損壞。 圖15為用專用工具對耐環(huán)境圓形電連接器進行接觸件固定性試驗。

圖15 用專用工具進行接觸件固定性試驗

圖16 插孔接觸件壓接強度檢測

3)接觸件壓接強度

接觸件壓接強度檢測目的是確定接觸件和壓接導(dǎo)線線芯壓接的機械強度是否合格，所得數(shù)值表示壓接處的相對強度。圖16為插孔接觸件壓接強度檢測。

先將壓接好的試驗樣品夾在張力試驗機的夾具中，啟動張力試驗機，以每分鐘25±6mm的恒速度對試驗樣品施加軸向力，直至產(chǎn)品標準規(guī)定的張力觀察接觸件和導(dǎo)線線芯是否分離。應(yīng)根據(jù)軍用壓接式電連接器產(chǎn)品標準規(guī)定進行檢測，并作出判定。在規(guī)定負荷下，導(dǎo)線不能從接觸件上拉脫(導(dǎo)線從導(dǎo)線筒或襯套中拉出，或?qū)Ь€在導(dǎo)線筒或襯套內(nèi)拉斷)[2]。

4.4 鍍層質(zhì)量

軍用耐環(huán)境髙可靠連接器一般均采用鍍金接觸件。鍍金質(zhì)量直接關(guān)系到電連接器接觸件電接觸穩(wěn)定性、耐環(huán)境性和使用壽命。軍用耐環(huán)境髙可靠連接器國軍標規(guī)定接觸件鍍金層厚度應(yīng)不小于1.27μm。接觸件鍍金層應(yīng)光亮致密、結(jié)合力良好；不應(yīng)有起皮、劃傷、腐蝕、黑斑、污跡、膠跡等缺陷。插孔內(nèi)不應(yīng)有金屬多余物，鍍金層應(yīng)按有關(guān)標準進行抗腐蝕試驗。

實踐表明，鍍金質(zhì)量并非僅與厚度有關(guān)，還與基體金屬的結(jié)合力和鍍層孔隙率有關(guān)，絕非越厚越好。若鍍層與基底結(jié)合不牢，鍍層則極易起皮剝落，不僅達不到連接器設(shè)計使用壽命，還會造成經(jīng)濟上的極大浪費。圖17為瑞士Preci-Dip生產(chǎn)的MIL32029 22#插孔接觸件壓接端鍍金表面，圖18為瑞士Preci-Dip生產(chǎn)的MIL32029 22#插孔接觸件凸臺和打有生產(chǎn)廠標志PD鍍金表面。

圖17 22#插孔壓接端鍍金表面(45×)

圖18 插孔凸臺和打標志PD鍍金表面(45×)

5 彈性插孔接觸件可靠性保證要點

5.1 電接觸技術(shù)基礎(chǔ)研究

經(jīng)濟體制影響和決定了企業(yè)追求的奮斗目標。由于基礎(chǔ)研究投入資金大、見效慢、且有更多的不確定性，現(xiàn)在很少有人能潛下心來，花幾年乃至數(shù)十年去研究這些基礎(chǔ)共性技術(shù)，導(dǎo)致我國電接觸技術(shù)基礎(chǔ)研究非常薄弱。

例如，目前軍用壓接式電連接器國軍標接觸件鍍金層厚度，是仿照美軍標規(guī)定不小于1.27μm。用鍍金層厚度來衡量鍍金質(zhì)量，這是在過去缺乏完善合理檢測手段情況下的臨時措施。真正優(yōu)良的鍍金表面不單取決于厚度，還與鍍層的結(jié)合力和孔隙率有關(guān)。國外連接器鍍金層厚度普遍較低，通常為1μm左右，而有些效果還超過我國仿制產(chǎn)品。故研究一套合理的鍍金層厚度質(zhì)量檢驗和評估標準，就是一個很好的電接觸技術(shù)基礎(chǔ)研究課題。

最近，國務(wù)院正式公布了工業(yè)4.0中國版“中國制造2025”，表明國家現(xiàn)開始重視提升關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心基礎(chǔ)零部件(元器件)、先進基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)(簡稱四基)等工業(yè)基礎(chǔ)能力。電接觸技術(shù)基礎(chǔ)研究是提高電連接器接觸件質(zhì)量與可靠性的基礎(chǔ)。國家應(yīng)支持優(yōu)勢企業(yè)組織開展“政、產(chǎn)、學、研、用”聯(lián)合攻關(guān)，開展熱學、力學、環(huán)境污染等因素對接觸件電接觸可靠性影響的系統(tǒng)試驗，為提高電連接器接觸件設(shè)計可靠性提供科學依據(jù)。

5.2 失效預(yù)防和優(yōu)化設(shè)計

電連接器彈性接觸件出現(xiàn)失效故障后，準確分析失效模式和失效機理非常重要。通過失效分析可引出大量經(jīng)驗教訓和排除各種隱患，為改進設(shè)計、工藝和使用法規(guī)提供科學依據(jù)，也是修訂和制訂現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程和標準的重要依據(jù)。電連接器彈性接觸件設(shè)計結(jié)構(gòu)必須經(jīng)大量試驗論證其安全可靠性。產(chǎn)品設(shè)計可靠性是保證電連接器彈性接觸件可靠性的基礎(chǔ)。有些產(chǎn)品設(shè)計方案盡管存在很好的經(jīng)濟效益或使用價值，但由于使用可靠性不高，用戶會因在實際使用過程中易發(fā)生失效故障而被禁用或限用。

5.3 材料品質(zhì)保證

國產(chǎn)彈性金屬材料品質(zhì)低，制造高可靠電連接器彈性接觸件的鈹銅材料至今仍依賴進口。這是我國與發(fā)達國家電連接器同類接觸件存在差距的重要原因。

為此，我國必須通過運行機制改革，將產(chǎn)業(yè)鏈上的材料研究、生產(chǎn)與應(yīng)用等單位組成創(chuàng)新聯(lián)盟。以改變目前材料生產(chǎn)與材料應(yīng)用脫節(jié)，造成材料研究和標準制定流于表面化，使材料很難適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的差異化工藝技術(shù)要求的現(xiàn)狀；必須將髙可靠電連接器鈹銅及其替代材料創(chuàng)新和應(yīng)用視為一項國家系統(tǒng)工程，系統(tǒng)工程除整體性考慮外，還應(yīng)最優(yōu)化考慮其性能、經(jīng)濟效益、環(huán)境和社會效益等因素，遵循最優(yōu)化原則，使之綜合性能最優(yōu)。

5.4 智能化生產(chǎn)過程控制

發(fā)達國家憑借優(yōu)質(zhì)材料和高度自動化零部件加工和裝配技術(shù)，配上先進的柔性加工和在線質(zhì)量控制技術(shù)，有效控制全生產(chǎn)過程質(zhì)量，在實現(xiàn)大規(guī)模、高效率、低成本批量同時，保證了生產(chǎn)彈性接觸件的質(zhì)量一致性。例如瑞士Preci-Dip公司依靠先進的設(shè)計、優(yōu)質(zhì)的材料、杰出的精細加工技術(shù)和富有創(chuàng)新精神的研發(fā)團隊，集聚了由全球性物流網(wǎng)絡(luò)支持的專業(yè)技術(shù)、資質(zhì)、髙產(chǎn)、靈活性和面向客戶的宗旨，不斷將客戶的理念和想象轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實?，F(xiàn)已成為髙度技術(shù)集成、每周接觸件生產(chǎn)能力達1.5億個、世界頂級品牌接觸件工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊[3]。

我們應(yīng)學習借鑒發(fā)達國家技術(shù)集成創(chuàng)新的成功經(jīng)驗，將互聯(lián)網(wǎng)理念擴展電連接器生產(chǎn)和服務(wù)領(lǐng)域，促進電連接器生產(chǎn)企業(yè)的分工和專業(yè)化。使企業(yè)生產(chǎn)出的彈性接觸件不再大量類同，而是技術(shù)集成度更高，更具個性化。

國家必須重視電連接器彈性接觸件基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝裝備和在線檢測設(shè)備的應(yīng)用研究。必須大力扶植優(yōu)秀企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高其生產(chǎn)過程技術(shù)集成度和數(shù)字化、智能化制造設(shè)備和檢測儀器應(yīng)用水平。只有提髙制造電連接器彈性接觸件的技術(shù)集成度，才能真正確保其質(zhì)量與可靠性。

[1] 楊奮為. 電連接器的常規(guī)電性能檢驗技術(shù)研究,電子質(zhì)量.2001年第6、7期.

[2] GJB1216-91, 電連接器接觸件總規(guī)范. 國防科工委軍標出版發(fā)行部.

[3] 楊奮為. 軍用電連接器數(shù)字化生產(chǎn)過程質(zhì)量控制研討. 機電元件, 2015年第2期.

2015-09-10

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.011

TN784

A

1000-6133(2015)06-0050-07