鈹青銅接觸件分離力穩(wěn)定性提升技術(shù)研究

(1.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009；2.蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129)

1 引言

鈹青銅作為一種時(shí)效強(qiáng)化型合金材料，具有無磁、彈性優(yōu)良、時(shí)效后強(qiáng)度高等特征[1]，被廣泛應(yīng)用于彈性接觸件的加工。隨著航空航天、石油開采等設(shè)備性能的不斷提高，接觸件的可靠性要求也越來越高，但批產(chǎn)接觸件分離力的整體穩(wěn)定性還有待提升，本文從仿真分析確定接觸件收口的尺寸范圍，通過原材料分析和機(jī)械性能測(cè)試判定材料是否符合加工零件，最后通過調(diào)整熱處理參數(shù)和增加自然失效工藝，不僅提升了批產(chǎn)接觸件整體分離力的穩(wěn)定性，而且接觸件合格率進(jìn)一步提高。

2 模型建立

接觸件主要分為環(huán)周開槽簧片結(jié)構(gòu)、一字槽簧片結(jié)構(gòu)、麻花針結(jié)構(gòu)、接觸圈等。本文對(duì)一字槽簧片的對(duì)插及分離進(jìn)行物理建模，并對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析[2]。

2.1 接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究插針與一字槽插孔對(duì)插的真實(shí)插拔過程，一字槽插孔設(shè)計(jì)為通孔結(jié)構(gòu),其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

由于簧片為單邊收口,造成簧片收口后的非規(guī)則圓與插孔形成非同軸狀態(tài),在建模時(shí)應(yīng)考慮插針插入插孔時(shí)的同軸度,保證插針處于平衡狀態(tài)。

2.2 接觸件仿真分析

根據(jù)靜力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真分析,可計(jì)算接觸件收口尺寸對(duì)接觸件簧片的應(yīng)力影響,通過控制接觸件收口的尺寸精準(zhǔn)控制接觸件分離力范圍，圖2為接觸件滿足最小分離力的應(yīng)力分布圖，圖3為接觸件滿足最小分離力的應(yīng)變分布圖。

插孔簧片的應(yīng)力主要集中在簧片中部,其均值應(yīng)力為180MPa左右，小于材料屈服強(qiáng)度1100MPa，處于安全范圍內(nèi)。

由圖3可知，在保證接觸件最小接觸力時(shí)，接觸件簧片收口后直徑應(yīng)大于對(duì)插件直徑0.02mm。

圖2 插孔的應(yīng)力分布圖

圖3 插孔的應(yīng)變分布圖

3 接觸件材料及工藝處理

金屬材料的機(jī)械性能和接觸件的工藝處理直接影響接觸件簧片插拔力的穩(wěn)定性[3]，故本文從原材料金相分析、材料機(jī)械性能、零件工藝處理和自然時(shí)效四個(gè)方面對(duì)接觸件的檢測(cè)、加工進(jìn)行闡述。

3.1 材料分析

3.1.1 材料金相分析

材料的金相晶粒度大小和β相形態(tài)分布，對(duì)金屬材料的拉伸強(qiáng)度、韌性、塑性等機(jī)械性能有著決定性影響。本文對(duì)加工接觸件的鈹青銅原材料進(jìn)行金相晶粒度和β相形態(tài)分布進(jìn)行檢測(cè)，如圖4和圖5所示。

圖4 鈹青銅金相晶粒度分布圖

由圖4可知，鈹青銅C17300的金相晶粒度測(cè)量平均直徑為0.020mm屬于細(xì)晶粒度級(jí)別，機(jī)械性能優(yōu)良。

圖5 鈹青銅β相形態(tài)分布圖

由圖5可知，鈹青銅C17300的β相級(jí)別屬于零級(jí)，材料滿足加工接觸件要求。

3.1.2 材料機(jī)械性能分析

接觸件接觸穩(wěn)定性與材料的機(jī)械性能有著直接的關(guān)系，其由抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、硬度等直觀反映,本文采用ASTM E8/E8M-16a對(duì)C17300棒材進(jìn)行拉伸測(cè)試，其拉伸測(cè)試結(jié)果如表1所示；采用ASTM E92-17對(duì)其硬度進(jìn)行測(cè)試，分別取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 ASTM E8/E8M-16a 拉伸測(cè)試結(jié)果

表2 ASTM E92-17硬度測(cè)試結(jié)果

由表1、表2可知，材料抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、硬度均符合加工接觸件的要求，能夠保證接觸件多次插拔后分離力的穩(wěn)定性。

3.2 工藝處理

接觸件熱處理和接觸件收口后自然時(shí)效是接觸件加工的兩個(gè)特殊工藝處理，可有效保證接觸件的彈性力穩(wěn)定[4][5]。

3.2.1 接觸件熱處理

本文對(duì)加工完成后的接觸件進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度曲線如圖6所示。

圖6 材料熱處理曲線

由圖6可知，溫度由常溫升到345℃，耗時(shí)1h；保持345℃，時(shí)間為2.5h；1.5h降溫至80℃左右。

3.2.2 接觸件自然時(shí)效及統(tǒng)計(jì)分析

接觸件熱處理后，對(duì)其進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，觀察接觸件自然靜置時(shí)間對(duì)接觸力的影響，如表3所示。

表3 接觸件接觸力與靜置時(shí)間關(guān)系表

由表3可知，接觸件靜置時(shí)間為5周，接觸件分離力隨著時(shí)間的推移，分離力先減小，再變大，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及統(tǒng)計(jì)分析

本文采用仿真分析、材料分析、工藝處理、零件后處理的接觸件加工方式較改進(jìn)前零件加工增加了零件自然時(shí)效處理，同時(shí)其中仿真分析模擬最佳縮口尺寸，熱處理時(shí)間由320℃，提升至345℃，通過統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比加工方式改進(jìn)前后接觸件分離力變化，其中，接觸件設(shè)計(jì)指標(biāo)為4N～12N，圖7為改進(jìn)前100只接觸件分離力的高斯分布圖；圖8為改進(jìn)后100只接觸件分離力的高斯分布圖。

圖7 改進(jìn)前接觸件分離力高斯分布圖

圖8 改進(jìn)后接觸件分離力高斯分布圖

對(duì)比圖7和圖8可知，改進(jìn)前后接觸件分離力為8N的個(gè)數(shù)均為最多，但改進(jìn)后的接觸件分離力的統(tǒng)計(jì)均值更接近設(shè)計(jì)指標(biāo)的中值8N，統(tǒng)計(jì)方差更小，接觸件分離力更加集中在8N附近，且接觸件分離力的合格率提升8%。

5 結(jié)束語

本文提出了基于仿真分析、材料分析、工藝處理、零件后處理相結(jié)合的接觸件加工方式，不僅提升接觸件插拔力整體的穩(wěn)定性、而且提升了接觸件整體的合格率。首先，建立接觸件的物理模型，對(duì)物理模型進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真分析；其次，對(duì)接觸件原材料金相分析、抗拉強(qiáng)度檢測(cè)、硬度檢測(cè)，同時(shí)對(duì)接觸件進(jìn)行熱處理溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以及對(duì)收口后的接觸件進(jìn)行自然時(shí)效處理；最后，對(duì)改進(jìn)前后100只接觸件的分離力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了改進(jìn)加工方式后，接觸件分離力分布更加集中，穩(wěn)定性更高。