空心插銷鉚接工藝的研究及其應(yīng)用

李富裕 章衛(wèi)軍 聶杰文 柴奇凱

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315300）

引 言

自19世紀(jì)60年代后期，第二次工業(yè)革命開始，人類進(jìn)入了“電氣時(shí)代”，各類家用電器逐步成為人們的日常生活中不可缺少的部分，作為各類電器的連接部件，轉(zhuǎn)換器也得到了快速的發(fā)展。根據(jù)各國(guó)家轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)的不同，插銷形狀尺寸也各不相同，主要有圓插銷與扁插銷兩類，但無(wú)論是圓插銷還是扁插銷，其材質(zhì)、加工工藝及工作原理都大同小異，都是在滿足電氣強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度的前提下起著連接電器部件與外部供電線路的作用。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

由于國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60083:2004標(biāo)準(zhǔn)及各國(guó)插頭插座標(biāo)準(zhǔn)的不同，轉(zhuǎn)換器的種類與規(guī)格也不相同。本文以法國(guó)家用和類似用途插頭插座標(biāo)準(zhǔn)（NF C61-303）移動(dòng)式轉(zhuǎn)換器2P+T 10/16A 250 V中地極圓插銷與銅連接片的鉚接工藝為例進(jìn)行闡述。

法式轉(zhuǎn)換器中地極組件包含了地極插銷與地極連接片，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要將其鉚接固定。傳統(tǒng)制造一般采用了實(shí)心插銷與連接片通過(guò)沖壓鉚接或旋鉚的方式將其連接固定，如圖1所示。

圖1 鉚接前后示意圖

這種鉚接工藝存在一定缺陷，即抗扭性能差，且質(zhì)量不穩(wěn)定，部分產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到準(zhǔn)標(biāo)要求，產(chǎn)品不良率高，同時(shí)不良品的返工增加了生產(chǎn)成本，且存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的安全隱患。經(jīng)多批次產(chǎn)品進(jìn)行抽查，測(cè)試其扭轉(zhuǎn)力矩如表1所示。

表1 實(shí)心插銷扭轉(zhuǎn)力矩測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示分析，其抗扭轉(zhuǎn)力矩在0.3 ～0.8 N.m之間，同一批次其抗扭轉(zhuǎn)性能基本相同，不同批次間卻相差較大，其原因在于鉚接過(guò)程中人為調(diào)機(jī)隨意性大，導(dǎo)致鉚接后插銷的翻邊高度存在差異性，不同的翻邊高度決定了插銷與地極連接片之間摩擦力的大小，從而抗扭轉(zhuǎn)的性能存在較大的差異。

2 研究目標(biāo)

銅是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和安全具有戰(zhàn)略意義的重要源材料，同時(shí)在電工行業(yè)中也起著不可替代的作用，但目前我國(guó)正面臨著銅礦資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象，“節(jié)約銅資源，提高資源利用效率”已成為我國(guó)目前的治國(guó)方針之一。優(yōu)化整合電工行業(yè)銅材使用迫在眉睫。

本文就不同的插銷鉚接工藝對(duì)拉脫力與扭矩的影響，重點(diǎn)從空心插銷的商業(yè)實(shí)用性與設(shè)計(jì)合理的鉚接工藝來(lái)研究。在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，根據(jù)公司及客戶要求，通過(guò)探索新工藝，來(lái)滿足產(chǎn)品拉脫力與扭矩要求，從而完成節(jié)省銅資源，降低原材料成本的目的。

為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)大量實(shí)踐與測(cè)試分析，從而提出使用空心插銷替代方案與新鉚接工藝方案，主要包含以下技術(shù)點(diǎn)：

1）空心插銷的制作工藝

空心插銷采用H62黃銅為原材料，通過(guò)多次冷拉伸成形，此空心插銷的機(jī)械性能與電氣性能可完全替代原有的實(shí)心插銷。

2）鉚接工藝

插銷與銅連接片通過(guò)沖壓鉚接+旋壓鉚接的加工進(jìn)行固定，除滿足電氣性能要求外，還滿足抗扭轉(zhuǎn)與拉脫力的要求，以符合安規(guī)要求標(biāo)準(zhǔn)。

3 初始空心插銷方案確認(rèn)

目前國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)換器中使用的圓形插銷材料主要采用鉛黃銅HPb59-1，此材料可切削性好，易于車削加工；有良好的力學(xué)性能，能承受冷、熱壓力加工；易焊接，對(duì)一般腐蝕有良好的穩(wěn)定性。但由于金屬雜質(zhì)含高（如表2中：鐵、鋁、鉛等），導(dǎo)致其韌性、延展性、拉伸性能不佳，因此不適用于沖壓加工。從環(huán)保方面講，此圓插銷主要應(yīng)用于外貿(mào)出口產(chǎn)品中，根據(jù)歐盟于2003年出臺(tái)發(fā)布的RoHS標(biāo)準(zhǔn)指令，明確規(guī)定了電器產(chǎn)品中的重金屬含量要求。其中對(duì)鉛含量的要求不得超0.1 %，實(shí)心插銷采用鉛黃銅HPb59-1作為原材料，含鉛量超標(biāo)，在0.8～1.9 %之間，無(wú)法通過(guò)RoHS環(huán)保認(rèn)證。而H62的鉛含量只有HPb59-1的10 %，鉛含量?jī)H有不足0.08 %，完全符合RoHS環(huán)保要求。

表2 HPb59-1與H62

此外，與鉛黃銅HPb59-1相比，黃銅H62除具有相似的力學(xué)性能外，在熱態(tài)、冷態(tài)下均有良好的塑性、延展性與拉伸性能。但此材料退火溫度低，一般在600 ℃到800 ℃之間，經(jīng)退火后，H62材質(zhì)硬度降低，車削時(shí)往往因加工溫度過(guò)高使銅屑與刀具粘結(jié)，常導(dǎo)致加工表面粗糙，車削加工難度大。

空心插銷的加工利用了黃銅 H62良好的延展性，將黃銅薄板多次冷拉伸成型，如圖3。銅材進(jìn)行冷加工產(chǎn)生塑性變形，再經(jīng)時(shí)效處理后，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度得到大大的提高，經(jīng)拉伸后的插銷其強(qiáng)度完全滿足實(shí)心插銷的強(qiáng)度要求。

通過(guò)圖2的剖面我們可以看出，同等長(zhǎng)度和大小的實(shí)心與空心插銷，本文以外徑為Φ4.8x20 mm的圓形插銷為例，測(cè)得具體的數(shù)值如表3，從表中數(shù)據(jù)不難看出，其實(shí)心插銷重量約為空心插銷重量的3倍，使用空心插銷大大節(jié)約了原材料成本。

表3 插銷參數(shù)

在轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往需要解決負(fù)載大溫升超標(biāo)的難點(diǎn)，通常的解決方法，除了改變導(dǎo)體的材質(zhì)外，通常是增加載流導(dǎo)體的橫截面積與散熱面積，但成本也相應(yīng)增加；從表2中數(shù)據(jù)可以看出，黃銅H62在導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率方面都優(yōu)勝于鉛黃銅HPb59-1，相同外形的實(shí)心與空心插銷，空心插銷的散熱表面積約為實(shí)心插銷的1.6倍，使用空心插銷更有利于解決溫升問(wèn)題。

綜上分析與對(duì)比，不難看出采用黃銅H62的空心插銷。更符合本次設(shè)計(jì)的要求。

3.1 方案要求

在空心插銷的方案得到確定后，以采用 H62黃 銅制作的空心插銷為基礎(chǔ)，我們接下來(lái)的任務(wù)便是確定插銷與銅連接片的鉚接工藝。

本次銅連接片的材料要求沿用之前材質(zhì)，厚度為0.5 mm的H62黃銅材料，結(jié)合鉚接工藝，須在銅連接片上開孔，用于之后插銷與連接片的鉚接。

根據(jù)IEC 60884標(biāo)準(zhǔn)，鉚接后的插銷應(yīng)滿足以下安規(guī)要求：

1）溫升要求：＜45 K

2）扭力要求：安規(guī)要求0.4 N.m，正反施力保持1 min，位移不得大于1 mm。

3）拉脫力要求：滿足插拔力要求50 N，不得有松動(dòng)現(xiàn)象。

此外在本次客戶對(duì)產(chǎn)品提出特殊要求中，其中要求扭力矩應(yīng)為穩(wěn)定大于 0.5 N.m，對(duì)扭力矩的要求高于安規(guī)要求。

3.2 鉚接工藝解析

常規(guī)的鉚接工藝方案有兩種：

1）是將插銷端部車削成圖2的外形，再將銅連接片與實(shí)心插銷在壓力鉚接機(jī)上通過(guò)制具進(jìn)行沖壓、翻邊、旋壓鉚接，此種鉚接工藝使用的銅連接片與插銷的裝配孔通常為圓孔，便于鉚接時(shí)插入插銷，插銷的安裝部位與孔為間隙配合，沖頭在鉚接機(jī)的作用力下插銷端部塑性變形，使插銷與連接片緊密貼合。

圖2 實(shí)心與空心插銷剖面圖

2）將插銷端部車削成圖3的外形，再將銅連接條與實(shí)心插銷在鉚接機(jī)上通過(guò)沖壓鉚接，插銷端部在壓力機(jī)作用下發(fā)生塑性變形，向外擴(kuò)張，與銅連接片安裝孔發(fā)生擠壓形成過(guò)盈配合，達(dá)到鉚接的目的。

圖3 實(shí)心插銷與鉚接后成品

這兩種常規(guī)的鉚接方案是插銷端部通過(guò)壓力作用發(fā)生塑性變形，與銅連接片上的圓孔形成過(guò)盈配合，軸與孔之間的旋轉(zhuǎn)自由度無(wú)法被限制，屬于欠定位，旋轉(zhuǎn)阻力來(lái)源于摩擦力，因此導(dǎo)致鉚接后的插銷抗扭轉(zhuǎn)性能差，在長(zhǎng)時(shí)間的使用與插拔中，易造成圓插銷與銅連接片之間的松動(dòng)，存在用電隱患。

4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

經(jīng)對(duì)上述原有設(shè)計(jì)問(wèn)題原因的分析，為限制插銷的旋轉(zhuǎn)自由度，筆者提出了將銅連接片上原有的圓孔改為多邊形，相應(yīng)的鉚接沖頭也改為多邊形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出其抗扭轉(zhuǎn)的性能提高了一倍。

如圖4所示，空心插銷端部與正六邊形孔為間隙配合，端部外圓與六邊形直邊呈相切狀態(tài)，通過(guò)六邊形沖頭鉚接時(shí)，插銷端部材料發(fā)生屈服變形，內(nèi)外孔形成相應(yīng)的六邊形并與銅連接片進(jìn)行相互擠壓形成過(guò)盈配合狀態(tài)，既增加了摩擦力，又限制了空心插銷的旋轉(zhuǎn)自由度，使得孔內(nèi)的插銷無(wú)法實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，從而提升了插銷的抗扭轉(zhuǎn)能力（如圖5）。

圖4 鉚接前

圖5 鉚接后

通過(guò)上述鉚接工藝方案的改進(jìn)，我們將新工藝方案與常規(guī)鉚接工藝進(jìn)行了扭力、拉脫力對(duì)比測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

通過(guò)表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，我們不難得出采用六邊形孔鉚接工藝，在抗扭轉(zhuǎn)能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)勝于常規(guī)的鉚接工藝，并且相對(duì)穩(wěn)定，在極限拉脫力方面，常規(guī)鉚接工藝?yán)摿笥?00 N，而新鉚接工藝只有160 ～180 N，所以采用正六邊形孔連接片與配套的六邊形沖頭的工藝解決了常規(guī)鉚接中扭轉(zhuǎn)力不足的問(wèn)題，但同時(shí)也使得其拉脫力大幅度降低，此方案仍需要進(jìn)一步完善。

表4 安規(guī)測(cè)試數(shù)據(jù)

拉脫力原因分析：

結(jié)合圖6與圖7的剖視圖可以看到，常規(guī)鉚接工藝相比于六邊孔型沖壓鉚接的插銷端部翻邊較大，與銅連接件接觸更多，受力面積更大，受力更均勻。

圖6 常規(guī)規(guī)工藝方案

圖7 六邊形沖壓鉚接方案

在圓孔沖鉚工藝中，沖鉚部位向外擴(kuò)展翻邊，形成了喇叭口形狀，當(dāng)受到拉脫外力F時(shí)，翻邊圓周整個(gè)邊沿均勻受力，其受力面積大，受力方向正好與拉脫力方向相反，插銷端部不易變形，具有較大的承載能力。

而在正六邊形孔型的沖鉚工藝中，沖鉚部位向外擴(kuò)展翻邊，形成了六邊形狀擴(kuò)孔，當(dāng)受到拉脫外力F時(shí)，插銷端部受壓力F1作用易收縮變形而脫落，承載能力較差。

5 最終方案確定

經(jīng)過(guò)上述的原因分析，我們不難看出要想在原有扭轉(zhuǎn)力不變的情況下提高插銷的拉脫力，需要結(jié)合圓孔型的翻邊工藝，將兩者結(jié)合起來(lái)，采用六邊形沖鉚與旋鉚翻邊的鉚接工藝，并對(duì)沖鉚與旋鉚的先后順序進(jìn)行了研究與實(shí)驗(yàn)對(duì)比：

1）先旋鉚后沖鉚，即先通過(guò)常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉚接將插銷端部進(jìn)行翻邊，再通過(guò)六邊沖頭將翻邊內(nèi)孔擴(kuò)大為六邊形孔，以提高插銷的扭轉(zhuǎn)力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表5。

2）先沖鉚后旋鉚，先使用六邊沖頭將插銷端部進(jìn)行擴(kuò)孔，以限制插銷端部的旋轉(zhuǎn)自由度，然后再將擴(kuò)孔后的端部按常規(guī)旋鉚方式進(jìn)行翻邊，以提高插銷的拉脫力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表6。

從表5與表6兩組數(shù)據(jù)我們不難看出，兩種同樣的鉚接方式，加工順序不同，抗扭轉(zhuǎn)的性能也存在較大的差異，采用先沖壓鉚接再進(jìn)行旋壓鉚接的鉚接工藝，其抗扭轉(zhuǎn)性能與抗拉能力最終達(dá)到最佳預(yù)期效果，完全能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求與客戶要求。

表5 先旋后沖鉚接工藝

表6 先沖后旋鉚接工藝

6 成本分析

通過(guò)本次新工藝的研究，結(jié)合目前銅材料的市場(chǎng)價(jià)格，我們對(duì)實(shí)心插銷與空心插銷的最終成本進(jìn)行核算，本文以法式地極插銷為例，實(shí)心插銷采用加工鉛黃銅 HPb59-1，空心插銷為普通黃銅 H62，插銷規(guī)格為：Φ4.8×20 mm，加工成型后稱其重量，實(shí)心插銷的為3.08 g，空心插銷的重量?jī)H為1.01 g，空心插銷的重量是實(shí)心插銷重量的1/3，相較于實(shí)心插銷更節(jié)省材料，單根插銷成本與鉚接加工成本如表7。

表7 單根插銷成本與鉚接加工成本表

通過(guò)表中成本核算，單根Φ4.8×20 mm的插銷，實(shí)心插銷要比空心插銷價(jià)格多0.08元，在鉚接工藝費(fèi)用上，空心插銷鉚采用復(fù)合鉚接，相較于實(shí)心插銷的單次沖壓，在成本上多了0.03元，通過(guò)最終的成本核算，使用空心插銷單根可節(jié)約成本0.05元。

7 結(jié)論

本文通過(guò)詳細(xì)分析了不同材料與鉚接工藝對(duì)插銷性能的影響，最終確認(rèn)了以H62空心插銷為主體，通過(guò)先沖鉚再旋鉚的復(fù)合鉚接工藝。

并闡述了實(shí)施例中的關(guān)鍵技術(shù)、鉚接原理、以及空心插銷的鉚接工藝設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和解決方法，并研究設(shè)計(jì)出更加滿足要求的插銷材料與插銷鉚接工藝，提出了一種空心插銷鉚接新工藝，為插頭插座等產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工提供了理論基礎(chǔ)。