一種小型多芯高密度低頻彈性連接器的設(shè)計(jì)

王雪亞，張欣羽

(1.中電集團(tuán)第40研究所，安徽蚌埠，233010；2.蚌埠學(xué)院，安徽蚌埠，233010)

1 引言

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子裝備的信號(hào)傳輸性能要求大幅提高?，F(xiàn)代軍用、民用電子裝備，尤其是機(jī)載、艦載等達(dá)雷系統(tǒng)，不僅要求電子裝備的體積和重量有較高要求，其電氣性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，電子裝備正朝著小型化、輕量化、高集成度、高可靠性的方向發(fā)展。本文通過(guò)一款21芯彈性連接器開(kāi)發(fā)過(guò)程，介紹高密度彈性連接器設(shè)計(jì)制造過(guò)程的要點(diǎn)、難點(diǎn)及解決措施。為同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 開(kāi)發(fā)背景

本產(chǎn)品是根據(jù)某單位需求研制，用于雷達(dá)某模塊與模塊之間低頻信號(hào)的連接。該連接器具有易于安裝、無(wú)需插拔、體積小及密度高的特點(diǎn)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 產(chǎn)品性能指標(biāo)要求

根據(jù)技術(shù)協(xié)議書(shū)要求，該型號(hào)彈性連接器產(chǎn)品性能技術(shù)指標(biāo)如下：

1.耐電壓：100VDC；

2.芯數(shù)：21；

3.單根針彈力：60±15g(工作高度3.7～3.3mm)；

4.額定電流：0.8A；

5.接觸電阻：≤15mΩ；

6.絕緣電阻：1000MΩ；

7.機(jī)械壽命：40000次；

8.使用溫度：-55℃～165℃。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

連接器由彈簧針和絕緣安裝板組成。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，產(chǎn)品外形尺寸如下：

圖1 連接器外形圖

2.3 產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)及制造

產(chǎn)品外形尺寸為：5.5×5.0×3.2mm，芯數(shù)21，屬于高密度連接器。對(duì)于小型電連接器的設(shè)計(jì)在滿足產(chǎn)品電性能要求的前提下首要考慮連接器的裝配問(wèn)題。不同于常規(guī)彈性連接器制造的整體注塑、環(huán)氧膠粘接等方式。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸較小，采用常用的環(huán)氧膠粘接或整體注塑的方式容易帶來(lái)以下問(wèn)題：

1、安裝板需設(shè)計(jì)成多瓣，導(dǎo)致單個(gè)安裝板尺寸過(guò)小，提升模具制造難度和開(kāi)發(fā)成本。

2、彈簧針較短，使用環(huán)氧粘接時(shí)環(huán)氧膠容易污染彈簧針，易出現(xiàn)針頭殘留膠水和膠水滲入針管等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

3、零件較小，針頭可伸縮無(wú)法進(jìn)行注塑的定位，且彈簧針強(qiáng)度難以承受巨大的塑料射入壓力。

本產(chǎn)品采用彈簧針與安裝板過(guò)盈配合的方式進(jìn)行裝配。彈性連接器使用時(shí)安裝板的僅僅是起到固定彈簧針的作用，不與被連接系統(tǒng)接觸，因此安裝板與彈簧針只需保持一定的過(guò)盈量即可實(shí)現(xiàn)彈簧針的固定。

2.3.1 彈簧針設(shè)計(jì)及制造

彈簧針由針管、針頭和彈簧三部分組成。彈簧針外形尺寸如下圖所示：

圖2 彈簧針外形尺寸

1、針頭的設(shè)計(jì)

針管與針頭尺寸參照協(xié)議書(shū)要求?？紤]針頭與彈簧接觸性，針頭與彈簧接觸部位設(shè)計(jì)成錐狀，可增大針頭與彈簧接觸面積良好針管采用拉制黃銅管，針頭采用黃銅線，針頭與彈簧接觸一端設(shè)計(jì)成錐狀以提高接觸可靠性。

2、彈簧的設(shè)計(jì)

協(xié)議書(shū)要求連接器機(jī)械壽命不少于40000次，單根彈簧針彈力范圍60±15g，額定電流0.8A，接觸電阻≤15mΩ。根據(jù)彈簧針壽命要求，參照《彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]本產(chǎn)品彈簧選用琴鋼絲。

理想狀態(tài)下彈簧針針頭在工作時(shí)不與管壁接觸，電流傳輸路徑為針頭-彈簧-針頭。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，平均每只彈簧針承載電流為：

In = 0.8A

(1)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)1mm2接觸件最適長(zhǎng)期工作電流12.5A對(duì)彈簧進(jìn)行測(cè)算，彈簧絲直徑不小于0.12mm。

根據(jù)任務(wù)書(shū)對(duì)彈簧彈力要求，使用神州彈簧設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)，最終確定彈簧自然長(zhǎng)度3.6mm,簧絲直徑0.12mm,總?cè)?shù)9圈有效圈數(shù)7.5圈。根據(jù)使用環(huán)境，彈簧絲需進(jìn)行表面鍍金處理。

接觸電阻計(jì)算依據(jù)接觸電阻計(jì)算公式：

(2)

式中，ρ：電阻率 l:導(dǎo)體長(zhǎng)度 s：導(dǎo)體截面積。

參照金屬材料手冊(cè)[2]接觸電阻(只計(jì)算未涂覆Au鍍層時(shí)的電阻值)12.36mΩ；計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 針管的設(shè)計(jì)

針管的設(shè)計(jì)需結(jié)合安裝板的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮采用過(guò)盈壓配時(shí)彈簧針受力形變、安裝板局部形變等對(duì)裝配結(jié)果的影響?？刂坪冒惭b板孔徑與針管外緣尺寸，最終要做到壓配時(shí)兩者變形小，針管不出現(xiàn)壓彎折斷，安裝板不開(kāi)裂等情況。

3、彈簧針的組裝

彈簧針采用機(jī)械收口的方式成型，裝配過(guò)程分兩步進(jìn)行，具體步驟如下：

(1)將針管放入半自動(dòng)收口機(jī)模具中進(jìn)行一次收口操作。

(2)將針管取出，調(diào)轉(zhuǎn)針管方向裝入模具中。后將針頭、彈簧及針頭按彈簧針的設(shè)計(jì)要求的零件方向放入針管中進(jìn)行二次收口操作。

圖3 彈簧針裝配

裝配時(shí)控制好針管收口尺寸，保證針頭能自由滑動(dòng)的同時(shí)針頭不被彈簧頂出針管，同時(shí)彈簧針成型后外形尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。裝配好的彈簧針如圖4所示：

圖4 彈簧針

2.3.2 安裝板的設(shè)計(jì)及制造

產(chǎn)品外形已由用戶規(guī)定，安裝板設(shè)計(jì)在滿足用戶需求的前提下需重點(diǎn)考慮彈簧針與安裝板的過(guò)盈壓配的問(wèn)題?？刂坪侠淼倪^(guò)盈量，避免裝配后彈簧針無(wú)法固定或過(guò)盈量大安裝板和彈簧針出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。因此，在安裝板的設(shè)計(jì)同樣遵循上節(jié)針管設(shè)計(jì)部分的要求。以便使彈簧針與安裝板達(dá)到最佳配合狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品裝配的便捷性，在安裝面一側(cè)彈簧針安裝孔端部設(shè)置導(dǎo)向槽，便于彈簧針插入安裝板中，導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)尺寸大小要合理。安裝板外形及內(nèi)孔結(jié)構(gòu)如下圖5所示。

圖5 安裝板

根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境和溫度結(jié)合產(chǎn)品裝配方式最終選擇PEEK[3]作為安裝板材料。安裝板相鄰孔間最小壁厚0.30mm,依據(jù)此項(xiàng)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的耐電壓及絕緣電阻進(jìn)行計(jì)算：

耐電壓：

V1=VC×L=1.6×107×0.30×10-3=480V

(3)

式中，V1：耐電壓 Vc：介電常數(shù) L：間距。

絕緣電阻：2×1016×0.30×10-3=6×1012Ω=6000MΩ。

通過(guò)計(jì)算得知，安裝板設(shè)計(jì)滿足絕緣電阻≥1000MΩ和產(chǎn)品耐電壓≥100V的要求。

安裝板采用模具注塑成型的加工方式。注塑后易出現(xiàn)表面亮斑、熔接痕、表面不光潔等缺陷，如圖6所示。

圖6 安裝板表面缺陷

產(chǎn)生以上問(wèn)題與模具溫度、注塑溫度及玻纖加入量有關(guān)。注塑過(guò)程中應(yīng)特別注意對(duì)溫度的控制。

3 產(chǎn)品裝配

由于該型號(hào)彈性連接器外形尺寸較小，連接器裝配難度較高，為提高裝配效率產(chǎn)品裝配工裝的設(shè)計(jì)就尤為重要。

3.1 工裝設(shè)計(jì)及裝配

裝配工裝的主要作用是輔助產(chǎn)品裝配，根據(jù)本產(chǎn)品高密度、低間距的特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)振動(dòng)盤式的自動(dòng)落料方式就難以將彈簧針豎立在安裝板開(kāi)孔中。本產(chǎn)品工裝的設(shè)計(jì)按照兩個(gè)裝配步驟實(shí)現(xiàn)的。

首先能實(shí)現(xiàn)彈簧針的自動(dòng)落位即彈簧針在進(jìn)行壓配前能全部豎立在安裝板上，通過(guò)第一次壓鉚能使彈簧針部分針管壓入安裝板內(nèi)孔中，去除第一步驟的工裝后彈簧針依舊能保持固定不脫落。在此稱第一步使用的工裝未壓緊定位工裝。

由于第一次壓鉚未能使彈簧針全部落入安裝板中，就需要進(jìn)行二次壓鉚，以確保彈簧針達(dá)到安裝板中設(shè)計(jì)要求位置。在此稱第二步使用的工裝未二次成型定位工裝。

裝配工裝如圖8所示：a圖為壓緊定位工裝，b圖為二次成型定位工裝。

a b

產(chǎn)品裝配分五個(gè)步驟：裝針、預(yù)定位壓配、轉(zhuǎn)換工裝固定、二次壓配、成型找平。

裝針：將安裝板裝入壓緊定位工裝，此過(guò)程注意安裝板方向，有導(dǎo)向槽的一側(cè)裝入工裝內(nèi)槽中(參見(jiàn)圖8-1)。

預(yù)定位壓配：使用壓頭將彈簧針緩慢壓入安裝板中，速度控制在0.4mm/S，直到不能繼續(xù)下壓(參見(jiàn)圖8-2)。

轉(zhuǎn)換工裝固定：將上步壓制的半成品從工裝內(nèi)取出裝入成型定位工裝中，注意將彈簧針突出的一側(cè)向外(參見(jiàn)圖8-3)。

二次壓配：使用壓頭緩慢將彈簧針壓入安裝板中，此過(guò)程注意控制速度，壓配速度不大于0.4mm/S(參見(jiàn)圖8-4)。

成型找平：移動(dòng)工裝，使用頭部截面尺寸更小的壓頭分區(qū)域?qū)ι喜揭殉尚偷漠a(chǎn)品的彈簧針進(jìn)行壓鉚。此過(guò)程必須保證每根針都受到至少兩次的壓鉚。

關(guān)鍵工序過(guò)程裝配效果如下圖8所示：

圖8 關(guān)鍵工序裝配效果

3.2 裝配過(guò)程質(zhì)量控制

根據(jù)產(chǎn)品裝配過(guò)程中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，將易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行匯總。以下問(wèn)題涵蓋裝配過(guò)程各個(gè)工序，具體問(wèn)題匯總?cè)缦拢?/p>

1、安裝板開(kāi)裂；

2、鍍層脫落；

3、彈簧針頂端破損。

對(duì)于安裝板開(kāi)裂的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)問(wèn)題的原因有如下兩點(diǎn)：

1、注塑時(shí)溫控有問(wèn)題，造成安裝板表面有明顯的熔接線，破裂處大都出現(xiàn)在熔接線處。

2、壓配過(guò)程中速度較快，導(dǎo)致安裝板內(nèi)部開(kāi)裂。以上問(wèn)題通過(guò)調(diào)整裝配時(shí)的壓配速度和提高安裝板表面質(zhì)量?jī)煞矫鎭?lái)提升合格率。

鍍層脫落的原因在作業(yè)過(guò)程中鉚頭與彈簧針之間過(guò)度擠壓造成針管收口處鍍層剝離基體?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整工裝材質(zhì)和減緩壓配速度等方面進(jìn)行控制。

頂端破損也是由于壓配過(guò)程中鉚頭未完全覆蓋全部彈簧針，造成壓配過(guò)程中鉚頭與部分彈簧針局部接觸，鉚壓過(guò)程中針頭受力不均造成針管擠壓過(guò)度，出現(xiàn)破損。

4 產(chǎn)品測(cè)試

產(chǎn)品的電氣性能指標(biāo)的測(cè)試包括耐壓、絕緣電阻、接觸電阻、壽命等方面。由于產(chǎn)品外形尺寸較小，測(cè)試過(guò)程中不易手持，因此需工裝夾具配合測(cè)試，工裝的設(shè)計(jì)充分考慮產(chǎn)品測(cè)試的需要，一種工裝能兼顧多種測(cè)試需求。

圖10 測(cè)試工裝

本產(chǎn)品測(cè)試工裝包括底板、印制線路板(上下兩塊)、定位塊、保持支架等幾個(gè)關(guān)鍵部分。幾部分裝配完成后即可支持振動(dòng)試驗(yàn)，又支持壽命試驗(yàn)。將一塊印制板移除后又可實(shí)現(xiàn)絕緣電測(cè)試和耐電壓測(cè)試。

使用LW2672B型耐壓測(cè)試儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試所有樣品均滿足耐壓100V要求，使用TH2681A絕緣電阻測(cè)試儀，所有樣品均滿足1000MΩ要求。

裝配好的產(chǎn)品，不便于對(duì)單根針進(jìn)行彈力測(cè)試。獨(dú)立的彈簧針測(cè)試彈力不能模擬使用環(huán)境。因此在對(duì)彈力測(cè)試時(shí)我們對(duì)整個(gè)連接器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)設(shè)定行程確保彈簧針均在規(guī)定工作高度內(nèi)。試驗(yàn)共設(shè)定10組(使用山度AX-003-1型數(shù)顯壓力測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)試)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示：

表1 連接器彈力測(cè)試結(jié)構(gòu)

分析上表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)需求彈力大小。實(shí)測(cè)值基本都符合要求值，表明該彈性連機(jī)器設(shè)計(jì)彈力大小滿足試驗(yàn)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

彈性連接器憑借彈簧針自身的伸縮性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間電信號(hào)的連通。無(wú)需安裝、無(wú)需插拔易于更換。越來(lái)越多的應(yīng)用在軍事、航空航天等領(lǐng)域。

以上為一種小型多芯高密度彈性連接器的設(shè)計(jì)及裝配制造過(guò)程。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到總裝整個(gè)環(huán)節(jié)的過(guò)程。根據(jù)設(shè)計(jì)、制造、及裝配過(guò)程中遇到的問(wèn)題給出一定的解決方案?？蔀橥惍a(chǎn)品的發(fā)展提供一定的參考，對(duì)于更高密度、更小尺寸的彈性連接器的設(shè)計(jì)提供一定的思路。