韓征權(quán)

(貴州航天電器股份有限公司，貴陽(yáng) 550009)

兩半式插孔偏心現(xiàn)象的探討與優(yōu)化

韓征權(quán)

(貴州航天電器股份有限公司，貴陽(yáng) 550009)

接觸件是信號(hào)傳輸?shù)闹饕d體之一，對(duì)信號(hào)的傳輸過(guò)程起著決定性的作用，而良好的傳輸性能是滿足產(chǎn)品使用要求的先決條件。本文以某型號(hào)插孔為例，闡述了接觸件偏心現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其過(guò)程，同時(shí)利用ADINA仿真軟件分析了三種狀態(tài)下兩半式插口的縮口過(guò)程，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:采用圓錐式縮口模進(jìn)行縮口后能夠獲得性能較好的插孔。本文的探討可以指導(dǎo)類似插孔的生產(chǎn)過(guò)程。

失效;偏心;變形;仿真分析

1 引言

接觸件是電連接器的核心零件，是信號(hào)傳輸?shù)闹饕d體之一，良好的傳輸性能是滿足產(chǎn)品使用要求的先決條件。接觸件的可靠與否，直接影響電連接器連接性能的好壞，甚至整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。因此，接觸件必須具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，才能保證穩(wěn)定可靠的保持力和良好的傳輸性能。

大量的使用和試驗(yàn)表明，電連接器的失效形式主要有接觸失效、絕緣失效、機(jī)械失效等失效形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，接觸失效占現(xiàn)場(chǎng)失效的45.1%。接觸性能的好壞是決定連接器質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

引起接觸失效的因素有很多，主要包括材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、鍍覆、傳遞過(guò)程、貯存等因素。本文以接觸失效中常見(jiàn)的偏心現(xiàn)象進(jìn)行探討，系統(tǒng)分析偏心現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其過(guò)程。

2 偏心原理概述

兩半式插孔經(jīng)縮口后，接觸片發(fā)生塑性變形，并向中心偏移一定距離、靠攏。在理想狀態(tài)下，兩半式接觸片變形后成中心對(duì)稱，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，變形后的兩半式接觸片并不完全對(duì)稱，存在一個(gè)相對(duì)的偏移量，即偏心現(xiàn)象。偏心導(dǎo)致插孔分離力單邊，甚至在插合時(shí)發(fā)生接觸片被壓縮、凹陷、斷裂等問(wèn)題。引起偏心現(xiàn)象主要有兩個(gè)因素，即設(shè)計(jì)和工藝。

2.1 設(shè)計(jì)因素

如圖1所示，在設(shè)計(jì)插孔時(shí)，除了插孔內(nèi)外徑尺寸的設(shè)計(jì)，還必須考慮插孔的開(kāi)槽深度(Y)和寬度(X)。在開(kāi)槽寬度一樣時(shí)，開(kāi)槽深度越深，接觸片回彈量越小;反之，開(kāi)槽深度越淺，回彈量越大。同理，在開(kāi)槽深度一樣時(shí)，開(kāi)槽寬度越寬，回彈量越大;開(kāi)槽寬度越窄，回彈量越小。設(shè)計(jì)時(shí)，若開(kāi)槽深度與寬度設(shè)計(jì)不合理，極易導(dǎo)致偏心現(xiàn)象。

2.2 制造工藝因素

這里主要分析插孔開(kāi)槽和縮口。

開(kāi)槽主要有銑切、割槽和沖切。銑切精度較高、效率高，尺寸易保證，但技術(shù)難度較大，成本費(fèi)用較高，國(guó)內(nèi)極少使用。割槽精度差，效率低，尺寸不易保證，技術(shù)難度小，成本低，適合于小批量生產(chǎn)。沖切開(kāi)槽精度低，效率高，尺寸存在一定偏差，接觸片根部局部發(fā)生彈性變形，適合大批量生產(chǎn)，目前在國(guó)內(nèi)普遍使用。

圖1 插孔開(kāi)槽示意圖

縮口主要有自動(dòng)化、半自動(dòng)化和手工操作。自動(dòng)化縮口主要用于自動(dòng)化生產(chǎn)線，縮口精度較高，一致性好，效率高，但技術(shù)相對(duì)較難，成本較高。半自動(dòng)化用于普通生產(chǎn)線，縮口精度高，效率一般，技術(shù)難度不大，成本高。手工操作，縮口精度低，效率低，易操作，成本低，在國(guó)內(nèi)普遍使用。

3 仿真分析

通過(guò)上述分析，以某型號(hào)兩半式插孔為例，利用ADINA軟件主要對(duì)以下幾種情況的縮口過(guò)程進(jìn)行仿真分析(見(jiàn)表1)。

表1 幾種生產(chǎn)情況

圖2 圓柱式縮口模示意圖

3.1 初始化設(shè)置

根據(jù)該插孔的生產(chǎn)條件進(jìn)行仿真設(shè)置，材料選擇銅合金，設(shè)置材料特性曲線和載荷時(shí)間關(guān)系曲線。

3.2 第一種理想狀態(tài)的仿真分析

理想狀態(tài)下的插孔縮口時(shí)，縮口處于最大壓縮行程時(shí)的受力情況如圖3所示。從圖中可以看出，接觸片根部變形量較大，最大應(yīng)力值達(dá)到1148MPa，且縮口部位呈直線狀態(tài)。插孔縮口后的最終應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力區(qū)分布在開(kāi)槽根部，應(yīng)力最高值可達(dá)807MPa，造成該部位附近發(fā)生了塑性變形，但應(yīng)力值未超過(guò)材料的極限強(qiáng)度。插孔縮口后插孔開(kāi)槽部位呈類似等腰三角形，接觸片根部向內(nèi)凸起，經(jīng)自然時(shí)效處理后，該凸起段兩接觸片回彈量不一致，易出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。

圖3 插孔最大壓縮狀態(tài)時(shí)應(yīng)力分布圖

圖4 插孔最終應(yīng)力分布圖

3.3 第二種偏心狀態(tài)的仿真分析

開(kāi)槽后插孔的接觸片大小不一致，即加工偏心，偏心量為0.1mm?？s口過(guò)程中，插孔處于最大壓縮狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布如圖5所示。由圖可知，接觸片根部變形量較大，且兩半式接觸片的變形量不一致，最大變形時(shí)，其中一半接觸片根部的最大應(yīng)力值達(dá)到1320MPa，接近材料的極限應(yīng)力，有發(fā)生斷裂的可能。插孔縮口后的最終應(yīng)力分布如圖6所示。最大應(yīng)力區(qū)分布在開(kāi)槽根部，應(yīng)力值為998MPa，該部位附近發(fā)生了塑性變形?？s口后插孔開(kāi)槽部位呈不規(guī)則三角形，變形量較大的接觸片根部嚴(yán)重向內(nèi)凸起。經(jīng)自然時(shí)效后，嚴(yán)重內(nèi)凸一側(cè)的接觸片殘余應(yīng)力較大，該凸起部位必然引起偏心，甚至接觸片根部產(chǎn)生細(xì)微裂紋。

圖5 最大壓縮狀態(tài)時(shí)應(yīng)力分布圖

圖6 插孔最終應(yīng)力分布圖

3.4 第三種理想狀態(tài)的仿真分析

縮口時(shí)，減小接觸片的縮口距離，插孔處于最大壓縮狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布如圖7所示，最大應(yīng)力值為1081MPa。完全壓縮時(shí)，接觸片根部和接觸片與縮口模端面接觸部位發(fā)生塑性變形，變形區(qū)域小，其他部位處于彈性變形狀態(tài)。插孔縮口后的最終應(yīng)力分布如圖8所示。最大應(yīng)力區(qū)分布在接觸片根部和接觸片與縮口模端面接觸部位，最大應(yīng)力值為675MPa。經(jīng)自然時(shí)效后，接觸片回彈量較大，且回彈不一致，兩接觸片將完全分離，可能出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。

圖7 最大壓縮狀態(tài)時(shí)應(yīng)力分布圖

圖8 插孔最終應(yīng)力分布圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 偏心問(wèn)題驗(yàn)證

通過(guò)上述仿真分析可知，三種狀態(tài)的插孔縮口過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生偏心現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后(見(jiàn)圖9)，前兩種狀態(tài)出現(xiàn)偏心現(xiàn)象與仿真分析相符，第三種理想狀態(tài)出現(xiàn)偏心現(xiàn)象較少，但接觸片分離較大，分離力不合格，需進(jìn)行二次縮口。

圖9 試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

4.2 縮口模優(yōu)化

上述三種狀態(tài)的插孔采用圓柱式縮口?？s口，縮口后均出現(xiàn)不同程度的偏心現(xiàn)象。分析仿真過(guò)程中產(chǎn)生偏心現(xiàn)象的原因，在保證插孔制造精度的情況下，對(duì)縮口模具進(jìn)行優(yōu)化?？s口模由圓柱式改為圓錐式，如圖10所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的仿真分析

利用優(yōu)化后的縮口模對(duì)第一種理想狀態(tài)的插孔進(jìn)行縮口?？s口過(guò)程中，插孔處于最大壓縮狀態(tài)時(shí)的受力情況如圖11所示。從圖中可以看出，接觸片根部變形量大，最大應(yīng)力值達(dá)到986MPa?？s口后插孔的最終位移如圖12所示，從圖中可以看出，插孔開(kāi)槽部位呈等腰三角形。經(jīng)自然時(shí)效后，兩半接觸片的回彈量一致，呈中心對(duì)稱分布，未產(chǎn)生偏心現(xiàn)象。因此，優(yōu)化縮口模后的插孔性能較好(見(jiàn)表2)。

圖10 圓錐式縮口模示意圖

圖11 最大壓縮狀態(tài)時(shí)應(yīng)力分布圖

圖12 插孔最終位移圖

表2 縮口模優(yōu)化前后仿真分析對(duì)比

5 結(jié)論

本文以某型號(hào)兩半式插孔為例，利用ADINA軟件對(duì)兩半式插孔的縮口過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，較為詳細(xì)的分析了兩半式插孔縮口過(guò)程中產(chǎn)生偏心現(xiàn)象的原因。結(jié)果表明，第一種理想狀態(tài)和第二種偏心狀態(tài)的插孔縮口后易出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，第三種理想狀態(tài)縮口后出現(xiàn)偏心問(wèn)題少，但兩半式接觸片不閉合，分離力不合格，需進(jìn)行二次縮口?？s口模具優(yōu)化后，插孔的變形情況較好，不易出現(xiàn)偏心問(wèn)題。對(duì)比可知，縮口模優(yōu)化后插孔的性能較好，該結(jié)構(gòu)可以指導(dǎo)類似插孔的縮口過(guò)程，以減少甚至消除插孔縮口后的偏心現(xiàn)象，提高插孔的性能。

［1］ 楊?yuàn)^為.電連接器檢驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.中國(guó)電子元器件行業(yè)協(xié)會(huì)電接插元件分會(huì).2011年3月.

［2］ 魏文.航天電連接器振動(dòng)可靠性統(tǒng)計(jì)分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［3］ 付哲.電連接器可靠性研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［4］ 劉紅，彭蘇娥.重點(diǎn)工程用電子元器件使用情況分析.95全國(guó)可靠性物理學(xué)術(shù)討論會(huì).1995.7.

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.006

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1000－6133(2013)02－0024－04

2013－01－28

工藝與材料