陸玉姣，馬軼男，朱 彤，甘海波 ，王建文

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，重慶 402260；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

現(xiàn)代傳感器均朝著微型化方向發(fā)展，慣性類組合產(chǎn)品在近年來將封裝微型化發(fā)展到了極致。封裝在微型化的同時，又面臨著如何保證產(chǎn)品的可靠性，如何提高封裝的效率及如何保護(hù)封裝內(nèi)部信息等一系列問題。目前，國內(nèi)外大部分慣性類組合采用螺釘連接，為了適應(yīng)微型化潮流，不斷選用更小直徑的螺釘，許多產(chǎn)品已經(jīng)在使用M1.6的螺釘，甚至更小，但太小的螺紋孔將會提高加工難度。如果封裝采用多螺釘連接時，效率也會下降。螺釘連接不能防止非授權(quán)性拆卸，且都會占用一定的內(nèi)部空間。本文提出的鉚接封裝技術(shù)可以有效解決以上問題。鉚接是一種快速機械冷連接技術(shù)，其連接主要依靠鉚接過程中上、下板材及鉚釘?shù)乃苄宰冃魏突貜椝纬傻臋C械內(nèi)鎖來實現(xiàn)[1]。本文中的鉚釘和下板是一個整體，以鋁合金2A12為載體的實際使用產(chǎn)品為例，對鉚封裝置的構(gòu)成、工作過程、力學(xué)成型機理進(jìn)行了說明，并對鉚封接頭進(jìn)行了仿真分析。通過本文的研究，以期對其他類型的慣性組合微型封裝提供啟示和數(shù)據(jù)支撐。

1 微型慣性組合封裝技術(shù)

1.1 裝置構(gòu)成及封裝過程

1)準(zhǔn)備工作。將擠壓頭通過螺釘裝配到框架基座，通過工作臺面活動壓緊板和兩顆M6不銹鋼內(nèi)六角螺釘將基座框架固定在工作臺面上。利用兩顆M3不銹鋼內(nèi)六角螺釘將擠壓導(dǎo)向支架固定在基座框架上，將擠壓量限定套套入擠壓手動螺釘，然后再將擠壓手動螺釘旋入擠壓導(dǎo)向支架一小段；接下來將封裝產(chǎn)品殼體置于擠壓下托板上，蓋上產(chǎn)品蓋板后，通過正反旋轉(zhuǎn)擠壓手動螺釘將鉚柱空心部分上端面與鉚封上的擠壓頭尖端對齊 (見圖1中的放大圖A)。

圖1 某型號產(chǎn)品鉚封前示意圖

2)封裝工作。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓手動螺釘，使擠壓下托板沿擠壓導(dǎo)向支架向上運動，直到擠壓量限定套上端面與擠壓導(dǎo)向支架下端面接觸限位。在這個過程中擠壓下托板向上運動，并與鉚封上擠壓頭一起對鉚柱形成擠壓，使鉚柱受力變形并最終將蓋板固定于產(chǎn)品殼體上，形成穩(wěn)定的鉚封接頭。圖2為鉚封后示意圖。

圖2 某型號產(chǎn)品鉚封后示意圖

1.2 擠壓頭設(shè)計

1.2.1 材料選取

本文中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由殼體和蓋板組成，均選用2A12-T4，它是一種鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，其成分較合理，綜合性能也較好，被廣泛用于飛機結(jié)構(gòu)、鉚釘、卡車輪轂、螺旋槳元件及其他結(jié)構(gòu)件?？估瓘姸圈襜≥405 MPa，條件屈服強度σ0.2≥270 MPa，斷后伸長率δ5≥12%[2]。擠壓頭的材質(zhì)應(yīng)選取強度大于被擠壓件的材料。經(jīng)多次試驗驗證，最終選用1Cr13不銹鋼作為鉚封過程中與鉚柱密切接觸的擠壓頭材料。1Cr13不銹鋼是一種馬氏體不銹鋼，具有較高的硬度、韌性，有較好的熱強性、減震性，其σb≥540 MPa，σ0.2≥345 MPa，δ5≥25%。由此可見，擠壓頭的強度比被擠壓的強度大135 MPa，擠壓效果良好，具有良好的加工性能。

1.2.2 外形設(shè)計及表面要求

本文中的封裝技術(shù)采用對鋁合金的冷擠壓工藝來實現(xiàn)，它是一種應(yīng)用廣且成熟的加工方法，可以加工形狀較復(fù)雜的零件[3]，但它對于被擠壓件的加工精度有較高要求。本文中被擠壓件為空心鉚柱，由機械加工而成，表面質(zhì)量精良。冷擠壓時，鋁合金類材料會對工具(本文為擠壓頭)產(chǎn)生很強的粘附力，易導(dǎo)致鋁屑向擠壓頭表面堆積，最后導(dǎo)致擠壓頭表面的接觸摩擦應(yīng)力很大，此應(yīng)力接近剪切應(yīng)力的最大值(剪切屈服強度)[4]。所以，擠壓頭要進(jìn)行特殊設(shè)計才能解決這個問題。首先，擠壓頭在選材時其材料強度一定要大于鉚柱材料強度，本文選用1Cr13不銹鋼。其次，鉚柱的內(nèi)徑只有0.5 mm，擠壓頭的導(dǎo)正角設(shè)計為60°(見圖3)，這樣有利于封裝時快速導(dǎo)正；擠壓頭與鉚柱擠壓接觸面表面光潔度盡可能高，本文要求其表面粗糙度達(dá)到0.8 μm，這樣可減少擠壓后變形材料的粘附。另外，本文設(shè)計的擠壓頭為兩個方向，當(dāng)一邊出現(xiàn)磨損或其他物理損傷時，可以快速更換到另外一邊，以提高工作效率。

圖3 擠壓頭外形和工作初始位置

1.3 擠壓量設(shè)計

擠壓量對于產(chǎn)品的封裝成品率至關(guān)重要，擠壓量過大會導(dǎo)致鉚柱出現(xiàn)開裂等失效形式，擠壓量過小易導(dǎo)致蓋板和殼體脫開。圖4、5分別為擠壓頭工作初始位置和工作結(jié)束時相關(guān)尺寸。本封裝裝置中，擠壓頭是固定不動的，通過右旋最下端的手動擠壓螺釘，待封裝產(chǎn)品會沿著豎直方向向上運動。理論擠壓量L=h1-h2(其中，h1為準(zhǔn)備擠壓時擠壓頭與鉚柱接觸后擠壓頭頂部與鉚柱內(nèi)控根部的間距,h2為擠壓完成后擠壓頭與鉚柱接觸后擠壓頭頂部與鉚柱內(nèi)控根部的間距)，而理論壓縮量則通過擠壓量限定圈的高度H保證，當(dāng)H值固定了，則L值就固定了。本文設(shè)計的封裝裝置中，h1=0.57 mm,h2=0.23 mm。按理論值L=h1-h2=0.34 mm，但考慮材料的回彈，實際擠壓量L′=L+k(其中k為回彈量)，回彈量會因材料、溫度等因素而不同。本文中，k=0.16 mm，L′=L+k=0.5 mm，根據(jù)L′反算出H，由于擠壓量限定圈的限位作用，能夠保證產(chǎn)品封裝的一致性。

圖4 擠壓頭工作初始位置相關(guān)尺寸表征

圖5 擠壓頭工作結(jié)束相關(guān)尺寸表征

2 可靠性驗證

2.1 振動沖擊試驗

圖6為鉚封后產(chǎn)品軸向圖，表1為產(chǎn)品試驗條件及技術(shù)要求。振動、沖擊試驗設(shè)計有專用工裝，先通過產(chǎn)品上的4個安裝孔將產(chǎn)品固定到專用工裝，然后再將工裝固定于振動沖擊臺面，按照試驗條件要求，每完成一個方向后再更換方向，直到3個方向均完成試驗。根據(jù)產(chǎn)品驗收要求，振動、沖擊試驗時不加電，試驗后加電測試產(chǎn)品信號輸出是否正常即可。而本文更關(guān)心的是振動、沖擊對于鉚封接頭的影響。對采用本文提出的封裝技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行加載條件試驗(見表1)，用10倍放大鏡仔細(xì)觀察鉚封接頭，未發(fā)現(xiàn)接頭失效情況。

圖6 鉚封后產(chǎn)品軸向圖

表1 試驗條件及技術(shù)要求

2.2 沖擊仿真分析

根據(jù)以往經(jīng)驗，鉚封接頭的破壞主要出現(xiàn)在沖擊后，故只對鉚封后的接頭做沖擊仿真分析。首先建立有限元模型，包括材料屬性、有限元網(wǎng)格劃分、邊界條件及載荷等。試驗證明，靜載荷下服從胡克定律的材料，在動載荷下，只要動應(yīng)力不超過比例極限，胡克定律仍有效，且彈性模量不變。本文的產(chǎn)品材料選用鋁合金2A12-T4，其材料屬性如表2所示。首先利用Solidworks對鉚封后結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模；然后用其自帶分析模塊Simulation進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類型為4點實體單元，總共17 742個節(jié)點，9 931個單元，其網(wǎng)格劃分如圖7所示。

表2 產(chǎn)品的材料屬性

圖7 封裝后結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

對模型施加邊界條件時，應(yīng)按照實際試驗的裝置進(jìn)行，即計算模型的約束方式和載荷應(yīng)與試驗保持一致。對鉚封后產(chǎn)品的實際約束情況是固定4個安裝不動。沖擊載荷的模擬，選用Simulation模塊中的跌落算例，根據(jù)表1的沖擊條件計算出沖擊時的速度，即v=at=150×5×10-3=0.75(m/s)(其中a為加速度,t為時間)。根據(jù)實際經(jīng)驗，在z方向的沖擊最有可能造成接頭破壞，本文只加載z軸沖擊載荷。

有限元模型構(gòu)建完畢后對其進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以包括若干個部分，本文只分析鉚封接頭的位移情況。圖8為封裝后結(jié)構(gòu)沖擊載荷下位移云圖。由圖可知，沖擊載荷對于鉚封接頭位置基本無影響，最大位移值發(fā)生在蓋板中間位置。利用Simulation模塊中的結(jié)果探測工具隨機探測了幾組鉚封接頭邊緣的位移值，最大位移值為0.01 mm，由此可以判定鉚封接頭牢固可靠。

圖8 封裝后結(jié)構(gòu)沖擊載荷下位移云圖

3 結(jié)束語

通過從實際的振動沖擊試驗和理論的有限元仿真分析驗證了鉚封接頭的安全可靠性。本文提出的微型慣性敏感器件的封裝技術(shù)，解決了以往工程實際應(yīng)用中體積與緊固件可靠性之間的矛盾，微小體積的封裝同樣可以保證可靠牢固。本文提出封裝技術(shù)不局限于微型慣性敏感器件，其他行業(yè)的產(chǎn)品同樣適用。因此，本文提出的封裝技術(shù)有很高的推廣價值和廣泛適應(yīng)性。