王萬松 龔光輝 馬 騰 施狄 余林茂 劉俊芳

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

目前插座國標(biāo)的壽命標(biāo)準(zhǔn)較低，僅5 000 次[1]，難以勝任機(jī)場、車站等公共場所頻繁使用的需要。為此能源部于2021 年又專門最新出臺了公共插座的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，壽命要求提升至20 000 次[2]。但目前電工行業(yè)插座的壽命普遍在5 000～10 000 次之間，因此急需高壽命插座技術(shù)。插套作為影響插座壽命的主要因素，插套性能提升的研究非常關(guān)鍵。公牛公司作為行業(yè)頭部企業(yè)，始終致力于產(chǎn)品安全和性能的研究，經(jīng)分析，插套壽命的核心影響因素之一是夾持力系數(shù)的衰減速度。

因此，本文針對夾持力系數(shù)的衰減因素進(jìn)行研究，并提出優(yōu)化方向。

1 插套夾持力計(jì)算

1.1 銅材力學(xué)參數(shù)的采集和有限元校核

插套是用銅帶經(jīng)沖壓工藝制作而成，因此首先需要對銅材的折彎參數(shù)進(jìn)行測試采集，然后與有限元分析結(jié)果對比，經(jīng)過修正后，確定后續(xù)有限元分析使用的力學(xué)參數(shù)。使用ABQUS 軟件對銅片彎曲進(jìn)行有限元力學(xué)分析，通過調(diào)整彈性模量（E=110 GPa），屈服強(qiáng)度（425 MPa），硬化模量（應(yīng)變0.35 時(shí)應(yīng)力600 MPa ），仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

1.2 拔出力計(jì)算：沖壓與插拔力有限元計(jì)算對標(biāo)

銅材力學(xué)參數(shù)確定后，需要對插套成型過程進(jìn)行仿真和夾持力的計(jì)算。首先提取了一個插套的模具加工圖紙，根據(jù)實(shí)際加工步驟，進(jìn)行有限元模擬。使用模具A 的3D 和ABQUS 模擬四步?jīng)_壓過程，仿真得到的插套開口大約0.1 mm，真實(shí)沖壓得到的插套開口是（0.1 ～0.2 ）mm，兩者基本一致。所使用的材料參數(shù)為，彈性模量E=（105 ～115）GPa)，屈服強(qiáng)度（420 ～430）MPa 和硬化模量（應(yīng)變0.35 時(shí)應(yīng)力600 MPa）。

由于插套及插頭插銷的主要材質(zhì)都是銅材，其硬度接近，因此插套與插銷之間的磨損可看做“黏著磨損”[3]。根據(jù)庫侖摩擦定律[4]，得出插銷拔出力F（等于摩擦力f之和）與插套夾持力N（即正壓力）之間的關(guān)系：

式中：

F—插銷的拔出力；

f—插銷的摩擦力；

μ—插銷與插套的表面摩擦系數(shù)；

N—插套的夾持力。

前期經(jīng)過大量試驗(yàn)得出其動摩擦系數(shù)μ=0.17。然后通過有限元計(jì)算得出夾持力的大小，采用了3 個型號的樣品進(jìn)行比對，如圖1 和表1 所示。由于夾持力值N 不好測試，因此采用拔出力值F 進(jìn)行比較，使用專用設(shè)備測試。從圖中可以看出，實(shí)際插銷和插套之間的摩擦系數(shù)μ 存在波動性，因此須盡量剔除其影響。

圖1 拔出力分析和測試

表1 拔出力對比

2 插套夾持力系數(shù)衰減研究

2.1 何為夾持力系數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，插套的夾持力N 隨著使用次數(shù)增加而下降，假設(shè)插套初始開口為0，磨損量d=0，摩擦系數(shù)μ也是常數(shù)，因此它可以用夾持力系數(shù)k 來表示。根據(jù)前文的結(jié)論，拔出力F 公式如下：

式中：

F—插銷的拔出力；

μ—插銷與插套的表面摩擦系數(shù)；

N—插套的夾持力；

k—插套的夾持力系數(shù)；

d—插套的磨損厚度。

夾持力系數(shù)k 與插套的材料、形狀和尺寸密切相關(guān)。它究竟是如何變化的，是接下去研究的重點(diǎn)。

2.2 夾持力系數(shù)衰減理論研究

根據(jù)金屬循化塑性安定理論[5]：金屬發(fā)生一定拉伸塑性變形后應(yīng)變?yōu)棣舖ax，反向加載使發(fā)生拉伸塑性變形的區(qū)域受壓，應(yīng)變?yōu)棣舖in。反復(fù)循環(huán)一定次數(shù)后，平均應(yīng)力從正值變成0。循環(huán)塑性軟化的現(xiàn)象應(yīng)該是正向塑性變形和反向塑性變形疊加相互作用產(chǎn)生的。根據(jù)循環(huán)塑性安定理論，插套的夾持力變化應(yīng)該是一個緩慢下降的過程。

插套反復(fù)受載，撐開時(shí)發(fā)生正向塑性變形，卸載后彈性部分會迫使塑性部分發(fā)生一定反向變形，但是會不會發(fā)生反向塑性變形？如圖2 所示。理論上較難得知，需要試驗(yàn)。

圖2 金屬的循環(huán)塑性安定理論演示

2.3 夾持力系數(shù)衰減試驗(yàn)

為了確定插套是否遵循循環(huán)塑性安定理論，我們專門設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：為確保試驗(yàn)過程中無磨損，摩擦系數(shù)也不會發(fā)生較大改變，因此使用塑料POM 材料制作的插銷，對多種型號的插拔壽命試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過程中測試插套的拔出力。對多種插套多個樣本測試后發(fā)現(xiàn)，即便是已經(jīng)1.5 ～4 萬次插拔后拔出力依然沒有顯著變化，但是一旦過了1.5 ～4 萬次后就有可能發(fā)生拔出力突然降低的現(xiàn)象，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)已經(jīng)開裂，如圖3 所示。

圖3 POM 插銷測試插套壽命

可見循環(huán)塑性軟化現(xiàn)象對插套是不存在的，原因可能是插銷把插套撐開后，并沒有力把插套拉到原來的初始位置，插套并沒有發(fā)生反向塑性變形。

2.4 夾持力系數(shù)衰減因素研究

由上述可知，如何延長開裂壽命是保證插套使用壽命的關(guān)鍵。根據(jù)材料學(xué)理論、有限元計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，識別出插套包圓直徑?、材料紋理Good way/Bad way 和包圓圓度等3 個主要因素。

2.4.1 包圓直徑?

為了了解包圓直徑大小對于折彎應(yīng)力的影響，我們進(jìn)行了有限元分析。原始的插套包圓半徑R=3.5～4 mm較小，沖壓后存在極大的殘余內(nèi)應(yīng)力，如圖5 所示。改進(jìn)的插套包圓半徑R=4.5～5 mm 較大，沖壓后殘余內(nèi)應(yīng)力大幅度降低，灰色的屈服區(qū)域非常少。殘余應(yīng)力的減小，有助于降低插套插入前后的平均等效塑性應(yīng)變，增加插拔開裂壽命。因此包圓直徑越大，插套開裂壽命越高。但是實(shí)際工程應(yīng)用中，包圓直徑的大小受到結(jié)構(gòu)空間以及成本的制約，須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選。

圖4 夾持力系數(shù)衰減因素

圖5 不同包圓直徑有限元應(yīng)力分析

2.4.2 材料紋理Good way/Bad way

根據(jù)銅材生產(chǎn)廠家博威公司提供的某型號銅材的數(shù)據(jù)，金屬板材Good way 的折彎性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Bad way。具體表現(xiàn)折彎半徑與材料厚度的比值R/T 值，R/T 值越高，說明材料折彎性能越差，如圖6 所示。

圖6 銅材軋制與折彎方向說明

因此我們使用POM 銷，對同一個插套但不同紋理加工的樣品進(jìn)行測試。結(jié)果表明：Good way 開裂壽命大大高于Bad way，如圖7 所示。同一插套，使用Good way制作時(shí)，開裂壽命達(dá)到7 萬次以上。而使用Bad way 制作時(shí)，開裂壽命僅4.5 萬左右。

圖7 材料紋理不同開裂壽命測試

2.4.3 包圓圓度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有限元分析，包圓圓度好壞，關(guān)系到插套的包圓處的沖壓殘余應(yīng)力大小，故而影響插套的疲勞壽命。為了進(jìn)行驗(yàn)證，我們對同一個插套分別用兩個不同的試驗(yàn)?zāi)＿M(jìn)行制作，以做出不同的包圓效果。包圓效果好的插套，包圓內(nèi)側(cè)增加了定型銷，如圖8 所示。經(jīng)過對包圓度不同的插套進(jìn)行POM 插銷壽命測試發(fā)現(xiàn)，包圓圓潤的插套開裂壽命比包圓不好的樣品高1.5 萬次以上。因此插套包圓圓度越好，其開裂壽命越高。要注意模具工藝的改進(jìn)，我們在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，增加沖壓成型的步驟，也可以改善包圓圓度。

3 結(jié)語

本文對插座插套的成型過程進(jìn)行了有限元仿真。并對插套的夾持力系數(shù)衰減的理論依據(jù)進(jìn)行了探討，然后通過有限元分析和試驗(yàn)，弄清了插套夾持力系數(shù)衰減的過程。最后對夾持力系數(shù)衰減因素，包圓直徑?、材料紋理good way/bad way 和包圓圓度等進(jìn)行了研究，并找到了優(yōu)化方向。

本次研究成果對于高性能插套的設(shè)計(jì)，有重要的指導(dǎo)意義。可以使插座制造商以最優(yōu)的成本，最快的速度設(shè)計(jì)出滿足特定壽命要求的插套?？梢允∪スこ處焸兎磸?fù)試錯造成的資源浪費(fèi)，社會意義重大。