彈性接觸件選用和可靠性研究

楊奮為，房大慧

(1.上海航天技術研究院808研究所, 2.關西電子進出口(蘇州)有限公司)

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綜述與簡介

彈性接觸件選用和可靠性研究

楊奮為1，房大慧2

(1.上海航天技術研究院808研究所, 2.關西電子進出口(蘇州)有限公司)

彈性接觸件是影響電連接器電接觸性能的關鍵零件。本文在闡述各種結構形式彈性接觸件性能特征和選用基礎上，重點介紹瑞士PRECI-DIP 技術集成創新的冠簧式(鷹爪)插孔接觸件，并論述了電連接器彈性接觸件質量控制和可靠性保證要點。

彈性接觸件；選用；可靠性

1 彈性接觸件的分類和選用

彈性接觸件分為彈性插孔和彈性插針兩類。彈性插孔對應于剛性插針，反之，彈性插針對應于剛性插孔。彈性插孔有片簧式、冠簧式和線簧式等三種型式。其中，片簧式包括圓形側開槽、圓形直開槽和方形等型式。而彈性插針主要有絞線式和片簧式兩種型式。

1.1 彈性插孔接觸件

1 ) 片簧式

片簧式插孔結構簡單、成本較低，在接觸電阻和電流負載方面提供相對好的性能，但插拔次數和插拔力有所限制，插拔次數≧200次、失效概率10-2～10-3。目前，70%的電連接器選用片簧式插孔。

(1)圓形

圓形接觸件分為直開槽和側開槽兩種型式。

直開槽可多開幾個直槽，開槽一定要中心對稱，為滿足收口均勻性和簧片變形的一致性，應盡可能采用專用工裝收口。由于在無護套情況下，易受較大插針損傷，使簧片向外發生塑性變形會導致插孔松弛接觸不良失效，故目前軍用電連接器都采用帶有不銹鋼護套的直開槽接觸件，見圖1所示。

側開槽前端保留一段整圓，只開一個側槽和直槽，直槽位置不一定要在插孔中心，可根據插孔壁厚、簧片長度和接觸壓力要求而定。由于前端存在整圓，可很好防止較粗插針對簧片損傷，見圖2。

圖1 圓形直開槽片簧式插孔

圖2 圓形側開槽片簧式插孔

(2)方形

方形接觸件內簧片與插孔緊密接觸產生正壓力，保證低而穩定的接觸電阻，外簧片卡在絕緣體臺階上，起固定接觸件在絕緣體內位置的作用，見圖3。方形接觸件一般具有止檔結構，限止簧片產生塑性變形而使彈性失效。方形接觸件耐過應力能力強、成本低、裝配自動化程度高，可髙速裝入印制板電連接器，對對準插合性要求不嚴。由于方形接觸件耐力學環境性較差，故很少用于耐環境性能要求髙的軍用電連接器，僅應用于環境條件較好的印制板電連接器。

圖3 方形片簧式插孔

圖4 圓形冠簧式插孔

2) 冠簧式

冠簧式接觸件內置鈹青銅多簧并帶斜紋連接，彈性不會失效，可保持插孔內冠簧與插針良好的電接觸和避免插合時損傷插針見圖4所示。其壽命達5000次，插拔力可達3-10KN(按客戶需要定制)，與插針插合有許多接觸點，插拔力小，接觸電阻低而穩定，允許帶電插拔。失效概率為10-4～10-5。優點是制造成本比線簧接觸件低，并具有高動態接觸可靠性、插拔柔和、接觸電阻小、抗震、耐沖擊等特點。是理想的軍用電連接器彈性接觸件。

3) 線簧式

線簧式插孔是由多根彈性金屬絲按單葉回轉

雙曲面的直母線排列，形成兩端大中間小的鼠籠式插孔。插合時彈性鈹銅絲在插孔中起重要作用，多根彈性鈹銅絲均勻而緊緊地包絡在插針四周表面上，使插針和插孔中多根獨立的鈹銅絲同時接觸，構成多個導電通路，見圖5所示。插孔小于0.76mm時仍有12根獨立簧線，每根簧線與插針形成一個接觸點，插拔次數≧100000次、失效概率為10-8～10-9。與其它插孔接觸件相比；線簧式插孔接觸件具有接觸電阻低、操作力矩小、插拔柔和、耐磨損、機械壽命高和耐振動沖擊性能好等特點，特別適用于制造接觸可靠性要求高的軍用電連接器。

圖5 線簧式插孔

圖6 絞線式插針

表1列出了片簧式、冠簧式、線簧式等三種插孔的制造成本、插合接觸點數、插拔次數、失效概率和接觸電阻等性能對比。由表1可見，片簧式插孔接觸件適用于插拔次數和插拔力有所限制的應用場合。冠簧式插孔接觸件適用于要求插拔力和接觸電阻比片簧插孔更小的應用場合。線簧式插孔接觸件具備冠簧插孔全部優點，接觸更加可靠，接觸電阻最小，插拔次數最多，失效概率最低，但其制造成本也最高。

表1 三種形式插孔的性能對比

2.2 彈性插針接觸件

1)絞線式

由于圓柱開槽接觸件直徑<0.6mm時，插針強度下降，插孔內孔車制困難，表面粗糙度難達到1.6μm要求，可靠性存在諸多問題。絞線式插針的出現，為電連接器實現髙密度、小型化(間距1.27mm、0.635mm)奠定了基礎。

絞線式插針是在三股芯纜銅線外包著七股鈹銅線構成的彈性線纜做成一段纜束，再壓接到套筒上，最后鼓腰而形成絞線式插針，配合的插孔為非彈性管。由于插入時絞線式插針外面七股鈹銅線變形，緊密接觸插孔管壁，產生可靠的電接觸，參見圖6。

2)片簧式

釆用鈹銅帶經沖制成帶有三片彈性片簧和針體壓接組裝成片簧式插針。依靠插針上周向均勻分布的三片彈性片簧與剛性插孔內壁緊密接觸產生正壓力，保證低而穩定的接觸電阻(圖7)。

圖7 片簧式插針

圖8 瑞士PRECI-DIP無護套鷹爪插孔

3 瑞士PRECI-DIP 技術集成創新的鷹爪插孔

瑞士精密接觸件的制造商PRECI-DIP， 采用其獨特的專業技術和豐富的制造經驗，研制開發出一款新的高性能兩件式無護套鷹爪插孔，參見圖8。其結構型式與前述冠簧式插孔有點相似。整個制造過程全部自動控制，鷹爪和插孔主體所采用的簡化裝配和分離式電鍍，與傳統的直開槽式插孔相比具有很大的設計優勢。

3.1 設計結構

該無護套鷹爪插孔由兩部分組成：由不同材料的插孔主體和鷹爪(單獨壓入插孔主體)組成。插孔主體是由C34500黃銅經過高速車制加工而成的；采用C34500優質黃銅壓接時無需退火工藝處理。經過精密沖壓制成的鷹爪采用C17200鈹銅。插孔主體和鷹爪采用分離式電鍍工藝，節省貴金屬，降低成本，體現了最好的性價比。

采用全自動裝配生產線在線完成插孔主體和鷹爪零件生產和裝配。鷹爪精確地安裝在插孔內，通過頂端收口進一步固定和防止脫落，插孔保持力大于40N。并全自動裝配線上進行在線機械性能和電氣性能檢測。

3.2 技術特性

1) 瑞士PRECI-DIP 無護套鷹爪插孔專利技術受國際專利保護，目前可選用接觸件號有16、20 和22。

2) 經沖壓和修剪而成的鷹爪具有高優質表面，鷹爪零件上三至六片彈性片簧與插針可保持良好的表面電接觸。

3) 廠內完成插孔主體和鷹爪零件的分離式電鍍。插孔主體采用C34500黃銅，表面鍍鎳層不小于2.5μm。鷹爪采用C17200鈹銅，底層鍍鎳不小于2.5μm，表層鍍金不小于1.27μm

4) 鷹爪插孔與插針插拔配合柔和，插入力和拔出力之間差異很小，見圖9。

圖9 鷹爪插孔與插針插拔配合柔和

圖10 精密規則幾何形狀的鷹爪

3.3 技術優勢

與傳統直開槽式插孔相比，沖壓成精密規則幾何形狀的鷹爪(圖10)與插針電連接時能達到同心和最佳對稱狀態，見圖11所示。鷹爪插孔具有定向斜面、直徑插入和配合插針自動調整的多種功能。而傳統直開槽式插孔可能會有誤差和變形，參見圖12。

圖11 鷹爪插孔(徑向)

圖12 直開槽插孔(徑向)

4 彈性接觸件質量控制

4.1 材料質量

目前，我國電連接器生產企業生產的絕大部分產品都為參照國外標準生產的“仿制”產品。例如國內某軍用電連接器龍頭企業，憑借自身工藝裝備仿制的某型號壓接式圓形電連接器和國外同類產品相比，從外形結構到加工工藝均已無可挑剔，但檢測兩者的接觸電阻性能指標相差甚遠。經分析發現，兩者壓接式接觸件所用的材料性能參數不同，從而使得同樣結構形式壓接式接觸件的接觸壓力有明顯差異。由此說明，產品光"形似"是不夠的，企業必須重視原材料選用等產品設計基礎研究，才能達到"神似"等效替代進口同類電連接器的目標。

4.2 外觀質量

接觸件尺寸、精度和表面粗糙度等外觀質量應符合設計圖紙和產品標準要求。插針插合端近似為半球面，插孔插合端應倒圓角或倒斜角，以便于插針導向和對準插入?！峨娺B接器接觸件總規范》(GJB1216)規定了全部插針接觸件的插合端直徑、端部允許的平面直徑以及接觸件壓接前和壓接后的同軸度，規定表面粗糙度插合面電鍍后Ra為0.8mm、其它表面電鍍后Ra為1.6mm。

目前，國內部分電連接器生產企業生產的接觸件表面質量，與發達國家同類零件相比尚存在一定差距。圖13為瑞士Preci-Dip生產的針體放大45倍表面實況，圖14為國內某公司生產的針體放大45倍表面實況。對比觀察可見，國產的針體表面粗糙度較差。

圖13 瑞士Preci-Dip生產的針體表面(45×)

圖14 國內某公司生產的針體表面(45×)

4.3 力學檢測

1)接觸件單孔分離力

單孔分離力檢查目的是為保證電連接器接觸件具有一定的接觸壓力，接觸可靠。驗收時，應采用產品標準規定的分離力檢查方法，用標準插針對電連接器每個插孔進行100%分離力檢查。由于部分企業生產的電連接器插孔收口成型工序仍靠手工操作，尺寸一致性差，往往很容易造成插孔應力松弛。單孔分離力過小，在受振動沖擊載荷時有可能造成信號瞬斷。實踐證明，用單孔分離力檢查接觸是否可靠比測接觸電阻更有效。檢查結果發現，單孔分離力超差的插孔，測量接觸電阻往往仍合格。

2)接觸件固定性

接觸件固定性檢測目的是在連接器的接觸件上施加軸向力，以確定連接器承受使接觸件從連接器絕緣安裝板中的正確位置產生位移的力的能力和承受使接觸件脫出的力的能力是否合格。在規定軸向力作用下，若接觸件在絕緣安裝板中的位移超差，說明接觸件的固定性不良，將影響電連接器的可靠接觸與連接。

接觸件固定性應按GJB1217電連接器試驗方法規定，每單個電連接器中的全部接觸件數的20%進行試驗，但應不少于3個接觸件。在電連接器內只須裝入要試驗的接觸件，沿每個接觸件縱軸會使接觸件向后位移的方向加力。施加的軸向力最大預負荷為13.6N，然后按規定施加負荷。接觸件軸向位移應不超過0.30mm，且不應引起對接觸件或絕緣安裝板的損壞。 圖15為用專用工具對耐環境圓形電連接器進行接觸件固定性試驗。

圖15 用專用工具進行接觸件固定性試驗

圖16 插孔接觸件壓接強度檢測

3)接觸件壓接強度

接觸件壓接強度檢測目的是確定接觸件和壓接導線線芯壓接的機械強度是否合格，所得數值表示壓接處的相對強度。圖16為插孔接觸件壓接強度檢測。

先將壓接好的試驗樣品夾在張力試驗機的夾具中，啟動張力試驗機，以每分鐘25±6mm的恒速度對試驗樣品施加軸向力，直至產品標準規定的張力觀察接觸件和導線線芯是否分離。應根據軍用壓接式電連接器產品標準規定進行檢測，并作出判定。在規定負荷下，導線不能從接觸件上拉脫(導線從導線筒或襯套中拉出，或導線在導線筒或襯套內拉斷)[2]。

4.4 鍍層質量

軍用耐環境髙可靠連接器一般均采用鍍金接觸件。鍍金質量直接關系到電連接器接觸件電接觸穩定性、耐環境性和使用壽命。軍用耐環境髙可靠連接器國軍標規定接觸件鍍金層厚度應不小于1.27μm。接觸件鍍金層應光亮致密、結合力良好；不應有起皮、劃傷、腐蝕、黑斑、污跡、膠跡等缺陷。插孔內不應有金屬多余物，鍍金層應按有關標準進行抗腐蝕試驗。

實踐表明，鍍金質量并非僅與厚度有關，還與基體金屬的結合力和鍍層孔隙率有關，絕非越厚越好。若鍍層與基底結合不牢，鍍層則極易起皮剝落，不僅達不到連接器設計使用壽命，還會造成經濟上的極大浪費。圖17為瑞士Preci-Dip生產的MIL32029 22#插孔接觸件壓接端鍍金表面，圖18為瑞士Preci-Dip生產的MIL32029 22#插孔接觸件凸臺和打有生產廠標志PD鍍金表面。

圖17 22#插孔壓接端鍍金表面(45×)

圖18 插孔凸臺和打標志PD鍍金表面(45×)

5 彈性插孔接觸件可靠性保證要點

5.1 電接觸技術基礎研究

經濟體制影響和決定了企業追求的奮斗目標。由于基礎研究投入資金大、見效慢、且有更多的不確定性，現在很少有人能潛下心來，花幾年乃至數十年去研究這些基礎共性技術，導致我國電接觸技術基礎研究非常薄弱。

例如，目前軍用壓接式電連接器國軍標接觸件鍍金層厚度，是仿照美軍標規定不小于1.27μm。用鍍金層厚度來衡量鍍金質量，這是在過去缺乏完善合理檢測手段情況下的臨時措施。真正優良的鍍金表面不單取決于厚度，還與鍍層的結合力和孔隙率有關。國外連接器鍍金層厚度普遍較低，通常為1μm左右，而有些效果還超過我國仿制產品。故研究一套合理的鍍金層厚度質量檢驗和評估標準，就是一個很好的電接觸技術基礎研究課題。

最近，國務院正式公布了工業4.0中國版“中國制造2025”，表明國家現開始重視提升關鍵基礎材料、核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝和產業技術基礎(簡稱四基)等工業基礎能力。電接觸技術基礎研究是提高電連接器接觸件質量與可靠性的基礎。國家應支持優勢企業組織開展“政、產、學、研、用”聯合攻關，開展熱學、力學、環境污染等因素對接觸件電接觸可靠性影響的系統試驗，為提高電連接器接觸件設計可靠性提供科學依據。

5.2 失效預防和優化設計

電連接器彈性接觸件出現失效故障后，準確分析失效模式和失效機理非常重要。通過失效分析可引出大量經驗教訓和排除各種隱患，為改進設計、工藝和使用法規提供科學依據，也是修訂和制訂現行技術規范、規程和標準的重要依據。電連接器彈性接觸件設計結構必須經大量試驗論證其安全可靠性。產品設計可靠性是保證電連接器彈性接觸件可靠性的基礎。有些產品設計方案盡管存在很好的經濟效益或使用價值，但由于使用可靠性不高，用戶會因在實際使用過程中易發生失效故障而被禁用或限用。

5.3 材料品質保證

國產彈性金屬材料品質低，制造高可靠電連接器彈性接觸件的鈹銅材料至今仍依賴進口。這是我國與發達國家電連接器同類接觸件存在差距的重要原因。

為此，我國必須通過運行機制改革，將產業鏈上的材料研究、生產與應用等單位組成創新聯盟。以改變目前材料生產與材料應用脫節，造成材料研究和標準制定流于表面化，使材料很難適應不同應用領域的差異化工藝技術要求的現狀；必須將髙可靠電連接器鈹銅及其替代材料創新和應用視為一項國家系統工程，系統工程除整體性考慮外，還應最優化考慮其性能、經濟效益、環境和社會效益等因素，遵循最優化原則，使之綜合性能最優。

5.4 智能化生產過程控制

發達國家憑借優質材料和高度自動化零部件加工和裝配技術，配上先進的柔性加工和在線質量控制技術，有效控制全生產過程質量，在實現大規模、高效率、低成本批量同時，保證了生產彈性接觸件的質量一致性。例如瑞士Preci-Dip公司依靠先進的設計、優質的材料、杰出的精細加工技術和富有創新精神的研發團隊，集聚了由全球性物流網絡支持的專業技術、資質、髙產、靈活性和面向客戶的宗旨，不斷將客戶的理念和想象轉換成現實?，F已成為髙度技術集成、每周接觸件生產能力達1.5億個、世界頂級品牌接觸件工業化生產的領頭羊[3]。

我們應學習借鑒發達國家技術集成創新的成功經驗，將互聯網理念擴展電連接器生產和服務領域，促進電連接器生產企業的分工和專業化。使企業生產出的彈性接觸件不再大量類同，而是技術集成度更高，更具個性化。

國家必須重視電連接器彈性接觸件基礎材料、基礎工藝裝備和在線檢測設備的應用研究。必須大力扶植優秀企業優化生產流程，提高其生產過程技術集成度和數字化、智能化制造設備和檢測儀器應用水平。只有提髙制造電連接器彈性接觸件的技術集成度，才能真正確保其質量與可靠性。

[1] 楊奮為. 電連接器的常規電性能檢驗技術研究,電子質量.2001年第6、7期.

[2] GJB1216-91, 電連接器接觸件總規范. 國防科工委軍標出版發行部.

[3] 楊奮為. 軍用電連接器數字化生產過程質量控制研討. 機電元件, 2015年第2期.

2015-09-10

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.011

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1000-6133(2015)06-0050-07