一種長壽命微動開關(guān)的設(shè)計

楊勝利

（貴州振華華聯(lián)電子有限公司，貴州黔東南556000）

1 概述

1.1 任務(wù)來源

根據(jù)公司“十三五”發(fā)展規(guī)劃中提出的“強基礎(chǔ)、謀發(fā)展”的戰(zhàn)略決策，產(chǎn)品技術(shù)處開展了對產(chǎn)品基礎(chǔ)指標的分析研究，其中將微動開關(guān)的長壽命指標作為主攻方向。

1.2 立項背景

多年以來，微動開關(guān)的長壽命指標，一直是困擾微動開關(guān)發(fā)展的瓶頸技術(shù)，直接影響產(chǎn)品的價格和市場占有率，阻礙了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。在實際工作中，經(jīng)常遇到用戶因開關(guān)壽命太短而不使用，或開關(guān)因壽命太短而不能應(yīng)用于整機的關(guān)鍵、重要系統(tǒng)的現(xiàn)象。特別是航空用戶，普遍對開關(guān)的壽命要求較高，如供油系統(tǒng)的到位指示屬于頻繁使用的開關(guān)，要求壽命較長，如航空XX廠要求開關(guān)壽命需達100萬次左右。壽命次數(shù)直接影響產(chǎn)品價格，如KW5C壽命在1萬次的價格200元左右，壽命在100萬次的價格為2 000～4 000元。產(chǎn)品的長壽命指標直接影響產(chǎn)品的附加值，為此產(chǎn)品技術(shù)處將長壽命技術(shù)列為攻關(guān)目標。

1.3 項目簡介

在公司各級領(lǐng)導(dǎo)的指示、關(guān)心下，特別是市場部門的要求下，產(chǎn)品技術(shù)處組織研究團隊，對長壽命技術(shù)進行探索性研究，以求取得局部突破，最終整體提升開關(guān)品質(zhì)。該項目通過對微動開關(guān)的動作特性、應(yīng)力分析，從理論上進行研究和計算，并結(jié)合公司生產(chǎn)微動開關(guān)多年的技術(shù)積淀，對彈性零件（特別是弓簧片）進行優(yōu)化改進，取得良好效果，達到預(yù)定研究目標。當(dāng)然，長壽命技術(shù)的研究，只有進行時，沒有完成時，提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品附加值是永恒的主題。

1.4 國內(nèi)外同類技術(shù)概況

微動開關(guān)“壽命”指的是微動開關(guān)在使用周期內(nèi)重復(fù)動作的循環(huán)次數(shù)，它是考核微動開關(guān)機械和電氣可靠性的指標，包括機械壽命和電氣壽命。

“壽命”是衡量微動開關(guān)可靠性的重要指標，對微動開關(guān)“長壽命”技術(shù)指標的研究，其本身就是微動開關(guān)的前沿課題，是較難突破的關(guān)鍵技術(shù)難題，是目前國內(nèi)外存在的共性難題，目前國家軍用標準（GJB809A）和美軍標（MIL-8805）均沒有技術(shù)參數(shù)的具體規(guī)定。微動開關(guān)屬于“有限壽命機電元件”，這主要是由于微動開關(guān)是機械結(jié)構(gòu)、機械轉(zhuǎn)換，其動態(tài)配合零件會產(chǎn)生磨損、疲勞失效，其壽命長短受制于材料、結(jié)構(gòu)、加工精度、熱處理工藝等多種因素。

微動開關(guān)國內(nèi)同行廠家（軍口）主要是航空XX廠等，開關(guān)的壽命次數(shù)普遍在1萬～2萬次，與我公司的開關(guān)壽命次數(shù)差不多。

微動開關(guān)國外廠家主要有美國Honeywell公司、OTTO公司，規(guī)定壽命在10萬～100萬次，普遍高于國內(nèi)廠家。

1.5 企業(yè)目前狀況

隨著武器裝備對開關(guān)產(chǎn)品工作可靠性的要求越來越高，預(yù)計將會有越來越多的用戶對開關(guān)的壽命指標提出更高的要求。目前，微動開關(guān)的壽命一般在1萬～5萬次，遠遠不能達到用戶要求。

因此，為了滿足用戶對微動開關(guān)的長壽命要求，提升微動開關(guān)品質(zhì)和市場競爭力，我們將微動開關(guān)的長壽命作為今年的重點攻關(guān)項目。

2 任務(wù)要求

2017年3月，航空XX廠提出需求壽命指標最少為70萬次的微動開關(guān)（實際需要是越長越好，最好是100萬次以上），我廠現(xiàn)有的微動開關(guān)中壽命最長的僅達到10萬次，遠遠達不到這一要求。

2017年7月初，改進后的弓簧片加工完成，用改進后的弓簧片裝配兩只開關(guān)重新進行壽命試驗，從7月初到9月初，整個試驗周期近兩個月，試驗的兩只開關(guān)中，一只壽命達到110萬次失效，另一只207萬次后仍能正常轉(zhuǎn)換，通過本次改進，開關(guān)壽命指標遠遠超出了用戶提出的70萬次的要求。

攻關(guān)完成后，我廠與XX廠簽訂了KW5C型微動開關(guān)技術(shù)協(xié)議，于2017年9月份實現(xiàn)產(chǎn)品供貨，在首次廠內(nèi)鑒定試驗中，開關(guān)各項技術(shù)指標一次性考核合格。

3 研究過程

3.1 研究的意義、項目的現(xiàn)狀

在短時間內(nèi)（一年）成功研制出了滿足用戶特殊要求的長壽命開關(guān)，滿足了用戶的急需，得到了用戶的好評，我廠在反應(yīng)速度方面的形象在客戶心目中得到進一步提升，為以后進一步合作打下了一定基礎(chǔ)。

3.2 研究的主要技術(shù)內(nèi)容

將微動開關(guān)壽命指標由當(dāng)前的1萬～5萬次提升至70萬次以上（實際需要是越長越好，最好是100萬次以上）。

3.3 研究的思路和方法

為滿足用戶對開關(guān)長壽命指標的這一特殊要求，同時又不影響開關(guān)的其他技術(shù)指標，提高開關(guān)品質(zhì)，首先對引起開關(guān)失效的原因進行分析、研究，經(jīng)過艱辛努力、探索，理論與實踐的不斷互相驗證，根據(jù)微動開關(guān)彈性零件機械疲勞壽命公式（圖1）及簧片式微動開關(guān)彈性零件機械應(yīng)力關(guān)（圖2），結(jié)合微動開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點，最終確定了設(shè)計思路。

根據(jù)前述理論成果，并通過對弓簧片（對于簧片式微動開關(guān)）彈性形變的機械應(yīng)力分布進行理論研究，運用數(shù)學(xué)模型，對弓簧片的有效應(yīng)力進行理論計算，為減小弓簧片的有效應(yīng)力，增大其形變長度，即增大弓簧片中間圓弧半徑（圖3），做了以下改進：

圖1 應(yīng)力循環(huán)與應(yīng)力曲線

圖2 弓簧片三種狀態(tài)下的形變狀態(tài)

（1）增大圓弧半徑，由R0.6改為R

（2）弓簧片尾部由水平改為與水平線成16°夾角，折彎處角度減小有利于增加強度，達到分散應(yīng)力集中區(qū)域（圖4）的目的。

圖3 弓簧片改進前后對比

圖4 改進前后應(yīng)力分布對比

改進后得出結(jié)論：通過應(yīng)力分析，弓簧片中間圓弧的半徑越小，簧片形變的圓弧長度越小，所受的彎曲應(yīng)力點越集中，弓簧片越容易斷裂；中間圓弧的半徑越大，簧片形變的圓弧長度越長，所受的彎曲應(yīng)力范圍越分散，弓簧片的抗疲勞斷裂能力越強。改進使得微動開關(guān)的弓簧片疲勞強度大幅增加，開關(guān)壽命增長。

3.3.1 組織協(xié)調(diào)

與工藝處和經(jīng)運處分別進行零件制造工藝和生產(chǎn)進度協(xié)商，確保產(chǎn)品按時交付。

3.3.2 經(jīng)費投入和使用情況

本項目不需投模，只需修模，極大降低了開關(guān)生產(chǎn)成本。

3.3.3 取得的主要成果

經(jīng)過一年的探索與改進，產(chǎn)品在客戶規(guī)定時間內(nèi)研制成功，滿足了用戶的急需，得到了用戶的好評，在客戶心目中我廠研制產(chǎn)品的反應(yīng)能力進一步提升。

3.3.4 取得的經(jīng)濟效益、社會效益

到目前為止，此類型開關(guān)已實現(xiàn)銷售收入675.5萬元。其中兩種重點工程產(chǎn)品分別是為某兩廠專門研制的，在國內(nèi)外沒有參照依據(jù)，我廠設(shè)計師根據(jù)用戶的具體使用要求，從功能實現(xiàn)、安裝要求、長壽命、動作特性、外觀、安裝方便性等方面全盤考慮，結(jié)合我廠實際生產(chǎn)能力和工藝水平，大膽采用新技術(shù)、新工藝，滿足了國家重點工程的急需，給客戶留下了良好印象，且此成果已逐步推廣應(yīng)用至其他類型開關(guān)，社會效益非常大。

4 應(yīng)用推廣價值

該成果不僅適用于所有類型的微動開關(guān)，而且可以推廣至按鈕開關(guān)等有類似瞬動結(jié)構(gòu)（如同步機構(gòu)）的其他類開關(guān)。

隨著武器裝備對開關(guān)產(chǎn)品工作可靠性的要求越來越高，現(xiàn)已有航空XX廠等廠家對開關(guān)壽命指標提出更高要求。該方案可以擴展應(yīng)用到我廠KW3B系列、KW4系列、KW5系列、KW4B系列、KW4C系列、KW4E系列、KW5A系列等所有弓簧片式微動開關(guān)中，甚至可以推廣應(yīng)用至具有簧片式結(jié)構(gòu)（如同步機構(gòu)）的其他類開關(guān)，其適用范圍非常廣泛。

5 結(jié)語

雖然改進后的開關(guān)完全滿足了用戶的需求（開關(guān)壽命65萬次），但長壽命指標是微動開關(guān)今后發(fā)展的重點，目前我廠開關(guān)最長壽命可以達到100萬次，這與國外產(chǎn)品（國外領(lǐng)先產(chǎn)品壽命可達1 000萬次）在壽命指標上還有一定差距，因此，為了繼續(xù)提高微動開關(guān)壽命指標，還需從影響開關(guān)壽命的其他方面進行進一步研究和探索，如彈性原材料性能方面等。

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