一種匯流環刷絲組裝配方法

2020-06-05 01:06:58劉蓓蓓戴媛媛

雷達與對抗 2020年1期

劉蓓蓓，戴媛媛，戴燁，葉堃

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引言

作為雷達設備的關鍵部件,匯流環由導電環(旋轉部分)和電刷(固定部分)構成一對電接觸副，其主要功能是傳導固定機柜及旋轉天線間的電能和信號等。[1]匯流環按電接觸副的類型主要分為電刷滑環和刷絲滑環。刷絲滑環以其體積小、質量輕、性能指標好的特點成為匯流環的主要發展方向。[2]

刷絲與導電環接觸部位之間接觸電阻的大小及變化率是衡量匯流環質量好壞的重要指標，直接影響匯流環信號傳輸的可靠性和穩定性。對于匯流環，接觸電阻越小，接觸性能越好，信號傳輸越穩定。過大的接觸電阻會使接觸部位溫度升高，導致接觸件表面氧化加快，從而降低壽命。[3]接觸電阻除受刷絲和導電環材料影響外，還與刷絲和導電環之間裝配后的接觸壓力、接觸面積等因素相關。因此，刷絲組的裝配質量直接影響匯流環的整體性能。

1 匯流環結構特征

1.1 匯流環組成

某型匯流環采用了適用于雷達立式轉臺的柱狀結構(如圖1所示[4])，由環芯、刷絲組、外殼等部分組成。環芯由薄片環狀銅基鍍金鎳合金導電環及絕緣環疊加而成，分為動力環、信號環和網絡環等不同類型。動力環由2個刷絲組和16路導電環組成，采用一環四絲的設計，用于供電。信號環由2個刷絲組和50路導電環組成，采用一環兩絲的設計，用于傳輸電信號。網絡環由1個刷絲組和16路導電環組成，采用一環兩絲的設計，為設備提供兩條網絡通道。

圖1 柱式匯流環圖

由于環路數量多，因此環間間距相對較小，這對刷絲的安裝精度提出了較高的要求。刷絲組由焊接在印制板上的多路金屬刷絲組成，通過印制板固定在外殼上。刷絲與每個導電環之間構成一組電接觸副，如圖2所示。

圖2 刷絲滑環結構

1.2 刷絲組結構

刷絲組由印制板、成對刷絲及引出線組成，其結構如圖3所示。印制板上沿軸向對稱焊接刷絲。每對刷絲對應接觸同一個導電環，對稱方向上的兩對刷絲之間呈90°布置。印制板通過螺釘安裝在外殼上。高彈性刷絲通過預設壓力與導電環保持接觸。

圖3 網絡環刷絲組結構圖(1刷絲，2印制板，3引出線)

1.3 刷絲

導電滑環作為兩個相對旋轉機構之間信號傳遞的精密輸電裝置。在傳輸電流和電信號的過程中，刷絲和滑環處于滑動電接觸狀態，受到載荷和電流的耦合作用，會產生機械磨損和電氣磨損。這些直接影響導電滑環的性能和壽命，因此需要選擇合適的刷絲材料。刷絲材料必須具有超高的耐磨性能及良好的電接觸性能。目前，采用最多的電接觸材料是貴金屬材料。[5-6]在各種貴金屬中,金的化學性能是最穩定的。合金技術能夠提高金的機械性能，例如硬度和拉伸強度，而對其電導率沒有不良影響，并能提高對硫和硫化物的穩定性。綜合考慮，選用了某有色金屬研究院的金鎳合金AuNi9作為刷絲材料。刷絲直徑為Φ0.8 mm，長度46 mm，如圖4所示。該合金的主要成分是金、銀、銅、鎳，耐磨性好，體積小，落粉少。

圖4 刷絲

2 關鍵零件加工

匯流環關鍵加工零件有絕緣環、導電環、環芯等。它們的加工質量對匯流環的性能有著至關重要的影響。因此，在生產過程中應采取合理的工藝來保證關鍵零件的質量。

絕緣環起到導電環與底筒、導電環與導電環之間絕緣、支撐導電環及定位的作用。采用專用模具將新型環氧樹脂灌注成型后經機加工成型。由于尺寸限制，絕緣環屬于薄壁件，給加工帶來了困難，工藝采用工裝、小進給量、小切削深度等方法，保證了零件的加工尺寸。導電環采用黃銅板機加成型，為了保證平行度要求，粗加工后進行去應力熱處理。為了增強耐磨性，滑環軌道采用鍍鈀鎳金處理。傳統的環芯采用灌注成型，導電環位置精度較差。由于該型匯流環導電環尺寸較小，給灌注后加工帶來較大難度。因此，該型匯流環為不銹鋼環芯，采用分體式裝配、分段控制的方法，很好地解決了上述問題。

3 刷絲組裝配

3.1 裝配難點

刷絲組的裝配工藝過程是在印制板上裝入刷絲，將刷絲焊牢在印制板上，最后在印制板上焊接刷絲引出線，并對焊點進行封膠。刷絲與導電環間的接觸電阻大小及變化率主要影響因素為刷絲與導電環的接觸壓力。為了保證印制板裝在外殼上后每根刷絲與滑環的接觸壓力相同，需要在刷絲裝配的時保證同組刷絲的角度和伸出印制板的長度相同。

根據前期經驗，由于刷絲數量多、刷絲細長且刷絲與安裝孔之間屬于間隙配合，操作工徒手難以保證裝配精度。刷絲組裝配經常出現刷絲伸出長度參差不齊、刷絲角度難以保證的情況，如圖5所示。

圖5 不穩定的刷絲組

在裝配過程中需要不斷調整每根刷絲的位置和角度，焊接時刷絲容易變形，導致裝配合格率和效率低。因此，要保證絲狀電刷空間尺寸的一致性，難點在于如何控制每根刷絲裝配時的角度和伸出印制板的長度。只有解決了這一難點才能保證刷絲與導電環的可靠接觸，從而保證匯流環整體質量。

3.2 工裝設計

為了保證刷絲裝配精度，針對3種刷絲組分別設計了專用工裝——刷絲架，如圖6所示。

圖6 刷絲架

以網絡環使用的刷絲架為例，刷絲架采用楔形結構，兩斜面的角度為90°，與對應導電環上兩刷絲的角度相同。按刷絲直徑、長度及刷絲安裝角度，在斜面上對應開8組凹槽，長40 mm*寬0.9 mm*深1 mm。為了保證每根刷絲的下端齊平，在凹槽下端銑矩形通槽。在斜側面凹槽的頂部開槽，可在裝配過程中嵌入壓條，以保持刷絲平整不翹起。按印制板安裝孔尺寸在刷絲架上端面鉆螺紋孔，便于裝配時固定印制板。刷絲架材料選用鋁合金，表面陽極氧化后進行填充。

由于設備工作在高濕、高溫、高鹽霧的海洋環境中，惡劣的條件會對焊點造成腐蝕，導致連接失效。因此，為了保護焊點、增強絕緣性，需對焊接處進行封膠處理。由于膠流動性較好，為了保證美觀，設計了封膠工裝，如圖7所示。

圖7 封膠工裝

3.3 裝配工藝

裝配時，首先將工作臺、工裝、工具等擦拭干凈，根據印制板圖號選擇對應的工裝。使用螺釘將印制板固定在工裝上，然后將16對刷絲分別穿過印制板刷絲孔裝入工裝架刷絲槽內，保證刷絲完全進入槽內且底部齊平。刷絲全部安裝到位后，將刷絲焊牢在印制板上。為了防止焊接過程中刷絲翹起，可在側面粘貼紙膠帶，將所有刷絲固定在槽內，最后在印制板上焊接刷絲引出線，其流程如圖8所示。

圖8 工藝流程

焊點和焊盤處選用南大704硅橡膠進行灌封。704硅橡膠具有耐高溫、固化后不易發黃的特點，能起到較好的絕緣、密封、防潮、防震的效果。704硅橡膠屬于水汽固化密封膠，單次最大固化深度為3～5 mm。一次性灌滿會導致底部的膠接觸不到水汽難以固化，因此采用分次灌封工藝。將灌封工裝壓在印制板上，使焊點位于工裝槽內中心位置，沿著工裝邊沿將膠灌入，膠厚度達到2.5 mm(工裝槽深度的一半)時停止灌膠，待膠完全凝固后按相同的工藝進行第2次灌封，如圖9所示。待膠完全凝固后取下封膠工裝，將印制板從刷絲架上拆除，刷絲組裝配完成。