15. Изготовление упругих элементов

И КОНТАКТОВ

15.1. Изготовление упругих элементов

Пружины являются ответственными деталями РЭС, предназначенными для натяжения взаимосвязанных деталей, для амортизации аппаратуры, использования в коммутационных цепях (выключателях, контактах). Конструкции пружин могут быть самыми разнообразными. Наиболее часто применяются следующие типы пружин: винтовые цилиндрические (рис.15.1 а, б, в, г, д), плоские спиральные, плоские листовые – прямые и загнутые (рис.15.1 е, ж, з).

Рис.15.1

К материалу пружины предъявляются весьма высокие требования: материал после термической обработки должен обладать устойчивыми во времени упругими свойствами, значительной статической и усталостной прочностью, достаточно хорошей пластичностью, иногда высокой электропроводностью.

При выборе материала следует учитывать назначение пружины и условие ее эксплуатации. Для витых цилиндрических пружин, подвергающихся после навивки только отпуску, обычно используют стальную углеродистую пружинную проволоку по ГОСТ 9389-60.

Пружины, которые должны обладать высокими антикоррозионными свойствами, изготавливают из бронзы марки БрКМц 3-1, оловянно-цинковой бронзы марки БрОЦ4-3, беррилиевой марок БрБ2 и БрБ2,5 и др. Проволоку из бронзы выпускают диаметром от 0,1 до 10 мм. Плоские пружины изготовляют из инструментальных сталей марок У8А, 910Х 65Г, 40Х13 и др. Для плоских пружин и пружинящих контактов радиотехнической аппаратуры широко используют бериллевые бронзы. Этот материал при достаточной прочности обладает исключительно малым гистерезисом, большой электропроводностью, антикоррозионными свойствами и стабильностью упругих свойств при нагревании до 150 ^оС. Высокими антикоррозионными свойствами обладают пружины, изготовленные из кремнемарганцевистой бронзы. Они могут работать без защитных покрытий во влажной атмосфере, в пресной воде, в атмосфере пара, а оловянно-цинковые бронзы также и в морской воде.

Технология изготовления винтовых цилиндрических пружин. Основным требованием, предъявляемым к пружинам, является правильность ее характеристики, т.е. зависимость силы Р от деформации пружины f, которая определяется выражением:

, (15.1)

где G – модуль упругости при сдвиге, Н/м²; f - деформация пружины, мм; d – диаметр проволоки в мм; n – число витков; D_ср – средний диаметр пружин, мм.

Из уравнения следует, что точность характеристик пружины зависит от точности диаметра проволоки. Обозначая допуск на диаметр проволоки через ∆d, получим d₁ = d + ∆d. Подставив это соотношение в уравнение (15.1), после преобразования получим зависимость осевой силы Р от ∆d

. (15.2)

Отсюда видно, что чем меньше диаметр проволок и больше допуск ∆d, тем больше изменение осевой силы Р.

Обозначая допуск на изменение среднего диаметра пружины через ∆D, после преобразования формулы 15.1 получим

. (15.3)

Для пружины с D = 5 мм отклонение ∆D = 0,1 мм дает

,

то есть уменьшение диаметра пружины на 0,1 мм приводит к возрастанию осевой силы на 6 %.

Основными технологическими операциями при изготовлении витых цилиндрических пружин являются: навивка, отделка концов, термическая обработка, стабилизация, антикоррозионные покрытия, контроль.

Навивка пружины является основной операцией. Навивку производят в холодном состоянии на оправки или безоправочным методом. Навивку на оправку применяют в мелкосерийном производстве и выполняют на токарных станках и специальных приспособлениях. В этом случае обращается внимание на выбор диаметра оправки, который определяется или расчетным путем, или опытной навивкой пружин, при этом диаметр оправки меньше диаметра пружины. Шаг пружины обеспечивается ходовым винтом станка.

Вследствие большого объема ручных операций (заправка проволоки, отрезка от мотка, разрезка заготовки пружины и др.) навивка на оправку является малопроизводительным методом (3 - 4 пружины в минуту) и находит применение при изготовлении мелких партий или пружин, исключающих возможность применения других методов навивки.

Поэтому основным методом навивки пружин является безоправочный, который выполняется на специальных автоматах.

Схема навивки пружин на станке-автомате показана на рис.15.2. Подающие ролики 1 транспортируют проволоку из бухты 8 в зону формообразования 2. Планка 3 служит для натяжения и направления проволоки в формирующий ручей навивального упора 5.

Отразившись от упора 5, проволока встречает упор 6, которым задается направление, соответствующее шагу витков. После навивки заданного числа витков срабатывает механизм поворота ножа 7, который прижимает проволоку к неподвижному ножу 4 и осуществляет отрезку готовой пружины.

Производительность таких автоматов в десятки раз выше производительности навивки на токарных станках. Например, производительность автомата модели А520 составляет 128 пружин в минуту при диаметре проволоки 0,5 – 1,6 мм и максимальном D = 25 мм при лучшем качестве пружин.

Отделка концов пружины (торцов и прицепов). Торцы пружин сжатия шлифуют для получения плоских опорных поверхностей на плоскошлифовальных станках с обильным непрерывным охлаждением. Для обеспечения перпендикулярности торцевых витков к оси пружины шлифование производят в специальных плитках с отверстиями, равными диаметру пружины. При массовом производстве применяют специальные станки, имеющие два шлифовальных круга, которые устанавливаются на самостоятельных шпинделях.

Рис. 15.2

У пружин, работающих на растяжение или кручение концов, витки получают специальную форму прицепов, необходимую для крепления пружины. При массовом производстве прицепы получают на автоматах.

Термическая обработка. Термическую обработку производят после операций механической обработки. Пружины из стальной термически обработанной проволоки подвергают отпуску для снятия внутренних напряжений. Нагрев при отпуске производят в селитровой ванне до Т = 250 – 320 ^оС, время выдержки зависит от диаметра проволоки (до 2 часов). Пружину из стали марок У8А, 50ХФА, 60С2А и др. подвергают закалке и отпуску, а из бериллиевой бронзы БрБ2, сплава ЭН-702 – дисперсионному твердению; из бронзы БрКМц3-1 - низкому отжигу.

Термическая обработка влияет на геометрические размеры пружин. При отпуске наружный диаметр уменьшается примерно на 2 %. Эти изменения необходимо учитывать при навивке. Стабилизация свойства пружин обычно осуществляется старением (механической раскачкой) или заневоливанием. Механическое старение производят периодически растяжением (для пружин растяжения) или сжатием (для пружин сжатия) в течение 1 - 2 часов при числе циклов 30 – 40 в мин.

Заневоливание заключается в сжатии пружин до соприкосновения витков или растяжении усилием, превышающем рабочее, и выдерживают в таком состоянии от 6 до 48 часов.

При заневоливании в материале пружины возникают остаточные напряжения, имеющие знак, противоположный рабочим, благодаря чему истинные напряжения при работе пружины получаются меньше (пружина разгружается). Работа таких пружин при Т > 200 ^оС или при воздействии химических веществ, могущих нарушить поверхностный слой проволоки, не рекомендуется. Для защиты от коррозии стальные пружины подвергают кадмированию с пассивированием; бронзовые - оксидированию в черный цвет с последующим обезводороживанием.

Контроль готовых пружин включает внешний осмотр, измерение геометрических размеров и испытание. Измерению подлежат следующие параметры: свободная длина пружины, наружный диаметр, равномерность шага, перпендикулярность опорной плоскости оси пружины, диаметр проволоки. Дополнительные испытания определяются ее назначением (тарировка, испытание на выносливость, испытание пробным грузом и др.).

Технология изготовления плоских листовых пружин. Плоские листовые пружины обычно имеют один закрепленный конец, а другой – свободный нагруженный. Деформация (стрела прогиба) такой пружины определяется по формуле

, (15.4)

где Р – усилие, Н; f – деформация, соответствующая силе Р, мм; l – длина пружины, мм; Е – модуль упругости, Н/м²; J - момент инерции сечения, мм⁴.

, (15.5)

где b – ширина пружины, мм; h – толщина пружины, мм.

Подставляя значение J в формулу (15.4), получим

. (15.6)

Как видно из формулы, наибольшее влияние на точность характеристики оказывает погрешность в толщине исходного материала.

Технологический процесс изготовления плоских пружин (рис.15.1 е, ж, з) включает следующие операции: заготовительные, штамповочные, покрытие.

Заготовительные операции заключаются в резке материала на полосы. Полосы из бериллиевой бронзы подвергают закалке. Заготовка при штамповке своей длинной стороной располагается в направлении проката.

Штамповочные операции (вырубка заготовок по контуру и пробивка отверстий) производят обычно на эксцентриковых прессах. После зачистки заусенцев в случае необходимости заготовки подвергают гибке. Термическая обработка для пружин из стали марок У7А, У10А, 65Г заключается в закалке и отпуске. Пружины, изготовляемые из термически обработанной ленты, подвергают отпуску при температуре 180 – 200 ^оС. Твердость пружины составляет НРС 40-45.

Для пружин из бронзы (БрБ-2,5 и др.) термическая обработка заключается в дисперсионном твердении, которая повышает твердость, упругость, износоустойчивость и увеличивает сопротивление усталости пружин. Дисперсионное твердение осуществляется в контейнере вакуумной печи при Т = 320 ^оС (для БрБ-2,5) в течение 3 – 3,5 час. После этого пружины охлаждаются в вакууме до комнатной температуры. Твердость для пружин из БрБ-2,5 должна быть не менее Н 38.

Покрытие. Для защиты от коррозии стальные пружины подвергают хромированию. Пружины ответственного назначения подвергают старению для получения стабильных характеристик.

Контроль. Готовые пружины подлежат контролю по внешнему виду, геометрическим размерам и характеристике. Последняя проверка ведется путем нагружения пружины и измерения получающейся стрелы прогиба.

15.2. Технология изготовления контактов

По характеру работы контактные соединения делятся на: неразъемные – для постоянного соединения; разъемные – для разъединения цепей, особую группу составляют скользящие контакты; разрывные (рис.15.3) – в момент разрыва образуется дуга или искрение.

Основным требованием к материалу контактов является: малое переходное сопротивление и его стабильность, износостойкость, коррозионная и эрозионная стойкость, хорошая теплопроводность и электропроводность, стойкость к свариваемости, высокая температура плавления и испарения. В качестве материала для разрывных и скользящих контактов применяют чистые металлы (медь, серебро, золото, платина), сплавы и металлокерамические композиции. Контакты из серебра имеют хорошие технологические свойства, малое и постоянное переходное сопротивление. Недостатком этих контактов являются значительная эрозия, свариваемость и малый срок службы. Контакты из меди тускнеют на воздухе и сильно окисляются дугой.

При большой частоте срабатывания контакты изготавливают из сплавов палладия с родием, серебром, кобальтом. Контакты из вольфрама и молибдена, а также из металлокерамики (серебро-вольфрам, серебро-окись кадмия, медь-вольфрам и др.) применяют при разрыве больших токов и при повышенной частоте включений. Такие контакты обладают малой эрозией, не свариваются, но окисляются и требуют высоких контактных давлений.

Для работы в вакууме или атмосфере водорода, при малых нагрузках и малых силах нажатия применяют контакты из золота или его сплавов, из платины.

При небольших давлениях контакты покрываются электролитическим методом слоем серебра, золота, палладия и др. При больших давлениях этот метод не пригоден (например, слоя серебра хватает примерно на 1000 переключений). В этом случае применяется плакированный материал, т.е. конструкционный прокат, состоящий из дешевого металла и покрывающего его контактного материала. Плакирование позволяет бережно расходовать дорогостоящие материалы.

По технологическому признаку контакты и контактные детали можно разделить на следующие группы:

а) изготовленные из проволоки и прутков;

б) изготовленные из листов, полос, из лент;

в) получаемые литьем, горячей штамповкой, прокаткой и другими методами с последующей механической обработкой.

Основными методами изготовления контактов группы «а» является штамповка-высадка или механическая обработка на токарных или револьверных станках и автоматах.

Контакты и контактные детали группы «б» изготавливаются вырубкой с последующей гибкой и рихтовкой. Для получения точного расположения отверстий, что важно при сборке многопластинчатых контактов, их пробивают на совмещенном штампе совместно с вырубкой по наружному контуру. Многопластинчатые шины изготавливают из листовой меди марки М1 и М3 или латуни Л-62 с последующим серебрением или покрытием оловом.

Контакты из композиций изготавливают из механических смесей химически чистых несплавляемых материалов. Их получают методом порошковой металлургии. Контакт состоит из механической смеси серебра и окиси кадмия. Серебро обеспечивает высокую электропроводность и теплопроводность, а окись кадмия повышает теплостойкость, износостойкость, препятствует привариваемости контактной пары и способствует гашению электрической дуги. Такой контакт является двухслойным (рис.15.3 г).

Рис.15.3

Нижняя часть 1 выполнена из металлического серебра и служит для улучшения пайки или сварки к контактным деталям, а верхняя рабочая часть 2 из композиции серебра и окиси кадмия. Серебряную подкладку получают путем совместного прессования серебра и окиси кадмия. Для этого в нижнюю часть пресс-формы предварительно засыпают 30 % порошка чистого серебра, на которое затем насыпают смесь серебра с окисью кадмия. После операции прессования производится спекание в безокислительной среде при температуре 750 – 800 ^оС. Для мелких контактов производится спекание заготовок в виде небольших полос с последующей прокаткой и вырубкой из них контактов.

Подсоединение контактов к токонесущим деталям производится методом контактной сварки и пайки. Пайку обычно осуществляют твердыми припоями (серебряными, медными, медно-цинковыми).

После сборки контактного узла производится полирование контактных поверхностей с применением полирита и специальных неабразивных паст, окончательная полировка на фетровых кругах. Для полировки нельзя применять пасту ГОИ, так как остатки ее на поверхности могут вызвать значительное увеличение переходного сопротивления. После изготовления происходит проверка качества контактов. В этом случае особенно определяется величина переходного сопротивления. Она складывается из переходного сопротивления между двумя контактирующими поверхностями, сопротивления металла контакта и сопротивления пленок, которые могут быть на поверхности контакта. Надежность образования контакта зависит от величины контактного усилия и состояния поверхности контакта. Изменение усилия происходит от изменения жесткости пружин, а также от изменения состояния вследствие коррозии и эрозии. Контактное давление должно быть больше напряжения разрушения пленки.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляют к материалам для изготовления пружин?

2. Какие материалы применяют для изготовления пружин?

3. Как влияет технология изготовления пружин на рабочие параметры?

4. Каким способом изготавливают витые пружины при единичном и массовом производстве?

5. Каким методом изготавливают плоские пружины?

6. Какими способами осуществляют стабилизацию рабочих параметров пружин?

7. Какие требования предъявляют к материалам для изготовления скользящих и разрывных контактов, и какие материалы используются при изготовлении их?

8. Какие материалы применяют для изготовления пружинных контактов многоштырьковых разъемов?

9. Изложите сущность изготовления контактов из металлокерамической композиции на основе Ag-CdO.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии «Технология деталей РЭС» рассмотрены: исходные принципы проектирования технологических процессов; методы формообразования деталей литьем из металлических сплавов, пластмасс, керамики и изготовление деталей давлением; обработка деталей резанием и электрофизические методы обработки; защита деталей от внешних воздействий; технологические процессы изготовления различных типовых деталей радиоэлектронных средств. Во всех разделах изложены не только основные принципы формообразования и обработки, но и приведены технологическое оборудование, технологическая оснастка, технологические режимы и достигаемая точность изготовления деталей.

К каждому разделу приведены контрольные вопросы, на которые должен ответить студент при самостоятельном изучении материала, особенно студенты заочного обучения.

Материал, изложенный в учебном пособии, соответствует рабочей программе дисциплины «Технология деталей радиоэлектронных средств».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гриднев В.Н. Технология элементов ЭВА/ В.Н. Гриднев, А.Н. Малов, А.А. Яншин; под ред. А.Н. Малова. М.: Высш.шк., 1978. – 288 с.

2. Обработка конструкционных материалов/ под ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение, 2004. - 420 с.

3. Технология электроаппаратостроения. Справочник / под ред. Ю.Я. Филиппова. Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 258 с.

4. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА/ под ред. Э.Г. Романычевой. М.: Радио и связь, 1989. – 448 с.

5. Маталин А.А. Технология механической обработки и проектирование технологических процессов./ А.А. Маталин. М.: Машиностроение, 1970. – 350 с.

6. Егоров М.Е. Технология машиностроения./ М.Е. Егоров. М.: Высш.шк., 1976. – 380 с.

7. Гаврилов А.Н. Основы технологии приборостроения./ А.Н. Гаврилов. М.: Высш.шк., 1976. – 328 с.

8. Головня В.Г. Технология деталей радиоаппаратуры. / В.Г. Головня. М.: Радио и связь, 1983. – 294 с.

9. Ефимов И.Е. Микроэлектроника, физические и технологические основы, надежность: Учеб. Пособие / И.Е.Ефимов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш.шк., 1986. 464 с.

10. Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры/ под ред. С.Е. Ушаковой. М.: Радио и связь, 1986. – 256 с.

11. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию./ В.Я. Сафронов. М.: Машиностроение, 1985. – 320 с.

12. Романовский В.П. Справочник по холодной листовой штамповке./ В.П. Романовский. Л.: Машиностроение, 1970. – 320 с.