唐宗地人

触点自由镦粗铆接对电寿命的影响

张 强¹，王建宏²

（1.宁波汉博贵金属合金有限公司浙江宁波315221）

（2.浙江利尔德继电器有限公司浙江温州325604）

摘要：本文通过对自由镦粗铆接及电寿命失效实例分析，阐述了确保触点铆接后轴孔配合处无缝隙的重要性，提出了改善铆接质量的方法及铆接质量的判定。

关键词：自由镦粗  电寿命 冲铆 旋铆

1 引言

在继电器、开关生产行业广泛使用铆钉型电触点，其电触点与簧片的铆接，基本采用冲压设备，以自由镦粗的方法进行铆接，这种铆接方式，由于受自由镦粗变性原理的影响，必然会影响触点杆部与簧片孔径的精密配合，从而影响产品的电寿命。

2 自由镦粗的变形特点

    用平铆模具镦粗圆柱坯料时，随着高度的降低，金属不断向四周流动，由于坯料受模具表面摩擦力的影响，在变形区域形成两个难变形锥体区，如图1所示，这两个锥体区象楔入一个刚体的楔子，将外力P0转化为P，其轴向分力P1使材料产生压缩变形，径向分力p2则产生镦粗变形，镦粗后坯料外观呈鼓形，同时造成内部不均匀流动。

以铜棒自由镦粗时杆经的变形过程为例，（原始长度L：2.42，原始直径D:1.82，L/D=1.33）如图2所示，试验表明，其坯料杆径鼓形的变形程度随高径比的变化而变化，如果以镦粗后相对直径比K_D作为评定镦粗变形均匀性的指标，即K_D=(D-D₀)/D（D为:镦粗后鼓形直径，D_0：为镦粗后端面直径），当高径比为1时，K_D为0.056，当高径比为0.5时，K_D为0.078，镦粗过程随着高径比L/D的减小，中部杆经与端部杆经的比值K_D逐渐增加，即鼓形越明显，如图3所示。

图2 圆柱铜棒自由镦粗鼓形变化图

                                            图3 圆柱铜棒不均匀变形趋势图 

3 自由镦粗对铆接质量的影响

自由镦粗变形的不均匀性对铆接质量的影响，具体体现在铆接后轴孔间局部产生缝隙，使变形金属的外侧表面与簧片孔不能达到的完全接触，即减少了轴与孔的接触面积。

根据圆柱铜棒镦粗变形过程分析可知，其间隙的大小和位置，与触点杆径的高低、孔径和触点杆径的配合间隙、上铆模形状及铆接方式等有关。

3.1 触点杆径过长的影响：触点杆径过长或轴孔配合间隙过大，意味着其镦粗变形均匀性指标K_D越大，铆接过程更易出现失稳、弯曲、开裂现象，使铆接质量不宜控制，如图4所示。

图4a 过长杆径铆接过程变形开始示意图        图4b过长杆径铆接后形成不良铆接示意图

3.2 铆接方式的影响：根据铆接时选用的设备不同，大致可分为冲铆和旋铆两大类，这也是当前铆接技术中最常用的两种铆接方式。

其中冲铆的铆头形状有平面铆头、凹面铆头和V形铆头（铆单面触点）。冲铆铆头形状不同，镦粗铆接时受摩擦力的影响不同，产生镦粗变形均匀性大小也不同，平面铆头或凹面铆头冲铆时，产生的摩擦力最大，对铆接质量十分不利。

而V形铆头冲铆（又叫劈铆），其触点杆部断面和模具接触面积小，模具对坯料端面金属流动阻碍小，减少了难变形区，提高了镦粗变形均匀性，如果杆径长度和V形角度选择合理的话，一般也能够得到令人满意的效果，但缺点是仍属于冲铆方式，受铆压冲击力大的影响，易出现弯曲等不良变形，且只能适用于单面触点的铆接，外观也不够美观，如图5所示。

图5a V形铆头冲铆过程示意图                图5b V形铆头冲铆后良好铆接效果图

3.3 旋铆方式的特点：旋铆和冲铆在铆接方式上有着很大的区别。首先是出力方式不同，旋铆机的出力方式分为两部分，一是以一定的摆动角度轴向向下的下压力，二是径向的旋转力，而冲铆机仅仅只有垂直向下的轴向压力。由于旋铆机的作用方式是有摆动角度的轴向下压力及径向旋转力，使材料流动均匀，几乎不形成难变形区，其次是冲击压力小，如要达到同样的铆接效果，旋铆所需的力仅仅为冲铆的1/10，所以能有效避免开裂、弯曲、镦粗等不良变形，且旋铆机铆接后的触点外表美观。特别是对双面触点的铆接，由于受杆径较长的限制，故选择旋铆方式进行铆接尤为重要，如图6所示。

  图6a  旋铆过程示意图                      上图为旋铆（良好），下图为冲铆（有明显间隙）                 

图6b 相同双面触点旋铆与冲铆效果对比图   

4 铆接质量不良对电寿命的影响

电触点是开关电器的关键元件，担负着接通和分断电流的任务，而不良的触点铆接质量，由于接触面积减少，无疑会增大触点和簧片之间的过渡电阻，使触点温升异常，相应地增大了电弧的侵蚀作用，触点接触面将会遭到严重破坏，熔着和异常消耗的发生率就会大。严重时会出现产品早期失效，无法满足开关电器运行的可靠性及使用寿命。以下举例说明不同的铆接质量对电寿命的影响情况：

4.1 3F继电器触点不良铆接质量试验：

试验负载：10AX250VAC阻性负载，额定电寿命10万次。铆接方式：凹面铆头冲铆，试验前触点做切片抽样检验，动触点轴孔配合处有明显缝隙，如图7所示。

试验结果：产品电寿命3万余次时发生早期粘接失效。

金相分析显示：触点溶蚀严重，动触点和簧片孔接触处出现局部熔化现象，铆接面缝隙处形成大量电弧生成物，簧片孔径增大，导致触点松动，如图8所示。静触点发生银层和铜层结合部的剥离，边沿部分反翘现象，如图9所示。

图7 3F动触点试验前铆接质量：很差的结合          图8a 3F动触点试验后铆接面处电弧生成物

图8b 3F动触点试验后触点与簧片孔明显间隙        图8c 3F动簧片试验前后孔径对比

图8d 3F动触点试验后触点松动                   图9 3F静触点银层剥离，边沿部分反翘

4.2 32F继电器不同铆接方式对比试验：

试验负载：10AX250VAC阻性负载，额定电寿命10万次。铆接方式：选用同一规格触点，分别采用冲铆和旋铆，试验前触点做切片抽样检验：冲铆后动、静触点轴孔配合处有明显缝隙，如图10所示，旋铆后动、静触点轴孔配合良好，如图11所示。

试验结果：冲铆产品电寿命5万余次后粘接失效，如图12所示。而旋铆产品电寿命10万次以上，未发生失效，如图13所示。

由试验前后触点和簧片硬度比较可知，试验后冲铆触点和簧片硬度降低明显，而旋铆触点和簧片硬度基本无变化，如表1所示。

试验结果表明，冲铆触点铆接不良，是引起触点温升过热，簧片弹性能劣化，最终导致产品电寿命早期熔焊失效的主要原因。触点抗溶焊性能，旋铆明显优于冲铆。

图10a 冲铆：32F静点试验前金相（有缝隙）      图11a  旋铆：32F静点试验前金相（良好铆接）

图10b冲铆：32F动点试验前金相（有缝隙）  图11b 旋铆：32F动点试验前金相（良好铆接）

图12a冲铆：32F静点电寿命5万次金相          图13a  旋铆：32F静点电寿命10万次金相

图12b冲铆：32F动点电寿命5万次金相           图13b 旋铆：32F动点电寿命10万次金相

图12c冲铆：32F动簧电寿命5万次体视            图13c 旋铆：32F动簧电寿命16万次体视

表1:不同铆接方式电寿命前后触点和簧片硬度变化比较

5 预防和改良措施

5.1 适当降低杆径长度，减少铆接前轴孔配合间隙，是提升铆接质量的基础工作。

   5.2 单面触点选择旋铆或劈铆，双面触点选择旋铆，是提高自由镦粗变形均匀性的有效方式。

5.3 实现旋铆自动化，不仅铆接质量稳定、一致性好, 同时提高生产效率和企业形象。

5.4 建立切片金相检验制度和抽样规则对监控铆接质量十分必要。

6 结束语

目前许多继电器、开关生产厂家仍采用传统的冲压设备，以冲铆的方式对电触点与簧片进行铆接，对铆接工序的质量控制，仅关注铆接牢度，而忽略了对铆接后轴孔缝隙的关注和监控，当产品电寿命失效后，往往被误认为是触点材料问题。本文通过对自由镦粗铆接及电寿命失效实例的分析，阐述了确保触点铆接后轴孔配合处无缝隙的重要性。希望对各生产厂家提高铆接质量有借鉴意义。