弹性接触件选用和可靠性研究

杨奋为，房大慧

(1.上海航天技术研究院808研究所, 2.关西电子进出口(苏州)有限公司)



综述与简介

弹性接触件选用和可靠性研究

杨奋为1，房大慧2

(1.上海航天技术研究院808研究所, 2.关西电子进出口(苏州)有限公司)

弹性接触件是影响电连接器电接触性能的关键零件。本文在阐述各种结构形式弹性接触件性能特征和选用基础上，重点介绍瑞士PRECI-DIP 技术集成创新的冠簧式(鹰爪)插孔接触件，并论述了电连接器弹性接触件质量控制和可靠性保证要点。

弹性接触件；选用；可靠性

1 弹性接触件的分类和选用

弹性接触件分为弹性插孔和弹性插针两类。弹性插孔对应于刚性插针，反之，弹性插针对应于刚性插孔。弹性插孔有片簧式、冠簧式和线簧式等三种型式。其中，片簧式包括圆形侧开槽、圆形直开槽和方形等型式。而弹性插针主要有绞线式和片簧式两种型式。

1.1 弹性插孔接触件

1 ) 片簧式

片簧式插孔结构简单、成本较低，在接触电阻和电流负载方面提供相对好的性能，但插拔次数和插拔力有所限制，插拔次数≧200次、失效概率10-2～10-3。目前，70%的电连接器选用片簧式插孔。

(1)圆形

圆形接触件分为直开槽和侧开槽两种型式。

直开槽可多开几个直槽，开槽一定要中心对称，为满足收口均匀性和簧片变形的一致性，应尽可能采用专用工装收口。由于在无护套情况下，易受较大插针损伤，使簧片向外发生塑性变形会导致插孔松弛接触不良失效，故目前军用电连接器都采用带有不锈钢护套的直开槽接触件，见图1所示。

侧开槽前端保留一段整圆，只开一个侧槽和直槽，直槽位置不一定要在插孔中心，可根据插孔壁厚、簧片长度和接触压力要求而定。由于前端存在整圆，可很好防止较粗插针对簧片损伤，见图2。

图1 圆形直开槽片簧式插孔

图2 圆形侧开槽片簧式插孔

(2)方形

方形接触件内簧片与插孔紧密接触产生正压力，保证低而稳定的接触电阻，外簧片卡在绝缘体台阶上，起固定接触件在绝缘体内位置的作用，见图3。方形接触件一般具有止档结构，限止簧片产生塑性变形而使弹性失效。方形接触件耐过应力能力强、成本低、装配自动化程度高，可髙速装入印制板电连接器，对对准插合性要求不严。由于方形接触件耐力学环境性较差，故很少用于耐环境性能要求髙的军用电连接器，仅应用于环境条件较好的印制板电连接器。

图3 方形片簧式插孔

图4 圆形冠簧式插孔

2) 冠簧式

冠簧式接触件内置铍青铜多簧并带斜纹连接，弹性不会失效，可保持插孔内冠簧与插针良好的电接触和避免插合时损伤插针见图4所示。其寿命达5000次，插拔力可达3-10KN(按客户需要定制)，与插针插合有许多接触点，插拔力小，接触电阻低而稳定，允许带电插拔。失效概率为10-4～10-5。优点是制造成本比线簧接触件低，并具有高动态接触可靠性、插拔柔和、接触电阻小、抗震、耐冲击等特点。是理想的军用电连接器弹性接触件。

3) 线簧式

线簧式插孔是由多根弹性金属丝按单叶回转

双曲面的直母线排列，形成两端大中间小的鼠笼式插孔。插合时弹性铍铜丝在插孔中起重要作用，多根弹性铍铜丝均匀而紧紧地包络在插针四周表面上，使插针和插孔中多根独立的铍铜丝同时接触，构成多个导电通路，见图5所示。插孔小于0.76mm时仍有12根独立簧线，每根簧线与插针形成一个接触点，插拔次数≧100000次、失效概率为10-8～10-9。与其它插孔接触件相比；线簧式插孔接触件具有接触电阻低、操作力矩小、插拔柔和、耐磨损、机械寿命高和耐振动冲击性能好等特点，特别适用于制造接触可靠性要求高的军用电连接器。

图5 线簧式插孔

图6 绞线式插针

表1列出了片簧式、冠簧式、线簧式等三种插孔的制造成本、插合接触点数、插拔次数、失效概率和接触电阻等性能对比。由表1可见，片簧式插孔接触件适用于插拔次数和插拔力有所限制的应用场合。冠簧式插孔接触件适用于要求插拔力和接触电阻比片簧插孔更小的应用场合。线簧式插孔接触件具备冠簧插孔全部优点，接触更加可靠，接触电阻最小，插拔次数最多，失效概率最低，但其制造成本也最高。

表1 三种形式插孔的性能对比

2.2 弹性插针接触件

1)绞线式

由于圆柱开槽接触件直径<0.6mm时，插针强度下降，插孔内孔车制困难，表面粗糙度难达到1.6μm要求，可靠性存在诸多问题。绞线式插针的出现，为电连接器实现髙密度、小型化(间距1.27mm、0.635mm)奠定了基础。

绞线式插针是在三股芯缆铜线外包着七股铍铜线构成的弹性线缆做成一段缆束，再压接到套筒上，最后鼓腰而形成绞线式插针，配合的插孔为非弹性管。由于插入时绞线式插针外面七股铍铜线变形，紧密接触插孔管壁，产生可靠的电接触，参见图6。

2)片簧式

釆用铍铜带经冲制成带有三片弹性片簧和针体压接组装成片簧式插针。依靠插针上周向均匀分布的三片弹性片簧与刚性插孔内壁紧密接触产生正压力，保证低而稳定的接触电阻(图7)。

图7 片簧式插针

图8 瑞士PRECI-DIP无护套鹰爪插孔

3 瑞士PRECI-DIP 技术集成创新的鹰爪插孔

瑞士精密接触件的制造商PRECI-DIP， 采用其独特的专业技术和丰富的制造经验，研制开发出一款新的高性能两件式无护套鹰爪插孔，参见图8。其结构型式与前述冠簧式插孔有点相似。整个制造过程全部自动控制，鹰爪和插孔主体所采用的简化装配和分离式电镀，与传统的直开槽式插孔相比具有很大的设计优势。

3.1 设计结构

该无护套鹰爪插孔由两部分组成：由不同材料的插孔主体和鹰爪(单独压入插孔主体)组成。插孔主体是由C34500黄铜经过高速车制加工而成的；采用C34500优质黄铜压接时无需退火工艺处理。经过精密冲压制成的鹰爪采用C17200铍铜。插孔主体和鹰爪采用分离式电镀工艺，节省贵金属，降低成本，体现了最好的性价比。

采用全自动装配生产线在线完成插孔主体和鹰爪零件生产和装配。鹰爪精确地安装在插孔内，通过顶端收口进一步固定和防止脱落，插孔保持力大于40N。并全自动装配线上进行在线机械性能和电气性能检测。

3.2 技术特性

1) 瑞士PRECI-DIP 无护套鹰爪插孔专利技术受国际专利保护，目前可选用接触件号有16、20 和22。

2) 经冲压和修剪而成的鹰爪具有高优质表面，鹰爪零件上三至六片弹性片簧与插针可保持良好的表面电接触。

3) 厂内完成插孔主体和鹰爪零件的分离式电镀。插孔主体采用C34500黄铜，表面镀镍层不小于2.5μm。鹰爪采用C17200铍铜，底层镀镍不小于2.5μm，表层镀金不小于1.27μm

4) 鹰爪插孔与插针插拔配合柔和，插入力和拔出力之间差异很小，见图9。

图9 鹰爪插孔与插针插拔配合柔和

图10 精密规则几何形状的鹰爪

3.3 技术优势

与传统直开槽式插孔相比，冲压成精密规则几何形状的鹰爪(图10)与插针电连接时能达到同心和最佳对称状态，见图11所示。鹰爪插孔具有定向斜面、直径插入和配合插针自动调整的多种功能。而传统直开槽式插孔可能会有误差和变形，参见图12。

图11 鹰爪插孔(径向)

图12 直开槽插孔(径向)

4 弹性接触件质量控制

4.1 材料质量

目前，我国电连接器生产企业生产的绝大部分产品都为参照国外标准生产的“仿制”产品。例如国内某军用电连接器龙头企业，凭借自身工艺装备仿制的某型号压接式圆形电连接器和国外同类产品相比，从外形结构到加工工艺均已无可挑剔，但检测两者的接触电阻性能指标相差甚远。经分析发现，两者压接式接触件所用的材料性能参数不同，从而使得同样结构形式压接式接触件的接触压力有明显差异。由此说明，产品光"形似"是不够的，企业必须重视原材料选用等产品设计基础研究，才能达到"神似"等效替代进口同类电连接器的目标。

4.2 外观质量

接触件尺寸、精度和表面粗糙度等外观质量应符合设计图纸和产品标准要求。插针插合端近似为半球面，插孔插合端应倒圆角或倒斜角，以便于插针导向和对准插入。《电连接器接触件总规范》(GJB1216)规定了全部插针接触件的插合端直径、端部允许的平面直径以及接触件压接前和压接后的同轴度，规定表面粗糙度插合面电镀后Ra为0.8mm、其它表面电镀后Ra为1.6mm。

目前，国内部分电连接器生产企业生产的接触件表面质量，与发达国家同类零件相比尚存在一定差距。图13为瑞士Preci-Dip生产的针体放大45倍表面实况，图14为国内某公司生产的针体放大45倍表面实况。对比观察可见，国产的针体表面粗糙度较差。

图13 瑞士Preci-Dip生产的针体表面(45×)

图14 国内某公司生产的针体表面(45×)

4.3 力学检测

1)接触件单孔分离力

单孔分离力检查目的是为保证电连接器接触件具有一定的接触压力，接触可靠。验收时，应采用产品标准规定的分离力检查方法，用标准插针对电连接器每个插孔进行100%分离力检查。由于部分企业生产的电连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应力松弛。单孔分离力过小，在受振动冲击载荷时有可能造成信号瞬断。实践证明，用单孔分离力检查接触是否可靠比测接触电阻更有效。检查结果发现，单孔分离力超差的插孔，测量接触电阻往往仍合格。

2)接触件固定性

接触件固定性检测目的是在连接器的接触件上施加轴向力，以确定连接器承受使接触件从连接器绝缘安装板中的正确位置产生位移的力的能力和承受使接触件脱出的力的能力是否合格。在规定轴向力作用下，若接触件在绝缘安装板中的位移超差，说明接触件的固定性不良，将影响电连接器的可靠接触与连接。

接触件固定性应按GJB1217电连接器试验方法规定，每单个电连接器中的全部接触件数的20%进行试验，但应不少于3个接触件。在电连接器内只须装入要试验的接触件，沿每个接触件纵轴会使接触件向后位移的方向加力。施加的轴向力最大预负荷为13.6N，然后按规定施加负荷。接触件轴向位移应不超过0.30mm，且不应引起对接触件或绝缘安装板的损坏。 图15为用专用工具对耐环境圆形电连接器进行接触件固定性试验。

图15 用专用工具进行接触件固定性试验

图16 插孔接触件压接强度检测

3)接触件压接强度

接触件压接强度检测目的是确定接触件和压接导线线芯压接的机械强度是否合格，所得数值表示压接处的相对强度。图16为插孔接触件压接强度检测。

先将压接好的试验样品夹在张力试验机的夹具中，启动张力试验机，以每分钟25±6mm的恒速度对试验样品施加轴向力，直至产品标准规定的张力观察接触件和导线线芯是否分离。应根据军用压接式电连接器产品标准规定进行检测，并作出判定。在规定负荷下，导线不能从接触件上拉脱(导线从导线筒或衬套中拉出，或导线在导线筒或衬套内拉断)[2]。

4.4 镀层质量

军用耐环境髙可靠连接器一般均采用镀金接触件。镀金质量直接关系到电连接器接触件电接触稳定性、耐环境性和使用寿命。军用耐环境髙可靠连接器国军标规定接触件镀金层厚度应不小于1.27μm。接触件镀金层应光亮致密、结合力良好；不应有起皮、划伤、腐蚀、黑斑、污迹、胶迹等缺陷。插孔内不应有金属多余物，镀金层应按有关标准进行抗腐蚀试验。

实践表明，镀金质量并非仅与厚度有关，还与基体金属的结合力和镀层孔隙率有关，绝非越厚越好。若镀层与基底结合不牢，镀层则极易起皮剝落，不仅达不到连接器设计使用寿命，还会造成经济上的极大浪费。图17为瑞士Preci-Dip生产的MIL32029 22#插孔接触件压接端镀金表面，图18为瑞士Preci-Dip生产的MIL32029 22#插孔接触件凸台和打有生产厂标志PD镀金表面。

图17 22#插孔压接端镀金表面(45×)

图18 插孔凸台和打标志PD镀金表面(45×)

5 弹性插孔接触件可靠性保证要点

5.1 电接触技术基础研究

经济体制影响和决定了企业追求的奋斗目标。由于基础研究投入资金大、见效慢、且有更多的不确定性，现在很少有人能潜下心来，花几年乃至数十年去研究这些基础共性技术，导致我国电接触技术基础研究非常薄弱。

例如，目前军用压接式电连接器国军标接触件镀金层厚度，是仿照美军标规定不小于1.27μm。用镀金层厚度来衡量镀金质量，这是在过去缺乏完善合理检测手段情况下的临时措施。真正优良的镀金表面不单取决于厚度，还与镀层的结合力和孔隙率有关。国外连接器镀金层厚度普遍较低，通常为1μm左右，而有些效果还超过我国仿制产品。故研究一套合理的镀金层厚度质量检验和评估标准，就是一个很好的电接触技术基础研究课题。

最近，国务院正式公布了工业4.0中国版“中国制造2025”，表明国家现开始重视提升关键基础材料、核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺和产业技术基础(简称四基)等工业基础能力。电接触技术基础研究是提高电连接器接触件质量与可靠性的基础。国家应支持优势企业组织开展“政、产、学、研、用”联合攻关，开展热学、力学、环境污染等因素对接触件电接触可靠性影响的系统试验，为提高电连接器接触件设计可靠性提供科学依据。

5.2 失效预防和优化设计

电连接器弹性接触件出现失效故障后，准确分析失效模式和失效机理非常重要。通过失效分析可引出大量经验教训和排除各种隐患，为改进设计、工艺和使用法规提供科学依据，也是修订和制订现行技术规范、规程和标准的重要依据。电连接器弹性接触件设计结构必须经大量试验论证其安全可靠性。产品设计可靠性是保证电连接器弹性接触件可靠性的基础。有些产品设计方案尽管存在很好的经济效益或使用价值，但由于使用可靠性不高，用户会因在实际使用过程中易发生失效故障而被禁用或限用。

5.3 材料品质保证

国产弹性金属材料品质低，制造高可靠电连接器弹性接触件的铍铜材料至今仍依赖进口。这是我国与发达国家电连接器同类接触件存在差距的重要原因。

为此，我国必须通过运行机制改革，将产业链上的材料研究、生产与应用等单位组成创新联盟。以改变目前材料生产与材料应用脱节，造成材料研究和标准制定流于表面化，使材料很难适应不同应用领域的差异化工艺技术要求的现状；必须将髙可靠电连接器铍铜及其替代材料创新和应用视为一项国家系统工程，系统工程除整体性考虑外，还应最优化考虑其性能、经济效益、环境和社会效益等因素，遵循最优化原则，使之综合性能最优。

5.4 智能化生产过程控制

发达国家凭借优质材料和高度自动化零部件加工和装配技术，配上先进的柔性加工和在线质量控制技术，有效控制全生产过程质量，在实现大规模、高效率、低成本批量同时，保证了生产弹性接触件的质量一致性。例如瑞士Preci-Dip公司依靠先进的设计、优质的材料、杰出的精细加工技术和富有创新精神的研发团队，集聚了由全球性物流网络支持的专业技术、资质、髙产、灵活性和面向客户的宗旨，不断将客户的理念和想象转换成现实。现已成为髙度技术集成、每周接触件生产能力达1.5亿个、世界顶级品牌接触件工业化生产的领头羊[3]。

我们应学习借鉴发达国家技术集成创新的成功经验，将互联网理念扩展电连接器生产和服务领域，促进电连接器生产企业的分工和专业化。使企业生产出的弹性接触件不再大量类同，而是技术集成度更高，更具个性化。

国家必须重视电连接器弹性接触件基础材料、基础工艺装备和在线检测设备的应用研究。必须大力扶植优秀企业优化生产流程，提高其生产过程技术集成度和数字化、智能化制造设备和检测仪器应用水平。只有提髙制造电连接器弹性接触件的技术集成度，才能真正确保其质量与可靠性。

[1] 杨奋为. 电连接器的常规电性能检验技术研究,电子质量.2001年第6、7期.

[2] GJB1216-91, 电连接器接触件总规范. 国防科工委军标出版发行部.

[3] 杨奋为. 军用电连接器数字化生产过程质量控制研讨. 机电元件, 2015年第2期.

2015-09-10

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.011

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A

1000-6133(2015)06-0050-07