连接器插孔合件分离力工艺分析.pdf

第 3 期 2015 年 6 月 机电元件 ELECTROMECHANICAL COMPONENTS Vol 35 No 3 Jun 2015 收稿日期 2015 04 03 工 艺 与 材 料 连接器插孔合件分离力工艺分析 雷广宇 贵州航天电器股份有限公司 贵州贵阳 550009 摘要 电连接器主要用于实现电信号的传输 该功能的实现是通过接触件之间的弹性接触来实现的 而接 触件弹性接触的可靠性是通过接触件的分离力来进行表征 本文主要阐述连接器冠簧插孔分离力的计算与影响 因素 并通过三维模型对插孔合件分离力进行仿真分析 关键词 可靠性 冠簧插孔 分离力 仿真 Doi 10 3969 j issn 1000 6133 2015 03 005 中图分类号 TN784 文献标识码 A 文章编号 1000 6133 2015 03 0016 05 1 引言 该连接器接触件采用的是柔性冠簧式插孔合 件 由引脚 接触圈 护管组成 如图 1 所示 生产 组装流程是先将接触圈装入护管 吊分离力合格 后 再将护管套在接触件上进行压配铆周圈 在产 品的实际生产过程中 经常出现插孔合件分离力不 合格 严重影响产品的生产进度及产品产出率 通 图 1 插孔合件 过平时公司内部质量信息分析 引脚 接触圈 护管 都对插孔合件分离力有一定的影响 2 冠簧插孔分离力计算 连接器插合对接时 插针在接触圈的最小内径 俗称喉圆 处接触 形成电气连接 接触圈及插针 图 2 接触圈 与接触圈插合时如图 2 3 所示 根据插孔合件结 构 分离力计算主要需要确定接触圈的弹性臂长 度 宽度和外圆尺寸 由连接器的接触原理 插针 插入后 在接触圈喉圆圆周的一段区域接触 同时 接触圈的一端固定 另一端可以沿插孔内壁移动 故可将其简化为简支梁力学模型 如图 4 所示 图 3 插针与接触圈插合 图 4 接触圈力学模型 1 简支梁的最大挠度为 f pI3 48EI 1 2 集中力 p 作用于弹性臂中点时 其最大弯矩 为 Mmax 1 4 PL 2 3 最大弯曲应力为 max Mmax W 3 式中 w 抗弯截面系数 对于矩形截面 W bh2 6 b 截面的宽度 h 截面的厚度 4 对宽度为 b 高度为 h 的矩形截面 其惯性矩 为 I bh3 12 4 5 查表可知铍青铜带的 1127MPa E 127400 MPa 由以上公式 1 2 3 4 推导出集中应 力为 P 4Ebh 3 L3 f 5 式中 f L2 6Eh 而单脚分离力 F 为 F P 6 式中 弹性臂根数 摩擦系数 金与金 0 2 故单脚分离力 F 为 F P 4Ebh3 L3 L2 6Eh 2bh2 3L 4 0 2 2 3 10 4m 6 4 10 9m2 3 3 9 10 3m 1 127 103 106N m2 0 29N 设计文件要求插孔合件单脚分离力为 0 19N 0 6N 理论计算插孔合件单脚分离力在设计要求范 围内 3 插孔合件零部件对分离力的影响 影响插孔合件分离力的因素是多方面的 涉及 到 人 机 料 法 环 五个方面 从公司 内部质量反馈信息上可知 对插孔合件分离力影响 最大的是零件加工超差 特别是零件某些关键尺寸 加工超差 对分离力的影响特别大 引脚 接触圈 护管组装后形成一封闭尺寸链图 如图 5 所示 对 封闭环 A0 进行尺寸链计算 理论上插孔合件护管 头部孔底与接触圈端部的间隙 A0 为 0 0 315 mm 图 5 封闭尺寸链图 71 第 3 期雷广宇 连接器插孔合件分离力工艺分析 3 1 引脚对分离力的影响 引脚如图 6 所示 结合图 5 与图 6 引脚中尺寸 0 80 0 06mm 及 0 80 0 1mm 对插孔分离力影响很 大 从图 5 可知 插孔合件理论间隙本身就很小 若 0 80 0 06mm 尺寸加工超差变大 护管头部孔底与 接触圈端部的间隙会变得更小 当插针插入插孔 合件后 导致接触圈在护管内无多余空间延伸胀 大 沿护管头部轴向移动 到一定程度会引起接触 圈装入护管压配后插孔分离力变大或卡死的现象 若 0 80 0 06mm 尺寸加工超差变小 对插孔合件分离 力基本上无影响 若 0 80 0 1mm 尺寸加工超差变 大 从图 5 可知 这变相使得 0 80 0 06mm 尺寸加工 超差 相同原理 插针插入插孔合件之后 导致接 触圈在护管内无多余空间延伸胀大 沿护管头部轴 向移动 到了一定程度会引起接触圈装入护管压配 后出现分离力变大或卡死的现象 图 6 引脚 3 2 接触圈对分离力的影响 接触圈如图 2 所示 结合图 2 与图 5 接触圈中 尺寸 5 30 0 075mm 0 50 0 06mm 1 05 0 06 0 mm 对 插孔分离力影响很大 根据以上冠簧插孔单脚分离 力公式 弹性臂简支梁的参数 b h L 对冠簧插孔分 离力影响较大 而该处讨论接触圈装入护管压配后 接触圈对分离力的影响 因此弹性臂简支梁的参数 b h L 对接触圈装入护管压配后的分离力可忽略不 计 若尺寸 5 30 0 075mm 加工超差变大 护管头部 孔底与接触圈端部的间隙会变得更小 当插针插入 插孔合件后 导致接触圈在护管内无多余空间延伸 胀大 沿护管头部轴向移动 到了一定程度会引起 接触圈装入护管压配后出现分离力变大或卡死的 现象 若尺寸 5 30 0 075mm 加工超差变小 对插孔合 件分离力基本上无影响 若尺寸 0 50 0 06mm 加 工超差变小 当插针插入插孔合件到位时 接触圈 在护管内需要更大的空间沿护管头部延伸胀大轴 向移动 此时 护管内孔空间有限 到了一定程度 会出现分离力变大或卡死的现象 相反 若 0 50 0 06mm 变 大 则 分 离 力 变 小 若 尺 寸 1 05 0 06 0 mm 加工超差变大 在护管内孔孔径大小一 定的情况下 接触圈装入护管后因接触圈收缩量变 大 导致接触圈喉圆 0 50 0 06mm 变小 最后会导 致插孔分离力变大或卡死 若尺寸 1 05 0 06 0 mm 加工超差变小 插孔合件分离力基本上无变化 3 3 护管对分离力的影响 护管如图 7 所示 结合图 5 与图 7 引脚中尺寸 6 1 0 18 0 mm 1 0 02mm 对插孔分离力影响较大 特别是 6 1 0 18 0 mm 对插孔分离力影响很大 看似这 个尺寸公差较大 但在加工该孔的过程中刀具磨损 较大 这个尺寸公差不易保证 若尺寸 6 1 0 18 0 mm 加工超差变 大 对插孔分离力基本上无影响 相反 若尺寸 6 1 0 18 0 mm 加工超差变小 接触圈装入护管 后护管头部孔底与接触圈端部的间隙变得更小 当插针插入插孔合件后 导致接触圈在护管内无多 余空间延伸胀大 沿护管头部轴向移动 到了一定 程度会引起接触圈装入护管压配后插孔分离力变 大或卡死的现象 若尺寸 1 0 02mm 加工超差 变大 对插孔分离力基本上无影响 相反 若尺寸 1 0 02mm 加工超差变小 在接触圈尺寸一定的 情况下 接触圈装入护管后接触圈外径收缩变小 同理分析 最后会导致插孔分离力变大或卡死 81机 电 元 件2015 年 图 7 护管 图 8 插孔分离力合格时的内部剖视图 图 9 插孔分离力不合格时的内部剖视图 图8 与图9 分别为插孔分离力合格和不合格的 内部剖视图 从图可知 分离力合格的插孔合件 接触圈端部与护管内孔底部有一定的间隙 而分离 力不合格的插孔合件 接触圈端部与护管内孔底部 的间隙为 0 或为负 4 插孔分离力仿真分析 通过以上分离力影响因素的理论分析 引脚 接触圈 护管三个零件超差均表现为影响接触圈的 初始高度 因此可以统一按接触圈高度超差进行分 析 直接分析接触圈四片被压缩到接触的极限情 况 4 1 仿真前处理 1 模型简化处理 护管主要限制接触圈外径 而引脚是限制接触 圈的轴向位移 因此可以将这两个零件简化掉 而 用两个边界条件代替 因此 整个产品的接触系统 可以简化为图 10 的接触圈和插针两个零件 图 10 仿真简化模型 2 边界条件设置 设置整体边界条件如图 11 所示 固定接触圈 底面 0 1S 先给接触圈上表面一个轴向位移 模拟 接触圈装入护管的过程 位移大小按接触圈 4 片完 全靠在一起来设定 最终设定为 0 04mm 1S 2S 给插针一个轴向位移 完成插入过程 图 11 边界条件设定 3 相关参数设置 护管材料设定为弹塑性材料 材料特性曲线如 91 第 3 期雷广宇 连接器插孔合件分离力工艺分析 图 12 所示 图 12 护管材料特性曲线 设定接触圈和插针为一个接触对 因为有涂保 护剂 摩擦系数设定为 0 1 4 2 仿真结果 通过仿真分析得出接触圈被轴向压缩 0 04mm 时的整体径向位移分布如图 13 所示 腰部最细处 内径 喉圆 由 0 5mm 变为 0 22mm 左右 此时 是接触圈压缩的极限情况 图 13 接触圈径向位移分布图 插入力曲线如图 14 所示 可以看出接触圈压 缩到极限时的插入力增大到 3 4N 图 14 插入力曲线 4 3 改型分析 为了便于比较 再分析一下接触圈不被压缩时 的插入力情况 得出插入力曲线如图 15 所示 可以 看出插入力为 0 22N 符合产品设计指标要求 说明 设计的尺寸是没有问题的 图 15 原插入力曲线 5 结论 通过以上分离力影响因素的理论分析并结合 实际 引脚 接触圈 护管三个零件超差均表现为影 响接触圈的初始高度 由此影响插孔分离力大小 同时 通过仿真分析可以看出 接触圈对于轴向压 缩非常敏感 在轴向压缩仅 0 04mm 时就达到压缩 极限 此时 对应插入力为 3 4N 而正常情况下的 插入力为 0 22N 分析该产品几个零件的公差可以发现 装入后 接触圈上端部和护管内孔底部之间的间隙为 0 0 315 mm 但