电器开关触点铆合设计

1 开关寿前、寿命、寿后温升的国家标准
国家标准 GB/T 16915.1—2014 中第 17 条款温升项要求寿前、寿后温升不超过 45 K; 第 18 条款要求 开关应有足够的通断能力; 第 19 条款要求开关应经受得住正常使用情况的机械应力、电应力和热应力而 不会出现过度的磨损或其他有害的影响. 开关按 19.1、19.2、19.3 标准要求测试后, 温升不超过 45 K.
3 相关铆接参数对质量的影响
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 DB 越大, 铆接过程更易出现失稳、 弯曲、开裂现象, 使得铆接质量难以控制.
铆头形状对铆接质量也有影响. 铆接银点时, 铆头形状有平面铆头、凹面铆头和 V 形铆头(铆单面触 点). 铆头形状不同, 铆接时受到的摩擦力也不同, 产生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, 一般能够取得令人满意的效果(只适用于单面触点的铆接). 铆接状态和铆合后的实 物剖切如图 2 和图 3 所示.
Design of Electric Switch Contact Riveting
WAN Haiyuan
(Guangdong Lesso Electric Co., Ltd., Foshan 528318, China)
Abstract: In the latest EU ROHS 2.0 exemption list, cadmium-containing silver points are largely canceled, so the replacement of silver point materials faces the risk of failing the national standards in the test (i.e. Switches for Household and Similar Fixed Electrical Installations, Part 1: General Requirements). Through the design and analysis of the silver point material, size and riveting process, this paper proposes to reduce the deformation coefficient during riveting to reduce the contact resistance by optimizing the gap between the silver point and the copper axle hole clearance, reducing the rod diameter ratio, and thus to improve the riveting process. Therefore, the temperature rise in the test is reduced, and the goal of meeting the national standard is achieved. Through these test data, it provides switch socket manufacturers with a suggestion to solve the test problems that appear in the product test.
图 1 铆接过程受力分解
铆接后的变形程度的相对直径比 DB (D D0) / D 作为评定铆接变形均匀性的指标, 其中 D 为镦粗后鼓形 直径, D0 为镦粗后端面直径. 试验表明, 坯料杆径鼓形的变形程度随高径比的变化而变化, 试验中
L D 1.95, 即当高径比为 1 时, DB 为 0.056; 当高径比为 0.5 时, DB 为 0.078, 镦粗过程随着高径比 L/D
收稿日期: 2021-03-23 作者简介: 万海元, 男, 工程师. 主要研究方向: 家用电器开关插座
第3期
万海元: 电器开关触点铆合设计
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2 银点铆接过程分析
冲床或自动机铆接时, 随着上冲头的下压, 上冲头不断镦粗银点脚
圆柱, 铜脚的总高度也随之降低, 引起铜脚的金属材料不断向四周流动.
银点铜脚受冲头表面的摩擦力的影响, 上下两端区域形成两个难以变形
第 34 卷 第 3 期 2021 年 9 月
湖南理工学院学报(自然科学版)
Journal of Hunan Institute of Science and Technology (Natural Sciences)
Vol.34 No.3 Sep. 2021
电器开关触点铆合设计
万海元
(广东联塑电气有限公司, 广东 佛山 528318)
产品号 A B C
杆径比 L/D 0.80 0.62 0.62
铆接方式 平铆 平铆 劈铆
表 2 19.1 寿命测试情况
变形系数 DB 寿前温升/ K 19.1 寿命测试情况
0.143
25.3 38.5 30.8
A2 测试失败
0.071
20.7 18.5 21.6
测试通过
0.053
17.6 18.3 19.6
的减小, 中部杆径与端部杆径的比值 DB 逐渐增加, 即鼓形越明显. 变形的不均匀性直接影响铆接的质量,
主要体现在铆接后银点脚位与铜片孔间产生部分间隙, 使得变形的金属外侧表面与铜片孔不能达到完全
接触, 即减少了银点与铜片的实际接触面积. 根据试验, 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.
选取 A 样品三只, 分别为 A1、A2、A3, 做好环境试验后, 按标准要求通过 13.5 A 电流测得开关寿前 温升为 25.3 K、38.5 K、30.8 K, 然后用这三只样品按 10 A 电流标准作 19.1 感性负载寿命测试, A1、A3 正常通过 4 万次测试, A2 测试到 33855 次, 样品不通电, 测试失败. 对两只通过测试的样品做寿后温升, 通 过 10 A 电流, A1 温升为 41.5 K, A3 温升为 47.6 K, 结果表示, A1 温升小于 45 K, 合格, 但临近标准极限要 求, A3 温升超过 45 K, 寿后温升不合格. 选取 B 样品三只, 分别为 B1、B2、B3, 做好环境试验后, 按标准 要求通过 13.5 A 电流测得开关寿前温升为 20.7 K、18.5 K、21.6 K, 然后用这三只样品按 10 A 电流标准 作 19.1 感性负载寿命测试, 三个样品全部通过 4 万次测试. 对三只做过寿命测试的样品做寿后温升, 通过 10 A 电流, B1 温升为 33.5 K, B2 温升为 27.6 K, B3 温升为 30.5 K, 样品测试全部合格, 温升均为 30 K 左右. 选取 C 样品三只, 分别为 C1、C2、C3, 做好环境试验后, 按标准要求通过 13.5 A 电流测得开关寿前温升 为 17.6 K、18.3 K、19.6 K, 然后用这三只样品按 10 A 电流标准作 19.1 感性负载寿命测试, 三个样品全部 通过 4 万次测试. 对三只做过寿命测试的样品做寿后温升, 通过 10 A 电流, C1 温升为 26.6 K, C2 温升为 29.6 K, C3 温升为 28.1 K, 样品测试全部合格, 温升都低于 30 K. 结果见表 2.
样品号 A B C
银点脚长度 L / mm 1.2 1.2 1.2
表 1 实验样品参数
银点脚直径 D / mm 铜片直径 D1 / mm
1.5
1.7
1.95
2.05
1.95
2.05
图 4 银触点及跳板位置尺寸
杆径比 L/D 0.80 0.62 0.62
铆接方式 平铆 平铆 劈铆
变形系数 DB 0.143 0.071 0.053
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湖南理工学院学报(自然科学版)
第 34 卷
5 产品分类实验及结果验证
开关产品所有银点选用嘉之润生产的银锡触点, 按 表 1 中三种不同配合制作 A、B、C 三种开关样品, 相关 位置尺寸如图 4 所示.
采用三种不同尺寸的银点, 平铆、劈铆, 装成三种不 同参数的成品. 先进行环境试验, 然后测试寿前温升, 分别进行开关 19.1、19.2、19.3 寿命测试及寿后温升等 测试.
摘 要: 在欧盟 ROHS 2.0 豁免清单中, 含镉银点很大程度取消豁免. 而更换银点材料又将面临测试通不过国家标准
《家用和类似用途固定式电气装置的开关第 1 部分: 通用要求》的风险. 针对上述问题, 对银点材料、尺寸及铆接工艺进行
设计分析, 提出通过优化银点及铜片轴孔间隙、减少杆径比、改良铆接工艺等方面的措施, 减少铆接时的变形系数, 达到降
的锥体区. 如图 1 所示, 这两个刚性楔形锥体区, 将外力 P0转化为沿锥体
圆周方向各个方向的力 P, 力 P 的轴向分力 P1 使铜材产生压缩变形, 力 P
的径向分力 P2 则使铜材产生加粗变形. 材料变粗后, 坯料外观呈鼓形, 同时造成内部不均匀流动[3].
以铜棒平铆的方式进行试验, 铜棒的原始直径为 D, 原始长度为 L, 以
低接触电阻的目的, 从而降低更换银点材料后试验中的温升, 达到符合国标的要求. 测试数据可为开关插座厂家解决产品
测试中的问题提供参考.
关键词: 开关触点; 欧盟 ROHS 2.0 豁免; 接触电阻; 轴孔间隙; 杆径比; 测试数据
中图分类号: TM564
文献标识码: A
文章编号: 1672-5298(2021)03-0024-04
图 2 铆接状态示意
图 3 铆合后的实物剖切
4 铆接质量不良对电寿命的影响
触点是家用电器开关的关键元件, 起到接通和分断电流的作用. 不良的触点铆接质量, 会使得银点与 铜片接触面积减少, 增大了触点和铜片之间的接触电阻. 在开关接通与分断的瞬间, 由于动静触点之间的 弹跳, 触点温升瞬间升高, 直接会将银合金氧化, 银层从银合金中析出, 将会对触点接触面造成严重破坏. 因为纯银表面, 极易出现粘连, 可能导致产品在正常使用或测试过程中失效, 无法达到家用电器开关正常 使用寿命[4].
Key words: switch contact; EU ROHS 2.0 exemption; contact resistance; axle hole clearance; rod diameter ratio; test data
一般开关厂家银点材质大多选用 AgCdO 12 或其它含隔的银合金. 在最新的欧盟 ROHS 2.0 豁免清单 中, 含镉银点很大程度会取消豁免, 原定取消时间是 2021 年 7 月 21 日. 在近期做出口的公司或外资公司 都需要做好准备, 将开关银点切换成非镉银点. 传统的 AgCdO 材料, 具有良好的导电导热性, 低电阻率, 抗电弧烧损能力强, 抗熔焊性高, 更换材料会面临通不过国家标准测试的风险. 这个时候就需要对银点材 料及铆接工艺进行重新设计, 确保产品在开关测试中符合国家标准[1]. 国家标准《家用和类似用途固定式 电气装置的开关第 1 部分: 通用要求》(GB/T 16915.1—2014)对寿前、寿命测试都提出了较高的要求[2]. 如 果银点接触电阻高, 铆接处电阻也较高, 就存在测试不达标的风险, 这对铆接工艺提出了更高的要求. 触 点铆接都是采用轴孔间隙配合铆接, 但是一般工厂采用自动化铆接或自动模冲模铆接, 属于自由镦铆, 是 镦铆变粗的铆接方式. 由于受自由镦粗变性原理的影响, 肯定会影响到触点引脚与触片或跳板孔径的配 合精度, 从而产生不同的铆合紧密度, 进而影响接触电阻. 如果接触电阻较大, 大电流在触点上通过时, 必将产生高温, 影响产品的使用寿命.