连接器弹片设计.pdf
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1、Encnn enables connection! Encnn enables connection! 连接器设计培训系列连接器设计培训系列连接器设计培训系列连接器设计培训系列连接器弹片端子连接器弹片端子连接器弹片端子连接器弹片端子弹片要求 弹片材料的性能弹片材料的性能 合金的制造工艺合金的制造工艺 铜合金结构和硬化技术铜合金结构和硬化技术 铜合金及其性能铜合金及其性能 正向力的选择正向力的选择 弹片的折弯特点弹片的折弯特点 弹片的设计分析计算弹片的设计分析计算 弹片的冲压工艺性弹片的冲压工艺性 连接器配合时的力学特点连接器配合时的力学特点 弹片常见结构弹片常见结构数据,案例,图片,图示培训时
2、提供Encnn enables connection! Encnn enables connection! 弹片的要求弹片的要求弹片的要求弹片的要求 弹片的3大作用:传递能量或信号; 提供建立和维护界面所需的正向力;为永久连接提供方式和组分 弹片材料的3大要求:足够的导电性导电性的标准和单位:IACS(International Annealed Copper Standard) 退火纯铜100%的导电性信号连接器-导电性要求容易满足,10%电流连接器-导电性要求受限,40%足够的机械强度/足够的工艺性机械强度好的(较高的屈服应力)的材料往往较脆, 成形工艺性不好, 有些弹片分离界面要求较好的
3、弹性而永久连接界面则要求较好的成形工艺性,机械性能与工艺性的平衡就非常重要.Encnn enables connection! Encnn enables connection! 金属材料性能金属材料性能金属材料性能金属材料性能 几乎所有连接器弹片受弯曲应力,而绝大部分材料机械性以拉伸试验获得,此外,铜合金板材还具有方向性.在材料状态硬度较高时需注意. 杨氏模量:应力/应变 0.2%屈服应力 屈服应变:应力/杨氏模量 极限应力: 延伸率:(实际-初始)/初始,成形性的间接指标 应力松弛-正向力 硬度 导电率-电源连接器 导热性-电源连接器Encnn enables connection! En
4、cnn enables connection! 拉伸应力拉伸应力拉伸应力拉伸应力/ /弯曲应力弯曲应力弯曲应力弯曲应力/ /弹性模量方向性弹性模量方向性弹性模量方向性弹性模量方向性Encnn enables connection! Encnn enables connection! 合金的制造工艺合金的制造工艺合金的制造工艺合金的制造工艺 铸造:将液态的金属铜浇铸到一定形状的铸造型腔中,待其冷却凝固后,以获得所需的毛坯,后续可热轧加工 热轧 冷轧 退火:冷轧的辅助工艺-当加工硬化程度较大时,进一步冷轧会出现开裂就需退火处理,使材料再结晶,晶粒重组,不具方向性,也叫应力退火,降低加工硬化引起的应
5、力 铜带分切:将铜带切割成所需的宽度,由于切割的不对称会引起应力不对称以致产生弯曲和扇形 合金制造示意图.Encnn enables connection! Encnn enables connection! 热热热热轧轧轧轧 材料不会产生加工硬化-工艺在再结晶温度 可大大降低材料厚度 可减少晶粒大小 使晶粒均匀化Encnn enables connection! Encnn enables connection! 冷冷冷冷轧(轧(轧(轧(1 1) 实现所需的材料厚度和机械性能 控制冷轧的次数,每次轧制的厚度差,退火要求. 在结晶温度以下进行 晶粒被压制成细长状Encnn enables co
6、nnection! Encnn enables connection! 冷冷冷冷轧(轧(轧(轧(2 2)材料异向性(相对于轧制方向)不同拉伸强度,塑性,弹性模量不同的折弯性能(Good way, Bad way)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 冷冷冷冷轧(轧(轧(轧(3 3)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 合金制造示意图合金制造示意图合金制造示意图合金制造示意图Encnn enables connection! Encnn enables connec
7、tion! 铜合金的结构和硬化技术铜合金的结构和硬化技术铜合金的结构和硬化技术铜合金的结构和硬化技术金属的晶体结构:空间点阵:阵点排列形成的空间点阵晶格:阵点用直线连接起来的形成的空间格子晶面:晶格中各种方位的原子晶粒:一个晶粒就是一个单晶体,晶粒内分子,原子有规律排列,晶体间存在晶界. 晶粒常见平均半径5-25um铜合金的立方晶格结构硬化技术: 加工硬化; 固溶强化;沉淀强化/弥散强化/第二相强化铜合金硬化后的状态Encnn enables connection! Encnn enables connection! 面心立方晶格体心立方晶格铜,镍,银是面心立方晶格钨,铁,鉻是体心立方晶格铜合
8、金的立方晶格结构铜合金的立方晶格结构铜合金的立方晶格结构铜合金的立方晶格结构Encnn enables connection! Encnn enables connection! 加工硬化:位错(dislocation)使晶格“绷紧”,金属不易变形,提高强度,塑性和成形性降低,是纯金属的唯一硬化手段.加工硬化(加工硬化(加工硬化(加工硬化(1 1)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 加工硬化(加工硬化(加工硬化(加工硬化(2 2)Encnn enables connection! Encnn enables connectio
9、n! 加工硬化(加工硬化(加工硬化(加工硬化(3 3)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 定义:定义:融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变,晶格畸变增大了位错运动的阻力,使滑移难以进行,从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时,可提高材料的强度和硬度,而其韧性和塑性却有所下降。铜合金含有锌,锡,硅,铝,镍通常是通过固溶来强化. 影响因素:(1)溶质原子的原子分数越高,强化作用也越大,特别是当原子分数很低时,强化作用更为显著(2)溶质原子与基体金属的
10、原子尺寸相差越大,强化作用也越大(3)间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果,且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的,故其强化作用大于面心立方晶体的;但间隙原子的固溶度很有限,故实际强化效果也有限。(4)溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大,固溶强化效果越明显 效果:1. 屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属2. 绝大部分情况下,延展性低于纯金属3. 导电性比纯金属低很多4. 抗蠕变,或者在高温下的强度损失,通过固溶强化可以得到改善固溶强化(固溶强化(固溶强化(固溶强化(1 1)Encnn enables connection! Encnn enables conne
11、ction! 固溶强化(固溶强化(固溶强化(固溶强化(2 2)置换型与间隙性固溶各种合金元素对铜的屈服强度的影响Encnn enables connection! Encnn enables connection! 固溶强化(固溶强化(固溶强化(固溶强化(3 3)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 第二相/过剩相强化:“相”指的是一种结构,在一个相中,结构或原子排列处处相同,化学成分处处相同,相与周围环境或其它相之间存在明确的界面.第二相使基体相“绷紧”,位错线需克服第二相,第二相阻碍晶粒长粗.途径:塑性变形;热处理;粉末冶金
12、强化效果:第二相特征,数量,大小,形状,分布(偏析/亚稳),与基体相的匹配铍铜沉淀硬化:2%Be铸造864固溶热处理淬火过饱和Be时效热处理Be沉淀析出,化学反应产生Be-Cu化合物, Be-Cu化合物弥散于铜基晶体中第二相强化第二相强化第二相强化第二相强化/ /沉淀强化沉淀强化沉淀强化沉淀强化/ /弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化/ /亚稳硬化亚稳硬化亚稳硬化亚稳硬化位错线第二相质点奥罗万结构示意图Encnn enables connection! Encnn enables connection! 第二相强化第二相强化第二相强化第二相强化/ /沉淀强化沉淀强化沉淀强化沉淀强化/ /弥散强化
13、弥散强化弥散强化弥散强化Encnn enables connection! Encnn enables connection! 铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态(1)(1)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态铜合金的硬化状态(2)(2)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 铜合金及其性能铜合金及其性能铜合金及其性能铜合金及其性能导电性导电性与机械强度导电性与热传导性应力松弛机械强度/
14、导电性/成形性铜和高铜合金黄铜,锡黄铜及“改良黄铜”/特殊青铜的性能(对比)青铜的性能特殊青铜和镍铜的性能沉淀强化铜合金性能黄铜/青铜/铍铜/镍铜对比Encnn enables connection! Encnn enables connection! 导电性(导电性(导电性(导电性(1 1)与收缩电阻串联与收缩电阻并联界面不存在膜.连接器常用铜合金的导电性能排序Encnn enables connection! Encnn enables connection! 导电性(导电性(导电性(导电性(2 2)不同溶质百分比对铜(固溶处理铜合金)导电性能的影响不同溶质(镍,锡,锌)对铜(固溶处理铜合
15、金)导电性能的影响Encnn enables connection! Encnn enables connection! 导电性能与机械性能导电性能与机械性能导电性能与机械性能导电性能与机械性能不同强化机制的连接器常用铜合金的不同状态/质别(temper)的导电性能和机械性能对比和排序圆点-固溶强化;三角形-第二相强化;黑色正方形-最高强度质别;白色正方形-轧制硬化质别Encnn enables connection! Encnn enables connection! 导电性能与热传导性能导电性能与热传导性能导电性能与热传导性能导电性能与热传导性能载流能力要求高的连接器设计不仅要求弹片/端子
16、导电性能好,而且散热性能也要好,铜合金导电性能与散热性能的关系/规律数据如下Encnn enables connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛金属在较高温的承载状态下,总应变(弹性应变加塑性应变)保持不变,而应力随时间的延长逐渐降低的现象,简称松弛。松弛和蠕变是一个问题的两个方面。材料在较高温下工作,当保持应力恒定就产生蠕变,而当保持总应变恒定就产生松弛.应力释放的速度随温度增加而增加应力释放过程中,金属通过重排内部缺陷(如位错)将弹性应变转化为塑性应变见图应力松弛后,正向力由原来的见图应力松弛后,正向力由原来的100g降为
17、降为80g, 原来完全的弹性变形已部分转化为塑性变形原来完全的弹性变形已部分转化为塑性变形Encnn enables connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛不同的铜合金在不同的温度下,应力松弛的表现不一样. 当定义连接器的最高工作温度时, 弹片材质方面一般要求保持60%-70%原有应力/正向力.Encnn enables connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛同一牌号的铜合金不同的状态/质别(temper)抗应力松弛的能力不一样Encnn enables
18、connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛在固溶强化体系中,锡溶质的铜合金(青铜)比在固溶强化体系中,锡溶质的铜合金(青铜)比锌溶质的铜合金(黄铜)的抗应力松弛性能好锌溶质的铜合金(黄铜)的抗应力松弛性能好Encnn enables connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛第二相强化的铜合金体系与青铜和黄铜在抗松弛应力性能方面的对比Encnn enables connection! Encnn enables connection! 应力松弛应力松弛应力松弛应力
19、松弛沉淀强化的铜合金与青铜在抗松弛应力性能方面的对比Encnn enables connection! Encnn enables connection! 成形性成形性成形性成形性/ /机械强度机械强度机械强度机械强度/ /导电性导电性导电性导电性连接器弹片的成形性,机械强度,导电性往往相互制衡. 常用铜合金3大性能对比Encnn enables connection! Encnn enables connection! 铜及高铜合金铜及高铜合金铜及高铜合金铜及高铜合金 化学成分:铜-99.3%;高铜合金-96%99.3% 代表:ETP/电解铜,OFHC/无氧高导电铜,铍铜(C17XXX),C
20、19500,C19400 性能/特点:纯铜屈服强度较低(275-345Mpa), 抗应力松弛性能差,高导电性是突出优点,不常用于弹性结构,适用于永久连接结构(crimp, screw),若用于弹性结构往往伴有弹性支撑(结构需考究),高铜合金屈服强度较好于纯铜,导电性也很突出, C15100,屈服强度接近500Mpa, 90%IACS, 抗应力松弛性能稍好于纯铜,适用于有一定弹片空间的电源连接器C19400,屈服强度接近500Mpa, 60%IACS,抗应力松弛性能好于其他高铜合金,C19500,屈服强度接近620Mpa, 45%IACS,抗应力松弛性能逊于黄铜,铍铜的机械性能和抗应力松弛性能非
21、常突出,价格昂贵,性价比值得分析,有两大类:高强度(C17200)和高导电性(C17510,C17410),时效硬化时机(加工前后)可选,受环保限制,供应资源有限(Brush Wellman, NGK)Encnn enables connection! Encnn enables connection! 铜及高铜合金铜及高铜合金铜及高铜合金铜及高铜合金Encnn enables connection! Encnn enables connection! 黄铜黄铜黄铜黄铜, ,锡黄铜和锡黄铜和锡黄铜和锡黄铜和“ “改良型黄铜改良型黄铜改良型黄铜改良型黄铜” ”/ /青铜性能青铜性能青铜性能青铜性
22、能Encnn enables connection! Encnn enables connection! 青铜性能青铜性能青铜性能青铜性能Encnn enables connection! Encnn enables connection! 特殊青铜和镍铜的性能特殊青铜和镍铜的性能特殊青铜和镍铜的性能特殊青铜和镍铜的性能Encnn enables connection! Encnn enables connection! 沉淀强化铜合金性能沉淀强化铜合金性能沉淀强化铜合金性能沉淀强化铜合金性能Encnn enables connection! Encnn enables connection!
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