Накрутка и обжимка.

 

Монтаж накруткой, предназначен­ный для получения электрических со­единений одножильных проводов со штыревыми выводами разъемов, был разработан в США в 1952 г. фирмой Bell Lab's и широко применяется для электрического монтажа блоков, па­нелей и рам ЭВМ. Монтаж накруткой исключает применение припоев и флюсов, ускоряет процесс межблоч­ного монтажа, повышает надежность соединений по сравнению с паяными, создает возможность автоматизации межблочного монтажа.

 

 

Рис.3.38. Соединение накруткой:

а - внешний вид; б - сечение; 1-штырь; 2-одножильный провод;

3-область газонепроницаемого соединения; 4-кромка штыря.

 

Контактное соединение накруткой – соединение неизолированного одножильного провода со штыревым вы­водом, имеющим острые кромки, при котором провод навивается на вывод с определенным усилием (рис.3.38). При этом кромки штыря, частично деформируясь, врезаются в провод, разрушая на нем оксидную пленку, и образуют газонепроницаемое соеди­нение. Концентрация напряжений в зонах контакта и среднее давление порядка 170 МПа обусловливают вза­имную диффузию металлов, что спо­собствует повышению надежности со­единений. Срок службы соединений при нормальных климатических усло­виях 15–20 лет.

Соединение накруткой должно иметь минимальное переходное сопротивле­ние (не более 1–3 мОм), сумму пло­щадей контактных точек больше пло­щади поперечного сечения провода во избежание местного перегрева при прохождении тока.

Перечисленные требования обеспе­чиваются выбором материала штыре­вого вывода, конструкции соединения, технологических режимов. Материал штыревого вывода должен обладать прочностью и упругостью, чтобы про­тивостоять усилию скручивания, а также высокой электропроводностью. Лучшими материалами, имеющими вы­сокий модуль упругости, низкое оста­точное напряжение и коэффициент ли­нейного теплового расширения, близ­кий к коэффициенту медного провода, являются бериллиевая, фосфористая и кремнистая бронзы (например, Бр. Б2 содержит в среднем 2% бериллия, Бр. КМцЗ-1 – до 3 % кремния, отличает­ся высокой коррозионной стойкостью и заменяет дорогостоящую бериллиевую бронзу). Формы поперечного се­чения выводов под накрутку приведе­ны на рис. 3.39.

Наибольшее распространение полу­чили штыри квадратной и прямо­угольной формы; U- и V-образные штыри обладают большей упругостью и применяются при рабочих темпера­турах до 180°С, когда снижение на­пряжения в проводах компенсируется силой упругости штырей и позволяет сохранять электрические и механиче­ские параметры соединений. Для защи­ты поверхностей штыревых выводов от коррозии, а также для

 

Рис.3.39. Формы поперечного сечения выводов:

а - квадратная; б - прямоугольная; в - ромбовидная; г -U-образная, д - V-образная

 

снижения пе­реходного контактного сопротивления применяют следующие покрытия шты­рей: гальваническое золочение (3– 6 мкм), серебрение (6–9 мкм), луже­ние (олово или олово –свинец тол­щиной 35–40 мкм).

При расчете числа витков следует учитывать, что выводы квадратной, прямоугольной и ромбовидной формы сечения имеют по 4 точки контакти­рования на виток, V-образной и тре­угольной – 3, U-образной – 2,5. Две первые и две последние точки не дают надежного соединения, поэтому их не учитывают при расчетах.

При монтаже накруткой применяют три вида соединений: обычное, моди­фицированное и бандажное (рис. 3.40).

 

 

Рис. 3.40. Виды соединений накруткой:

а - обычное; б - модифицированное; в - бандажное

Обычное соединение получают путем накрутки на штырь неизолированного участка (4–8 витков) одножильного провода. Модифицированное соединение имеет дополнительно 1–2 витка про­вода в изоляции, что уменьшает кон­центрацию напряжений в точке касания провода первого витка и уменьшает вероятность обрыва при вибрациях. Бандажное соединение используют для крепления многожильного провода или вывода ЭРЭ к штырю путем на­крутки нескольких витков бандажного провода на параллельно расположен­ный вывод и бандажируемый элемент (провод, вывод, шина и т. д.). Для всех видов соединений накруткой не­обходимо плотное прижатие витков друг к другу, не допускается выход конца первого витка за пределы со­единения, что увеличивает опасность случайной развивки. При монтаже накруткой на каждом выводе рекомендуется выполнять не более трех сое-динений. Учитывая конструктив­ные особенности соединений накрут­кой (рис. 3.41), длину вывода можно рассчитать по следующей формуле:

 

 

где n₁, n₂ – число неизолированных и изолированных витков провода;

d₁, d₂ – диаметры неизолированных и изо­лированных проводов;

l₁ – расстояние между первым витком и основанием;

l₂ – расстояние между витками;

lз – расстояние между соединениями;

N – число соединений на выводе.

 

 

Рис. 3.41. Схема для расчета длины вывода

 

Контактное соединение накруткой получают с помощью специального инструмента — электрифицированно­го пистолета для накрутки. Основным элементом, обеспечивающим форми­рование соединения, является валик, имеющий два отверстия: центральное для размещения штыря и боковое сту­пенчатое для размещения неизолиро­ванного и изолированного участков монтажного провода (рис. 3.42).

 

 

Рис.3.42. Схема образования соединения накруткой

 

На торце валика выполнена проточка, фор­ма которой определяет качество со­единения. На валик в осевом направ­лении действует пружина, от упругих свойств которой зависит однородность и плотность навивки провода. Сила Р давления валика на провод формирует витки соединения и при оптимальном значении (5–30 Н) обеспечивает их плотное прилега-ние друг к другу.

С помощью монтажного пистолета типа НП-4В при наличии предвари­тельно заготовленных проводов мон­тажник может выполнить до 50–80 соединений в час. При этом основная часть времени уходит на поиск оче­редного места соединения, выбор пе­ремычки соответствующей длины и т. д.

При ручном монтаже конец прово­да со снятой на рекомендуемую длину изоляцией сначала вставляют в канав­ку концевой части навивочного вали­ка до тех пор, пока края изоляцион­ной оболочки провода не натолкнутся на края канавки. После этого его за­гибают вокруг втулки так, чтобы он не закрывал среднее отверстие конце­вой части, и придерживают. Затем ин­струмент насаживают на предназна­ченный для соединения штырь так, чтобы он прошел в среднее отверстие концевой части, и включают привод.

При накрутке ось отверстия в на­правляющей втулке, воспринимающе­го штырь, должна находиться точно на одной линии с продольной осью штыря. Нужно следить также за тем, чтобы у первого витка соединения провод не развернулся вокруг собст­венной оси, так как иначе в этом мес­те возникает концентрация напряже­ния и провод может порваться.

Если на одном и том же штыре не­обходимо изготовить несколько со­единений, то накрутку начинают у за­крепленного конца штыря так, чтобы край дула инструмента слегка касался поверхности крепления штыря (или находился бы от нее на расстоянии 1–2 мм). Второе и третье соединения выполняются аналогично, но здесь кон­цевая часть упирается в готовое со­единение. Время собственно накрутки составляет около 1с, продолжитель­ность всей операции (введение прово­да, его изгиб, насаживание на штырь, включение, навивка, остановка, сня­тие инструмента) занимает около 2,5 с. Качество соединения практически не зависит от навыка оператора, так как время накрутки провода весьма мало.

Для повышения производительно­сти монтажа накруткой применяют полуавтоматы типа АА-53, где автоматизирован поиск коорди­наты очередного соединения и пе­ремычки соответствующей длины. При этом на монтажном столе по координатам х и у переме-щается инструментодержатель, а программа соединений вводится с перфоленты в устройство управления. Система све­товой индикации ячеек облегчает монтажнику поиск соответствующей перемычки. Производительность мон­тажа на таких установках увеличива­ется до 200–500 соединений в час, а число ошибок сокращается до 0,01 % от числа соединений.

Обжимкой называют способ посто­янного соединения, которое осущест­вляется посредством сильной пласти­ческой деформации соединяемых по­верхностей и разъединяется только с разрушением. Суть метода состоит в том, что провод 1 помещают в хвосто­вую часть соединительного элемента 2, имеющего форму втулки, и обжи­мают (рис. 3.43).

 

 

Рис. 3.43. Соединение обжимкой

 

Благодаря высокому удельному дав­лению соединяемые металлы подверга­ются значительной пластической де­формации, и вследствие холодной теку­чести контактирующих поверхностей между соединенными материалами воз­никает интенсивный молекулярный контакт. После пластической деформа­ции под действием остаточной упру­гой деформации соединяемые поверх­ности сжимаются с определенной си­лой. Такое соединение обладает высо­кой проводимостью, газостойкостью, теплостойкостью и вибростойкостью.

Выбирать материал, размеры прово­дов и элементов для соединения нужно так, чтобы после окончания операции обжатия сила натяжения провода была больше, чем релаксация элемента. Вслед­ствие ослабления внутренней напряжен­ности материалов это давление не­сколько уменьшается, но оставшегося усилия достаточно для поддержания надежного контакта с высокой прово­димостью. Релаксация может быть ме­ханического или технического проис­хождения (вибрация, быстрое измене­ние температуры).

Поскольку размер деформации эле­мента можно принимать за близкий к постоянному, необходимое для дефор­мации усилие находится в непосредст­венной взаимосвязи с размерами пла­стической деформации. Из этого сле­дует, что соединения, изготовленные в одинаковых условиях, полностью иден­тичны, поэтому можно заранее преду­смотреть необходимый для соединения материал, инструмент, требуемое усилие, а также величину деформации. Соеди­нения легко выполняются и проверя­ются с помощью того же инструмента.

Механическое соединение считает­ся годным тогда, когда его прочность на растяжение меньше, чем прочность на разрыв. Если изолированный про­вод порвется под влиянием нагрузки на растяжение, то этот разрыв трудно обнаружить под изоляционной оболоч­кой провода. Большое усилие обжатия более выгодно, так как при этом соеди­нение имеет более низкое переходное сопротивление. Таким образом, пере­ходное сопротивление и прочность на растяжение соединения зависят от величины деформации, а величина де­формации – от размеров основных ма­териалов, участвующих в соединении металлов.

Механическая прочность соединения характеризуется силой F_B, необходимой для вытягивания провода при разруше­нии соединения, которая зависит от си­лы сжатия F

(рис. 3.44). Из рисунка видно, что с возрастанием силы сжа­тия, а также по мере снижения отноше­ния h/D₀) (где h – размер деформации; D₀ начальный диаметр элемента) си­ла вытягивания возрастает только до определенного значения. Если сила сжатия превышает оптимальное значе­ние, то сила вытягивания уменьшается.

 

 

Рис. 3.44. Рабочая диаграмма деформации

 

Большая сила сжатия может вызвать трещины, повреждения и явиться при­чиной сильного сокращения попереч­ного сечения. Малая сила сжатия при­водит к соединению с зазорами в по­перечном сечении, что неблагоприятно сказывается на их прочности и элек­тропроводности. Таким образом, целесообразно выбирать силу сжатия, т. е. размеры деформации, между величина­ми F_mm и F_max, т. е. h / D_0max и h / D_0min.

Относительная проводимость соеди­нения С_отн может быть вычислена по проводимости соединения G_с и про­водимости провода G : G_отн = (G_cG_n)·100%. Эта величина имеет тенден­цию к возрастанию с ростом силы сжатия. Если при обжатии провода за­няли свое место внутри обжимающего элемента и их плотность достигла определенной степени

(около F_{n max}), то с дальнейшим увеличением силы дав­ления (и деформации) относительная проводимость соединения уже не уве­личивается. Максимум этой кривой обычно не совпадает с F_{n опт}.

Обжимка давно применяется в силь­ноточной электротехнической аппара­туре для непаяного соединения кабель­ных наконечников, в электронике она начала применяться последние 10 – 15 лет. Площадь эффективной контакт­ной поверхности должна составлять 200 – 400% площади сечения соединяе­мых проводов. В качестве материалов втулок используется медь, бронза с гальваническим защитным покрытием. Обжимку выполняют с помощью пис­толетов, имеющих производительность до 500 соединений в час, или полуавто­матов (до 2000 соединений в час), рабо­тающих на сжатом воздухе. Прочность соединений определяется силой вытя­гивания, которая для провода диамет­ром 0,5 мм равна приблизительно 80 Н.