摘 要：隨著移動通信工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們在電子元件重量及尺寸上展開了激烈的競爭，比如移動電話收機重量不到80g，筆記本電腦的厚度竟然還不到18mm。在這種情況下，接觸簧片也隨之變得越來越小，接觸臂的寬度有時甚至比其厚度還窄。如今，大多數(shù)接觸件設(shè)計是借助于CAD來完成的，其計算結(jié)果往往與實際情況存在一定的差距。通過化學(xué)刻蝕或放電方法對一些連接器簧片進行評估。大多數(shù)簧片是在生產(chǎn)階段采用沖壓方式制成的。隨著接觸件帶材寬度的變窄，其沖壓應(yīng)力釋放的影響隨之增大。雖然大多數(shù)接觸件的簧片在沖壓應(yīng)力釋放過程中完成打彎工序，但人們可以認識到，在特殊條件下簧片彈應(yīng)力會出現(xiàn)明顯下降。此外，沖壓彎曲方向和使用過程中的撓曲方向也是影響應(yīng)力松弛的重要因素。
關(guān)鍵詞：接觸件;應(yīng)力松弛;彈力;鈹-銅合金;鮑辛格效應(yīng)
1 引言
隨著半導(dǎo)體工業(yè)微型化和高密度的發(fā)展趨勢，電子器件體積變得越來越小，電子元件也隨之越來越小，而且開關(guān)、連接器和繼電器的彈性接觸件開始出現(xiàn)了各種以前沒有遇到的問題。在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，接觸件帶材寬度變得和材料厚度一樣狹窄。而且，彈性材料要暴露在更高的應(yīng)用溫度下，尤其是在汽車應(yīng)用領(lǐng)域。暴露在這種環(huán)境下，能夠保持彈應(yīng)力釋放就顯得尤為重要。
近年來，隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們在設(shè)計過程中就減少了預(yù)試驗過程。在樣品設(shè)計之前，這一過程被視為一個重要的步驟。設(shè)計根據(jù)的是基本性能特征如屈服強度、延展性、加工模鍛性和拉拔特性，而且在設(shè)計過程中，我們還采用了SS曲線和泊松比(即橫向變形系數(shù))來計算其長時間使用之后的彈性應(yīng)力。
不過，在許多情況下，所得到的彈性應(yīng)力釋放小于根據(jù)CAD所預(yù)測的值。因為每種情況都有其特殊的影響因素，這些現(xiàn)象以前很少有人考慮。本文主要考慮應(yīng)力松弛這類一般性問題。
此外，在彎曲變形情況下，我們還將討論剩余應(yīng)力釋放所導(dǎo)致的彈性應(yīng)力的下降(即鮑辛格效應(yīng))以及如何避免產(chǎn)生這一效應(yīng)。
2 測試范圍
本研究除了提供所測得的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)外，還分析了下列一些導(dǎo)致彈性應(yīng)力釋放降低的因素：(1)沖切方法(如刻蝕和沖壓);(2)軋制方向(0°和90°);(3)沖壓和彎曲方向(平板、逐步彎曲和反向彎曲);(4)寬度。本試驗包括C17530-HT (NGK合金7)(作為鈹-銅余熱淬火軋制材料)和C52100-EH(作為沖壓后不經(jīng)過任何特殊的熱處理)，涉及各種有關(guān)沖壓加工的問題。
例如，接觸件右手側(cè)(見圖1)可能具有較低的彈性應(yīng)力釋放。在本文中，我們稱之為反向彎曲-彎曲。
漸進彎曲 反向彎曲
(+彎曲) (-彎曲)
正常的彈性應(yīng)力 較低的彈性應(yīng)力
圖1 接觸件圖示和彈性應(yīng)力
當彈性方向與模鍛成型方向相反時，在早期階段就會發(fā)生永久性變形，因為其表面存在剩余壓應(yīng)力釋放，見圖2所示。這就是所謂的鮑辛格效應(yīng)(Bausinger Effect)。
除了分析彎曲方向所產(chǎn)生的影響外，我們還將對兩階段彎曲和應(yīng)力施放熱處理進行評估，以測定其對彈性力和應(yīng)力松弛的影響。在此，我們還對時效硬化和余熱淬火軋制鈹-銅合金進行了應(yīng)力測試，以確定這一方法對這些合金材料是否非常有效。
圖2 彎曲方向和表面應(yīng)力
圖3 鮑辛格效應(yīng)
3 試驗樣品和試驗方法
3.1 試驗樣品
應(yīng)力試驗采用下列合金：
(1) 典型的沉積硬化合金：鈹-銅C17200-1/2 H;
(2) 余熱淬火軋制合金：C17200-HM、C17510-HM和C17530-HT;
(3)加工硬化合金：磷青銅C52100-EH。
3.2 試驗樣品的型號和尺寸
應(yīng)力試驗采用0.2mm的量規(guī)和10mm的寬度。為了研究不同寬度所產(chǎn)生應(yīng)力的影響，刻蝕應(yīng)力試驗樣品的尺寸采用0.2mm~6.0mm，見圖4所示;而沖壓應(yīng)力試驗樣品的尺寸則采用0.4mm~10mm，見圖5所示。
圖4 刻蝕應(yīng)力試驗樣品的尺寸
圖5 沖壓應(yīng)力試驗樣品的尺寸
3.3 試驗樣品的方向
為了確定金屬軋制方向所產(chǎn)生的影響，應(yīng)力試驗樣品應(yīng)取自0°(水平、縱向)和90°(直角、橫向)。
3.4 試驗樣品的制備
為了評估成型過程中表面殘存應(yīng)力所產(chǎn)生的影響，我們分別測量了在(1)平板、(2)逐步彎曲、(3)反向彎曲、(4)兩階段彎曲、(5)反向彎曲五種情況下的應(yīng)力松弛情況。
(1)平板
圖6 平板應(yīng)力試驗樣品和彎曲方向
(2)逐步彎曲
在同一方向上給沖壓彎曲處施加適當?shù)膲毫�，以得到所期望的角�?6°)，包括彈性變形回復(fù)。
圖7 逐步彎曲
(3)反向彎曲
在沖壓彎曲處施加適當?shù)呢摵桑垣@得所期望的角度(6°)，包括彈性變形回復(fù)。
圖8 反向彎曲
(4)兩階段彎曲
在與沖壓彎曲方向相反的方向上測試樣品施加適當?shù)膽?yīng)力負荷，以得到10°以上的彎曲度，然后再進行反向彎曲，以得到所期望的角度(6°)，包括彈性變形回復(fù)。
圖9. 兩階段彎曲
(5)應(yīng)力釋放熱處理
在反向彎曲之后，將圖8所示的模板放進加熱爐中，無須采用彈性應(yīng)力負荷，然后在100℃、200℃、300℃和400℃條件下熱處理30分鐘。
4 應(yīng)力松弛的主要影響因素
4.1沖切方向?qū)?yīng)力松弛的影響
從圖10可以看出，C17530-HT合金在0°方向上刻蝕、沖壓加工時，沖壓的應(yīng)力松弛比刻蝕高出1~2%。
圖10 沖切方向和應(yīng)力松弛
4.2軋制方向的影響
圖11表示C17530-HM合金在平板/逐步彎曲和反向彎曲條件下以0°和90°方向刻蝕時的應(yīng)力松弛特性。根據(jù)這一應(yīng)力結(jié)果，90°方向時的應(yīng)力松弛比0°方向時的應(yīng)力松弛高于1~2%。這一數(shù)據(jù)僅限于C17530-HT合金。早期研究也顯示出同樣的應(yīng)力釋放變化趨勢。
圖11 軋制方向和應(yīng)力松弛
4.3 彎曲方向的影響
圖12表示C17530-HT合金在平板、逐步彎曲和反向彎曲條件下以90°方向刻蝕時的應(yīng)力松弛特性。根據(jù)這一應(yīng)力結(jié)果，塑鍛成型樣品的應(yīng)力松弛高于平板樣品的3~4%;而采取反向彎曲時，其剩余應(yīng)力下降幅度就更為嚴重。
圖12 成型方向和應(yīng)力松弛
4.4 寬度的影響
圖13表示C17530-HT合金在沖壓90°方向上的應(yīng)力松弛特性。根據(jù)這一結(jié)果，當寬度與厚度之比達到或超過2時，寬度就可能對應(yīng)力松弛不產(chǎn)生任何影響。
圖13 寬度和應(yīng)力松弛
4.5沖壓接觸臂的預(yù)期應(yīng)力松弛
典型的接觸臂采用一種與實際使用彎曲方向截然不同的成型彎曲方向沖壓90°。在這些情況下，應(yīng)力松弛現(xiàn)象變得更為糟糕，竟然達到理想狀態(tài)下的兩倍，尤其是加工硬化淬火C52100-EM合金，在反向彎曲的條件下經(jīng)過長期使用之后其彈性應(yīng)力明顯減小，見圖13所示。
圖14 接觸臂的加工條件和應(yīng)力松弛(C52100 HT)
圖15 接觸臂的加工條件和應(yīng)力松弛(C52100 EH)
4.6 鮑辛格效應(yīng)
為了對鮑辛格效應(yīng)進行補償，我們對兩階段彎曲和應(yīng)力釋放熱處理進行了測試。圖16表明，逐步彎曲在非熱處理材料合金中可以得到一種最高的彈性力，而圖16和圖18則分別顯示反向彎曲所得到的是最差的彈性力和應(yīng)力松弛現(xiàn)象。
圖16 彈性應(yīng)力和彎曲方法
圖17 彈性應(yīng)力和接觸臂的加工條件
應(yīng)力釋放熱處理在100℃(30分鐘)的條件下可以有效地獲得較高的彈性應(yīng)力釋放，并可以明顯地改善鈹-銅余熱淬火軋制材料的應(yīng)力松弛。加工硬化材料沒有出現(xiàn)這一情況，見圖17和圖19所示。
圖18 應(yīng)力松弛和彎曲方法
圖19 應(yīng)力松弛和接觸臂的加工條件
5 結(jié)論
5.1應(yīng)力松弛的影響
與刻蝕(在C17530-HT合金150℃，1000小時)相比，采用沖壓工藝會使應(yīng)力松弛增大了1~2%。
90°方向比0°方向的應(yīng)力松弛現(xiàn)象更為嚴重，其相差約為1~2%(C17530-HT)。沖壓彎曲過程導(dǎo)致C17530-HT合金應(yīng)力釋放下降4%左右，C17530 -EH下降6%。不過，反向撓曲以形成彎曲方向又導(dǎo)致C17530-HT合金下降了2%，C17530 -EH進一步下降了15%。這樣就導(dǎo)致彈性應(yīng)力比設(shè)計值更低。
當彈性接觸臂的寬度/厚度之比超過2時，寬度對應(yīng)力松弛所產(chǎn)生的影響目前還沒有完全為人們所了解。
當這些因素集中發(fā)生于實際沖壓件時，應(yīng)力松弛的下降幅度可能會達到理想狀況下的兩倍。根據(jù)本研究得出，在最壞的情況下C17530-HT合金下降10~15.8%，而C17530-EH合金應(yīng)力釋放則下降24.6%~ 47.2%。
5.2鮑辛格效應(yīng)
由于在沖壓之后緊接著便進行沉積熱處理，鈹-銅合金C17200-1/2H具有與計算值相當?shù)膹椥詰?yīng)力。
雖然，加工硬化材料在沖壓和300℃(30分鐘)熱處理之后不需要進行任何熱處理，但應(yīng)力釋放也可以有效地補償這些合金的鮑辛格效應(yīng)。因為由沖壓彎曲過程中所產(chǎn)生的接觸臂表面的剩余應(yīng)力在這一熱處理溫度下會得到釋放。不過，超過200℃之后，其應(yīng)力松弛會大幅下降。由此可見，這一方法不是非常有效。
當采用兩階段彎曲時，由于鮑辛格效應(yīng)的存在，反向彎曲后的樣品的彈性力稍微低一點。因此，必須采用應(yīng)力釋放熱處理。同樣，由于添加了加工硬化處理，應(yīng)力松弛比以前變得稍微嚴重一點。所以，在設(shè)計階段就必須考慮這一因素。
6 結(jié)語
本文研究影響彈性應(yīng)力負荷的一系列因素。所采用的材料為鈹-銅合金，因為沉積硬化材料包括時效硬化材料。我們還列出作為加工硬化材料的磷青銅，以便進行材料對比。此外，我們還討論了試驗樣品的制備方法、樣品方向、彎曲方向以及彈性接觸臂的彎折。 |
