空心插銷鉚接工藝的研究及其應用

李富裕 章衛軍 聶杰文 柴奇凱

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315300）

引 言

自19世紀60年代后期，第二次工業革命開始，人類進入了“電氣時代”，各類家用電器逐步成為人們的日常生活中不可缺少的部分，作為各類電器的連接部件，轉換器也得到了快速的發展。根據各國家轉換器標準的不同，插銷形狀尺寸也各不相同，主要有圓插銷與扁插銷兩類，但無論是圓插銷還是扁插銷，其材質、加工工藝及工作原理都大同小異，都是在滿足電氣強度與機械強度的前提下起著連接電器部件與外部供電線路的作用。

1 行業現狀

由于國際電工委員會IEC 60083:2004標準及各國插頭插座標準的不同，轉換器的種類與規格也不相同。本文以法國家用和類似用途插頭插座標準（NF C61-303）移動式轉換器2P+T 10/16A 250 V中地極圓插銷與銅連接片的鉚接工藝為例進行闡述。

法式轉換器中地極組件包含了地極插銷與地極連接片，在實際生產過程中，需要將其鉚接固定。傳統制造一般采用了實心插銷與連接片通過沖壓鉚接或旋鉚的方式將其連接固定，如圖1所示。

圖1 鉚接前后示意圖

這種鉚接工藝存在一定缺陷，即抗扭性能差，且質量不穩定，部分產品無法達到準標要求，產品不良率高，同時不良品的返工增加了生產成本，且存在漏檢風險，存在較大的安全隱患。經多批次產品進行抽查，測試其扭轉力矩如表1所示。

表1 實心插銷扭轉力矩測試數據

經實驗數據顯示分析，其抗扭轉力矩在0.3 ～0.8 N.m之間，同一批次其抗扭轉性能基本相同，不同批次間卻相差較大，其原因在于鉚接過程中人為調機隨意性大，導致鉚接后插銷的翻邊高度存在差異性，不同的翻邊高度決定了插銷與地極連接片之間摩擦力的大小，從而抗扭轉的性能存在較大的差異。

2 研究目標

銅是對國民經濟的發展和安全具有戰略意義的重要源材料，同時在電工行業中也起著不可替代的作用，但目前我國正面臨著銅礦資源嚴重短缺的現象，“節約銅資源，提高資源利用效率”已成為我國目前的治國方針之一。優化整合電工行業銅材使用迫在眉睫。

本文就不同的插銷鉚接工藝對拉脫力與扭矩的影響，重點從空心插銷的商業實用性與設計合理的鉚接工藝來研究。在符合相關標準要求的情況下，根據公司及客戶要求，通過探索新工藝，來滿足產品拉脫力與扭矩要求，從而完成節省銅資源，降低原材料成本的目的。

為解決上述問題，本文通過大量實踐與測試分析，從而提出使用空心插銷替代方案與新鉚接工藝方案，主要包含以下技術點：

1）空心插銷的制作工藝

空心插銷采用H62黃銅為原材料，通過多次冷拉伸成形，此空心插銷的機械性能與電氣性能可完全替代原有的實心插銷。

2）鉚接工藝

插銷與銅連接片通過沖壓鉚接+旋壓鉚接的加工進行固定，除滿足電氣性能要求外，還滿足抗扭轉與拉脫力的要求，以符合安規要求標準。

3 初始空心插銷方案確認

目前國內外轉換器中使用的圓形插銷材料主要采用鉛黃銅HPb59-1，此材料可切削性好，易于車削加工；有良好的力學性能，能承受冷、熱壓力加工；易焊接，對一般腐蝕有良好的穩定性。但由于金屬雜質含高（如表2中：鐵、鋁、鉛等），導致其韌性、延展性、拉伸性能不佳，因此不適用于沖壓加工。從環保方面講，此圓插銷主要應用于外貿出口產品中，根據歐盟于2003年出臺發布的RoHS標準指令，明確規定了電器產品中的重金屬含量要求。其中對鉛含量的要求不得超0.1 %，實心插銷采用鉛黃銅HPb59-1作為原材料，含鉛量超標，在0.8～1.9 %之間，無法通過RoHS環保認證。而H62的鉛含量只有HPb59-1的10 %，鉛含量僅有不足0.08 %，完全符合RoHS環保要求。

表2 HPb59-1與H62

此外，與鉛黃銅HPb59-1相比，黃銅H62除具有相似的力學性能外，在熱態、冷態下均有良好的塑性、延展性與拉伸性能。但此材料退火溫度低，一般在600 ℃到800 ℃之間，經退火后，H62材質硬度降低，車削時往往因加工溫度過高使銅屑與刀具粘結，常導致加工表面粗糙，車削加工難度大。

空心插銷的加工利用了黃銅 H62良好的延展性，將黃銅薄板多次冷拉伸成型，如圖3。銅材進行冷加工產生塑性變形，再經時效處理后，其屈服強度、抗拉強度及硬度得到大大的提高，經拉伸后的插銷其強度完全滿足實心插銷的強度要求。

通過圖2的剖面我們可以看出，同等長度和大小的實心與空心插銷，本文以外徑為Φ4.8x20 mm的圓形插銷為例，測得具體的數值如表3，從表中數據不難看出，其實心插銷重量約為空心插銷重量的3倍，使用空心插銷大大節約了原材料成本。

表3 插銷參數

在轉換器產品的實際設計過程中，往往需要解決負載大溫升超標的難點，通常的解決方法，除了改變導體的材質外，通常是增加載流導體的橫截面積與散熱面積，但成本也相應增加；從表2中數據可以看出，黃銅H62在導電率、導熱率方面都優勝于鉛黃銅HPb59-1，相同外形的實心與空心插銷，空心插銷的散熱表面積約為實心插銷的1.6倍，使用空心插銷更有利于解決溫升問題。

綜上分析與對比，不難看出采用黃銅H62的空心插銷。更符合本次設計的要求。

3.1 方案要求

在空心插銷的方案得到確定后，以采用 H62黃 銅制作的空心插銷為基礎，我們接下來的任務便是確定插銷與銅連接片的鉚接工藝。

本次銅連接片的材料要求沿用之前材質，厚度為0.5 mm的H62黃銅材料，結合鉚接工藝，須在銅連接片上開孔，用于之后插銷與連接片的鉚接。

根據IEC 60884標準，鉚接后的插銷應滿足以下安規要求：

1）溫升要求：＜45 K

2）扭力要求：安規要求0.4 N.m，正反施力保持1 min，位移不得大于1 mm。

3）拉脫力要求：滿足插拔力要求50 N，不得有松動現象。

此外在本次客戶對產品提出特殊要求中，其中要求扭力矩應為穩定大于 0.5 N.m，對扭力矩的要求高于安規要求。

3.2 鉚接工藝解析

常規的鉚接工藝方案有兩種：

1）是將插銷端部車削成圖2的外形，再將銅連接片與實心插銷在壓力鉚接機上通過制具進行沖壓、翻邊、旋壓鉚接，此種鉚接工藝使用的銅連接片與插銷的裝配孔通常為圓孔，便于鉚接時插入插銷，插銷的安裝部位與孔為間隙配合，沖頭在鉚接機的作用力下插銷端部塑性變形，使插銷與連接片緊密貼合。

圖2 實心與空心插銷剖面圖

2）將插銷端部車削成圖3的外形，再將銅連接條與實心插銷在鉚接機上通過沖壓鉚接，插銷端部在壓力機作用下發生塑性變形，向外擴張，與銅連接片安裝孔發生擠壓形成過盈配合，達到鉚接的目的。

圖3 實心插銷與鉚接后成品

這兩種常規的鉚接方案是插銷端部通過壓力作用發生塑性變形，與銅連接片上的圓孔形成過盈配合，軸與孔之間的旋轉自由度無法被限制，屬于欠定位，旋轉阻力來源于摩擦力，因此導致鉚接后的插銷抗扭轉性能差，在長時間的使用與插拔中，易造成圓插銷與銅連接片之間的松動，存在用電隱患。

4 優化方案設計

經對上述原有設計問題原因的分析，為限制插銷的旋轉自由度，筆者提出了將銅連接片上原有的圓孔改為多邊形，相應的鉚接沖頭也改為多邊形，通過實驗測試數據得出其抗扭轉的性能提高了一倍。

如圖4所示，空心插銷端部與正六邊形孔為間隙配合，端部外圓與六邊形直邊呈相切狀態，通過六邊形沖頭鉚接時，插銷端部材料發生屈服變形，內外孔形成相應的六邊形并與銅連接片進行相互擠壓形成過盈配合狀態，既增加了摩擦力，又限制了空心插銷的旋轉自由度，使得孔內的插銷無法實現扭轉，從而提升了插銷的抗扭轉能力（如圖5）。

圖4 鉚接前

圖5 鉚接后

通過上述鉚接工藝方案的改進，我們將新工藝方案與常規鉚接工藝進行了扭力、拉脫力對比測試，實驗數據如表4。

通過表4中的實驗數據對比顯示，我們不難得出采用六邊形孔鉚接工藝，在抗扭轉能力方面遠遠優勝于常規的鉚接工藝，并且相對穩定，在極限拉脫力方面，常規鉚接工藝拉脫力均大于400 N，而新鉚接工藝只有160 ～180 N，所以采用正六邊形孔連接片與配套的六邊形沖頭的工藝解決了常規鉚接中扭轉力不足的問題，但同時也使得其拉脫力大幅度降低，此方案仍需要進一步完善。

表4 安規測試數據

拉脫力原因分析：

結合圖6與圖7的剖視圖可以看到，常規鉚接工藝相比于六邊孔型沖壓鉚接的插銷端部翻邊較大，與銅連接件接觸更多，受力面積更大，受力更均勻。

圖6 常規規工藝方案

圖7 六邊形沖壓鉚接方案

在圓孔沖鉚工藝中，沖鉚部位向外擴展翻邊，形成了喇叭口形狀，當受到拉脫外力F時，翻邊圓周整個邊沿均勻受力，其受力面積大，受力方向正好與拉脫力方向相反，插銷端部不易變形，具有較大的承載能力。

而在正六邊形孔型的沖鉚工藝中，沖鉚部位向外擴展翻邊，形成了六邊形狀擴孔，當受到拉脫外力F時，插銷端部受壓力F1作用易收縮變形而脫落，承載能力較差。

5 最終方案確定

經過上述的原因分析，我們不難看出要想在原有扭轉力不變的情況下提高插銷的拉脫力，需要結合圓孔型的翻邊工藝，將兩者結合起來，采用六邊形沖鉚與旋鉚翻邊的鉚接工藝，并對沖鉚與旋鉚的先后順序進行了研究與實驗對比：

1）先旋鉚后沖鉚，即先通過常規的旋轉鉚接將插銷端部進行翻邊，再通過六邊沖頭將翻邊內孔擴大為六邊形孔，以提高插銷的扭轉力，通過實驗測得相關數據如表5。

2）先沖鉚后旋鉚，先使用六邊沖頭將插銷端部進行擴孔，以限制插銷端部的旋轉自由度，然后再將擴孔后的端部按常規旋鉚方式進行翻邊，以提高插銷的拉脫力，通過實驗測得相關數據如表6。

從表5與表6兩組數據我們不難看出，兩種同樣的鉚接方式，加工順序不同，抗扭轉的性能也存在較大的差異，采用先沖壓鉚接再進行旋壓鉚接的鉚接工藝，其抗扭轉性能與抗拉能力最終達到最佳預期效果，完全能夠達到標準要求與客戶要求。

表5 先旋后沖鉚接工藝

表6 先沖后旋鉚接工藝

6 成本分析

通過本次新工藝的研究，結合目前銅材料的市場價格，我們對實心插銷與空心插銷的最終成本進行核算，本文以法式地極插銷為例，實心插銷采用加工鉛黃銅 HPb59-1，空心插銷為普通黃銅 H62，插銷規格為：Φ4.8×20 mm，加工成型后稱其重量，實心插銷的為3.08 g，空心插銷的重量僅為1.01 g，空心插銷的重量是實心插銷重量的1/3，相較于實心插銷更節省材料，單根插銷成本與鉚接加工成本如表7。

表7 單根插銷成本與鉚接加工成本表

通過表中成本核算，單根Φ4.8×20 mm的插銷，實心插銷要比空心插銷價格多0.08元，在鉚接工藝費用上，空心插銷鉚采用復合鉚接，相較于實心插銷的單次沖壓，在成本上多了0.03元，通過最終的成本核算，使用空心插銷單根可節約成本0.05元。

7 結論

本文通過詳細分析了不同材料與鉚接工藝對插銷性能的影響，最終確認了以H62空心插銷為主體，通過先沖鉚再旋鉚的復合鉚接工藝。

并闡述了實施例中的關鍵技術、鉚接原理、以及空心插銷的鉚接工藝設計中的難點和解決方法，并研究設計出更加滿足要求的插銷材料與插銷鉚接工藝，提出了一種空心插銷鉚接新工藝，為插頭插座等產品設計與加工提供了理論基礎。