熱熔斷器電阻優化工藝研究及運用

摘 要：熱熔斷體（國標GB/T9816.1-2013，也稱溫度保險絲）這樣的熱保護元器件，在自身被接入電路時，往往還要求有更低的阻抗和低發熱量（大多數企業電阻值幾十毫歐）。某生產企業年產大批量幾億支，對成品要求電阻最大≤1.0毫歐具有嚴苛的要求，要求一條生產線每天生產6萬支每天取樣1000PCS電阻CPK≥1.67，而這一產品指標在國內外四五十年實際生產中，往往不夠穩定，甚至造成大批量產品報廢。本文展開介紹并予以關鍵對策，在充分論證后，查找主要因素，利用6δ統計工具，通過結構分析、理論推定、最后改變模具，現場驗證，最終圓滿解決并實施。

關鍵詞：熱熔斷體；電阻；模具

熔斷體具有溫度感受敏感、動作準確、體積小、全密封不易污染等優點，也被大量在各種電路中使用，如民用電器熱吹風、加熱器、咖啡爐，工業中電機發動機溫度過高保護等。熔斷體接入電路也屬于回路中的導體，故其電阻阻抗必然越低越好。這種熱熔斷體，包含殼體、線腳、有機物熔體、塔式彈簧，推動（斷開）彈簧、觸點浮釘、觸點接觸片，絕緣瓷座等部件，這些部件通過順序組裝，在最后殼體卷邊，陶瓷線腳膠固，最后形成一種由接觸片接觸殼體內壁并導通的密閉圓柱體內，其產品外形兩頭細線腳，中間粗殼體，殼體內藏可熔體和儲能的彈簧圓柱體等物料的成品。使用中當熔斷體超過某種溫度后，其內部可熔體高溫迅速氣化，在彈力作用下將接觸片迅速推開使電路斷開，最后達到整個熔斷體兩線腳之間形成斷路。

一、熔斷器結構分析

典型熔斷體結構圖 如圖1，兩頭線腳粗細Φ1mm，中間殼體Φ4×11mm，外殼和獨立線腳屬于復合金屬材料。圖2是熔斷體爆炸分解圖和所包含的約有10種零部件。實際生產中，兩種彈簧均呈自由長度被裝填在外殼內，此后對接陶瓷加獨立線腳和外殼開口快速靜壓卷邊，形成接觸片和浮釘被再次頂入，塔簧被壓縮，殼體被封閉，有一定強度的整體，此后獨立線腳與陶瓷座之間再次被固膠，成為最終產品。

同時，根據結構和生產過程，由于接觸片外徑Φ0.17英寸（Φ4.318mm）大于外殼內徑Φ0.16英寸（Φ4.05mm），在第一次裝填接觸片前，沖壓模具已第一次將接觸片帶狀物料沖切預成型，成略有球面的單個薄片（如圖3）。在單個接觸片被裝填時，接觸片薄片外徑大，外殼內扣入口小，此時接觸片發生擠入折彎，屬第二次變形。最后在卷邊過程中，接觸片沿著外殼內壁接觸并輕微移動，塔簧被壓縮約2mm，于是發生第三次被壓彎過程，直到接觸片呈漏斗狀、居于外殼中心、八腳爪彎曲斜掛并抵觸存在于外殼內部。就此可以看到，接觸片有裝配經過了三次變形的過程，產品最后內部如X光透視圖見圖3。

二、電阻值因素分析

熔斷體組合體在完成組裝后，可以初步簡單推定，熔斷體最后的整體電阻值可是各接觸導通部件之和R，即：

R=R1+R2+R3+R4

其中R1為外殼電阻、R2為接觸片電阻、R3為銅銀浮定電阻，R4為獨立線腳。

實際上，以上兩兩相互接觸部件之間還存在接觸電阻，或者局部點線接觸的阻抗。這些接觸電阻也會直接影響到這個產品整體電阻值，有時可能無限放大，表現為：缺少接觸片浮釘這些部件、缺少塔式彈簧無力支撐、浮釘歪斜、接觸片歪斜、混有其它物料隔絕等等。而很多時候前述缺陷根本不存在，同樣的物料，同樣的生產設備，同樣的工藝，甚至同批生產員工同一段時間生產出的熔斷體產品，也會出現成批大量的電阻值大于1.0毫歐超差，過程檢驗抽查的樣品電阻CPK在0.6～1.0之間，嚴重者甚至出現一個生產單幾萬支完全報廢處理，這成為企業生產的一大難題。

熔斷體所需外殼和獨立線腳浮釘等物料，均采用銅基合金并表面鍍銀，接觸片為銀銅鎳合金俗稱銀帶，銀的電阻系數最小，為1.65×10-5毫歐，銅次之，為1.75 ×10-5毫歐，測量電阻R≤1.0毫歐是指外殼本體兩端間隔約25mm之間的實際電阻值，這個間距也很短，所以，根據電阻定律R=ρL/S，對這些阻抗系數很小的部件本身，電阻值可以忽略。在不缺部件、沒有異物隔離和最后彈簧卷邊緊密擠壓下，電阻R就剩余兩兩物料之間的接觸電阻，故R可以簡化為下式：

R=r1+r2+r3

其中r1為外殼內壁與接觸片間電阻、r2為接觸片與浮釘間電阻、r3為浮釘與線腳間電阻：

再從產品結構分析，浮釘和較軟金屬接觸片屬于面接觸，而浮釘球狀頭部和獨立線腳球面頭部均鍍有較軟的金屬銀，球面微變形能使接觸面變大，這些在塔簧約1.5kg頂緊支撐下，之間阻抗也很小，為此r2和r3同樣忽略不計。由此推定：熔斷體產品電阻值關鍵即為接觸片與外殼之間的接觸電阻所決定，則R進一步變為下式：

R=r1

接觸片的三次變形過程，其中最后一次接觸片8腳呈約75°彎曲才被完全固定，從圖4可以清楚地看到，接觸片中間被浮釘座按壓，接觸片8腳彎曲懸臂狀態并抵觸在外殼內壁上，對這個固定狀態利用3D進行有限元分析，如圖4是接觸片8腳外圍承受0.5kg力之后，8腳就有最大0.022mm位移量，就此說明接觸片此類接觸不緊密，同時，接觸片沖切后斷面直邊太尖銳的邊線也不利于電阻值減小。

長時期以來，同樣的物料、同樣的生產設備、同樣的工藝、同一批操作員、同一時段生產的產品，出現其電阻值波動幅度很大，對此國外也曾經同樣摸索嘗試不能成功，國內有企業集四五十年成熟經驗，產線有十多條，也經常出現當天早上滿足CPK≥1.67合格，下午又變差不合格，最后不得不停產的狀況。我們曾經在現場開展大量的數據收集采集，采取各種措施，如更換物料、變動載體、變換接觸片壓入速度，甚至利用電阻表現好的舊模具接觸片半成品進行驗證，走了很多彎路，結果還是找不出規律，如表1是試驗結果之一，CPK=1.07。具體結果見表1。

為此，探索找到影響產品電阻值的關鍵因素成為重點。當然，這些工作也反面證明，熔斷器穩定的電阻值，與使用的物料、工藝或環境無關。

三、熱熔斷器電阻優化工藝

通過以上分析，根據4M1E人/機/料/法/環五要素，設備要素才是可提高產品電阻穩定的唯一切入點，減少r1值，是否可利用模具第一次球面成型，重新設計接觸片模具目的是使得接觸片球面成型后具有一定的向上翻邊坡口，接觸片斷面翻邊有一定圓弧，而8腳接觸力也同時增大，最后減小并穩定r1這一電阻值。

在一般金屬沖切中，凸凹模之間都或大或小留有一定間隙，根據材料厚度和材料硬度，普遍允許留有板厚8%～18%間隙，而精密沖切，凸凹模間隙具有如下關系：

C隙/t=0.11（1-S深/t）

其中，C隙——凸凹模間隙； t——材料厚度；

S深——切斷前凸模壓入量銀帶較軟，成型為一定的球面碗狀，選擇C隙=8%×t=0.08×0.076=0.0061mm后，則切斷壓入量S深值：

S深=0.0089mm

結果S深/t=0.12，相當于凸模邊緣壓入料帶厚度12%時，開始切開料帶落料，便于接觸片碗狀成型。

沖切模具間隙，對于厚度小于1mm的精密沖切，行業內普遍以材料厚度的8%～10%來選擇，當然這個區間還與材料厚度和材料強度有關，也同樣與沖切斷面光潔度有關，這樣的目的可使模具壽命提高，而且也有利于多組凸凹模加工和裝配。

因此，凸模球面選擇RS=6.35mm，球面底與外圓邊差0.3747mm，S深=0.0089mm，遠小于0.3747mm。綜上，凸模需要依此展開設計，可以保證接觸片能第一次成型碗狀，碗狀的接觸片裝填時有更好的導向，碗狀的接觸片在第三次變形時，接觸片能夠被浮釘大平面底座擠壓，接觸片8腳反向抵觸外殼的力更大。還有凸凹模選擇適當的間隙，在保證切口毛刺不超過最大0.05mm下，保證接觸片外圓切口有一定翻邊，增大與外殼內壁接觸面積。具體結果見表2。

在重新制作了一批凸模，并更換安裝試生產的結果之一，在后續生產中，熔斷體電阻值CPK也非常穩定，CPK≥1.7長期保持穩定。

結語

本文所述項目屬于新開發熔斷體全自動生產線其中重點內容之一，其中也兼容另有一個大系列產品，這一系列熔斷體沒有浮釘，陶瓷座對稱也略長，剩余主要結構和要求一樣的產品，實際經過生產應用，新改的這套模具電阻CPK同樣符合要求。

為達到電阻CPK這一要求，我們也是頗費精力，正如前述，長時間大范圍找問題、對照圖紙檢討自身設計和設備、虛心請教咨詢、借鑒客戶公司已有經驗，比如接觸片第二次裝填過程，很多專家工程師認為是接觸片歪了造成，而現實有很多接觸片不歪的，同樣出現電阻高，此類屬于弱問題點，對電阻CPK提高幾乎無作用。像這樣將一些偶發的因素作為重點，最后的結果就是勞而無功。事后統計，我們在2～3個月的時間里，前前后后僅統計數據就有幾十萬之多，可以說疲于奔命。但最后，依靠本文這樣的分析和對策，我們最終還是圓滿解決了這樣的重大難題。

現實大批量的生產過程中，有各種因素比如浮釘變歪變形、浮釘鍍銀頭或獨立線腳球面頭部擦破等能影響到產品電阻，這些經過物料品質管控和生產設備調整，能夠很好減少并避免產品報廢，即使偶爾出現，事實上也不是成批大量發生，最后也能依靠出廠前產品測試檢測，如成品電阻測定、X光透視、位移速度傳感器測定等NG剔除。故這些已有成熟經驗和對策已實踐中完全應用，不屬本文論述范圍。

參考文獻：

[1]陳英霞，孫晶晶.熔斷器測試方法研究[J].儀表技術，2018（09）：30-32.

作者簡介：洪雪玉（1965.12－），漢族，浙江嘉興人，大專，浙江田中精機股份有限公司總工，主要從事自動化機電系統開發。