一種匯流環(huán)刷絲組裝配方法

劉蓓蓓，戴媛媛，戴 燁，葉 堃

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

作為雷達(dá)設(shè)備的關(guān)鍵部件,匯流環(huán)由導(dǎo)電環(huán)(旋轉(zhuǎn)部分)和電刷(固定部分)構(gòu)成一對(duì)電接觸副，其主要功能是傳導(dǎo)固定機(jī)柜及旋轉(zhuǎn)天線間的電能和信號(hào)等。[1]匯流環(huán)按電接觸副的類型主要分為電刷滑環(huán)和刷絲滑環(huán)。刷絲滑環(huán)以其體積小、質(zhì)量輕、性能指標(biāo)好的特點(diǎn)成為匯流環(huán)的主要發(fā)展方向。[2]

刷絲與導(dǎo)電環(huán)接觸部位之間接觸電阻的大小及變化率是衡量匯流環(huán)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，直接影響匯流環(huán)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。對(duì)于匯流環(huán)，接觸電阻越小，接觸性能越好，信號(hào)傳輸越穩(wěn)定。過大的接觸電阻會(huì)使接觸部位溫度升高，導(dǎo)致接觸件表面氧化加快，從而降低壽命。[3]接觸電阻除受刷絲和導(dǎo)電環(huán)材料影響外，還與刷絲和導(dǎo)電環(huán)之間裝配后的接觸壓力、接觸面積等因素相關(guān)。因此，刷絲組的裝配質(zhì)量直接影響匯流環(huán)的整體性能。

1 匯流環(huán)結(jié)構(gòu)特征

1.1 匯流環(huán)組成

某型匯流環(huán)采用了適用于雷達(dá)立式轉(zhuǎn)臺(tái)的柱狀結(jié)構(gòu)(如圖1所示[4])，由環(huán)芯、刷絲組、外殼等部分組成。環(huán)芯由薄片環(huán)狀銅基鍍金鎳合金導(dǎo)電環(huán)及絕緣環(huán)疊加而成，分為動(dòng)力環(huán)、信號(hào)環(huán)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)等不同類型。動(dòng)力環(huán)由2個(gè)刷絲組和16路導(dǎo)電環(huán)組成，采用一環(huán)四絲的設(shè)計(jì)，用于供電。信號(hào)環(huán)由2個(gè)刷絲組和50路導(dǎo)電環(huán)組成，采用一環(huán)兩絲的設(shè)計(jì)，用于傳輸電信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)由1個(gè)刷絲組和16路導(dǎo)電環(huán)組成，采用一環(huán)兩絲的設(shè)計(jì)，為設(shè)備提供兩條網(wǎng)絡(luò)通道。

圖1 柱式匯流環(huán)圖

由于環(huán)路數(shù)量多，因此環(huán)間間距相對(duì)較小，這對(duì)刷絲的安裝精度提出了較高的要求。刷絲組由焊接在印制板上的多路金屬刷絲組成，通過印制板固定在外殼上。刷絲與每個(gè)導(dǎo)電環(huán)之間構(gòu)成一組電接觸副，如圖2所示。

圖2 刷絲滑環(huán)結(jié)構(gòu)

1.2 刷絲組結(jié)構(gòu)

刷絲組由印制板、成對(duì)刷絲及引出線組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。印制板上沿軸向?qū)ΨQ焊接刷絲。每對(duì)刷絲對(duì)應(yīng)接觸同一個(gè)導(dǎo)電環(huán)，對(duì)稱方向上的兩對(duì)刷絲之間呈90°布置。印制板通過螺釘安裝在外殼上。高彈性刷絲通過預(yù)設(shè)壓力與導(dǎo)電環(huán)保持接觸。

圖3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)刷絲組結(jié)構(gòu)圖(1刷絲，2印制板，3引出線)

1.3 刷 絲

導(dǎo)電滑環(huán)作為兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間信號(hào)傳遞的精密輸電裝置。在傳輸電流和電信號(hào)的過程中，刷絲和滑環(huán)處于滑動(dòng)電接觸狀態(tài)，受到載荷和電流的耦合作用，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和電氣磨損。這些直接影響導(dǎo)電滑環(huán)的性能和壽命，因此需要選擇合適的刷絲材料。刷絲材料必須具有超高的耐磨性能及良好的電接觸性能。目前，采用最多的電接觸材料是貴金屬材料。[5-6]在各種貴金屬中,金的化學(xué)性能是最穩(wěn)定的。合金技術(shù)能夠提高金的機(jī)械性能，例如硬度和拉伸強(qiáng)度，而對(duì)其電導(dǎo)率沒有不良影響，并能提高對(duì)硫和硫化物的穩(wěn)定性。綜合考慮，選用了某有色金屬研究院的金鎳合金AuNi9作為刷絲材料。刷絲直徑為Φ0.8 mm，長(zhǎng)度46 mm，如圖4所示。該合金的主要成分是金、銀、銅、鎳，耐磨性好，體積小，落粉少。

圖4 刷絲

2 關(guān)鍵零件加工

匯流環(huán)關(guān)鍵加工零件有絕緣環(huán)、導(dǎo)電環(huán)、環(huán)芯等。它們的加工質(zhì)量對(duì)匯流環(huán)的性能有著至關(guān)重要的影響。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)采取合理的工藝來保證關(guān)鍵零件的質(zhì)量。

絕緣環(huán)起到導(dǎo)電環(huán)與底筒、導(dǎo)電環(huán)與導(dǎo)電環(huán)之間絕緣、支撐導(dǎo)電環(huán)及定位的作用。采用專用模具將新型環(huán)氧樹脂灌注成型后經(jīng)機(jī)加工成型。由于尺寸限制，絕緣環(huán)屬于薄壁件，給加工帶來了困難，工藝采用工裝、小進(jìn)給量、小切削深度等方法，保證了零件的加工尺寸。導(dǎo)電環(huán)采用黃銅板機(jī)加成型，為了保證平行度要求，粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。為了增強(qiáng)耐磨性，滑環(huán)軌道采用鍍鈀鎳金處理。傳統(tǒng)的環(huán)芯采用灌注成型，導(dǎo)電環(huán)位置精度較差。由于該型匯流環(huán)導(dǎo)電環(huán)尺寸較小，給灌注后加工帶來較大難度。因此，該型匯流環(huán)為不銹鋼環(huán)芯，采用分體式裝配、分段控制的方法，很好地解決了上述問題。

3 刷絲組裝配

3.1 裝配難點(diǎn)

刷絲組的裝配工藝過程是在印制板上裝入刷絲，將刷絲焊牢在印制板上，最后在印制板上焊接刷絲引出線，并對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行封膠。刷絲與導(dǎo)電環(huán)間的接觸電阻大小及變化率主要影響因素為刷絲與導(dǎo)電環(huán)的接觸壓力。為了保證印制板裝在外殼上后每根刷絲與滑環(huán)的接觸壓力相同，需要在刷絲裝配的時(shí)保證同組刷絲的角度和伸出印制板的長(zhǎng)度相同。

根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，由于刷絲數(shù)量多、刷絲細(xì)長(zhǎng)且刷絲與安裝孔之間屬于間隙配合，操作工徒手難以保證裝配精度。刷絲組裝配經(jīng)常出現(xiàn)刷絲伸出長(zhǎng)度參差不齊、刷絲角度難以保證的情況，如圖5所示。

圖5 不穩(wěn)定的刷絲組

在裝配過程中需要不斷調(diào)整每根刷絲的位置和角度，焊接時(shí)刷絲容易變形，導(dǎo)致裝配合格率和效率低。因此，要保證絲狀電刷空間尺寸的一致性，難點(diǎn)在于如何控制每根刷絲裝配時(shí)的角度和伸出印制板的長(zhǎng)度。只有解決了這一難點(diǎn)才能保證刷絲與導(dǎo)電環(huán)的可靠接觸，從而保證匯流環(huán)整體質(zhì)量。

3.2 工裝設(shè)計(jì)

為了保證刷絲裝配精度，針對(duì)3種刷絲組分別設(shè)計(jì)了專用工裝——刷絲架，如圖6所示。

圖6 刷絲架

以網(wǎng)絡(luò)環(huán)使用的刷絲架為例，刷絲架采用楔形結(jié)構(gòu)，兩斜面的角度為90°，與對(duì)應(yīng)導(dǎo)電環(huán)上兩刷絲的角度相同。按刷絲直徑、長(zhǎng)度及刷絲安裝角度，在斜面上對(duì)應(yīng)開8組凹槽，長(zhǎng)40 mm*寬0.9 mm*深1 mm。為了保證每根刷絲的下端齊平，在凹槽下端銑矩形通槽。在斜側(cè)面凹槽的頂部開槽，可在裝配過程中嵌入壓條，以保持刷絲平整不翹起。按印制板安裝孔尺寸在刷絲架上端面鉆螺紋孔，便于裝配時(shí)固定印制板。刷絲架材料選用鋁合金，表面陽極氧化后進(jìn)行填充。

由于設(shè)備工作在高濕、高溫、高鹽霧的海洋環(huán)境中，惡劣的條件會(huì)對(duì)焊點(diǎn)造成腐蝕，導(dǎo)致連接失效。因此，為了保護(hù)焊點(diǎn)、增強(qiáng)絕緣性，需對(duì)焊接處進(jìn)行封膠處理。由于膠流動(dòng)性較好，為了保證美觀，設(shè)計(jì)了封膠工裝，如圖7所示。

圖7 封膠工裝

3.3 裝配工藝

裝配時(shí)，首先將工作臺(tái)、工裝、工具等擦拭干凈，根據(jù)印制板圖號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的工裝。使用螺釘將印制板固定在工裝上，然后將16對(duì)刷絲分別穿過印制板刷絲孔裝入工裝架刷絲槽內(nèi)，保證刷絲完全進(jìn)入槽內(nèi)且底部齊平。刷絲全部安裝到位后，將刷絲焊牢在印制板上。為了防止焊接過程中刷絲翹起，可在側(cè)面粘貼紙膠帶，將所有刷絲固定在槽內(nèi)，最后在印制板上焊接刷絲引出線，其流程如圖8所示。

圖8 工藝流程

焊點(diǎn)和焊盤處選用南大704硅橡膠進(jìn)行灌封。704硅橡膠具有耐高溫、固化后不易發(fā)黃的特點(diǎn)，能起到較好的絕緣、密封、防潮、防震的效果。704硅橡膠屬于水汽固化密封膠，單次最大固化深度為3～5 mm。一次性灌滿會(huì)導(dǎo)致底部的膠接觸不到水汽難以固化，因此采用分次灌封工藝。將灌封工裝壓在印制板上，使焊點(diǎn)位于工裝槽內(nèi)中心位置，沿著工裝邊沿將膠灌入，膠厚度達(dá)到2.5 mm(工裝槽深度的一半)時(shí)停止灌膠，待膠完全凝固后按相同的工藝進(jìn)行第2次灌封，如圖9所示。待膠完全凝固后取下封膠工裝，將印制板從刷絲架上拆除，刷絲組裝配完成。

圖9 刷絲裝配圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種柱式匯流環(huán)，分析了其結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)刷絲裝配難點(diǎn)設(shè)計(jì)了刷絲架工裝和焊點(diǎn)封膠工裝，給出了刷絲架裝配工藝，成功裝配了滿足設(shè)計(jì)要求的匯流環(huán)。本文所述的刷絲組裝配方法顯著降低了裝配難度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為同類刷絲組的裝配提供了解決思路。