一种接触元件及其制备方法与流程

本发明属于接触元件技术领域，具体涉及一种接触元件及其制备方法。

背景技术：

新能源电动汽车上为实现电气传输和控制需要使用大量具备耐冲击振动的大电流连接器，电动汽车的大电流连接器主要由接触元件、壳体、绝缘体及附件四大部分组成。其中，接触元件是大电流连接器完成电气连接功能的关键核心零件，接触元件的好坏直接影响到汽车的安全性能，同时在与电动汽车配套的充电桩及充电枪中所需的大电流连接器要求机械寿命在10000次以上，而传统连接器的机械寿命一般是1000次，这对大电流连接器的接触元件提出了更高的技术要求。

目前，连接器行业的接触元件主要部件为以下方式：

1、密绕线簧，其工艺过程为：（1）采用QSn6.5-0.1的丝电镀Ni₂/Ag 3-5；（2）利用工装制具在薄壁套上以15度左右的斜度人工穿丝密绕，这样在套壁与丝之间形成很小的间隙作弹性；（3）将丝套压入插孔体；（4）铆接使丝套与插孔体为一体。密绕线簧可满足大电流及冲击振动的要求，但人工绕制丝套一致性难以控制，生产效率低，需培养熟练工人，生产成本高。

2、插孔劈槽式，其工艺过程为：（1）用T2材料加工插孔体；（2）对插孔体进行劈槽6-8个；（3）收口；（4）热处理；（5）电镀；（6）上卡簧（在插孔体外径上3-4道保持卡簧）。能满足大电流及1000次的机械寿命，但成本高，插拔力大；此外，T2导电性和塑性较好，但强度和硬度较差，极易变形，不能完成连接器插拔10000次的要求。

3、冠簧，又名柳叶簧，其工艺过程为：（1）用H65或C27000冲压成型，此过程需下死点高的精密冲床，对不同规格都需制作专用模具，前期投入大；（2）热处理，因H65或C27000黄酮带产品生产时退火质量较差，过大电流时易发热，满足不了大电流连接器温升的要求，同时生产运转繁琐，且在生产过程中出现的质量问题也较多；（3）电镀；（4）与插孔体装配。改工艺流程前期投入大，成本高，由于接触点较少能满足200A左右大电流1000次机械寿命的要求，但插拔力较大，对要求10000次以上的机械寿命比较困难。

4、簧中簧，其工艺过程为：（1）采用铍青铜丝绕簧；（2）焊接；（3）热处理，此过程在生产过程中退火质量较差，生产运作繁琐；（4）电镀。由于电镀后簧丝之间的间隙小，电镀层一致性差，对导电性能有一定的影响，且在生产过程中出现的质量问题也比较多，其利润不是很理想。

因此，目前急需要一种生产成本低，质量稳定，性能优异，可满足大电流及冲击振动要求的接触元件。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种接触元件及其制备方法，可有效解决现有技术中接触元件质量不稳定，性能差，且生产成本高，不能满足大电流及冲击振动要求的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种接触元件，包括插针以及与插针匹配的插孔组件；插针包括插针体和绝缘帽，绝缘帽设置于插针体的前端，与插针体过盈配合；插孔组件包括插孔体和环簧，环簧设置于插孔体前端内部，环簧截面为椭圆形，且有向内的弧度，弧度为60°；环簧包括簧丝和固定簧丝的支架卡圈，支架卡圈设置于簧丝内部。

进一步地，环簧个数可以根据电流大小来设置，如Φ15需设置3个环簧。

进一步地，环簧的材质为QSn6.5-0.1-Y2锡青铜。

进一步地，环簧的外层镀有Cu/Ep.Ni2Ag5。

进一步地，支架卡圈的外径大于插孔体的内径，小于插孔体（5）的外径。

一种大电流连接器，包括上述接触元件、安装板、壳体和用于固定壳体和线缆的塑封塑胶；

安装板包括第一前安装板、第一后安装板、第二前安装板和第二后安装板；第一前安装板和第一后安装板卡接且设置于接触元件中插针体外周；第二前安装板和第二后安装板卡接且设置于接触元件中插孔体的外周；

壳体包括插头壳体和插座壳体；插头壳体固定设置在第二前安装板和第二后安装板外周；插座壳体固定设置在第一前安装板和第一后安装板的外周；

线缆卡接于接触元件中插孔体的后端。

进一步地，上述大电流连接器还包括限制安装板左右运动的卡圈。

进一步地，上述大电流连接器还包括稳固插头和插座的连接套。

进一步地，上述大电流连接器还包括密封插座壳体与第二前安装板之间缝隙的密封圈。

上述接触元件的制备方法，包括以下步骤：

（1）绕簧：以QSn6.5-0.1-Y2锡青铜为材料绕制环簧基体；

（2）清洗：将步骤（1）中绕好的簧丝用质量浓度为5%的硫酸清洗，然后放入清水中在超声波条件下清洗，接着在80℃热水中冲洗，最后烘干；

（3）电镀：将清洗后的簧丝进行电镀，电镀镍后镀银，电镀镍的厚度为2μm，电镀银厚度为5μm，电镀完毕后进行清洗，先在50-60℃热水中清洗，再在室温下于蒸馏水中进行清洗，最后取出干燥；

（4）焊接：向电镀好的簧丝中装入支架卡圈，在工装中进行定型，然后将簧丝、支架卡圈与工装一起置于氮气激光焊接机中焊接，制成环簧；

（5）装配：将环簧置于插孔体前端组装成插孔组件，在插针体前端安装绝缘帽，组装成插针，插针和插孔组件匹配，得接触元件。

进一步地，步骤（1）中QSn6.5-0.1-Y2锡青铜的导电率≥7.83MS/m。

步骤（3）中镀镍过程：以六水合氯化镍和质量浓度为30-33%的盐酸作为电解质，电解质中六水合氯化镍浓度为240g/L，所加盐酸的量达到320mL/L，以镍板作为阳极，簧丝作为阴极，在电流密度为3.5-7.5A/dm²条件下电镀2-4min。

步骤（3）中镀银过程：以氯化银和碳酸钾为电解质，电解质中两者浓度分别为30-35g/L和15-30g/L，以银作为阳极，簧丝作为阴极，在电流密度为0.5-2A/dm²条件下电镀5-15min。

本发明具有以下有益效果：

（1）当插针穿过环簧插入插孔体后，环簧会受到插针向外的力和插孔体向内的力而产生弹性变形，使得插针与插孔体通过环簧实现任何状态下的弹性接触，从而保证了电流及信号传输的可靠性；绕制簧丝时，每圈簧丝倾斜60°，焊接后形成径向环簧，其目的是让制得的环簧变形适度；若绕制簧丝时倾斜角度大于60°，插针插入插孔体后会因环簧变形量增大而使插拔力大大增加；当倾斜角度小于60°时，环簧弹性变形量不足，使得插针和插孔体接触不紧密，最终产生过大电流进而导致温升超标。

为了保证环簧与插孔体、环簧与插针具有大的接触面积，而不仅仅是点接触，因此将环簧截面绕制成椭圆，保证了过大电流的需求。

（2）本发明选用QSn6.5-0.1-Y2锡青铜作为绕制环簧基体，其具有高强度、高弹性、耐磨性和抗磁性，在电镀Cu/Ep.Ni2Ag5后可以抵抗10000次插拔不变形，保证大电流接插件的工作性能；具有优良的导电性，电导率≥7.83MS/m，可以保证新能源汽车连接器大电流的要求；在热态和冷态下加工性良好，对电火花有较高的抗燃性，可焊接和纤焊，可切削性良好；在大气、淡水中耐蚀（汽车充电枪座经常暴露在空气中），设计选用的材料性能完全能够保证新能源汽车连接器的使用要求。

因QSn6.5-0.1-Y2锡青铜具有优良的冷加工性、导电性和机械性能，并且弹性极限非常高，因此十分符合制作弹性接触元件。

（3）接触元件生产工艺简单，生产成本低，生产效率高，合格率高，从生产到成品，材料不需要进行热处理，直接冷加工一次成型。

与密绕线簧相比，本设计在绕簧工序上直接使用数控绕簧机，更快更方便，降低了人工穿丝的高成本。

与插孔劈槽式相比，本设计加工的接触元件不存在加工余料，降低了原材料成本，并且插拔力比插孔劈槽式小。

与冠簧相比，本设计一系列的簧丝均可在一台数控绕簧机上加工出来，不需要模具，降低了前期投入成本。

与簧中簧相比，本设计一次冷加工成型，成型后不需要进行热处理，简化了工序，工序的减少直接降低了成本，且减少了出错的机会，大大降低了不合格率，提高了生产效率。

（4）该接触元件机械寿命≥10000次插拔（普通接触元件机械寿命为1000次），可广泛用于插拔频繁的领域，如新能源电动汽车的充电插座，动力线，信号线，手动维护开关（MSD）等；具有耐冲击振动的领域，如轨道交通，军用连接器，航天航空等。根据使用领域及使用要求设计了Φ6、Φ8、Φ10、Φ12和Φ15等系列的接触元件，通过实验验证达到设计效果。

附图说明

图1为接触元件的结构示意图；

图2为接触元件的剖面图；

图3为接触元件的分解剖面图；

图4为环簧结构示意图；

图5为环簧侧面图；

图6为插针插入插孔组件的截面图；

图7为大电流连接器的结构示意图；

图8为大电流连接器的剖面图。

其中，1、插针；2、插孔组件；3、插针体；4、绝缘帽；5、插孔体；6、环簧；7、簧丝；8、支架卡圈；9、连接套；10、线缆；11、塑封塑胶；12、第一前安装板；13、第一后安装板；14、第二前安装板；15、第二后安装板；16、插头壳体；17、插座壳体；18、卡圈；19、插头；20、插座；21、弹簧；22、密封圈；23螺孔。

具体实施方式

实施例1

参考图1-8，本实施例提供一种接触元件，包括插针1以及与插针1匹配的插孔组件2。

插针1包括插针体3和绝缘帽4，绝缘帽4设置于插针体3前端，与插针体3过盈配合，绝缘帽4的作用一是防止导电，当插针1装于插头19上时，若插针1导电，插针1中的绝缘帽4可以起到绝缘作用，避免人体触电；作用二是防止拉弧，带电插拔时，首先是插针1中的绝缘帽4与插孔组件2接触，可以防止电弧的产生。

插孔组件2包括插孔体5和环簧6；插孔体5开槽为135°V型槽，槽宽大于环簧6的高度，槽底内径小于环簧6的外径，槽数的多少根据电流大小来确定；环簧6设置于插孔体5前端槽内，环簧6截面为椭圆形，且有向内的弧度，弧度为60°，环簧6设置有3个；环簧6包括簧丝7和固定簧丝7的支架卡圈8；簧丝7的材质为QSn6.5-0.1-Y2锡青铜，在簧丝7的外层还镀有Cu/Ep.Ni2Ag5。环簧6的形成过程为：先将簧丝7绕制成环簧6基体，然后将支架卡圈8装于环簧6基体中，在工装上定型，然后再在激光焊接机下焊接，即组成了环簧6，因支架卡圈8的外径大于插孔体5的内径，有利于固定簧丝7并使其适当变形。

一种大电流连接器，包括上述接触元件、安装板、壳体和用于固定壳体和线缆10的塑封塑胶11；安装板包括第一前安装板12、第一后安装板13、第二前安装板14和第二后安装板15；第一前安装板12和第一后安装板13卡接且设置于接触元件中插针体3外周；第二前安装板14和第二后安装板15卡接且设置于接触元件中插孔体5外周；

壳体包括插头壳体16和插座壳体17；插头壳体16固定设置在第二前安装板14和第二后安装板15外周；插座壳体17固定设置在第一前安装板12和第一后安装板13外周；

线缆10卡接于接触元件中插孔体5后端。

插针1、第一前安装板12、第一后安装板13和插座壳体17组成了插座20；插孔组件2、第二前安装板14、第二后安装板15、插头壳体16、线缆10和塑封塑胶11组成了插头19。

上述大电流连接器上还设置有限制安装板左右运动的卡圈18、稳固插头19和插座20的连接套9、限制连接套9运动的弹簧21和密封插座壳体17与第二前安装板14之间缝隙的密封圈22。

使用时，将插头19和插座20连接，此处可以是螺纹连接，当插座20旋入插头19时，插针1穿过环簧6插入插孔体5中，环簧6会受到插针1向外的力和插孔体5向内的力而产生弹性变形，使得插针1与插孔体5之间连接紧密。第一前安装板12插入第二前安装板14与连接套9的空隙中，插头壳体16和插座壳体17形成一个整体，卡在安装板外，插头壳体16外还设置有连接套9，连接套9通过弹簧21进行左右运动，连接套9向右运动时，弹簧21处于压缩状态，此时插座20的陶瓷珠才能进入插头壳体16的槽内，插座20才能很好的与插头19稳固连接。插头19和插座20上还设置有卡圈18，卡圈18的作用是限制安装板左右运动，起限位作用。插座20上还设置有密封圈22，密封圈22的作用是密封插座壳体17与第二前安装板14之间的缝隙。插针1末端上还设有螺孔23，导线压接端子与该螺孔23进行螺纹连接，插孔体5末端卡接有线缆10，通过塑封塑胶11将线缆10与插头壳体16固定起来。

上述接触元件的制备方法，包括以下步骤：

（1）绕簧：以QSn6.5-0.1-Y2锡青铜为材料，在数控绕簧机上绕制环簧基体；所用QSn6.5-0.1-Y₂锡青铜的导电率≥7.83MS/m；

（2）清洗：将步骤（1）中绕好的簧丝用质量浓度为5%的硫酸清洗，然后放入清水中在超声波条件下清洗，接着在80℃热水中冲洗，最后烘干；

（3）电镀：将清洗后的簧丝进行电镀，Cu/Ep.Ni2Ag5，电镀镍的厚度为2μm，再电镀5μm银，电镀完毕后进行清洗，先在60℃热水中清洗，再在室温下于蒸馏水中进行清洗，最后取出干燥；

其中，镀镍过程：以六水合氯化镍和质量浓度为30%的盐酸作为电解质，电解质中六水合氯化镍浓度为240g/L，所加盐酸的量达到320mL/L，以镍板作为阳极，簧丝作为阴极，在电流密度为5.5A/dm²条件下电镀3min；

镀银过程：以氯化银和碳酸钾为电解质，电解质中两者浓度分别为30g/L和15g/L，以银作为阳极，簧丝作为阴极，在电流密度为1.0A/dm²条件下电镀10min；

（4）焊接：向电镀好的簧丝中装入支架卡圈，在工装中进行定型，然后将簧丝、支架卡圈与工装一起置于氮气激光焊接机中焊接，环簧；

（5）装配：将环簧置于插孔体前端组装成插孔组件，在插针体前端安装绝缘帽，组装成插针，插针和插孔组件匹配，得接触元件。

实验例

以Φ15环簧为例，其簧丝为0.3mm，环簧内径为15mm，高度为3mm，将其组装成接触元件，然后对接触元件进行电气性能测试：

接触电阻：测试条件USCAR-2, Section 5.3.1.4，测试要求＜1.5mΩ，实际测试值为0.22 mΩ，满足要求。

静态升温：测试要求接135mm²线缆，电流400A，温升＜42℃，实际测试值30℃，满足要求。

插拔寿命：测试要求10000次循环插拔，每2000次测试一次温升，温升＜42℃，并记录分离力，实际分离值开始为23N左右，随着插拔次数的增加，分离力逐渐减少，10000次插拔结束，分离力为18N，满足分离力在15-30N的要求；实际温升开始值为30℃，随着插拔次数增加，温升逐渐增加，10000次插拔后温升值为38℃，满足温升＜42℃的要求。

振动温升：测试要求USCAR-2.Section5.5.6.4，温升＜42℃，实际测试值35℃，满足要求。

高温寿命：测试要求温度85℃，时间1008h，每隔200h测量一次接触电阻，实际测试后的测量值为38℃，满足温度＜42℃的要求。

冷热冲击：测试要求-40℃/85℃，每个温度30min，转换时间为30s内，循环100次，温升＜42℃，实际测试值35℃，满足要求。

温湿度循环：按照USCAR-2.Section5.6.2测试，要求温度-40℃~85℃循环40次，试验后进行250A温升测试，温升要求＜42℃，实际测量值为35℃，满足要求。

分别以Φ6、Φ10和Φ12环簧接为例，按照上述测试项目进行测试，均满足要求，其中，在静态升温项目中，Φ6环簧接16mm²线缆，电流为80A；Φ10环簧接70mm²线缆，电流为250A；Φ12环簧接70mm²线缆，电流为250A。