一种超大口径铜带导电滑环及其制备方法与流程

本发明涉及导电滑环技术领域，尤其是涉及一种超大口径铜带导电滑环及其制备方法。

背景技术：

导电滑环是由环体组件、电刷组件、结构支撑组件等组成的多环路滑动摩擦副结构轴向叠加而成的精密输电装置，可实现两个相对360°无限制自由旋转设备间功率和信号传输，主要应用于航空、航天、航海、兵器、风电等领域内需要进行信号旋转电传输的系统中。

与传统导电滑环依靠铜棒、铜管等材料实现电信号传输的方式相比较，超大口径铜带导电滑环的突出特点是：依靠低于1mm厚度的铜箔加工而成的铜带制作出环体组件部分，与刷丝束形成的电刷组件结构的滑动摩擦来实现旋转传输功能，具有超大传输直径超过2m、传输高可靠性、低摩擦力矩、传输信号噪声低等优点，尤其适用于我国各类超大口径的测试设备、空间超大口径望远镜、航管雷达和医用大口径检测系统的配套需求。

在超大口径电旋转传输装置的各个环路中，通过缠绕2mm宽、超过6m长的铜带经过压块安装，逐一累计安装多个环路形成环体组件，在环体组件的四周布置有多个电刷组件，电刷组件由刷丝束、导向柱、支架和绝缘层等组成，触点布置在环体组件的圆周位置。

刷丝束与环体组件的铜带相接触。工作时，刷丝束与铜带相对旋转，信号及电流通过刷丝与铜带的滑动摩擦进行传递，进而实现各环路的转动端与静止端之间的功率传输。

环体组件由2mm宽、超过6m长、厚度低于1mm的铜带缠绕在绝缘筒上，通过压块固定铜带的两端，实现铜带在圆周方向上的定位固定，选择的绝缘筒的材料的热膨胀系数和绝缘电阻性能，匹配铜带与绝缘筒的膨胀系数，保障铜带与绝缘筒的安装效果。

作为关键的滑动传输部件，刷丝束的成束制备工艺直接决定着电旋转传输装置的摩擦磨损、寿命和稳定性等重要指标。

刷丝束由超过10根直径均低于0.15mm的刷丝连接在刷丝束筒内，刷丝采用弹性四元素贵金属材料。

国外美、欧等国家对超大口径的导电滑环的制备工艺技术已经发展得比较成熟，技术成果已用于哈勃望远镜内的滑动旋转电传输装置中，可实现装备在轨可靠运行15年以上。国内近年导电滑环的研制技术发展较快，对导电滑环的环体组件部分和刷丝束的精密加工已取得一定进展，提升了导电滑环的电传输性能、效率和功率，但对超大口径下的环体组件和电刷束的制备技术方面还没有形成成熟的制备工艺方法，环体组件的成形目标直径2.4m、整圆电镀贵金属层仍有较大差距，而国外在此技术上对我国实行技术封锁。因此迫切需要进行超大口径的导电滑环的环体组件制备工艺技术研究，保障我国国防建设的持续稳定发展。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种传输口径大、信号传输质量无丢帧、稳定可靠的超大口径铜带导电滑环，导电滑环的环体组件能满足超大直径和电镀贵金属层的要求，同时具备良好的电接触性能，可满足导电滑环高可靠、长时间工作的要求。

本发明的第二个目的在于提供一种制备方法简单的超大口径铜带导电滑环的制备方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种超大口径铜带导电滑环，特征是：导电滑环由结构支撑组件、环体组件和电刷组件组成，其中：环体组件由绝缘筒、铜带、压块、铜带固定凹槽和螺钉组成，铜带缠绕于绝缘筒上，压块分段固定铜带于绝缘筒上，环体组件安装在结构支撑组件的转动底板上，形成导电滑环的转动端；电刷组件由刷丝束、导向柱、绝缘柱、导电螺母和电刷安装支架组成，刷丝束用压接钳通过压接安装在导向柱上，导向柱与绝缘柱安装在一起后再连接在电刷安装支架上，通过导电螺母固定导向柱；电刷组件安装在结构支撑组件的固定底板上，形成导电滑环的固定端；结构支撑组件由驱动轮、固定底板和转动底板，驱动轮安装在固定底板上，驱动轮驱动转动底板与固定底板产生相对旋转运动，实现环体组件与电刷组件的相对滑动接触。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种超大口径铜带导电滑环的制备方法，特征是：具体步骤如下：

一、制备环体组件：

a、制备铜带：

a、材料选择：t2纯铜铜箔；

b、铜带成形：将t2纯铜铜箔按照尺寸要求进行裁剪，裁剪成宽度为不低于0.5m、长度为不低于8m长的铜带尺寸，将裁剪好的铜带缠绕在直径为不低于600mm直径的加工工装上，形成一个缠绕了4-5圈的铜带，采用夹具工装固定；

c、铜带加工：将步骤b中固定好的铜带，采用数控车床的方式，对铜带进行2mm宽逐一逐一切断，由于铜带共缠绕4-5圈，铜带切削加工过程，按照车刀的加工路线，控制铜带的最外圈与内圈的宽度差在±0.02mm内；

d、铜带固定：在铜带加工过程中，每加工一条不低于8m长的铜带均按其自由状态进行放置，确定铜带无弯折和折痕现象后，通过缠绕的方式固定在一个直径为600mm的圆筒上；

e、电镀：将固定好的铜带逐个拆解下来，按照电镀工艺的清洗、酸洗、电镀贵金属的工序进行操作，电镀后，对电镀层表面进行整体表面抛光，以提高铜带表面镀层的光洁度，使铜带的电接触性能稳定，能满足信号传输要求；

b、制备绝缘筒：

a、材料选择：聚酰亚胺和纤维复合材料；

b、绝缘筒成形：按照绝缘筒的外形制作模具，在成形过程中，将聚酰亚胺和纤维复合材料压铸成模具形状，在绝缘筒的外壁上设有多个用于固定铜带、均匀间隔的凹槽，每个凹槽的宽度为2mm、深度为2mm，凹槽要求：在凹槽内安装铜带后，刷丝束能在凹槽内接触铜带而不跳出；

c、制备压块：材料选择h62黄铜，采用铣加工中心对压块进行加工成形，压块成形后，经过清洗、酸洗和电镀工艺，压块表面镀覆贵金属镀层；

d、铜带安装：将步骤a中制备好的铜带缠绕在绝缘筒外壁上的凹槽内，压块压入铜带的端头于铜带压接出口位置，用螺钉对压块进行固定，铜带的信号通过压块向外进行传输；

二、制备电刷组件：

a、导向柱成形：材料选择h62黄铜，按照常规加工方法，对h62黄铜进行精车工序，实现导向柱的安装刷丝束要求；

b、制备刷丝束：

a、材料选择：刷丝束的材料选择超过10根直径均不低于0.15mm的弹性四元素贵金属丝材组成的刷丝束；

b、刷丝束成形：按照刷丝束的长度要求，裁剪长度为不低于100mm、直径不低于0.15mm的弹性四元素贵金属丝，将贵金属丝放置在导向柱中，采用专用压接钳对导向柱进行压接，固定其成为一束刷丝；

c、绝缘柱成形：材料选择ys20聚酰亚胺，按照数控机床的车加工方法，对ys20聚酰亚胺进行精车工序，成形加工绝缘柱，将导向柱安装在绝缘柱上，实现相邻导向柱相互之间的绝缘要求；

d、导电螺母成形：材料选择h62黄铜，按照数控机床的车加工方法，对h62黄铜进行精车工序，成形加工导电螺母，将导电螺母通过螺纹连接在导向柱上，实现电信号传输；

e、电刷组件成形安装：调节导向柱，使各个刷丝束实现角度导向，电刷组件组装完毕；

三、制备结构支撑组件：

a、驱动轮成形：材料选择tc4钛合金，按照数控车加工方式对tc4钛合金进行精车工序，驱动轮的圆周加工精度控制在0.05mm内；

b、固定底板成形：材料选择7a04超硬铝，按照数控车加工方式对7a04超硬铝进行精车，并铣加工电刷组件所需的8个m4的螺纹孔；

c、转动底板成形：材料选择7a04超硬铝，按照数控车加工方式对7a04超硬铝进行精车，并铣加工环体组件所需的8个m4的螺纹孔；

结构支撑组件由驱动轮、固定底板和转动底板组成，驱动轮安装在固定底板上，能驱动转动底板进行相对运动；

四、将环体组件安装在结构支撑组件的转动底板上，将电刷组件安装在结构支撑组件的固定底板上，使得电刷组件的刷丝束与环体组件的铜带进行滑动接触，确定后续安装要求，确保刷丝束与铜带进行可靠电信号传输；

结构支撑组件上的驱动轮驱动转动齿轮使得环体组件转动，进而实现超大口径的导电滑环在电刷组件和环体组件的相对旋转运动。

在制备环体组件的步骤b中：裁剪好的铜带长度的尺寸为不低于8m，并留不低于0.464mm的长度余量，用于铜带的电镀装夹和后续安装的接头。

在制备环体组件的步骤e中：在电镀过程中，主要在铜带上依次电镀钯镍pdni，厚度为7μm，硬度为360hv；金钴auco，厚度为7μm，硬度为180hv；电镀后，采用麂皮对电镀层进行抛光，以提高表面光洁度和电接触性能。

本发明的电滑环由结构支撑组件、环体组件和电刷组件组成，其中：环体组件由绝缘筒、铜带、压块、铜带固定凹槽和螺钉组成，铜带缠绕于绝缘筒上，压块分段固定铜带于绝缘筒上，环体组件安装在结构支撑组件的转动底板上，形成导电滑环的转动端；电刷组件由刷丝束、导向柱、绝缘柱、导电螺母和电刷安装支架组成，刷丝束用压接钳通过压接安装在导向柱上，导向柱与绝缘柱安装在一起后再连接在电刷安装支架上，通过导电螺母固定导向柱；电刷组件安装在结构支撑组件的固定底板上，形成导电滑环的固定端；结构支撑组件由驱动轮、固定底板和转动底板，驱动轮安装在固定底板上，驱动轮驱动转动底板与固定底板产生相对旋转运动，实现环体组件与电刷组件的相对滑动接触。

本发明是在目前国内尚无超大口径导电滑环制备工艺的情况下，在进行了大量工艺试验摸索和研究的基础上，首创了一种超大口径的铜带式导电滑环制备工艺，成功地实现了超大尺寸铜带零件的制备技术，得到本发明得到的铜带具有良好的机械尺寸，以及在铜带上依次电镀钯镍，厚度为7μm，硬度为360hv；金钴，厚度为7μm，硬度为180hv的镀覆工艺技术。当环体组件与电刷组件相互转动时，电刷组件所用一个刷丝束有10个刷丝，每个刷丝均会与环体组件的铜带进行滑动摩擦，传输信号在电刷组件和环体组件之间进行传输，进而实现转动端与静止端之间的信号传输。环体组件能满足超大直径和电镀贵金属层的要求，同时具备良好的电接触性能，可满足超大口径铜带式导电滑环长时间工作、高可靠的要求，从而打破了国外技术封锁，填补了国内空白。

本发明具有传输口径大、信号传输质量无丢帧、稳定可靠、制备方法简单的优点，超大口径铜带式导电滑环可用于航空、航天、航海、风电等领域中超大直径下的旋转传输。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为图1的右视图；

图3为环体组件的俯视剖面图；

图4为图3中b-b向的剖面图；

图5为图3中a区域的放大图；

图6为图4中c区域的放大图；

图7为电刷组件的部分剖面图；

图8为图7的右视图；

图9为结构支撑组件的部分剖面图；

图10为图9的右视图；

图中：1-结构支撑组件；2-环体组件；3-电刷组件；4-绝缘筒；5-铜带；6-压块；7-铜带固定凹槽；8-螺钉；9-刷丝束；10-导向柱；11-绝缘柱；12-导电螺母；13-电刷安装支架；14-驱动轮；15-固定底板；16-转动底板。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种超大口径铜带导电滑环，导电滑环由结构支撑组件1、环体组件2和电刷组件3组成，其中：环体组件2由绝缘筒4、铜带5、压块6、铜带固定凹槽7和螺钉8组成，铜带5缠绕于绝缘筒4上，压块6分段固定铜带5于绝缘筒4上，环体组件2安装在结构支撑组件1的转动底板16上，形成导电滑环的转动端；电刷组件2由刷丝束9、导向柱10、绝缘柱11、导电螺母12和电刷安装支架13组成，刷丝束9用压接钳通过压接安装在导向柱10上，导向柱10与绝缘柱11安装在一起后再连接在电刷安装支架13上，通过导电螺母12固定导向柱11；电刷组件3安装在结构支撑组件1的固定底板15上，形成导电滑环的固定端；结构支撑组件1由驱动轮14、固定底板15和转动底板16，驱动轮14安装在固定底板15上，驱动轮14驱动转动底板16与固定底板15产生相对旋转运动，实现环体组件2与电刷组件3的相对滑动接触。

一种超大口径铜带导电滑环的制备方法，具体步骤如下：

一、制备环体组件2：

a、制备铜带5：

a、材料选择：t2纯铜铜箔（厚度为0.2mm）；

b、铜带成形：将t2纯铜铜箔（厚度为0.2mm）按照尺寸要求进行裁剪，裁剪成宽度为0.5m、长度为8m长的铜带尺寸，将裁剪好的铜带缠绕在直径为600mm直径的加工工装上，形成一个缠绕了4.5圈的铜带，采用夹具工装固定；

c、铜带加工：将步骤b中固定好铜带，采用数控车床的方式，对铜带进行2mm宽逐一逐一切断，由于铜带共缠绕4.5圈，铜带切削加工过程，按照车刀的加工路线，控制铜带的最外圈与内圈的宽度差在±0.02mm内；

d、铜带固定：在铜带加工过程中，每加工一条8m长的铜带均按其自由状态进行放置，确定铜带无弯折和折痕现象后，通过缠绕的方式固定在一个直径为600mm的圆筒上；

e、电镀：将固定好的铜带逐个拆解下来，按照电镀工艺的清洗、酸洗、电镀贵金属的工序进行操作，电镀后，对电镀层表面进行整体表面抛光，以提高铜带表面镀层光洁度，经过上述工艺后，此铜带5的电接触性能稳定，能满足信号传输要求，待装配；

b、制备绝缘筒4：

a、材料选择：聚酰亚胺和纤维复合材料；

b、绝缘筒成形：调整聚酰亚胺和纤维复合材料的热膨胀系数，让聚酰亚胺和纤维复合材料的热膨胀系数与铜带的热膨胀系数相当，按照绝缘筒的外形制作模具，在成形过程中，将聚酰亚胺和纤维复合材料压铸成模具形状，在绝缘筒的外壁上设有多个固定铜带、均匀间隔的凹槽，每个凹槽的宽度为2mm、深度为2mm，凹槽要求：在凹槽内安装铜带后，刷丝束能在凹槽内接触铜带而不发生跳出现象，提高接触可靠性；

c、制备压块6：材料选择h62黄铜，采用铣加工中心对压块进行加工成形，压块成形后，经过清洗、酸洗和电镀工艺，压块表面镀覆贵金属镀层；

d、铜带5安装：将步骤a中制备好的铜带5缠绕在绝缘筒4外壁上的凹槽内，压块6压入铜带的端头于铜带压接出口位置，用螺钉8对压块6进行固定，铜带5的信号通过压块向外进行传输；

二、制备电刷组件3：

a、导向柱10成形：材料选择h62黄铜，按照数控车加工，对h62黄铜进行精车工序，并对导向柱端面钻直径2mm孔，深度10mm；

b、制备刷丝束9：

a、材料选择：刷丝束的材料选择10根直径均为0.15mm的弹性四元素贵金属丝材组成的刷丝束；

b、刷丝束9成形安装：按照刷丝束的长度要求，裁剪长度为120mm、直径为0.15mm的弹性四元素贵金属丝，将贵金属丝放置在导向柱中，采用专用压接钳对导向柱进行压接，固定其成为一束刷丝；

c、绝缘柱11成形：材料选择ys20聚酰亚胺，按照数控机床的车加工方法，对ys20聚酰亚胺进行精车工序，成形加工绝缘柱，将导向柱安装在绝缘柱上，实现相邻导向柱相互之间的绝缘要求；

d、导电螺母12成形：材料选择h62黄铜，按照数控机床的车加工方法，对h62黄铜进行精车工序，成形加工导电螺母，将导电螺母12通过螺纹连接在导向柱上，实现信号传输；

e、电刷组件3成形安装：刷丝束安装在导向柱上，通过压接工具实现刷丝束与导向柱的固定和成形，用导电螺母12连接导向柱10和绝缘柱11整体安装在电刷安装支架13上，成形后的导向柱10会对刷丝束进行角度导向，电刷组件3组装在结构支撑组件1的固定底板15上，实现刷丝束9与铜带5的接触，通过调整电刷组件3与环体组件2的相对位置，实现导电滑环的接触性能最佳，电刷组件3装配完毕；

三、制备结构支撑组件1：

a、驱动轮14成形：材料选择tc4钛合金，按照数控车加工方式对tc4钛合金进行精车工序，驱动轮的圆周加工精度控制在0.05mm内；

b、固定底板15成形：材料选择7a04超硬铝，按照数控车加工方式对7a04超硬铝进行精车，并铣加工电刷组件3所需的8个m4的螺纹孔；

c、转动底板16成形：材料选择7a04超硬铝，按照数控车加工方式对7a04超硬铝进行精车，并铣加工环体组件2所需的8个m4的螺纹孔；

四、将环体组件2安装在结构支撑组件1的转动底板16上，将电刷组件3安装在结构支撑组件1的固定底板15上，使得电刷组件3的刷丝束9与环体组件2的铜带5进行滑动接触，确定后续安装要求，确保刷丝束9与铜带5进行可靠电信号传输；

结构支撑组件1上的驱动轮14驱动转动齿轮使得环体组件2转动，进而实现超大口径的导电滑环在电刷组件3和环体组件2的相对旋转运动。

在制备环体组件2所需的铜带5的步骤b中：裁剪好的铜带长度的尺寸为8m，并留0.464mm的长度余量，用于铜带的电镀装夹和后续安装的接头。

在制备环体组件2所需的铜带5的步骤e中：在电镀过程中，主要在铜带上依次电镀钯镍pdni，厚度为7μm，硬度为360hv；金钴auco，厚度为7μm，硬度为180hv；电镀后，采用麂皮对电镀层进行抛光，以提高表面光洁度和电接触性能。

在制备压块6过程中，在电镀过程中，主要在铜带上依次电镀钯镍pdni，厚度为7μm，硬度为360hv；金钴auco，厚度为7μm，硬度为180hv；电镀后，采用麂皮对电镀层进行抛光，以提高表面光洁度和电接触性能。