Технология холодного обжима контактов

По своей сути обжим — это соединение провода и терминала. Существует множество различных контактов под обжим, доступных на рынке, но все они имеют общую черту: соединяются с проводом посредством механической деформации пластичных элементов контакта.

На ленте и россыпью

Контакты поставляют на ленте (соединены вместе на несущей ленте) или россыпью. Ленточные терминалы (рис. 1) проще в обращении, так как их можно легко подавать из катушки и обрабатывать на полу- или полностью автоматических машинах. У терминалов, поставляемых россыпью, нет полосы носителя. Поэтому клеммы должны быть приведены в правильное положение вручную или с помощью вибрационного питателя. Из-за трудностей в работе контакты россыпью используются реже, чем контакты на ленте.

Рис. 1. Терминалы на ленте бок о бок

Открытые и закрытые

Оба вида контактов — и на ленте, и россыпью — бывают открытого или закрытого типа. Термин «открытые» или «закрытые» относится к конструкции контактов. Контакты закрытого типа (такие как изолированные наконечники проводов или изолированные быстроразъемные контакты) имеют форму полностью закрытого цилиндра. В этом случае зачищенные провода должны быть вставлены в кольцевую обжимную матрицу со стороны открытого конца контакта. Открытые клеммы имеют обжимные лепестки в форме буквы «U», позволяющей вкладывать провод сверху вниз. Обжим открытых контактов легче автоматизировать, а потому они чаще всего применяются в массовом производстве.

Боковая и задняя подача

При использовании открытых клемм на ленте решающими факторами в выборе соответствующего процесса обработки становятся расположение контактов на ленте и то, как они соединены — при помощи несущей ленты параллельно или без несущей ленты последовательно. Расположение контактов определяет тип подачи в пресс. Производители прессов и обжимных инструментов, например Schleuniger, предлагают различные варианты оборудования, позволяющего обрабатывать практически все типы терминалов.

Одиночная и двойная несущие ленты

Ленточные терминалы могут быть на одиночной или двойной ленте — в зависимости от количества несущих полос, фиксирующих контакты. Положение несущих полос, а также их количество определяют конструкцию обжимных инструментов. Многие производители обжимных аппликаторов сосредоточены на наиболее распространенных типах контактов. Тем не менее специалисты по холодному обжиму контактов Schleuniger следуют другой стратегии: от стандартных до сложных типов контактов. Так, компания предлагает аппликатор Uni-A для сечений кабеля до 6 мм², оснащенный как боковой, так и задней подачей терминалов, механической или пневматической подачей, работающий как с одиночными, так и с двойными лентами. Также на рынке представлены и обжимные прессы, в частности UniCrimp 200 (со стандартной функцией «сплит-цикл»), который способен обрабатывать закрытые контакты (например, изолированные кабельные наконечники). В дополнение к универсальным обжимным аппликаторам Uni-A и FlexoCrimper (до 6 мм²), ассортимент Schleuniger содержит аппликаторы HeavyCrimper для проводов до 35 мм², а также специальные инструменты для обжима клемм россыпью для сечений кабеля до 50 мм².

Обжим провода и изоляции

Как правило, с ленточными контактами две процедуры обжима происходят одновременно (так называемый обжим проводника и обжим изоляции). Постоянное развитие технологий привело к развитию новых видов обжима, например трехзонного обжима коаксиального кабеля. Обжим провода формирует механико-электрическое соединение между внутренним проводником (в частности, «жила») и контактом. Это соединение должно быть герметичным. Обжим на изоляцию должен поглощать воздействующие на соединение факторы — вибрацию или натяжение — таким образом, чтобы они не влияли на обжим зоны проводника. Обжим изоляции образует чисто механическое соединение между терминалом и изоляцией кабеля. Поэтому важно, чтобы в процессе обжима не было повреждения изоляции.

О‑, B‑ и U‑обжим

Окончательная форма зоны обжима контакта (рис. 2) после процесса опрессовки привела к относительно общим терминам «В‑обжим», «О‑обжим» и «U‑обжим». Другие виды обжима, которые используются реже, предполагают четырехточечный, шестигранный или трапециевидный обжим. Зачищенный провод вставляется в контакт, после чего контакт и провод обжимаются с помощью специфических деталей (оснастки) аппликатора. Характерную форму, которая дала такие названия, можно увидеть в поперечном сечении обжатого терминала и провода в области изоляции и в области обжима проводника.

Рис. 2. Обжим контакта

Обжим проводника

Наиболее распространенный обжим про-водника (рис. 3) для многожильных проводов — это В‑обжим. Когда лепестки терминала формируют в процессе обжима, отдельные лепестки контакта двигаются симметрично внутри обжимного инструмента вследствие симметрии формы обжима контакта. Герметичного соединения для многожильных проводов легче добиться В‑обжимом, чем О‑обжимом. В отличие от этого обжим одножильных проводов не может быть герметичным в случае В‑обжима, поскольку нет отдельных жил, которые могут перемещаться во время данного процесса. Для одножильных проводов, как правило, выполняется О‑обжим.

Рис. 3. Обжим проводника

Обжим изоляции

Обжим изоляции (рис. 4) служит исключительно для поглощения каких-либо сил, влияющих на область обжима проводника. В этом случае задача состоит в формировании связи с изоляцией, не повреждая ее. В‑обжим обеспечивает очень высокую устойчивость соединения, но в определенной степени все-таки повреждает изоляцию, причем опасность повреждения больше, чем при О‑ или U‑обжимах, где обжимные лепестки только окружают изоляцию, не проникая в нее.

Рис. 4. Обжим изоляции

Опыт является решающим фактором

С учетом многочисленных форм, факторов воздействия и параметров, которые должны быть приняты во внимание, не удивительно, что разработка специфических частей (оснастки) обжимного аппликатора требует значительного опыта. Более 30 лет компания Schleuniger использует технологии обжима различных типов контактов, поэтому сегодня ее специалисты могут предложить эффективные комплексные решения.

В чем важность аппликатора?

Обжимной аппликатор (рис. 5, 6) является «сердцем» процесса опрессовки — независимо от того, осуществляется она полу- или полностью автоматически. Степень и тип деформации обжимных лепестков контакта определяются аппликатором и его специфическими деталями (оснасткой), например такими, как обжимная пресс-форма и наковальня. Следует помнить, что высокое качество обжима может обеспечить только тот инструмент, который оптимально совпадает с геометрией обжимного контакта.

Рис. 5. Аппликаторы с боковой подачей:
а) Schleuniger Uni-A с механической подачей;
б) Schleuniger Uni-A с пневматической подачей

Рис. 6. Аппликаторы с подачей сзади:
а) Schleuniger Uni-A с механической подачей;
б) Schleuniger Uni-A с пневматической подачей

Инженеры Schleuniger утверждают: «Если оснастка специфических деталей изготовлена не точно, то даже самая лучшая машина обжима не сможет добиться хорошего результата. Мы разрабатываем и производим не только аппликаторы, но и обжимные машины, машины зачистки-обжима, полностью автоматические линии и системы передачи, поэтому мы очень хорошо понимаем важность обжимного аппликатора как центрального элемента в производстве». Таким образом, понятно, что ключевые факторы в разработке обжимного аппликатора — это высокая точность и удобство в обслуживании. Отметим, что каждый обжимной аппликатор проходит внутренние тесты и анализ поперечного сечения соединения.

Центральная роль подачи

Наравне с оптимальной конструкцией оснастки базовая конструкция подачи контактов играет существенную роль. С контактами, расположенными на несущей ленте, система подачи аппликатора отвечает за точность позиционирования контактов до обжима. На первый взгляд может показаться второстепенным, будет ли подача пневматическая или механическая. Но отклонения от идеальной позиции способны привести к сбою процесса.

Механическая и пневматическая подача

С механической подачей вертикальный ход штока обжимного пресса «переводит» в горизонтальное движение транспорта несущую ленту контакта так, что после каждого цикла обжима следующий контакт приводится в точное предопределенное положение между наковальней и обжимным штампом. Поскольку шаг между контактами на несущей ленте (рис. 7), как правило, различается между разными типами контактов, большинство аппликаторов имеет регулируемые установки, предназначенные для его настройки. Пневматический привод часто используется в автоматическом режиме для достижения высокого уровня точности и позиционирования на больших расстояниях (рис. 8). Преимущество пневматической подачи в том, что транспортировка не согласована с вертикальным ходом пресса напрямую, поэтому скорость и синхронизацию подачи можно регулировать по отдельности.

Рис. 7. Расстояние (шаг) между терминалами на несущей полосе

Рис. 8. Схема интеграции процесса обжима

Боковая и задняя подача

В зависимости от того, как контакт расположен на несущей полосе, подача должна проходить либо сбоку (аппликатор с боковой подачей, рис. 9, 10), либо сзади (аппликатор с задней подачей, рис. 11).

Рис. 9. Боковая подача слева

Рис. 10. Боковая подача справа

Рис. 11. Подача сзади

Универсальный обжимной аппликатор имеет ход штока 40 мм и высоту инструмента 135,788 мм (высота аппликатора в закрытом состоянии). Но аппликаторы различаются направлением подачи, которая определяется в конечном счете производителем контактов: со стороны (слева или справа) или сзади — естественно, с разным шагом расположения контактов.

Многочисленные настройки

Для достижения оптимальных результатов при обжиме должны быть сделаны многочисленные настройки аппликатора, такие как высота обжима на проводник и на изоляцию, конечное положение терминала, компенсация люфта и регулировка силы фиксирующей системой. Наиболее удобно, если такие параметры регулируются в аппликаторе и прессе (как, например, у Schleuniger Uni-A), и необходимые корректировки могут быть оперативно изменены.

Что является стандартом?

В Европе в качестве стандарта определены ход штока аппликатора 40 мм и три точки крепления аппликатора в прессе. Такие аппликаторы предназначены и для провода с поперечным сечением до 6 мм² (AWG 10). Для более крупных поперечных сечений или для использования, например, плоских кабелей пока не существует международного стандарта. Компания Schleuniger предлагает стандартный обжимной аппликатор Uni-A в различных конструкциях (механическая, пневматическая, боковая, задняя подача) для контактов закрытого типа, с ходом штока 30 мм, или двойной обжимной аппликатор — FlexoCrimper (специальный стандарт аппликатора для высокоскоростного автоматического производства). Schleuniger также имеет специальные аппликаторы для сечений до 50 мм² и ассортимент решений для обжима плоских кабелей (FFC/FPC).

Какое влияние оказывает пресс на качество обжима?

В отличие от обжимного аппликатора (многочисленные возможности настройки которого влекут за собой возникновение различных факторов влияния), у обжимных машин решающими факторами являются усилие пресса, повторяемость и продолжительность цикла. Другие важные критерии — взаимодействие пресса с обжимным аппликатором и система мониторинга силы обжима.

Основная функция

Пресс перемещает шток аппликатора в положение «нижней мертвой точки» (НМТ), где происходит деформирование контакта с проводником до заданной высоты обжима, и возвращает инструмент в исходное положение, на «верхнюю мертвую точку» (ВМТ).

Высота аппликатора и ход штока

Возможность использовать обжимной аппликатор пресса обусловлена совместимостью высоты аппликатора, хода штока и системы фиксации аппликатора. Высота аппликатора (рис. 12) — это расстояние между верхней и нижней монтажными позициями аппликатора в закрытом положении (высота аппликатора в закрытом положении). Каждый обжимной аппликатор, используемый в данном прессе, должен иметь одинаковую высоту и ход штока. Для применения всего спектра предлагаемых изделий пресс имеет европейский стандарт высоты аппликатора 135,788 мм.

Рис. 12. Пример высоты аппликатора

Ход штока — это расстояние между открытой и закрытой позициями опрессовки. Поскольку вертикальное перемещение аппликатора осуществляется исключительно обжимным прессом, ход штока аппликатора должен точно совпадать с ходом штока пресса. В зависимости от производителя аппликатора ход штока варьируется, как правило, между 39 и 42 мм, но в США и Азии распространено и значение в 30 мм. Поэтому Schleuniger предлагает прессы с ходом 40 и 30 мм (и адаптеры для аппликаторов). Точный ход штока пресса, особенно с механической подачей терминалов, имеет центральное значение для протяжки терминала, так как ход штока пресса напрямую переходит в горизонтальное движение подачи терминала.

Сила обжима и режимы эксплуатации

Усилие обжима (как правило, указано в килоньютонах или тоннах) определяет площадь поперечного сечения провода, которая может быть обработана. Чтобы достичь оптимального обжима, требуемое минимальное усилие изменяется в зависимости от сечения проводника, типа провода (сплошной или многожильный), типа контакта для обработки. UniCrimp 200 от Schleuniger имеет усилие 33 кН, поэтому может быть использован с разнообразными проводами и клеммами. По мере движения ротора мотора вращательное движение приводного электродвигателя преобразуется в линейное движение посредством коленчатого вала с эксцентриковым кривошипным рычагом. Преимущество этой конструкции состоит в том, что положение «нижней мертвой точки» (НМТ) пресса является точным и воспроизводимым. Максимальное усилие возникает за несколько градусов перед НМТ и продолжается до нее. Поэтому деформация терминала должна быть завершена по достижении нижней мертвой точки. Второе максимальное усилие происходит вскоре после НМТ и не способствует деформации. Комбинированный привод, как, например, у Schleuniger UniCrimp 500 (рис. 13), обеспечивает быстрый возврат в исходное положение и короткое время цикла. Сам процесс деформации осуществляется медленней, не требуя большего времени цикла, что позволяет достичь оптимального результата обжима.

Рис. 13. Пресс UniCrimp 200

Время цикла

При покупке нового обжимного пресса определяющим фактором все чаще становится короткое время цикла. В совокупности с механическими аппликаторами высокая скорость пресса автоматически влияет на скорость подачи транспорта обжимного аппликатора, тем самым воздействуя и на точность позиционирования контакта. В зависимости от проводника и контакта для оптимального обжима материал также должен выдерживаться под давлением определенное время в процессе деформации. Недостаточное время может привести к снижению качества соединения. Таким образом, оптимальная настройка пресса и обжимного инструмента зависит от материала (сталь, латунь) и покрытия (золото, серебро, олово).

Повторяемость

Повторяющаяся точность обжима является решающей характеристикой, поскольку в противном случае начальная тонкая настройка теряется во время работы. Если процесс обжима не исполняется с постоянной скоростью и силой, это может привести к нежелательным результатам. Если аппликатор применяется в различных прессах, следует убедиться, что его высота одинакова. Это можно сделать, регулярно используя калибровочное устройство. Калибровка обеспечивает достижение одинаковых результатов на разных прессах. Стабильность и точность подшипников и направляющих также имеет большое значение для поддержания высокого качества продукции в течение долгого срока. Износ механических частей старых прессов приводит к увеличению люфтов, а значит, и к снижению качества обжима.

Система контроля усилия обжима

Система контроля усилия обжима — это измерительный прибор для проверки качества обжима. Он контролирует взаимодействие пресса, аппликатора и контакта в ходе процесса обжима. Во время процедуры обжима датчик измеряет усилие пресса и сообщает об этом электронной системе управления, которая преобразует записанную силу в график «Сила ко времени». Цель данной процедуры — выявление отклонений графика. График качественного обжима используется для «обучения» системы и расчета прилагаемой силы для ее корректировки. Каждый последующий обжим сравнивается с эталонной обжимной силой. Отклонения графика (выход за пределы допусков) регистрируются с пометкой «брак». В настоящее время два из трех прессов имеют встроенную систему мониторинга усилия обжима. Другие характеристики качества обжима имеют только один параметр, например высоту или ширину обжима и усилие на разрыв. Каждый из этих показателей характеризует качество соединения.

Время переналадки и гибкость

Доступность и оперативность переналадки и технического обслуживания является неоспоримым преимуществом. Замена аппликатора должна проходить просто и по возможности без дополнительных инструментов. Если рабочая зона слишком мала, использование определенных стандартных аппликаторов не всегда допустимо. Для обеспечения максимальной гибкости обжимная машина должна иметь регулируемую величину давления, клапан для пневматического обжимного аппликатора и функцию с разделенным циклом для обработки закрытых терминалов. Только при полной совместимости пресса, аппликатора и системы мониторинга усилия обжима удается достичь оптимального качества выполнения операции. На первый взгляд может показаться, будто из-за сложности аппликатора именно он является основным узлом. Тем не менее очевидно, что на качество продукта в большой степени влияет работа пресса.

Качество обжима

Существует много параметров, характеризующих качество обжима. Также определены следующие важные условия, которые должны быть учтены и выполнены до обжима:

• регламентированное соответствие провод-ника и контакта;
• выбор правильного обжимного инструмента для контакта;
• правильная установка контакта в обжимной инструмент;
• достаточная зачистка проводника (до нужной длины);
• отсутствие повреждений проводника в ходе зачистки;
• правильное положение зачищенного про-водника в обжимном контакте.

Длина зачистки и положение проводника при обжиме

Большинство обжимных соединений в различных конструкциях используется с многожильными проводами (рис. 14) и с изолирующей оболочкой. Перед обжимом провод должен быть зачищен. Длину зачистки и положение проводника необходимо выбирать таким образом, чтобы проводник был виден на обеих сторонах зоны обжатия. Отдельные жилы не должны выступать в области подключения контакта, так как это может изменить характеристики соединения или привести к повреждению разъема. Точное позиционирование провода в контакте особенно затруднительно при наличии очень маленьких контактов и на очень коротких расстояниях с обеих сторон обжима.

Рис. 14. Пример обжатого многожильного провода

Высокая точность чрезвычайно важна в ходе зачистки и подачи кабеля. Изоляция должна быть видна между зоной обжима изоляции и зоной обжима проводника. Ни при каких обстоятельствах изоляция не должна появляться внутри зоны обжима проводника.

Безупречная зачистка

Качественная зачистка провода — обязательное условие для хорошего и прочного обжимного соединения. Ошибки, возникающие во время зачистки, часто остаются скрытыми и могут иметь фатальные последствия для соединения. Для безупречного качества зачистки отдельные жилы проводника не должны быть повреждены или обрезаны, а изоляция — иметь дефекты. На зачищенной части провода не должно присутствовать никаких остатков изоляции. Отдельные жилы не должны быть раскручены в процессе зачистки, поскольку это нередко приводит к выпадению отдельных жил за область обжима (таким образом обжим может стать дефектным, создавая риск короткого замыкания в разъеме). В то же время отдельные жилы не должны быть чрезмерно скручены, так как это вызывает неравномерное распределение в обжимной области и увеличивает сечение провода. Следовательно, особенно важно использовать точные и надежные системы зачистки.

Обжимные размеры для открытых контактов

Один из самых важных методов проверки качества обжима контакта — измерение основных размеров после обжатия. Ширина и высота обжима (рис. 15) определяются производителем контактов и оказывают решающее влияние на качество и долговечность обжимного соединения. Размеры обжима изоляции также определяются производителем (обычно как «приближенные значения»).

Рис. 15. Обжим проводника в разрезе

Общее состояние обжатых контактов

После процесса обжима ни контакты, ни проводник не должны иметь признаков повреждений, которые могли бы ухудшить качество соединения или повлиять на срок его службы. Дефекты в обжатом контакте могут возникнуть из-за неправильной настройки или не подходящих для обжатия аппликаторов. На практике часто встречаются следующие случаи:

• контакт согнут — как правило, предел кривизны контакта составляет максимум 3–4°;
• контакт скручен;
• разделительные клинья несущей ленты неправильно (слишком длинные или слишком короткие) или неточно срезаны;
• имеются признаки образования трещин на гранях или основании контакта;
• формирование увеличенного наплыва на основании контакта (рис. 16): высота наплыва должна быть меньше половины толщины материала.

Рис. 16. Наплыв на основании контакта

Обеспечение качества обжима

Наиболее важными инструментами для обеспечения качества являются визуальные и габаритные проверки, оптические тесты, контроль усилия обжима, измерение прочности на разрыв и анализ поперечного сечения.

Визуальная проверка

Глаз человека все еще незаменим для проведения контроля качества. Многие дефекты и неисправности могут быть выявлены благодаря визуальному контролю, при котором специалист обращает внимание на следующие моменты:

• все ли жилы обжаты;
• есть ли повреждения на жилах проводника, изоляции или уплотнителе;
• является ли контакт неповрежденным и несогнутым;
• правильно ли сформирован профиль обжима;
• как сформированы обжимные лепестки контакта;
• есть ли наплывы, а если они есть, не превышают ли они толщину в половину материала;
• правильно ли лежит проводник в области обжима;
•  корректна ли длина зачистки.

Проверка габаритов

Измерение высоты обжима (рис. 17) должно быть очень точным и воспроизводимым. Для этого измерения предназначен специальный микрометр, или устройство измерения высоты обжима. Это устройство используется там, где контроль качества имеет высокий приоритет. Благодаря высокой точности и возможности подключения к сети такие устройства предлагают возможность прямого электронного учета и оценки данных. В сетях с обжимными прессами высота обжима может быть автоматически отрегулирована в прессе в соответствии с измеренными значениями.

Рис. 17. Измерение высоты обжима

Оптические приборы испытаний

Некоторые характеристики можно измерять только оптически, например кривизну контактов (угол отклонения), длину разделительных клиньев, размер радиусов в области обжима. Для таких проверок используются измерительные или профильные проекторы либо измерительные микроскопы. Кроме того, визуальное тестирование возможно осуществить при помощи оптических приборов, таких как карманные или настольные увеличительные стекла.

Система контроля усилия обжима

Измерение, запись и оценка усилия обжима позволяют выявлять ошибки в процессе производства. Эта задача, известная как контроль усилия обжима, осуществляется с помощью одноименной системы, которая или интегрирована в пресс, или подключена в качестве дополнительного устройства. Система мониторинга записывает кривую усилия обжима во время работы пресса. После каждого обжима фактическая кривая сравнивается с сохраненной эталонной кривой. Отклонения кривых оцениваются по разным критериям. Если отклонение превышает определенный предел допуска, обжим классифицируется как неисправный. Эта процедура позволяет выполнять стопроцентный тест обжима, не требуя дополнительного времени. Неисправности, такие как отсутствие отдельных жил проводника, дефекты зачистки или неправильное позиционирование проводника, находятся в режиме реального времени. Особое значение имеют эталонные образцы, используемые для создания эталонного графика. Если, например, основная кривая создана с отсутствием отдельной жилы, то далее все изделия с дефектом проводника не будут признаны производственной ошибкой. Эта неисправность, вероятно, проявится на первых правильных образцах, так как они будут расценены как дефектные.

Определение разрывного усилия

В отличие от ранее описанных испытаний неразрушающими методами, испытания, рассмотренные далее, относятся к категории разрушающих. Предел прочности при растяжении обжимного соединения независимо от сечения кабеля не должен опускаться ниже определенного значения, нормализованного или определенного производителем контактов. Для измерения таких величин используются измерительные приборы с тяговым усилием. Эти устройства бывают разных размеров и конструкций. Возможно также подключение к сети, прямая запись статистики, обработка и архивация.

Подготовка к анализу среза обжатого провода

Анализ поперечного сечения (рис. 18) служит в основном для оценки степени деформации и симметрии обжима. Контроль среза также позволяет выявить и измерить любые возникающие выступы и наплывы, распознать возможные трещины в материале контакта. Чтобы сделать срез в поперечном сечении, производится перпендикулярный распил зоны обжима. После этого поверхность среза полируют и обрабатывают электролитом. Далее подготовленные образцы визуально проверяют под микроскопом. Правильный обжим показывает следующие характеристики:

• каждая жила провода обжата в виде сот;
• свернутые лепестки поддерживают друг друга;
• отсутствие пустот между жилами;
• отсутствие пустот между жилами и стенками контакта;
• основание контакта симметрично деформировано.

Рис. 18. Визуальный анализ среза обжатого провода

Отмеченные отклонения от безупречного состояния часто предполагают дефекты в обжиме провода или терминала, подбор несоответствующего аппликатора, неправильную установку высоты обжима, плохое качество зачистки или износ обжимного инструмента. Тем не менее в конечном итоге качество обжима во многом зависит от компетентности сотрудников и качества материалов (проводов и клемм), от качества аппликаторов и прессов.

Электронные системы обеспечения качества в процессе обжима, такие как система контроля усилия обжима, устройство измерения высоты обжима, устройство испытания на разрыв, запись статистических данных и оценка собранных измерений, обеспечивают высокий уровень безопасности. Они предлагают поддержку и легкость оценки качества обжима. Однако подобные системы не могут заменить специалистов, и в конечном итоге качество обжима определяется совокупностью профессионализма сотрудника и современных технологий.