КОНТАКТ-ДЕТАЛЬ, ЗАГОТОВКА И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле, найдет применение в электротехнических приборах ответственных установок, например, в реле железнодорожной автоматики.
Для обеспечения условий безопасности к указанным электрическим реле предъявляются следующие требования: исключение возможности сваривания контактов при коммутации в рабочем режиме и при больших токовых перегрузках в аварийных режимах; минимальное переходное электрическое сопротивление при замкнутых контактах и его высокая стабильность в процессе эксплуатации.
Для удовлетворения предъявляемым требованиям контактные пары реле автоматики традиционно изготавливаются из серебросодержащих материалов.
Известны и широко применяются реле (Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Кн.1 НПФ «Планета», 2000 - стр.256), в которых контакт-деталь для фронтовых контактов представляет собой элемент в виде тела вращения выполненный методом порошковой металлургии из композиции серебро - графит запрессованную в держатель в виде чашеобразной наклепки, указанная композиция содержит 38-44% серебра (ТУ 16-538.158-72).
К недостаткам контактов следует отнести: нестабильность переходного сопротивления. На стадии приработки в паре с серебром, сопротивление составляет 0,1 Ом, в процессе эксплуатации может скачкообразно увеличиваться до 0.3 Ом, затем опять уменьшиться. Имеется большой разброс по коммутационному ресурсу (количеству срабатываний контактов) от 1,4 до 2,0 млн. Причины возникновения данных недостатков, следует разделить на две группы. Первая группа обусловлена технологическими условиями закрепления контакт-детали в держателе. Вторая группа связана со свойствами материала и технологией изготовления контакт деталей.
Устранение причин первой группы возможно повышением точности изготовления контакт-детали, это позволит значительно снизить необходимые усилия при закреплении (закатывании) контакт-детали в держатель и тем самым повысить стабильность переходного электрического сопротивления в процессе эксплуатации. Контакт детали изготовленные методом порошковой металлургии имеют большой допуск на отклонение по размерам. Размерная точность изделий изготовленных методом порошковой металлурги зависит от многих от условий, начиная от состава исходного состава сырья, подготовкой шихты и заканчивая температурными параметрами спекания. Эти условия всегда разнятся при изготовлении изделий методом порошковой металлургии и, как следствие, всегда имеются разброс по размерам, а последующая механическая обработка контакт-деталей экономически не целесообразна. Поэтому идут по пути увеличения допуска, а это влечет за собой необходимость увеличения усилий при закреплении контакт детали в держатель.
Электрический контакт между стенками чашеобразного держателя и контакт - деталью обеспечивается за счет упругого прижатия кромок чашеобразного держателя к поверхности контакт - детали. Чтобы обеспечить стабильный электрический контакт, за счет действия сил упругости стенок чаши, необходимо приложить значительные усилия для деформации стенок чаши и материала контакт - детали. Проконтролировать усилия необходимые для деформации стенок при обжатии чашеобразного держателя практически невозможно, т.к. обжатие чаши происходит на прессе, и усилие обжатия задается ходом пуансона пресса. Поскольку все детали выполнены с определенным допуском на размеры, то усилия обжатия на каждой детали получаются различными, поэтому чтобы создать надежный контакт идут по пути повышения прочностных свойств материала, создавая необходимый запас прочности контакт - детали при ее деформировании в процессе запрессовки. Увеличение прочностных свойств возможно за счет увеличения металлической составляющей в композиции серебро-графит, что не желательно, т.к. появляется вероятность сваривания контактов.
При обжатии контакт детали возможно частичное повреждение места обжатия, образование микротрещин, которые в процессе работы контакта приводят к осыпанию места обжатия (контакт начинает шататься в держателе) и появлению нестабильного электрического контакта.
Устранение причин недостатков второй группы возможно путем оптимизации свойств композиционного материала. Установлено (Дымковский Н.В., Милованова Ю.В. Электрические контакты на железнодорожном транспорте. Электротехника, - 1965, №10, с.33.), что в разнородной контактной паре, один из контактов которой выполнен из чистого серебра, а второй из серебрографит-содержащей композиции, уменьшение серебра в композиции с 55% (марка СГ) до 40% (марка СГ-60 - вариант 112Д - ВАР 112Д) приводит к увеличению износостойкости контактной пары, а именно, к увеличению числа срабатываний с 200 тыс. до 1,4-2 млн. Дальнейшее снижение серебра в композиции графит - серебро не приводят к повышению износостойкости и уменьшению переходного сопротивления с сохранением стабильности этих параметров в процессе эксплуатации контактов.
Это обусловлено качественным состоянием графита, который находится в составе композиционного материала (сажа, графит, пек каменноугольный, бакелитовый лак), которое не позволяет получать постоянные электротехнические и механические свойства материала по технологии порошковой металлургии. Уменьшение графитовой составляющей в композиционном материале, ведет к удорожанию материала и приводят с одной стороны к повышению стабильности свойств, но значительно увеличивают свариваемость контактов.
Известен мелкозернистый плотный графит, изготовленный по высокотемпературной технологии, свойства которого удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к контактным материалам. Однако его использование в качестве материала контакт деталей невозможно из-за отсутствия разработанных способов изготовления контакт деталей имеющих небольшой размер (от 3.0 до 8.0 мм в диаметре) из заготовок, имеющих большие размеры и отсутствие инструмента для реализации способа.
Технической задачей полезной модели контакт-детали, заготовки и инструмента для изготовления контакт-детали является, повышение стабильности переходного сопротивление контактной пары на начальной стадии, обеспечение стабильности данных параметров в процессе коммутаций, увеличение контактной стойкость и исключение возможности сваривания контактов, повышение производительности и точности изготовления контакт детали.
Техническая задача по контакт-детали решается тем, контакт-деталь из композиционного материала в виде тела вращения ограничена боковой поверхностью, с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков и двумя параллельными поверхностями оснований, выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным электросопротивлением не более 16,0 мкОм*м и прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0.3% и пористостью не более 20%, при этом удельное электросопротивление и прочность на сжатие контролируют в направлении оси тела вращения.
Прочность на сжатие материала не менее 60 МПА, при высокой точности изготовления, позволит не разрушать зону контакта контакт-детали с держателем при ее закреплении и тем самым исключить нестабильность свойств во время эксплуатации обусловленную качеством закрепления.
Зольность не более 0,3%, позволит значительно повысить ресурс работы контактов за счет снижения интенсивности износа. Это связано с тем, что основным механизмом износа коммутационных контактов является фреттинг, когда в зоне контакта накапливаются частицы износа и окислов, образуя непроводящий слой и способствуя, нарушению проводимости контактов (см. Мышкин Н.К и др. Электрические контакты. Издательский Дом «Интеллект» стр.248-250). Минимальное образование металлических частиц износа и окислов в поверхностном слое, способствует быстрому образованию оптимального пятна контакта.
Наличие пористости не более 20% об не способствует накоплению продуктов износа, к которым следует отнести окислы ответного контактного материала, уменьшается вероятность схватывания (сваривания) с поверхностью ответного контакта, что приводит к уменьшению интенсивности изнашивания обоих контактирующих поверхностей деталей. По мере износа контактов, содержание металлических продуктов износа в контактной зоне не увеличивается, что также стабилизирует переходное сопротивление между контактами. Предельные значения предела прочности на сжатие, удельного сопротивления, зольности и пористости были определены опытным путем.
Использование мелкозернистого плотного графита, влечет за собой изменения всей традиционной цепочки изготовления композиционных контакт деталей, когда каждая контакт-деталь изготавливается методом порошковой металлургии (стр.191-192. Г.А.Либенсон. Производство порошковых изделий М.Метллургия. 1980.-240). Это связано с тем, технология изготовления мелкозернистого плотного графита значительно отличается от технологии получения контакт деталей получаемых методом порошковой металлургии.
Техническая задача по заготовке для контакт-детали решается согласно полезной модели тем, что заготовка выполнена в виде плоской пластины толщиной равной высоте контакт детали из спеченного мелкозернистого графита с определенными свойствами, которая может быть установлена и закреплена на любом станке, имеющем подвижный стол, при этом другие габаритные размеры могут быть различным. На установленной заготовке с одной стороны вырезают часть контакт-детали, затем заготовку переустанавливают и вырезают оставшуюся часть контакт-детали с другой стороны, при этом базирование заготовки при переустановке осуществляют по поверхностям, ранее вырезанной части контакт - детали.
Изготовление котакт-детали в виде тела вращения из плоской заготовки предполагает использование специального инструмента.
Так как контакт деталь имеет форму тела вращения ограниченную боковой поверхностью, с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков, то для ее изготовления предлагается специальный инструмент.
Техническая задача по инструменту для изготовления контакт детали из плоской заготовки решается согласно изобретения тем, что предлагается инструмент, содержащий хвостовик и рабочую часть, которая имеет режущие кромки, при этом рабочая часть состоит, как минимум, из одного режущего элемента, смещенного относительно оси вращения инструмента, режущие кромки которого расположены таким образом, что при его внедрении в заготовку, формообразуют боковую поверхность контакт-детали.
Предлагаемое решение позволит значительно повысить точность изготовления контакт-детали, так как точность изготовления в данном случае, зависит всего от одного параметра, точности изготовления инструмента.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена контакт-деталь в виде тела вращения состоящая из двух конических, и одной цилиндрической части, на фиг.2 инструмент для операции вырезания первой части контакт детали, на фиг.3 инструмент для операции вырезания второй части контакт детали.
Контакт-деталь, в виде тела вращения, состоит из нижней цилиндрической 1, средней конической 2 и верхней конической 3 части. Специальный инструмент состоит из хвостовика 4 и рабочей части 5 с выполненными на ней режущими кромками 6, 7, 8.
Полезная модель реализуется следующим образом.
Заготовку требуемой толщины вырезают из мелкозернистого плотного графита. Затем заготовку помещают на стол вертикально - фрезерного станка, закрепляют, специальный инструмент закрепляют в шпинделе станка и при внедрении инструмента в заготовку, режущими кромками 6 и 7 производят вытачивание поверхности 6.1 и 7.1 контакт детали. Перемещают стол на некоторую величину и операцию повторяют до полного использования установленной заготовки. Заготовку, с частично вырезанными контакт-деталями, снимают и устанавливают на сверлильный станок в специальное приспособления для базирования контакт детали по ранее вырезанной поверхности 6.1 и 7.1. Вторым специальным инструментом, закрепленным в шпинделе сверлильного станка, при внедрении инструмента режущей кромкой 8 вырезают поверхность 8.1 контакт-детали. Вырезанная контакт-деталь проваливается через отверстие, выполненное в приспособлении в специальную емкость. Таким образом, производится вырезание каждой контакт-детали. Изготовленные контакт детали подвергают дополнительной галтовке в матерчатом мешке в течении 30 секунд.
Для практической реализации заявляемой контакт детали, заготовки и инструмента изготавливались контакт-детали из графита марки МПГ, имеющего удельное электрическое сопротивление 11 мкОм*м, предел прочности на сжатие 73МПа, зольность в пределах 0.22%, объемную пористость 18%, устанавлись в реле типа НМШ 2-900. Испытания контакт-деталей проводили согласно (ТУ32 ЦШ 451-86). Испытаниям подвергались замыкающие (фронтовые) контакты при коммутации тока 2 А и напряжении в коммутируемой цепи -24 В, т.е. в рабочем режиме.
Результаты испытания заявляемой контакт-детали, заготовки и инструмента для ее изготовления представлены в таблице в сравнении с контакт-деталью ВАР-12 (прототип), содержащей 40% масс. серебра, остальное - углерод, изготовленной по методу порошковой металлургии.
Результаты сравнительных испытаний
Таблица
Параметр
Прото-тип
Заявляемая контакт-деталь, выполненная из плоской заготовки заявляемым и инструментом
Примечание
Исходное состояние
Количество металлической компоненты в материале конструкции, масс.%
35-40
0
Электрическое сопротивление, мОм
0,9-1.0
1,1-1.2
Допустимая точность изготовления контакт детали. Диаметр цилиндрической части, мм
+0.3
+0.1
900 тыс. коммутаций в паре с серебряным контактом.
Износ, мкм.
155
90
Параметры коммутируемого тока: 24 В, 2 А, плюсовой провод на испытуемом контакте
Электрическое сопротивление, мОм
1.2-1.6
1.2-1.3
2100 тыс.коммутаций в паре с серебряным контактом
Износ, мкм.
255
120
Электрическое сопротивление, мОм
1.5-2.5
1.3-1.4
Количество отказов (сваривании) на на 48 контактах
6
нет
Испытание методом закорачивания конденсатора емкостью 10000 мкФ, заряженного напряжением 24 В
Как видно из таблицы, начальное сопротивление в контактных парах прототипа и предлагаемого технического решения, имеет не значительный разброс, но значительно увеличивается в процессе коммутаций (2,1 млн. срабатываний) для прототипа. Износостойкость, характеризуемая количеством срабатываний, увеличивается более чем в 2 раза (испытания были остановлены ввиду того, что произошел предельный износ контактов прототипа). Через каждые 500 тысяч циклов проводилась проверка контакта на прочность соединения контакт - детали в держателе. За весь период работы более 2,0 млн., циклов, расшатывания контакт - детали в корпусе не наблюдалось, из 48 контактов прототипа 3 сняты с испытаний по причине некачественного крепления.
В процессе эксплуатации контакт-детаей предлагаемого технического решения не наблюдалось обильного графитового распыления, что повышает надежность работы реле в целом, обеспечивается несвариваемость контактов при импульсных токовых перегрузках (в аварийных режимах).