контакт-деталь, способ и инструмент для ее изготовления

Формула изобретения

1. Контакт-деталь из композиционного материала в виде тела вращения, отличающаяся тем, что тело вращения ограничено 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, прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% и объемной пористостью не более 20%.

2. Контакт-деталь по п.1, отличающаяся тем, что удельное электросопротивление и прочность на сжатие контролируют в направлении оси тела вращения.

3. Способ изготовления контакт-детали из композиционного материала в виде тела вращения, заключающийся в том, что готовят плоскую заготовку из спеченного мелкозернистого графита с определенными свойствами, толщиной, равной высоте контакт-детали, устанавливают заготовку в приспособление и с одной стороны вырезают часть контакт-детали, затем заготовку переустанавливают и вырезают оставшуюся часть контакт-детали с другой стороны.

4. Способ изготовления контакт-детали из композиционного материала по п.3, отличающийся тем, что базирование заготовки при переустановке осуществляют по поверхностям ранее вырезанной части контакт-детали.

5. Инструмент для изготовления контакт-детали, содержащий хвостовик и рабочую часть, которая имеет режущие кромки, отличающийся тем, что рабочая часть состоит как минимум из одного режущего элемента, смещенного относительно оси вращения инструмента, режущие кромки которого при его внедрении в заготовку формообразуют боковую поверхность контакт-детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле.

Изобретение найдет применение в электротехнических приборах ответственных установок, например в реле железнодорожной автоматики.

Для обеспечения условий безопасности к указанным электрическим аппаратам предъявляются следующие требования: исключение возможности сваривания контактов при коммутации в рабочем режиме при токовых перегрузках в аварийных режимах; минимальное переходное электрическое сопротивление между контактами и его 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 «Плане-та»,2000 - стр.256), в которых контакт-деталь для фронтовых контактов представляет собой элемент в виде тела вращения, выполненый методом порошковой металлургии из композиции серебро - графит, запрессованную в держатель в виде чашеобразной наклепки. При этом согласно Техническим условиям (ТУ 16-538.158-72) указанная композиция содержит 38-44% серебра.

К недостаткам контактов следует отнести высокое переходное сопротивление, на начальной стадии 0,1 Ом, низкую стабильность, которая может увеличиваться до 0.3 Ом, большой разброс по коммутационному ресурсу (количеству срабатываний контактов) изменяется 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 указанных недостатков возможно при комплексном подходе, путем подбора материала с оптимальными свойствами и способа изготовления, позволяющего повысить точность изготовления контакт-детали.

Устранение причин первой группы возможно повышением точности изготовления контакт-детали, что позволит значительно снизить необходимые усилия при закреплении (закатывании) контакт- деталей в держатель и тем самым повысить стабильность переходного электрического сопротивления. Контакт-детали, изготовленные методом порошковой металлургии, имеют большой разброс по линейным размерам. Разброс в размерах объясняется различными условиями спекания отдельных партий контакт-деталей, исходным составом сырья, подготовкой шихты и многими другими параметрами, которые присутствуют при изготовлении изделий методом порошковой металлургии, последующая механическая обработка контакт-деталей практически невозможна.

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.

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 серебро-графитсодержащей 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. Далнейшее снижение серебра в композиции - серебро графит не приводит 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), который не позволяет получить постоянные электротехнические и механические свойства материала по технологии порошковой металлургии. Уменьшение графитовой составляющей в композиционном материале ведет к удорожанию материала и приводит с одной стороны, к повышению стабильности свойств, но значительно увеличивают свариваемость контактов.

Известен графит мелкозернистый плотный (ТУ1915-109-081-200 Графит мелкозернистый плотный. Заготовки и изделия), 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 изобретения контакт-детали, способа изготовления контакт-детали и инструмента для реализации способа изготовления является повышение точности изготовления контакт-детали и оптимизация исходных свойств материала контакт-детали, позволяющие стабилизировать переходное сопротивление контактной пары на начальной стадии, обеспечить стабильность данных параметров в процессе коммутаций, увеличить контактную стойкость и исключить сваривание контактов.

Техническая задача по контакт-детали решается тем, контакт-деталь из композиционного материала в виде тела вращения, ограниченного боковой поверхностью с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков, и двумя параллельными поверхностями оснований, выполнена из графита мелкозернистого плотного 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.

Изготовление контакт-детали из графита мелкозернистого плотного 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%, позволит обеспечить стабильность исходных свойств в процессе эксплуатации. 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.

Использование графита мелкозернистого плотного зольностью 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, а наличие пористости не способствует накоплению продуктов износа, к которым следует отнести окислы ответного контактного материала. Графитовая основа, при наличии пористости не более 20% об. уменьшает 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 графита мелкозернистого плотного 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.: Металлургия. 1980. - 240). Это связано с тем, что технология изготовления графита мелкозернистого плотного значительно отличается от технологии получения контакт-деталей, получаемых методом порошковой металлургии.

Техническая задача по способу изготовления контакт-детали решается согласно изобретения тем, что готовят плоскую заготовку из графита мелкозернистого плотного с определенными свойствами, толщиной, равной высоте контакт-детали, устанавливают заготовку в приспособление и 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.

Предлагаемый способ позволит изготавливать контакт-детали из материалов, заготовки которых в исходном состоянии имеют значительно больший размер, чем готовое изделие.

Предлагаемый способ предполагает использование специального инструмента. Для вытачивания изделий в виде тел вращения из плоских заготовок используют кольцевые сверла. Однако изготовление контакт-деталей с использованием кольцевых сверл невозможно, так как контакт-деталь имеет форму тела вращения, ограниченную боковой поверхностью, с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков.

Техническая задача по инструменту для изготовления контакт-детали из плоской заготовки решается согласно изобретению 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. Предлагаемый инструмент для изготовления контакт-детали позволит значительно уменьшить разброс размеров контакт-деталей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, 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 частей. Специальный инструмент состоит из хвостовика 4 и рабочей части 5 с выполненными на ней режущими кромками 6, 7,8.

Способ изготовления контакт-детали реализуется следующим образом.

Заготовку требуемой толщины вырезают из мелкозернистого плотного графита. Затем заготовку помещают вертикально на стол фрезерного станка, закрепляют, специальный инструмент закрепляют в шпинделе станка и при внедрении инструмента режущими кромками 6 и7 производят вытачивание поверхностей 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 приспособление для базирования контакт-детали по ранее вырезанным поверхностям 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 течение 30 секунд, после этого устанавливают в реле типа НМШ 2-900.

Испытания контакт-деталей проводили согласно (ТУ32 ЦШ 461-86). Испытаниям подвергались замыкающие (фронтовые) контакты при коммутации тока 2 А и напряжении в коммутируемой цепи 24 В, т.е. в рабочем режиме.

Для практической реализации заявляемой контакт-детали, способа изготовления и инструмента для реализации способа изготавливались контакты из графита марки МПГ, имеющего удельное электрическое сопротивление 11 мкОм*м, предел прочности на сжатие 73 МПа, зольность в пределах 0.22%, объемную пористость 18%.

Результаты испытания заявляемой контакт-детали, способа и инструмента для ее изготовления представлены в таблице в сравнении с контакт-деталью ВАР-12 (прототип), содержащей 40% мас., серебра, остальное - углерод, изготовленной по методу порошковой металлургии.

Результаты сравнительных испытаний

Таблица
Параметры	Прототип	Заявляемая контакт-деталь, выполненная заявляемым способом и инструментом	Примечание
Исходное состояние
Количество металлической компоненты в материале конструкции, мас.%	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, мкм
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 (свариваний) на 100 испытаний	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 незначительный 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). Изобретение найдет применение в реле для устройств сигнализации, централизации и блокировки (устройства СЦБ) на железнодорожном транспорте.