WO1994014214A1 - Verfahren und vorrichtung zum einpressen von metallischen elementen in trägerteile - Google Patents

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P19/00—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes
    • B23P19/02—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes for connecting objects by press fit or for detaching same
    • B23P19/033—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes for connecting objects by press fit or for detaching same using vibration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/20—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for assembling or disassembling contact members with insulating base, case or sleeve
    • H01R43/205—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for assembling or disassembling contact members with insulating base, case or sleeve with a panel or printed circuit board

Definitions

  • the invention relates to a method for pressing metallic elements into carrier parts, wherein individual elements are introduced into a predetermined one by force application against the mechanical resistance of the carrier part
  • the invention also relates to the associated device for carrying out the method, with a press-in tool which exerts compressive forces on the mechanical elements.
  • assembly systems based on a 19-inch construction are known, with one or more contacts being arranged as electrical connections in associated insulating bodies.
  • Such contacts have hitherto usually been installed using a press-in technique which can be optimized for a wide variety of applications.
  • a press-in technique for example, tinned connectors with contact pins are pressed into plated-through and tinned receiving bores in the printed circuit board.
  • the contact pins are often designed as spring elements to increase their tightness and to compensate for tolerances.
  • the tinning serves as a kind of lubricant during the press-in process.
  • the object of the invention is therefore to provide a method with which it is possible to work with considerably lower press-in forces than with the conventional press-in technique.
  • an associated device is to be created which is suitable, for example, for pressing in pin and female connectors.
  • the object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the force is introduced during the press-in process with the elements being subjected to vibrations, preferably in the ultrasound range.
  • vibrations preferably in the ultrasound range.
  • ultrasound in the range up to AO kHz is advantageously coupled in with amplitudes in the ⁇ m range.
  • the press-in tool is designed as a sonotrode for an ultrasonic coupling.
  • the Formed sonotrode for the transmission of vertical vibrations.
  • the sonotrode can be designed such that it lies at least partially on the shoulder of the contact pin.
  • the sonotrode has a recess for receiving the connection parts on the rear.
  • the tinning serving as a lubricant can be omitted when pressed into metallic receiving bores, so that no troublesome tin chips are produced. It is particularly advantageous that partial welding of the metallic parts can now result in a permanent tight fit. The latter is particularly advantageous when the invention is used on contact pins if bare pins are to be introduced into bare copper receiving bores in printed circuit boards.
  • the ultrasound is coupled into the contact pin via a rear shoulder on the base part of the pins.
  • FIG. 1 shows a first application of an ultrasound-superimposed force introduction for pressing connector pins into printed circuit boards and Figure 2 shows a second application of the ultrasound-superimposed force introduction for pressing in relay anchors.
  • a circuit board 1 is indicated in FIG. 1, which has receiving bores 2 for contact pins 5.
  • the contact pin 5 consists of a spring part 8.
  • the spring part 8 is pressed into the bore 2, which is usually provided with a metallization 3.
  • An electrical connection between the metallization 3 and the spring part 8 is produced by the pressing.
  • housing parts A are often placed on the circuit board 1 for the purpose of guidance.
  • Housing parts A of this type usually consist of an electrically non-conductive plastic, for example PETP (polyethylene terephthalate), and thus represent additional insulating bodies.
  • PETP polyethylene terephthalate
  • a press-in tool 10 with which a compressive force is usually exerted for being pressed into the opening 2 of the printed circuit board 1, is designed as an ultrasonic sonotrode, which vibrates in the vertical direction.
  • Sonotrode 10 has a working surface 11 which rests on the shoulder 6 of the contact pin 5 and furthermore has a recess 17 in the working surface 11 into which the connecting part 7 of the contact pin 5 can engage.
  • a pressure force can be exerted on the contact pin and ultrasonic vibrations can also be transmitted. It has been shown that this significantly reduces the required press-in forces.
  • Tests have shown that ultrasonic vibrations with a frequency of approximately 20 kHz and an ultrasonic amplitude of, for example, 23 ⁇ m provide good results. However, the frequency can vary in wide ranges, for example in the known ultrasound range up to
  • Example 1 In a first exemplary embodiment, a plug pin with a cross section of 1.1 ⁇ 1.1 mm 2 was pressed into a mounting hole in a printed circuit board with a diameter of 1 mm. In one case the pin was tinned while the bore remained bare, in another case both bare pins and bare bore were used. The necessary indentation and extraction forces were determined, whereby the press-in technique using ultrasound can be compared with the conventional press-in technique. As already stated, the ultrasound parameters were 20 kHz and 23 ⁇ m, a sinking speed of 23 mm / s being selected.
  • Table 1 shows the indentation and extraction forces that were measured on the same pin.
  • the test results indicate a possible reduction in the press-in forces by approximately 75% in the case of ultrasound-activated pressing.
  • the pull-out forces with and without ultrasound application are of comparable magnitude.
  • Example 2 Known flat plugs are to be plugged onto tabs. Such so-called Faston flat connectors have a tongue width of 6.3 mm and are standardized according to DIN 17662. The ultrasonic parameters are the same as in Example 1. Plug-in force on the one hand and pull-out force on the other hand are compared with and without ultrasound application, which is shown in Table 2.
  • test results show that the plug-in forces can be reduced by about a third by ultrasonically assisted plugging together of the connector.
  • the pull-out forces are in turn of a comparable order of magnitude with and without ultrasound application.
  • a coil part of a relay is designated 20, in which there is a yoke 21 with a bore 22 in connection with a coil 23 insulated from it.
  • An iron core 25 must be introduced into the bore 22 at a predetermined depth. The depth is used to adjust the relay with regard to the response and drop voltages.
  • the core 25 has been pressed into the yoke 21 by hammering in with horizontally displaceable relays.
  • comparatively high forces are necessary, for example between 250 and 350 N, whereby of course only a low accuracy is achieved.
  • the deformation of the yoke 21 for a force fit of the core 25 in the yoke 21 for the permanent operation of the relay prevents the required accuracy.
  • the core 25 is subjected to ultrasound during the pressing process into the yoke 21 by means of a horizontally displaceable sonotrode 30 via its working surface 31, the pressing forces are reduced to approximately 30 N.
  • the core 25 is pressed into the bore 22 of the relay yoke 21 until the corresponding electrical values are reached.
  • a system can be automated in such a way that the switching contact of the relay as the closing event ends the press-in process with regard to the feed movement of the sonotrode 30 and the U5 loading of the core 25.

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Abstract

Beispielsweise zum Einpressen von Stift- oder Federleisten in Leiterplatten müssen die Stifte oder Federn als metallische Elemente durch Krafteinleitung gegen den mechanischen Widerstand des Trägerteils in die vorbestimmte Position gebracht werden. Gemäß der Erfindung erfolgt die Krafteinleitung beim Einpreßvorgang unter Schwingungsbeaufschlagung des Elementes, vorzugsweise im Ultraschallbereich. Bei der zugehörigen Vorrichtung mit einem Einpreßwerkzeug, das Druckkräfte auf die mechanischen Elemente ausübt, ist das Einpreßwerkzeug als Sonotrode (10) für eine Ultraschalleinkopplung in das metallische Element (5) ausgebildet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einpressen von metallischen Elementen in Trägerteile
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einpres¬ sen von metallischen Elementen in Trägerteile, wobei ein¬ zelne Elemente durch Krafteinleitung gegen den mechani- sehen Widerstand des Trägerteiles in eine vorbestimmte
Position gebracht werden. Daneben bezieht sich die Erfin¬ dung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Einpreßwerkzeug, das Druckkräfte auf die mechanischen Elemente ausübt.
Insbesondere für elektronische Geräte sind Aufbausysteme auf der Basis einer 19 Zoll-Bauweise bekannt, wobei ein¬ zelne oder mehrere Kontakte als elektrische Anschlüsse in zugehörigen Isolierkörpern angeordnet sind. Die Montage derartiger Kontakte erfolgt bisher üblicherweise durch eine Einpreßtechnik, die für unterschiedlichste Anwen¬ dungsfälle optimiert werden kann. Für eine solche konven¬ tionelle Einpreßtechnik werden beispielsweise verzinnte Steckverbinder mit Kontaktstiften in durchkontaktierte und verzinnte Aufnahmebohrungen der Leiterplatte gepreßt. Häufig sind die Kontaktstifte zur Erhöhung ihres Festεit- zes und zum Toleranzausgleich als Federelemente ausgebil¬ det. Dabei dient die Verzinnung gewissermaßen als Schmier¬ mittel während des Einpreßvorganges.
Kennzeichnend für die konventionelle Einpreßtechnik ist, daß hohe Einpreßkräfte benötigt werden, wodurch eine ent- sprechend große Verformung der Leiterplatte und der Auf¬ nahmebohrungen bewirkt wird. Damit ist aber eine Bruchge¬ fahr der Leiterplatte verbunden. Um die hohen Einpreßkräf¬ te zu erzeugen, sind stabile Einpreßmaschinen erforder- lieh, die beispielsweise Einpreßkräfte von 70 kN erzeugen müssen. Um dies zu gewährleisten, kann beim Stand der Technik allerdings nur mit geringen Einpreßgeschwindig¬ keiten, beispielsweise 1,5 m/s, gearbeitet werden. Glei¬ chermaßen sind für eine derartige Einpreßtechnik enge Toleranzen zwischen Einpreßstift und Aufnahmebohrung Vor¬ aussetzung. Schließlich entstehen bei der beschriebenen Arbeitsweise auch Zinnspäne, die als Fremdpartikel störend sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzuge¬ ben, mit dem mit wesentlich geringeren Einpreßkräften als bei der konventionellen Einpreßtechnik gearbeitet werden kann. Gleichzeitig soll eine zugehörige Vorrichtung ge¬ schaffen werden, die beispielsweise zum Einpressen von Stift- und Federleisten geeignet ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kraftein¬ leitung beim Einpreßvorgang unter Schwingungsbeaufschla- gung der Elemente, vorzugsweise im Ultraschallbereich, erfolgt. Zur Schwingungsbeaufschlagung der Elemente wäh¬ rend der Krafteinleitung wird vorteilhafterweise Ultra¬ schall im Bereich bis zu AO kHz mit Amplituden im μm-Be- reich eingekoppelt.
Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens ist das Einpreßwerkzeug als Sonotrode für eine Ultraschalleinkopplung ausgebildet. Vorzugsweise ist die Sonotrode zur Übertragung von Vertikalschwingungen ausge¬ bildet. Insbesondere zum Einpressen von Kontaktstiften kann die Sonotrode derart ausgebildet sein, daß sie zumindest teilweise auf der Schulter des Kontaktstiftes aufliegt. Dazu hat die Sonotrode eine Aussparung zur Aufnahme der rückseitigen Anschlußteile.
Im Rahmen der Erfindung konnte gezeigt werden, daß durch Überlagerung des bisherigen Einpreßvorganges mit der Ultrasehalleinkopplung wesentliche Vorteile erreicht wer¬ den. Insbesondere kann nunmehr die Einpreßkraft verringert und die Einpreßgeschwindigkeit erhöht werden.
Speziell bei Konstaktstiften kann beim Einpressen in me- tallische Aufnahmebohrungen die als Schmiermittel dienende Verzinnung wegfallen, so daß keine störenden Zinnspäne anfallen. Besonders vorteilhaft ist, daß durch Teilver- schweißungen der metallischen Teile es nunmehr gewollter- aßen zu einem dauerhaften Festsitz kommen kann. Letzteres ist insbesondere bei der Anwendung der Erfindung auf Kon¬ taktstifte vorteilhaft, wenn blanke Stifte in blanke Kupfer-Aufnahmebohrungen von Leiterplatten eingebracht werden sollen. Die Einkopplung des Ultraschalls in den Kontaktstift erfolgt dabei über eine rückseitige Schulter am Basisteil der Stifte.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Bei¬ spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
Figur 1 eine erste Anwendung einer Ultraschall-Überlager- ten Krafteinleitung zum Einpressen von Stecker¬ stiften in Leiterplatten und Figur 2 eine zweite Anwendung der Ultraschall-uberlagerten Krafteinleitung zum Einpressen von Relais-Ankern.
In Figur 1 ist eine Leiterplatte 1 angedeutet, die Auf- nahmebohrungen 2 für Kontaktstifte 5 aufweist. Der Kon¬ taktstift 5 besteht neben dem Basisteil mit einer Schulter 6 und dem rückwärtigen Anschlußteil 7 aus einem Feder¬ teil 8. Das Federteil 8 wird in die Bohrung 2 eingepreßt, die üblicherweise mit einer Metallisierung 3 versehen ist. Dabei wird durch das Einpressen eine elektrische Verbin¬ dung zwischen der Metallisierung 3 und dem Federteil 8 hergestellt.
Für komplette Federleisten, welche in der Schnittdarstel- lung der Figur nicht im einzelnen erkennbar sind, werden häufig noch Gehäuseteile A zwecks Führung auf die Leiter¬ platte 1 aufgesetzt. Derartige Gehäuseteile A bestehen üblicherweise aus einem elektrisch nichtleitenden Kunst¬ stoff, beispielsweise PETP (Polyethylenterephtalat) , und stellen somit zusätzliche Isolierkörper dar.
In Figur 1 ist ein Einpreßwerkzeug 10, mit dem üblicher¬ weise eine Druckkraft zum Einpressen in die Öffnung 2 der Leiterplatte 1 ausgeübt wird, als Ultraschallsonotrode ausgebildet, die in vertikaler Richtung schwingt. Die
Sonotrode 10 hat eine Arbeitsfläche 11, die auf der Schul¬ ter 6 des Kontaktstiftes 5 aufliegt, und besitzt weiterhin in der Arbeitsfläche 11 eine Aussparung 17, in die der An¬ schlußteil 7 des Kontaktstiftes 5 eingreifen kann. Mit einem so modifizierten Werkzeug können gleichermaßen eine Druckkraft auf den Kontaktstift ausgeübt und zusätzlich Ultraschallschwingungen übertragen werden. Es hat sich ge¬ zeigt, daß sich dadurch die erforderlichen Einpreßkräfte deutlich verringern. Erprobungen haben ergeben, daß Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von etwa 20 kHz und einer Ultraschallampli¬ tude von beispielsweise 23 μm gute Ergebnisse liefern. Die Frequenz kann jedoch in weiten Bereichen variieren, bei- spielsweise im bekannten Ultraschall-Bereich bis zu
AO kHz, wobei die Ultraschall-Amplitude durchweg im μm- Bereich liegt.
Beispiel 1: Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Steckerstift mit dem Querschnitt 1,1 x 1,1 mm2 in eine Aufnahmebohrung einer Leiterplatte mit einem Durchmesser von 1 mm eingepreßt. Dabei wurde in einem Fall der Stift verzinnt, während die Bohrung blank blieb, in einem ande¬ ren Fall mit sowohl blanken Stiften als auch blanker Boh- rung gearbeitet. Es wurden die notwendigen Eindrück- und Ausziehkräfte bestimmt, wodurch jeweils die Einpreßtechnik unter Anwendung von Ultraschall mit der konventionellen Einpreßtechnik verglichen werden kann. Die Ultraschall¬ parameter waren dabei - wie bereits angegeben - 20 kHz und 23 μm, wobei eine Einsinkgeschwindigkeit von 23 mm/s ge¬ wählt wurde.
In der Tabelle 1 sind die jeweils notwendigen Eindrück- und Ausziehkräfte, die am selben Stift gemessen wurden, zusammengestellt. Die Versuchsergebnisse deuten beim ultraschallaktivierten Einpressen eine mögliche Reduzie¬ rung der Einpreßkräfte um ca. 75 % an. Dabei sind die Ausziehkräfte mit und ohne Ultraschall-Anwendung ver¬ gleichbarer Größenordnung.
Beispiel 2: Bekannte Flachstecker sollen auf Steckerzungen aufgesteckt werden. Derartige sogenannte Faston-Flach¬ steckverbinder haben eine Zungenbreite von 6,3 mm und sind nach DIN 17662 genormt. Die Ultraschallparameter sind die gleichen wie im Beispiel 1. Es werden Steckkraft einer¬ seits und Ausziehkraft andererseits mit und ohne Ultra¬ schallanwendung verglichen, was in Tabelle 2 wiedergegeben ist.
Die Versuchsergebnisse zeigen, daß durch Ultraschall¬ unterstütztes Zusammenstecken des Steckverbinders die Steckkräfte um etwa ein Drittel gesenkt werden können. Die Ausziehkräfte liegen wiederum mit und ohne Ultraschall-An¬ wendung in vergleichbarer Größenordnung.
Neben der im einzelnen beschriebenen Anwendung speziell für das Einpressen von Stift- oder Federleisten in Lei- terplatten sind auch andere Anwendungsfälle möglich. Wenn beispielsweise Eisenkerne eines Relais-Jochs in eine definierte Tiefenlage kraftschlüssig eingebracht werden müssen, kann die Verringerung der dafür notwendigen Kräfte wesentliche Vorteile bei der Justage der Teile bringen.
In Figur 2 ist ein Spulenteil eines Relais mit 20 bezeich¬ net, bei dem auf ein Joch 21 mit Bohrung 22 in Verbindung mit einer demgegenüber isolierten Spule 23 vorhanden ist. Ein Eisenkern 25 muß in vorgegebener Tiefe in die Bohrung 22 eingebracht werden. Die Tiefe dient dabei zur Justage des Relais im Hinblick auf die Ansprech- und Abfallspan¬ nungen.
Bisher erfolgt das Einpressen des Kerns 25 in das Joch 21 durch Einschlagen bei horizontal verschiebbaren Relais. Dazu sind vergleichsweise hohe Kräfte notwendig, bei¬ spielsweise zwischen 250 und 350 N, wobei naturgemäß nur eine geringe Genauigkeit erreicht wird. Insbesondere die Verformung des Joches 21 für einen kraft¬ schlüssigen Sitz des Kerns 25 im Joch 21 für den Dauerbe¬ trieb des Relais verhindert die geforderte Genauigkeit. Wird hingegen der Kern 25 während des Einpreßvorganges in das Joch 21 mittels einer horizontal verschiebbaren Sono¬ trode 30 über deren Arbeitsfläche 31 mit Ultraschall be¬ aufschlagt, vermindern sich die Einpreßkräfte auf ca. 30 N.
Im Beispiel gemäß Figur 2 wird der Kern 25 so weit in die Bohrung 22 des Relais-Jochs 21 eingepreßt, bis die ent¬ sprechenden elektrischen Werte erreicht werden. Dazu kann eine Anlage derart automatisiert werden, daß der Schalt¬ kontakt des Relais als Schließerereignis den Einpreßvor- gang im Hinblick auf die Vorschubbewegung der Sonotrode 30 und der U5-Beaufschlagung des Kerns 25 beendet.
Tabelle 1
Figure imgf000010_0001
Tabelle 2
Faston Steck¬ verbinder - Clips und Zunge verzinnt DIN 17662, 6,3 mm
Figure imgf000011_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einpressen von metallischen Elementen in Trägerteile, wobei einzelne Elemente durch Krafteinleitung gegen den mechanischen Widerstand des Trägerteiles in die vorbestimmte Position gebracht werden, d a d u r c h g k e n n z e i c h n e t , daß die Krafteinleitung beim Einpreßvorgang unter Schwingungsbeaufschlagung der Elemente, vorzugsweise im Ultraschallbereich, erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß zur Schwingungsbeaufschla¬ gung der Elemente während der Krafteinleitung Ultraschall im Bereich bis zu AO kHz mit Amplituden im μm-Bereich ein- gekoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n ¬ z e i c h n e t durch die Anwendung zum Einpressen von Stift- oder Federleisten in Leiterplatten.
A. Verfahren nach Anspruch 3 zum Einpressen von Kontakt¬ stiften in metallisch eingefaßten Aufnahmebohrungen von Leiterplatten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß beim Einpressen unter Ultrasehalleinkopplung gewolltermaßen Teilverschweißungen der blanken Kontakt¬ stifte in den metallischen Aufnahmebohrungen entstehen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Ultraschall über die rückseitige Schulter der Stifte eingekoppelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n ¬ z e i c h n e t durch die Anwendung zum Einbringen eines Eisenkerns in ein Relais-Joch bis zu einer definierten Tiefenlage.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß mit dem Einbringen glei¬ chermaßen eine Justage der elektrischen Eigenschaften des Relais erfolgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- spruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7 mit einem Ein¬ preßwerkzeug, das Druckkräfte auf die mechanischen Elemen¬ te ausübt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Einpreßwerkzeug gleichermaßen als Sonotrode (10) für eine Ultrasehalleinkopplung in das metallische Element (5) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Sonotrode (10) zur Übertragung von Vertikalschwingungen ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zum Einpressen von Kon¬ taktstiften nach dem Verfahren gemäß Anspruch A, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sono¬ trode (10) derart ausgebildet ist, daß sie zumindest teilweise auf der rückseitigen Schulter (6) der Kontakt¬ stifte (5) aufliegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Sonotrode (10) eine Aussparung (17) zur Aufnahme der rückseitigen Kontakt¬ anschlüsse (7) aufweist.
PCT/DE1993/001216 1992-12-17 1993-12-17 Verfahren und vorrichtung zum einpressen von metallischen elementen in trägerteile WO1994014214A1 (de)

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