鍵合機(jī)夾持頭剛度失效分析

楊凱 崔潔 謝秀鐲

摘 要：使用ANSYS對全自動(dòng)LED引線鍵合機(jī)夾持頭的變形問題進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，根據(jù)分析結(jié)果從材料、結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌選用等方面對模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：夾持臺 剛度 強(qiáng)度 優(yōu)化

中圖分類號：TG75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0125-02

引線鍵合是在超聲波、熱和壓力的共同作用下對芯片和載體進(jìn)行引線焊接的封裝工藝，為半導(dǎo)體后封裝中重要一環(huán)。本文主要對垂直支架引線鍵合機(jī)夾持臺進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 鍵合機(jī)簡介

LED引線鍵合機(jī)主要部件為基座、XY平臺、夾持臺和鍵合頭，其中夾持臺由傳送模塊、夾持模塊和加熱模塊組成，對料條進(jìn)行傳送、定位、夾持和加熱。要求夾持模塊能精確定位料條以保證焊線精度。圖1是鍵合機(jī)主要部件示意圖。

2 夾持頭模塊

2.1 夾持頭簡介

夾持頭在夾持料條時(shí)要求管腳不能松動(dòng)，當(dāng)管腳在Z向的高度誤差超過工藝要求時(shí)，焊接所需時(shí)間增加、效率變低。夾持頭結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，夾持頭模塊安裝在下方導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對料條的壓緊和松開。夾持頭在拉簧的作用下沿導(dǎo)軌滑動(dòng)壓緊料條，在凸輪的作用下反向運(yùn)動(dòng)松開料條。在實(shí)際使用中我們測得當(dāng)夾持頭壓向料條管腳時(shí)，使得夾持頭在Z向的形變較大，料條隨之抬起，且沿X向抬起的高度不一致，導(dǎo)致料條管腳在Z向高度誤差超過工藝要求（0.06 mm），降低焊接效率。這主要是夾持臂和滑塊的剛度較低引起的。

2.2 夾持頭模塊受力分析

橫力彎曲時(shí)彎矩隨截面位置變化，一般情況下最大正應(yīng)力σmax發(fā)生于彎矩最大的界面上，且離中性軸最遠(yuǎn)處。即：

（1）

若截面是高為h、寬為b的矩形，則：

（2）

可見對于矩形截面彎曲應(yīng)力與截面的寬度b、截面高度的平方h2成反比。所以增強(qiáng)矩形截面的強(qiáng)度一般選擇增加高度方向的尺寸。

夾持頭模塊失效的主要原因?yàn)閯偠炔粔?，在純彎曲的情況下，形變與彎矩之間的關(guān)系公式：

（3）

其中E為材料彈性模量，I為橫截面對中性軸的慣性矩。若結(jié)構(gòu)的橫截面是高為h，寬為b的矩形，則：

（4）

可見在彎矩一定的情況下，提高零件剛度一般通過選用彈性模量大的材料或者增加結(jié)構(gòu)橫截面高度h的尺寸。[1]

夾持頭模塊由5個(gè)零部件組成，零件之間通過螺釘連接，通過換算將螺釘扭矩轉(zhuǎn)換成零件間預(yù)緊力F，模型中均使用M4螺釘。

擰緊公稱直徑為d的螺釘需要的預(yù)緊力矩T是螺紋阻力矩T1和螺釘與螺紋孔摩擦力矩T2之和，即T=T1+T2，螺紋阻力矩：

T1=Ftan（ψ+ρv）d2/2

T2=1/3fcF（D03-d03）/（D02-d02）

所以螺釘?shù)臄Q緊力矩為：

式中ψ為螺紋升角；

ρv為三角螺紋的當(dāng)量摩擦角；

fc為螺釘頭與支撐面的摩擦因數(shù)；

d0為螺孔直徑；

D0為螺釘頭支撐面的外徑；

d2為螺紋中徑。

取d2=0.9d，d0=1.1d，ρv=arctan1.155，f=0.1～0.2，D0≈1.5d，fc=0.15，ψ=3.6°，代入上式則可得：

T≈0.2 Fd （5）

模型中M4螺釘擰緊扭矩為300 cN.m。通過公式（5）可得單個(gè)螺釘引起壓力F=3750 N，根據(jù)零件間螺釘數(shù)量計(jì)算出零件相互作用力，根據(jù)模塊三維圖形、材料和載荷建立ANSYS模型。[2]

3 夾持頭模塊有限元分析

3.1 強(qiáng)度分析

夾持頭模塊建立ANSYS模型如圖3所示，對模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核其強(qiáng)度，分析結(jié)果如圖4所示。

從有限元分析結(jié)果得出，最大應(yīng)力為76 MP，最小安全系數(shù)為3.02，因此模塊強(qiáng)度足夠。

3.2 變形分析

首先對夾持模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核其剛度，分析結(jié)果如圖5所示，可以看出夾持模塊在Z向最大變形為0.15 mm，且夾持頭兩端的變形位移不一致，結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果是相符。

從材料和結(jié)構(gòu)方面對模塊進(jìn)行優(yōu)化。首先，將模塊中滑塊零件材料從鋁改為碳鋼，再計(jì)算模塊的變形量，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鯶向變形0.1 mm（>0.06 mm）相對之前0.15 mm雖有所改善，但仍未達(dá)到使用要求。

其次，根據(jù)之前受力分析，對模塊零件結(jié)構(gòu)（增大h）重新設(shè)計(jì)，并根據(jù)X向變形不一致導(dǎo)致相對誤差大的特點(diǎn)，在空間允許的情況下使模塊在X向盡量結(jié)構(gòu)對稱。優(yōu)化后分析結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果可以看出在Z向最大位移為 0.009 mm（<0.06 mm），且夾持頭兩端變形一致，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度較之先前有很大改善，能滿足夾持精度要求。

3.3 模態(tài)分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算模塊固有振動(dòng)頻率，找出剛度薄弱方向。模態(tài)分析結(jié)果如圖8所示。分析結(jié)果為：模塊一階固有頻率為346.5 Hz，為X向的振動(dòng)。說明模塊在X方向上剛度最低，通過放大視頻發(fā)現(xiàn)X向剛度低主要原因?yàn)榛瑝K與導(dǎo)軌接觸面積小。因此，將普通導(dǎo)軌滑塊換成交叉滾子導(dǎo)軌滑塊，使滑塊與導(dǎo)軌接觸面積變大，從而增強(qiáng)剛度。優(yōu)化后計(jì)算得一階固有頻率為531.9 Hz，如圖9所示，模塊剛度得到明顯加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文使用ANSYS軟件對夾持頭模塊進(jìn)行強(qiáng)度分析、變形分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果分別從材料、結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌選用三方面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后模塊剛度大大改善，提高了夾持精度，滿足機(jī)器性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 龍振宇.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.