全自動(dòng)激光去溢料機(jī)推料板有限元分析

周琦

摘要：機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)進(jìn)行分析研究，有助于提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。使用Solidworks軟件對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的推料板零件進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和零件的使用壽命。通過模態(tài)分析研究零件產(chǎn)生共振破壞的部位并加以分析以保證其在使用過程中不會(huì)發(fā)生此類現(xiàn)象。通過有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)，能夠有效的降低設(shè)備研發(fā)周期和成本，也為后續(xù)設(shè)備中其余零部件的設(shè)計(jì)研發(fā)奠定了一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

Abstract： In the design of mechanical parts， the virtual prototype technology was used to analyze the structural strength and vibration， which was helpful to improve the accuracy of design. By using the Solidworks software， the stress and fatigue analysis of the push plate parts of the automatic laser de-overflow machine were carried out to verify the rationality of the structural design and the service life of the parts. And through the modal analysis， the resonance failure parts of the parts were studied and analyzed to ensure that such phenomenon will not occur in the use process. Through the finite element analysis method of mechanical parts design， can effectively reduce the equipment R & D cycle and cost， but also for the follow-up equipment design and development of the rest of the parts laid a certain theoretical and practical foundation.

關(guān)鍵詞：Solidworks;推料板;疲勞分析;模態(tài)分析

Key words： Solidworks;pushing plate;fatigue analysis;modal analysis

中圖分類號(hào)：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0053-03

0? 引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高度應(yīng)用，采用有限元分析和仿真的方法，對(duì)其中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，可以較好地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，目前已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段。激光切割作為激光加工技術(shù)中的一種重要應(yīng)用技術(shù)，運(yùn)用于集成電路芯片封裝生產(chǎn)中的管腳溢料去除，相較于傳統(tǒng)的模具沖裁和高壓水噴淋技術(shù)，具有溢料去除率高、去除工藝簡(jiǎn)單和去溢料后芯片品質(zhì)好等顯著特點(diǎn)。項(xiàng)目組研發(fā)的全自動(dòng)激光去溢料機(jī)，針對(duì)集成電路發(fā)展的小型化、多排和超薄等特點(diǎn)，采用激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片管腳溢料的完全快速切割，使得芯片管腳的零溢料成為可能，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。通過使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、壽命和可靠性，能夠較好的保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和研發(fā)效率。本文使用Solidworks軟件對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的推料板零件進(jìn)行了靜應(yīng)力分析、疲勞分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用壽命和共振頻率，以此保證零件設(shè)計(jì)具有較好的準(zhǔn)確性。

1? 推料板應(yīng)力分析

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中在保證零件強(qiáng)度和剛度的前提下，對(duì)所設(shè)計(jì)的零部件采用虛擬樣機(jī)技術(shù)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)布局，保證物理樣機(jī)驗(yàn)證中的準(zhǔn)確性的同時(shí)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，較好的降低研發(fā)成本。針對(duì)設(shè)計(jì)的推料板零件，在Solidworks軟件中對(duì)其進(jìn)行有限元分析，在保證其強(qiáng)度和剛度的前提下開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次通過分析驗(yàn)證優(yōu)化的準(zhǔn)確性，能夠較好的提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，具體過程如下：

①定義材料展性，選擇推料板零件的材料為AISI1020鋼，查表導(dǎo)出得到材料？籽=7900kg/m3，彈性模量E=200GPa，泊松比？滋=0.29，屈服強(qiáng)度？滓s=352MPa;

②設(shè)定約束條件，推料板在自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)中的作用主要是在機(jī)械爪抓取集成電路板搬運(yùn)至指定位置后在保證位置精度的前提下將其推送至輸送帶，因此設(shè)定推料板上與推桿連接的孔為約束位置;

③施加載荷，推料板的運(yùn)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，即在氣缸的作用下作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此作用在其上的作用力主要是由氣缸產(chǎn)生的推力，設(shè)定作用于推料板上的推力為185N;

④推料板的網(wǎng)格劃分，設(shè)定采用自由網(wǎng)格劃分形式，且允許網(wǎng)格自由過度，劃分后的模型單元數(shù)為55858個(gè)，有度數(shù)為264690，節(jié)點(diǎn)數(shù)為88608。

通過以上四個(gè)步驟即可完成推料板零件的有限元模型構(gòu)建，建立完成的推料板零件有限元模型，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的靜應(yīng)力分析計(jì)算，得到如圖2所示的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖。

從圖中可以看出，推料板零件由于所載荷的原因，在靜力作用下的應(yīng)力分布均勻且最大值為0.032MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的即用屈服強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的最大位移發(fā)生在3個(gè)連接孔的中間，與前進(jìn)最大應(yīng)力布局一致，原因主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中零件耳孔的尺寸設(shè)置而導(dǎo)致了推料板零件的厚度不均勻，但不影響零件在設(shè)備中的使用性能，無須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

2? 推料板模態(tài)分析

在Solidworks軟件的Simulation中進(jìn)行了推料板零件的有限元模型分析，首先必須建立其有限元模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元計(jì)算，得到零件相較于頻率的前5階振動(dòng)模型，具體如表1和圖3所示。

在表1所示的推料板零件前5階固有頻率中，導(dǎo)致零件發(fā)生的固有頻率在4000Hz以上，在激光去溢料機(jī)的工作過程中振動(dòng)頻率主要是由設(shè)備中電機(jī)和輸送帶傳動(dòng)所產(chǎn)生的頻率，而這些頻率均在50Hz左右，產(chǎn)生該階段頻率的可能性較小，因此，從設(shè)備正常正常運(yùn)行的角度分析，推料板零件因設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生共振的可能性較小，但不能排除其它潛在因素對(duì)其的影響，仍需對(duì)該零件的振動(dòng)問題，及趨勢(shì)開展研究。

從圖3所示的推料板零件1-5階陣型圖來看，其中第1階振型的變形主要是零件兩側(cè)的中段的前后對(duì)稱彎曲，對(duì)零件的工作所產(chǎn)生的影響不是特別嚴(yán)重;第2階陣型導(dǎo)致了零件后部的錯(cuò)位，推料板零件的結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生了較大的變化，該變形可導(dǎo)致零件的損壞，需要避免此頻率下的共振現(xiàn)象發(fā)生，第3、4階陣型的變形除了前后傾斜位置的相反外其余基本一致，此兩種頻率下的共振變形導(dǎo)致了推料板形狀的嚴(yán)重扭曲，需要避免這兩種頻率的產(chǎn)生，第5階振型導(dǎo)致了推料板零件右側(cè)寬度方向的擴(kuò)張而右側(cè)寬度的減小，對(duì)于此平板作直線運(yùn)動(dòng)的推料板而言，此頻率下產(chǎn)生的共振變形就會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)零件的正常動(dòng)作產(chǎn)生影響，需要避免。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文通過采用有限元分析的方法，對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的推料板零件進(jìn)行靜應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)零件可能發(fā)生破壞的位置主要集中在連接件零件的固定孔兩側(cè)，但能夠滿足零件的使用強(qiáng)度要求。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)零件可能發(fā)生共振破壞的部位及趨勢(shì)，提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)以避免出現(xiàn)該頻率下的振動(dòng)。

以上方法驗(yàn)證了推料板零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，也適用于設(shè)備中其他關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)研發(fā)，以此降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，同時(shí)也為后續(xù)激光去溢料機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的研究提供了一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

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