基于SolidWorks 的激光去溢料機(jī)機(jī)構(gòu)有限元分析

周 琦

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著芯片制造技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路芯片在機(jī)械、汽車和家電等制造領(lǐng)域的需求和使用越來越廣泛，已成為各類產(chǎn)品中不可或缺的核心電子元件。

在集成芯片制造中，其末道封裝工藝中管腳溢料的去除工藝對(duì)芯片的外觀質(zhì)量具有舉足輕重的作用，而芯片小型化的趨勢(shì)使傳統(tǒng)去溢料設(shè)備已無法滿足使用要求，企業(yè)亟需一款新型的去溢料設(shè)備來提升芯片生產(chǎn)品質(zhì)和效率。課題組研發(fā)的全自動(dòng)激光去溢料機(jī)，能夠?qū)Ψ庋b后的集成芯片管腳等處溢料進(jìn)行快速、精準(zhǔn)和有效的切割，實(shí)現(xiàn)了芯片封裝工藝中的零溢料，大大提高了集成芯片的產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

在Solidworks 軟件中進(jìn)行全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的設(shè)計(jì)，除完成零部件的虛擬造型和裝配，還可利用軟件的Simulation 插件功能對(duì)其關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，模擬機(jī)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)和受力情況，研究其在共振、疲勞、屈曲和諧響應(yīng)等情況下的變形[1]，以此發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的問題或缺陷，并通過有效的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化，使之能夠符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，有效提升關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期和成本。

針對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中溢料去除機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)動(dòng)過程研究，完成機(jī)構(gòu)的零件造型與虛擬裝配，并對(duì)該機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行靜應(yīng)力、疲勞和屈曲有限元分析，以此驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

1 溢料去除機(jī)構(gòu)簡介

溢料去除機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中激光器完成溢料切割后將溢料從輸送帶去除的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖1）。溢料去除機(jī)構(gòu)由柵格板、直線軸承、連接板、光軸、滾珠絲杠、電機(jī)座、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、光軸和固定板組成，柵格板由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)集成芯片模組溢料的去除，為保障運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)固定板和連接板間安裝了一對(duì)軸和直線軸承，機(jī)構(gòu)中光軸、直線軸承和滾珠絲杠的制造材料為AISI1020 鋼，其余構(gòu)件的制造材料均為6061 鋁合金，構(gòu)件間通過螺栓聯(lián)接實(shí)現(xiàn)定位和固定。

2 去除機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

在Solidworks 軟件中建立全自動(dòng)激光去溢料機(jī)去除機(jī)構(gòu)的虛擬模型后，進(jìn)入軟件的Simulation 插件模塊選擇“靜應(yīng)力分析”算例并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。首先，由于機(jī)構(gòu)中直線軸承、氣缸和光軸等零件的制造材料為AISI1020 鋼，其余構(gòu)件制造材料均為6061 鋁合金，考慮到合金鋼的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋁合金材料，本次研究機(jī)構(gòu)中零部件的材料均選定為6061 鋁合金；其次，按機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的位置要求選擇下固定板兩側(cè)的6 個(gè)螺栓孔作為夾具中固定幾何約束的約束面；再次，在外部載荷中滾珠絲杠與步進(jìn)電機(jī)連接后傳遞800N·m 的扭矩，柵格板的上表面由于溢料去除動(dòng)作產(chǎn)生120N 的反作用力；最后，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格生成選擇采用自由網(wǎng)格模式，網(wǎng)格密度良好。其具體承載情況及有限元模型如圖2所示。劃分網(wǎng)格后去除機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為197937，節(jié)點(diǎn)數(shù)為66419，單元數(shù)為40181。

圖2 去除機(jī)構(gòu)有限元模型

運(yùn)行算例，得到溢料去除機(jī)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布情況[2]，具體如圖3 所示。

圖3 應(yīng)力有限元分析結(jié)果

由圖3a 中危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力探測(cè)可知，溢料去除機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力值為109.7MPa，發(fā)生在滾珠絲杠副與固定架的結(jié)合部上方，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于滾珠絲杠副材料合金鋼640.2MPa 的屈服應(yīng)力。由圖3b可知，機(jī)構(gòu)中連接板和電機(jī)座零件在工作載荷下均發(fā)生一定的位移變形，最大位移可能發(fā)生在連接板和電機(jī)座零件兩側(cè)的末端位置，形式為沿Z 軸正方向的彎曲，其位移變形最大值為0.1714mm，對(duì)機(jī)構(gòu)中柵格板零件的位移探測(cè)可知其最大變形量為0.0609mm，結(jié)合機(jī)構(gòu)0.05mm 的設(shè)計(jì)精度分析，該位移變形將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)不能對(duì)芯片模組準(zhǔn)確地進(jìn)行溢料去除，需要適當(dāng)增大連接光軸的直徑來提高機(jī)構(gòu)的剛度。由3c 圖可以看出，去除機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)變發(fā)生在滾珠絲杠副與固定架的結(jié)合部上方，其變形最大值為0.000973，由此可以證明應(yīng)變大的位置也是所受應(yīng)力較大的位置。

3 去除機(jī)構(gòu)的疲勞分析

前述靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，在Simulation插件模塊中選擇“疲勞”算例進(jìn)行機(jī)構(gòu)的疲勞分析，由于合金鋼材料的疲勞壽命遠(yuǎn)高于6061 鋁合金材料，本次研究以6061 鋁合金的抗拉強(qiáng)度來定義疲勞S-N 曲線（圖4）。依據(jù)溢料去除機(jī)構(gòu)往復(fù)循環(huán)運(yùn)行的工作特點(diǎn)定義本次分析事件類型為恒定循環(huán)，機(jī)構(gòu)的承載部位及大小與靜應(yīng)力分析一致，可直接與之關(guān)聯(lián)復(fù)制，事件中的循環(huán)周期選擇1000 次，負(fù)載類型為完全反轉(zhuǎn)（即LR=-1），恒定振幅事件的交互作用設(shè)置為隨意交互作用，分析計(jì)算交替應(yīng)力的手段為對(duì)等應(yīng)力（von Mises）[3]。運(yùn)行算例，得到溢料去除機(jī)構(gòu)的有限元疲勞分析的損壞百分比和生命總數(shù)圖，具體如圖5 所示。

圖4 疲勞S-N 曲線

圖5 疲勞有限元分析結(jié)果

由圖5a 可以看出，溢料去除機(jī)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下經(jīng)過1000 次承載循環(huán)后，其損壞百分比最大值發(fā)生在滾珠絲杠副與固定架的結(jié)合部上方，其最大值為3.156%，機(jī)構(gòu)其余零部件的損壞百分比均為0.100%，該處與前述機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力的位置一致，考慮到滾珠絲杠副實(shí)際的制造材料為合金鋼，該處的最大應(yīng)力和疲勞破壞基本不可能發(fā)生。由5b 可以看出，去除機(jī)構(gòu)中除滾珠絲杠外其余零部件的生命周期均為106 次，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)方案預(yù)定的循環(huán)次數(shù)105次，故此處去除機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)滿足n=105 次條件下的疲勞強(qiáng)度要求。綜合圖5 分析可知，溢料去除機(jī)構(gòu)中除標(biāo)準(zhǔn)件外采用6061 鋁合金設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)零部件，其發(fā)生疲勞破壞的概率可忽略不計(jì)，該去除機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體是安全的。

4 去除機(jī)構(gòu)的屈曲分析

為進(jìn)一步分析溢料去除機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在前述靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，在Simulation 插件模塊中選擇“屈曲”算例，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元屈曲分析[4]。分析條件中夾具、載荷設(shè)定和網(wǎng)格劃分與靜應(yīng)力的分析完全一致，運(yùn)行算例，即可得到溢料去除機(jī)構(gòu)的屈曲有限元分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 屈曲有限元分析結(jié)果

由圖6 可以看出，溢料去除機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下的屈曲變形，主要發(fā)生在滾珠絲杠頂端與固定架零件的連接部位，其最大值為0.01342mm，從機(jī)構(gòu)0.05mm 的設(shè)計(jì)定位精度而言，機(jī)構(gòu)在承載情況下發(fā)生的屈曲破壞不會(huì)影響正常使用。另外，從安全系數(shù)的角度進(jìn)行分析，在機(jī)構(gòu)完成屈曲分析后測(cè)得其屈曲安全系數(shù)為21.431，即機(jī)構(gòu)能夠承受現(xiàn)有載荷的21 倍才會(huì)發(fā)生屈曲破壞，測(cè)得靜應(yīng)力分析中的應(yīng)力安全系數(shù)為9.769，應(yīng)力安全系數(shù)遠(yuǎn)低于屈曲安全系數(shù)，故溢料去除機(jī)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞之前可能發(fā)生屈服變形，但屈曲破壞在機(jī)構(gòu)的變形破壞中不起主導(dǎo)作用。

5 結(jié)語

在SolidWorks 軟件中完成溢料去除機(jī)構(gòu)的虛擬造型和裝配設(shè)計(jì)，利用有限元方法對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力、疲勞和屈曲有限元分析，研究機(jī)構(gòu)在激光去溢料機(jī)工作中外部載荷和材料壽命可能導(dǎo)致的應(yīng)力、疲勞破壞和屈曲變形[5]，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中最可能發(fā)生破壞和變形的是滾珠絲杠副部件，通過分析該部件的變形產(chǎn)生原因及可能后果，并有針對(duì)性地提出相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，從而達(dá)到提升溢料去除機(jī)構(gòu)工作的強(qiáng)度、壽命和穩(wěn)定性，有效避免零件損壞現(xiàn)象發(fā)生的目的。

研究表明，在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)按預(yù)定方案設(shè)計(jì)完成的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力、疲勞和屈曲有限元分析，對(duì)其可能產(chǎn)生破壞或變形的原因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問題或設(shè)計(jì)缺陷并有效加以改進(jìn)或優(yōu)化，能有效提高機(jī)構(gòu)工作性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法也可用于自動(dòng)化設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。