全自動激光去溢料機推料板有限元分析

周琦

摘要：機械零部件的設計中采用虛擬樣機技術，對其結構強度和振動進行分析研究，有助于提升設計的準確性。使用Solidworks軟件對全自動激光去溢料機的推料板零件進行應力分析和疲勞分析，驗證結構設計的合理性和零件的使用壽命。通過模態分析研究零件產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發生此類現象。通過有限元分析的方法進行機械零部件的設計，能夠有效的降低設備研發周期和成本，也為后續設備中其余零部件的設計研發奠定了一定的理論與實踐基礎。

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.

關鍵詞：Solidworks;推料板;疲勞分析;模態分析

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

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0053-03

0? 引言

隨著計算機仿真技術在現代機械產品設計中的高度應用，采用有限元分析和仿真的方法，對其中關鍵零部件的結構和運動準確性進行驗證，可以較好地縮短產品研發周期，目前已成為一種較為普遍的現代機械產品設計手段。激光切割作為激光加工技術中的一種重要應用技術，運用于集成電路芯片封裝生產中的管腳溢料去除，相較于傳統的模具沖裁和高壓水噴淋技術，具有溢料去除率高、去除工藝簡單和去溢料后芯片品質好等顯著特點。項目組研發的全自動激光去溢料機，針對集成電路發展的小型化、多排和超薄等特點，采用激光切割技術實現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，大大提高了產品品質和生產效率。通過使用三維設計軟件對全自動激光去溢料機的關鍵零件進行有限元分析，驗證零件設計結構的強度、壽命和可靠性，能夠較好的保證設計準確性和研發效率。本文使用Solidworks軟件對全自動激光去溢料機的推料板零件進行了靜應力分析、疲勞分析和模態分析，驗證零件的結構強度、使用壽命和共振頻率，以此保證零件設計具有較好的準確性。

1? 推料板應力分析

現代機械設計中在保證零件強度和剛度的前提下，對所設計的零部件采用虛擬樣機技術改進其結構布局，保證物理樣機驗證中的準確性的同時縮短產品研發周期，較好的降低研發成本。針對設計的推料板零件，在Solidworks軟件中對其進行有限元分析，在保證其強度和剛度的前提下開展優化設計，再次通過分析驗證優化的準確性，能夠較好的提升產品設計的效率，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，查表導出得到材料？籽=7900kg/m3，彈性模量E=200GPa，泊松比？滋=0.29，屈服強度？滓s=352MPa;

②設定約束條件，推料板在自動送料機構中的作用主要是在機械爪抓取集成電路板搬運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，推料板的運動比較簡單，即在氣缸的作用下作直線往復運動，因此作用在其上的作用力主要是由氣缸產生的推力，設定作用于推料板上的推力為185N;

④推料板的網格劃分，設定采用自由網格劃分形式，且允許網格自由過度，劃分后的模型單元數為55858個，有度數為264690，節點數為88608。

通過以上四個步驟即可完成推料板零件的有限元模型構建，建立完成的推料板零件有限元模型，如圖1所示。在此基礎上進行零件的靜應力分析計算，得到如圖2所示的應力、位移和應變圖。

從圖中可以看出，推料板零件由于所載荷的原因，在靜力作用下的應力分布均勻且最大值為0.032MPa，遠遠小于材料的即用屈服強度，對應所產生的最大位移發生在3個連接孔的中間，與前進最大應力布局一致，原因主要是由于結構設計中零件耳孔的尺寸設置而導致了推料板零件的厚度不均勻，但不影響零件在設備中的使用性能，無須對其進行改進。

2? 推料板模態分析

在Solidworks軟件的Simulation中進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，在此基礎上進行有限元計算，得到零件相較于頻率的前5階振動模型，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，導致零件發生的固有頻率在4000Hz以上，在激光去溢料機的工作過程中振動頻率主要是由設備中電機和輸送帶傳動所產生的頻率，而這些頻率均在50Hz左右，產生該階段頻率的可能性較小，因此，從設備正常正常運行的角度分析，推料板零件因設備運行產生共振的可能性較小，但不能排除其它潛在因素對其的影響，仍需對該零件的振動問題，及趨勢開展研究。

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的中段的前后對稱彎曲，對零件的工作所產生的影響不是特別嚴重;第2階陣型導致了零件后部的錯位，推料板零件的結構形狀發生了較大的變化，該變形可導致零件的損壞，需要避免此頻率下的共振現象發生，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致了推料板形狀的嚴重扭曲，需要避免這兩種頻率的產生，第5階振型導致了推料板零件右側寬度方向的擴張而右側寬度的減小，對于此平板作直線運動的推料板而言，此頻率下產生的共振變形就會對設備運行時零件的正常動作產生影響，需要避免。

3? 結語

本文通過采用有限元分析的方法，對全自動激光去溢料機的推料板零件進行靜應力分析，發現零件可能發生破壞的位置主要集中在連接件零件的固定孔兩側，但能夠滿足零件的使用強度要求。通過模態分析發現零件可能發生共振破壞的部位及趨勢，提出改進結構以避免出現該頻率下的振動。

以上方法驗證了推料板零件結構設計的合理性和可靠性，也適用于設備中其他關鍵零部件的設計研發，以此降低研發成本、縮短研發周期，同時也為后續激光去溢料機整機虛擬樣機的研究提供了一定的理論和實踐依據。

參考文獻：

[1]周盼，文少波，趙振東，等.某輕型車半軸的自由模態分析[J].汽車實用技術，2020（07）：173-176.

[2]劉國強，陳維義，陳華東，等.艦炮身管的模態分析與多目標優化[J].國防科技大學學報，2020（04）：149-155.

[3]李利，楊林彬，張德偉，等.新型橡膠破碎機關鍵部件有限元分析[J].橡膠工藝，2019（05）：376-381.

[4]毛敬競，鄧耀，龔運息，等.基于Hyper Works的除雪車車架有限元分析及優化[J].機械研究與應用，2020（02）：25-28.

[5]嚴金林，樊春明，李中華，等.閘板防噴器殼體強度分析方法研究[J].機械工程師，2020（05）：141-144.