基于SolidWorks 的激光去溢料機機構有限元分析

周 琦

（江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著芯片制造技術的飛速發展，集成電路芯片在機械、汽車和家電等制造領域的需求和使用越來越廣泛，已成為各類產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芯片的外觀質量具有舉足輕重的作用，而芯片小型化的趨勢使傳統去溢料設備已無法滿足使用要求，企業亟需一款新型的去溢料設備來提升芯片生產品質和效率。課題組研發的全自動激光去溢料機，能夠對封裝后的集成芯片管腳等處溢料進行快速、精準和有效的切割，實現了芯片封裝工藝中的零溢料，大大提高了集成芯片的產品品質和生產效率。

在Solidworks 軟件中進行全自動激光去溢料機的設計，除完成零部件的虛擬造型和裝配，還可利用軟件的Simulation 插件功能對其關鍵執行機構進行有限元分析，模擬機構在設備運行過程中的運動和受力情況，研究其在共振、疲勞、屈曲和諧響應等情況下的變形[1]，以此發現機構設計中可能存在的問題或缺陷，并通過有效的方法對其結構進行改進或優化，使之能夠符合預期設計目標和要求，有效提升關鍵執行機構設計的準確性和可靠性，大大縮短設備的研發周期和成本。

針對全自動激光去溢料機中溢料去除機構的結構、組成和運動過程研究，完成機構的零件造型與虛擬裝配，并對該機構分別進行靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，以此驗證機構設計的強度、剛度和穩定性。

1 溢料去除機構簡介

溢料去除機構是全自動激光去溢料機中激光器完成溢料切割后將溢料從輸送帶去除的執行機構（圖1）。溢料去除機構由柵格板、直線軸承、連接板、光軸、滾珠絲杠、電機座、聯軸器、步進電機、光軸和固定板組成，柵格板由步進電機驅動的滾珠絲杠帶動實現上下往復運動，實現集成芯片模組溢料的去除，為保障運動的平穩固定板和連接板間安裝了一對軸和直線軸承，機構中光軸、直線軸承和滾珠絲杠的制造材料為AISI1020 鋼，其余構件的制造材料均為6061 鋁合金，構件間通過螺栓聯接實現定位和固定。

2 去除機構靜力學分析

在Solidworks 軟件中建立全自動激光去溢料機去除機構的虛擬模型后，進入軟件的Simulation 插件模塊選擇“靜應力分析”算例并進行相應的參數設置。首先，由于機構中直線軸承、氣缸和光軸等零件的制造材料為AISI1020 鋼，其余構件制造材料均為6061 鋁合金，考慮到合金鋼的屈服強度遠大于鋁合金材料，本次研究機構中零部件的材料均選定為6061 鋁合金；其次，按機構在機器中的位置要求選擇下固定板兩側的6 個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電機連接后傳遞800N·m 的扭矩，柵格板的上表面由于溢料去除動作產生120N 的反作用力；最后，進行有限元網格劃分，網格生成選擇采用自由網格模式，網格密度良好。其具體承載情況及有限元模型如圖2所示。劃分網格后去除機構的自由度數為197937，節點數為66419，單元數為40181。

圖2 去除機構有限元模型

運行算例，得到溢料去除機構在正常工作狀態下的應力、位移和應變分布情況[2]，具體如圖3 所示。

圖3 應力有限元分析結果

由圖3a 中危險截面的最大應力探測可知，溢料去除機構的最大應力值為109.7MPa，發生在滾珠絲杠副與固定架的結合部上方，最大應力遠小于滾珠絲杠副材料合金鋼640.2MPa 的屈服應力。由圖3b可知，機構中連接板和電機座零件在工作載荷下均發生一定的位移變形，最大位移可能發生在連接板和電機座零件兩側的末端位置，形式為沿Z 軸正方向的彎曲，其位移變形最大值為0.1714mm，對機構中柵格板零件的位移探測可知其最大變形量為0.0609mm，結合機構0.05mm 的設計精度分析，該位移變形將導致機構不能對芯片模組準確地進行溢料去除，需要適當增大連接光軸的直徑來提高機構的剛度。由3c 圖可以看出，去除機構的最大應變發生在滾珠絲杠副與固定架的結合部上方，其變形最大值為0.000973，由此可以證明應變大的位置也是所受應力較大的位置。

3 去除機構的疲勞分析

前述靜態應力分析結果的基礎上，在Simulation插件模塊中選擇“疲勞”算例進行機構的疲勞分析，由于合金鋼材料的疲勞壽命遠高于6061 鋁合金材料，本次研究以6061 鋁合金的抗拉強度來定義疲勞S-N 曲線（圖4）。依據溢料去除機構往復循環運行的工作特點定義本次分析事件類型為恒定循環，機構的承載部位及大小與靜應力分析一致，可直接與之關聯復制，事件中的循環周期選擇1000 次，負載類型為完全反轉（即LR=-1），恒定振幅事件的交互作用設置為隨意交互作用，分析計算交替應力的手段為對等應力（von Mises）[3]。運行算例，得到溢料去除機構的有限元疲勞分析的損壞百分比和生命總數圖，具體如圖5 所示。

圖4 疲勞S-N 曲線

圖5 疲勞有限元分析結果

由圖5a 可以看出，溢料去除機構在正常工作狀態下經過1000 次承載循環后，其損壞百分比最大值發生在滾珠絲杠副與固定架的結合部上方，其最大值為3.156%，機構其余零部件的損壞百分比均為0.100%，該處與前述機構的最大應力的位置一致，考慮到滾珠絲杠副實際的制造材料為合金鋼，該處的最大應力和疲勞破壞基本不可能發生。由5b 可以看出，去除機構中除滾珠絲杠外其余零部件的生命周期均為106 次，遠大于設計方案預定的循環次數105次，故此處去除機構的整體結構滿足n=105 次條件下的疲勞強度要求。綜合圖5 分析可知，溢料去除機構中除標準件外采用6061 鋁合金設計機構零部件，其發生疲勞破壞的概率可忽略不計，該去除機構的結構設計總體是安全的。

4 去除機構的屈曲分析

為進一步分析溢料去除機構在工作狀態下的結構穩定性，在前述靜態應力分析結果的基礎上，在Simulation 插件模塊中選擇“屈曲”算例，對該機構進行有限元屈曲分析[4]。分析條件中夾具、載荷設定和網格劃分與靜應力的分析完全一致，運行算例，即可得到溢料去除機構的屈曲有限元分析結果如圖6 所示。

圖6 屈曲有限元分析結果

由圖6 可以看出，溢料去除機構在工作狀態下的屈曲變形，主要發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，從機構0.05mm 的設計定位精度而言，機構在承載情況下發生的屈曲破壞不會影響正常使用。另外，從安全系數的角度進行分析，在機構完成屈曲分析后測得其屈曲安全系數為21.431，即機構能夠承受現有載荷的21 倍才會發生屈曲破壞，測得靜應力分析中的應力安全系數為9.769，應力安全系數遠低于屈曲安全系數，故溢料去除機構在發生疲勞破壞之前可能發生屈服變形，但屈曲破壞在機構的變形破壞中不起主導作用。

5 結語

在SolidWorks 軟件中完成溢料去除機構的虛擬造型和裝配設計，利用有限元方法對該機構進行靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，研究機構在激光去溢料機工作中外部載荷和材料壽命可能導致的應力、疲勞破壞和屈曲變形[5]，發現機構中最可能發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生原因及可能后果，并有針對性地提出相應結構改進措施，從而達到提升溢料去除機構工作的強度、壽命和穩定性，有效避免零件損壞現象發生的目的。

研究表明，在現代機械產品設計中，對按預定方案設計完成的關鍵運動機構進行靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，對其可能產生破壞或變形的原因進行研究，發現設計中存在問題或設計缺陷并有效加以改進或優化，能有效提高機構工作性能、產品設計的準確性和可靠性。該方法也可用于自動化設備整機設計的合理性驗證與結構改進。