基于SolidWorks 的激光去溢料机机构有限元分析

周 琦

（江阴职业技术学院 机电工程系，江苏 江阴 214405）

0 引言

随着芯片制造技术的飞速发展，集成电路芯片在机械、汽车和家电等制造领域的需求和使用越来越广泛，已成为各类产品中不可或缺的核心电子元件。

在集成芯片制造中，其末道封装工艺中管脚溢料的去除工艺对芯片的外观质量具有举足轻重的作用，而芯片小型化的趋势使传统去溢料设备已无法满足使用要求，企业亟需一款新型的去溢料设备来提升芯片生产品质和效率。课题组研发的全自动激光去溢料机，能够对封装后的集成芯片管脚等处溢料进行快速、精准和有效的切割，实现了芯片封装工艺中的零溢料，大大提高了集成芯片的产品品质和生产效率。

在Solidworks 软件中进行全自动激光去溢料机的设计，除完成零部件的虚拟造型和装配，还可利用软件的Simulation 插件功能对其关键执行机构进行有限元分析，模拟机构在设备运行过程中的运动和受力情况，研究其在共振、疲劳、屈曲和谐响应等情况下的变形[1]，以此发现机构设计中可能存在的问题或缺陷，并通过有效的方法对其结构进行改进或优化，使之能够符合预期设计目标和要求，有效提升关键执行机构设计的准确性和可靠性，大大缩短设备的研发周期和成本。

针对全自动激光去溢料机中溢料去除机构的结构、组成和运动过程研究，完成机构的零件造型与虚拟装配，并对该机构分别进行静应力、疲劳和屈曲有限元分析，以此验证机构设计的强度、刚度和稳定性。

1 溢料去除机构简介

溢料去除机构是全自动激光去溢料机中激光器完成溢料切割后将溢料从输送带去除的执行机构（图1）。溢料去除机构由栅格板、直线轴承、连接板、光轴、滚珠丝杠、电机座、联轴器、步进电机、光轴和固定板组成，栅格板由步进电机驱动的滚珠丝杠带动实现上下往复运动，实现集成芯片模组溢料的去除，为保障运动的平稳固定板和连接板间安装了一对轴和直线轴承，机构中光轴、直线轴承和滚珠丝杠的制造材料为AISI1020 钢，其余构件的制造材料均为6061 铝合金，构件间通过螺栓联接实现定位和固定。

2 去除机构静力学分析

在Solidworks 软件中建立全自动激光去溢料机去除机构的虚拟模型后，进入软件的Simulation 插件模块选择“静应力分析”算例并进行相应的参数设置。首先，由于机构中直线轴承、气缸和光轴等零件的制造材料为AISI1020 钢，其余构件制造材料均为6061 铝合金，考虑到合金钢的屈服强度远大于铝合金材料，本次研究机构中零部件的材料均选定为6061 铝合金；其次，按机构在机器中的位置要求选择下固定板两侧的6 个螺栓孔作为夹具中固定几何约束的约束面；再次，在外部载荷中滚珠丝杠与步进电机连接后传递800N·m 的扭矩，栅格板的上表面由于溢料去除动作产生120N 的反作用力；最后，进行有限元网格划分，网格生成选择采用自由网格模式，网格密度良好。其具体承载情况及有限元模型如图2所示。划分网格后去除机构的自由度数为197937，节点数为66419，单元数为40181。

图2 去除机构有限元模型

运行算例，得到溢料去除机构在正常工作状态下的应力、位移和应变分布情况[2]，具体如图3 所示。

图3 应力有限元分析结果

由图3a 中危险截面的最大应力探测可知，溢料去除机构的最大应力值为109.7MPa，发生在滚珠丝杠副与固定架的结合部上方，最大应力远小于滚珠丝杠副材料合金钢640.2MPa 的屈服应力。由图3b可知，机构中连接板和电机座零件在工作载荷下均发生一定的位移变形，最大位移可能发生在连接板和电机座零件两侧的末端位置，形式为沿Z 轴正方向的弯曲，其位移变形最大值为0.1714mm，对机构中栅格板零件的位移探测可知其最大变形量为0.0609mm，结合机构0.05mm 的设计精度分析，该位移变形将导致机构不能对芯片模组准确地进行溢料去除，需要适当增大连接光轴的直径来提高机构的刚度。由3c 图可以看出，去除机构的最大应变发生在滚珠丝杠副与固定架的结合部上方，其变形最大值为0.000973，由此可以证明应变大的位置也是所受应力较大的位置。

3 去除机构的疲劳分析

前述静态应力分析结果的基础上，在Simulation插件模块中选择“疲劳”算例进行机构的疲劳分析，由于合金钢材料的疲劳寿命远高于6061 铝合金材料，本次研究以6061 铝合金的抗拉强度来定义疲劳S-N 曲线（图4）。依据溢料去除机构往复循环运行的工作特点定义本次分析事件类型为恒定循环，机构的承载部位及大小与静应力分析一致，可直接与之关联复制，事件中的循环周期选择1000 次，负载类型为完全反转（即LR=-1），恒定振幅事件的交互作用设置为随意交互作用，分析计算交替应力的手段为对等应力（von Mises）[3]。运行算例，得到溢料去除机构的有限元疲劳分析的损坏百分比和生命总数图，具体如图5 所示。

图4 疲劳S-N 曲线

图5 疲劳有限元分析结果

由图5a 可以看出，溢料去除机构在正常工作状态下经过1000 次承载循环后，其损坏百分比最大值发生在滚珠丝杠副与固定架的结合部上方，其最大值为3.156%，机构其余零部件的损坏百分比均为0.100%，该处与前述机构的最大应力的位置一致，考虑到滚珠丝杠副实际的制造材料为合金钢，该处的最大应力和疲劳破坏基本不可能发生。由5b 可以看出，去除机构中除滚珠丝杠外其余零部件的生命周期均为106 次，远大于设计方案预定的循环次数105次，故此处去除机构的整体结构满足n=105 次条件下的疲劳强度要求。综合图5 分析可知，溢料去除机构中除标准件外采用6061 铝合金设计机构零部件，其发生疲劳破坏的概率可忽略不计，该去除机构的结构设计总体是安全的。

4 去除机构的屈曲分析

为进一步分析溢料去除机构在工作状态下的结构稳定性，在前述静态应力分析结果的基础上，在Simulation 插件模块中选择“屈曲”算例，对该机构进行有限元屈曲分析[4]。分析条件中夹具、载荷设定和网格划分与静应力的分析完全一致，运行算例，即可得到溢料去除机构的屈曲有限元分析结果如图6 所示。

图6 屈曲有限元分析结果

由图6 可以看出，溢料去除机构在工作状态下的屈曲变形，主要发生在滚珠丝杠顶端与固定架零件的连接部位，其最大值为0.01342mm，从机构0.05mm 的设计定位精度而言，机构在承载情况下发生的屈曲破坏不会影响正常使用。另外，从安全系数的角度进行分析，在机构完成屈曲分析后测得其屈曲安全系数为21.431，即机构能够承受现有载荷的21 倍才会发生屈曲破坏，测得静应力分析中的应力安全系数为9.769，应力安全系数远低于屈曲安全系数，故溢料去除机构在发生疲劳破坏之前可能发生屈服变形，但屈曲破坏在机构的变形破坏中不起主导作用。

5 结语

在SolidWorks 软件中完成溢料去除机构的虚拟造型和装配设计，利用有限元方法对该机构进行静应力、疲劳和屈曲有限元分析，研究机构在激光去溢料机工作中外部载荷和材料寿命可能导致的应力、疲劳破坏和屈曲变形[5]，发现机构中最可能发生破坏和变形的是滚珠丝杠副部件，通过分析该部件的变形产生原因及可能后果，并有针对性地提出相应结构改进措施，从而达到提升溢料去除机构工作的强度、寿命和稳定性，有效避免零件损坏现象发生的目的。

研究表明，在现代机械产品设计中，对按预定方案设计完成的关键运动机构进行静应力、疲劳和屈曲有限元分析，对其可能产生破坏或变形的原因进行研究，发现设计中存在问题或设计缺陷并有效加以改进或优化，能有效提高机构工作性能、产品设计的准确性和可靠性。该方法也可用于自动化设备整机设计的合理性验证与结构改进。