半导体封装机液压系统的分析与设计.doc

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1、 目 录内容摘要I一、 绪言1（一）概述1（二）发展趋势1二、 半导体封装机液压系统结构分析1（一）液压系统基本技术要求2（二）液压系统工作过程21、 工作原理22、 工艺加工过程3三、 半导体封装机液压系统结构及元件的设计3（一）液压缸的基本结构设计31、 液压缸的类型42、 缸筒的连接结构、缸口及缸底结构43、 油缸放气及缓冲装置4（二）缸体结构的基本参数确定51、 主缸参数52、 上缸的设计计算63、 下缸的设计计算：11（三）液压控制阀的选择161、 先导式溢流阀162、 节流阀163、 单向阀164、 电磁换向阀175、 顺序阀176、 背压阀17（四）管道及管接头171、 管道17

2、2、 管接头18（五）油泵规格和电动机功率181、 确定液压泵流量和规格型号182、 确定电动机功率和型号18四、 总 结19参考文献：19致 谢20内容摘要该半导体封装机的液压系统结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，压力和行程可在规定的范围内任意调节，操作便捷。在本设计中，拟订了液压原理图，设计了液压缸的尺寸。按压力和流量的大小选择了液压泵，电动机，液压阀等液压元件和辅助元件。半导体封装机的液压系统由执行机构及动力机构两大部分组成。液压系统的执行机构包括液压主缸、活塞缸、顶出缸及油路装置等。动力机构由油箱、高压泵、控制系统、电动机、液压阀等组成。液压系统采用PLC控制，通过泵和油

3、缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和传送，完成各种工艺动作的循环。该液压系统具有独立的动力机构和电气系统，并采用按钮集中控制，可实现手动和自动两种操作方式。关键词：液压缸 控制阀 管道半导体封装机液压系统的分析与设计一、 绪言（一） 概述随着半导体技术的发展，对人类生活的改变越来越多，并呈放大趋势。半导体技术的变革及对人类生活、办公等等的需求，促使半导体封装产业的变化也愈来愈强。半导体封装概括的来说就是将已做好的IC(集成电路）用环氧树脂（现在大多要求用环保树脂）包起来做绝缘的保护。每一种IC事先焊在钉架上，再放入固定的加温模具中，然后合模、加压，再将树脂投入，活塞动作把树脂推入模具的空腔中，

4、IC被树脂包裹，保压等待一定的时间，开模、顶出。IC封装即完成。封装机的工作过程则选用液压系统来完成最合理。液压系统具有功率大、结构简单、布局灵活、控制方便等特点，速度、扭矩、功率均可做无级调节，能迅速换向和变速，调速范围宽，快速性能好，工作平稳、噪音小等。分析与设计半导体封装机液压系统是为了更加深刻理解液压机在半导体封装过程中的工作原理以及实际应用意义。液压系统是利用液体来传递压力的液压设备，液体在密闭的容器中传递压力时是遵循帕斯卡定律。封装机的液压传动系统由动力机构、控制机构、执行机构、辅助机构和工作介质组成。封装机在一定的机械、电子系统内，依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、传递、放大

5、，实现机械功能的轻巧化、科学化、最大化。1（二） 发展趋势 国外半导体封装机的发展已相当成熟，我们国内也在朝着这方面努力，而且好多企业与国际接轨，有了不菲的成绩。比如液压伺服系统的运用等等。总的来说，发展方向有：(1)高速化，高效化，低能耗。提高半导体封装机的工作效率，降低生产成本。(2)机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。(3)自动化、智能化。微电子技术的高速发展为半导体封装机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能。(4)液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效

6、地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。二、 半导体封装机液压系统结构分析半导体封装机的要求是按照液压系统规定的动作图表驱动电机、选择规定的工作方式，在控制元件的指令下，使有关电磁铁的动作以完成点动和半自动循环指定的工艺动作。操作人员只需操纵相应的开关按扭，即可对机器进行操作。（一） 液压系统基本技术要求半导体封装机液压系统设计要求：合模压力要大，否则容易出现溢胶现象；开合模时要有快慢速的调整，否则模具和产品会损坏；开模后间隙要能将端料架树脂放入；开模后产品要脱模（即将产品顶出）。1、主缸公称压力 8000kN 2、主缸回程力 1600KN3、顶出缸公称压力 1000kN 4、顶出

7、缸回程力 600KN5、滑块距工作台最大距离 1800 mm 6、滑块行程 1200 mm7、顶出行程 400mm 8、工作压力 25MPa9、 滑块速度 空程速度 120mm/s 挤压速度 15-25 mm/s 回程 110mm/s10、 顶出速度 顶出 140mm/s 回程 150mm/s（二） 液压系统工作过程1、 工作原理图1.液压控制原理系统图1.主油箱2.电动机3.液压泵4.顺序阀5.先导溢流阀6三位四通电磁换向阀7.二位四通电磁换向阀8.压力继电器9.单向阀10.压力表11.补油箱12.上缸13.背压阀14.液控单向阀 15.行程开关16.下缸17.节流阀图1是油路控制原理系统图

8、，工作时，电液换向阀6通电，压力油由泵3打出，经顺序阀4，进入电液换向阀6的右位，再通过单向阀9，进入上缸12的上腔。同时，经电磁阀7补油进入油缸上腔。回油从上缸的下腔经过（单向顺序阀）背压阀13和液控单向阀14，通过电液换向阀7，流回到油箱。与此同时，上缸在自重的作用下，加速了向下的快速运动，使上缸的上腔瞬时间形成了真空带，补油箱的油会通过液控单向阀，被吸进上缸的上腔，以消除真空，保持上缸的快速下移。当上缸带动上模与下模合模后，压力油继续输入上油缸的上腔，油缸上腔的压力开始升高，由于油压的升高，补油箱处的液控单向阀被关闭，切断了补油箱的供油，使上缸12下行速度开始放慢。油缸上腔压力继续升高，

9、当压力超过了压力继电器10的调定值时，压力继电器发出信号，控制电液换向阀6转换到中位，切断油缸12上腔的供油，上缸停止运动，系统开始保压，保压时间为100s。保压完后，电液换向阀6的左位被接通，泵3打出的压力油，经过顺序阀4，通过电液换向阀6的左位，再经过液控单向阀14、（单向顺序阀）背压阀13，进入上油缸12的下腔， 推动油缸向上运动，同时电磁阀7切换到左位，油箱补油加速回程。油缸12上腔的回油通过液控单向阀，流回到补油箱11。使得上缸能快速退回原位。当将电液换向阀6的中位和电液换向阀的右位接通时，泵3打出的压力油，经过电液换向阀的左位，进入下缸16的下腔，回油从下缸16的上腔经过电液换向阀

10、的左位，流入回油箱，下缸上行顶出产品。在产品取出后，换向阀的右位开始工作，压力油进入下缸16的上腔，下缸下腔的回油经过阀的右位流入回油箱，下缸向下运动，恢复原位。阀13在保压时可防止上油缸12上腔的油液倒流，行程开关15用于控制上、下缸的极限位置，压力表分别显示上、下油缸和整个系统的压力。22、 工艺加工过程工艺加工过程如表1所示 表1 工艺加工过程动作名称动作讯号电磁换向阀电动机1YA2YA3YA4YA5YA6YA1D电机启动AQ+快速下行1A+减速加压2HC(1A)+保压JP+卸压JS(2A)+回程停止1HC+顶出缸顶出3A+退回4A+静止5A三、 半导体封装机液压系统结构及元件的设计（一

11、） 液压缸的基本结构设计液压缸是将液压能转变为机械能的作直线往复运动的液压执行元件。作为执行元件，半导体封装机的所有动作均由液压缸来完成。液压缸按结构分有活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类；按作用方式分有单作用式和双作用式两种。液压缸的密封、安装、排气及缓冲装置，液压缸的主要尺寸对液压系统都是不可少的组成部分。31、 液压缸的类型图2双作用单活塞杆液压缸液压缸选用双作用单活塞杆液压缸，活塞在行程终了时缓冲，因为工作过程中需要往复运动，从图2可见，油缸被活塞头分隔为两腔，侧面有两个进油口，因此可以获得往复的运动。实质上起到两个柱塞缸的作用。此种结构形式的油缸在中小型液压系统上应用最广。2、 缸筒的连接结

12、构、缸口及缸底结构在设计中上、下缸都选择法兰连接方式。这种结构简单、易加工、易装卸。上缸采用前端法兰安装，下缸采用后端法兰安装。缸口部分采用了Y形密封圈、导向套、O形防尘圈和锁紧装置等组成，用来密封和引导活塞杆。由于在设计中缸孔和活塞杆直径的差值不同，故缸口部分的结构也有所不同。缸底结构常应用有平底、圆底形式的整体和可拆结构形式。平底结构具有易加工、轴向长度短、结构简单等优点，所以目前整体结构中大多采用平底结构。圆底整体结构相对于平底来说受力情况较好，因此在相同应力下重量较轻。另外，在整体铸造的结构中圆形缸底有助于消除过渡处的铸造缺陷。但是在液压系统上所使用的油缸一般壁厚均较大，而缸底的受力总

13、是较缸壁小，因此上述优点就显得不太突出，这也是目前在整体结构中大多采用平底结构的一个原因。然而整体结构的共同缺点为缸孔加工工艺性差，更换密封圈时活塞不能从缸底方向拆出，但由于较可拆式缸底结构受力情况好、结构简单、可靠，因此在中小型液压系统中使用也较广4。在本次缸体结构选用的是平底结构。3、 油缸放气及缓冲装置通常油缸在装配后或系统内有空气进入时，使油缸内部存留一部分空气，而常常不易及时被油液带出。这样在油缸工作过程中由于空气的可压缩性将使活塞行程中出现振动。因此除在系统采取密封措施、严防空气侵入外，常在油缸两腔最高处设置放气阀，排出缸内残留的空气，使油缸稳定的工作。排气阀的结构形式包括整体式和

14、组合式。在本次设计中选用的是整体式。整体式排气阀阀体与阀针合为一体，用螺纹与钢筒或缸盖连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面间隙中挤出，并经斜孔排出缸外。这种排气阀简单、方便、但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气阀后不能密封，会造成泄露。缓冲装置的工作原理是使钢筒低压腔内油液(全部或部分)通过节流把动能转换为热能，热能则由循环的油液带到液压缸外。缓冲装置的结构有恒节流面积缓冲装置和变节流型缓冲装置。在设计中采用的是恒节流面积缓冲装置，此类缓冲装置在缓冲过程中，由于其节流面积不变，故在缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快就降低下来，最后不起什么作用，缓冲效果很

15、差。但是在一般系列化的成品液压缸中，由于事先无法知道活塞的实际运动速度以及运动部分的质量和载荷等，因此为了使结构简单、便于设计、降低制造成本，仍多采用此种节流缓冲方式。（二） 缸体结构的基本参数确定1、 主缸参数（1） 主缸的内径:=0.638M 按标准取整=0.640M（2） 主缸活塞杆直径=（2-2）=0.573M 按标准取整=0.58M（3） 主缸实际压力:= （4） 主缸实际回程力:= （5） 顶出缸的直径:=0.226M按标准取整=0.25M（6） 顶出缸的活塞杆直径=0.177M按标准取整=0.18M（7） 顶出缸实际顶出力: = （8） 顶出缸实际回程力：= 2、 上缸的设计计算

16、下表为上缸钢筒所选材料型号MPaMPa%4561036014（1） 筒壁厚计算 公式: =+ 当0.3时，用使用公式:= =0.122 m 取 =0.2m-为缸筒材料强度要求的最小，M -为钢筒外径公差余量，M-为腐蚀余量，M -试验压力，16M时，取=1.25P P管内最大工作压力为25 M -钢筒材料的许用应力，M =/n-钢筒材料的抗拉强度，M n安全系数，通常取n=5当时，材料使用不够经济，应改用高屈服强度的材料。（2） 筒壁厚校核额定工作压力，应该低于一个极限值,以保证其安全。 MPa=0.35=47MPa =外径 D=内径同时额定工作压力也应该完全塑性变形的发生:=2.3320=8

17、6.9 MPa -缸筒完全塑性的变形压力, -材料屈服强度MPa-钢筒耐压试验压力，MPa =30.4236.50 MPa （3） 缸筒的暴裂压力 =2.3610=165.7MPa （4） 缸筒底部厚度 缸筒底部为平面时:0.433 0.433 mm 取 mm -筒底厚，MM （5） 核算缸底部分强度按照平板公式即米海耶夫推荐的公式计算，缸底进油孔直径为20cm则 =0.6875 = =69.8 MPa 按这种方法计算=100MPa 所以安全（6） 缸筒端部法兰厚度: =67.0mm 取 h=100mm -法兰外圆半径; -螺孔直径; 螺钉 M30b螺钉中心到倒角端的长度=32cm = 42c

18、m =48.5cm = =10cm h=10cm= =37cm = = =47.25cm（7） 校核法兰部分强度：=0.067cm 其中 P=110.2=11.02KN/cm =0.0335 =0.367 =1 =0.42 所以 =95.1MPa =57.1+34.6=91.7 MPa 满足要求依据上面公式当垫片的厚度为大于10cm时就能满足要求，为了满足横梁的强度和工艺性，垫片厚度选用25cm。因此可以推算横梁的厚度取大于25cm即满足要求。 （8） 缸筒法兰连接螺钉：下表为螺钉所选材料型号MPaMPa%3554032017(1)螺钉处的拉应力= MPa = =8.5 MPa z-螺钉数12

19、根；k-拧紧螺纹的系数变载荷 取k=4； -螺纹底径m(2)螺纹处的剪应力: =0.475 MPa = MPa -屈服极限 -安全系数; 5(3)合成应力:= = MPa （9） 垫片与横梁间螺钉的校核：(1)螺钉处的拉应力= MPa = =3.8 MPa z-螺钉数12根；k-拧紧螺纹的系数变载荷 取k=4；-螺纹底径m(2)螺纹处的剪应力: =0.475 MPa = MPa -屈服极限 -安全系数; 5(3)合成应力:= = MPa （10） 活塞杆直径d的校核：下表为活塞杆所选材料型号MPaMPa%45MnB10308359 d=0.58M 满足要求F活塞杆上的作用力 活塞杆材料的许用应

20、力，=/1.4 3、 下缸的设计计算：下表为钢筒所选材料型号MPaMPa%4561036014（1） 下缸筒壁厚公式: =+当0.3时，用使用公式: = =0.048 m取 =0.07m-为缸筒材料强度要求的最小，M -为钢筒外径公差余量，M-为腐蚀余量，M -试验压力，16M时，取=1.25P P管内最大工作压力为25 M -钢筒材料的许用应力，M =/n-钢筒材料的抗拉强度，M n安全系数，通常取n=5当时,材料使用不够经济,应改用高屈服强度的材料.（2） 下缸筒壁厚校核额定工作压力, 应该低于一个极限值,以保证其安全. MPa=0.35=43.6MPa=外径 D=内径 同时额定工作压力也

21、应该完全塑性变形的发生:=2.3320=78.9 MPa-缸筒完全塑性的变形压力, -材料屈服强度MPa-钢筒耐压试验压力，MPa =27.6233.14 MPa（3） 缸筒的暴裂压力 =2.3610=150.4MPa（4） 缸筒底部厚度 缸筒底部为平面:0.433 0.433 mm 取 mm-筒底厚，MM （5） 核算缸底部分强度按照平板公式即米海耶夫推荐的公式计算，缸底进油孔直径为8cm，则 =0.68 = =43.1MPa按这种方法计算=100MPa 所以安全 （6） 缸筒端部法兰厚度:h =36.3mm 取 h=40mm 法兰外圆半径；螺孔直径；螺栓M12b螺栓中心到倒角端的长度=12

22、.5cm = 16cm =20.2cm = =3.5cm h=4cm = =14.25cm = = =20.1cm（7） 校核法兰部分强度：=0.182cm其中 P=137.1=13.71KN/cm =0.364 =0.175 =1.493 =0.48所以 =53.9 MPa =264+39.2=303.2 MPa 满足要求 （8） 缸筒法兰连接螺钉：下表为螺钉所选材料型号MPaMPa%3554032017(1)螺栓处的拉应力= MPa = =2.9 MPa z-螺栓数12根; k-拧紧螺纹的系数变载荷 取k=4; -螺纹底径, m(2)螺纹处的剪应力: =0.475 MPa = MPa-屈服

23、极限 -安全系数; 5(3)合成应力:= = MPa （9） 垫片与横梁间螺栓的校核：(1)螺栓处的拉应力= MPa = =2.9 MPa z-螺栓数12根; k-拧紧螺纹的系数变载荷 取k=4; -螺纹底径, m(2)螺纹处的剪应力: =0.475 MPa = MPa-屈服极限 -安全系数; 5(3)合成应力:= = MPa （10） 活塞杆直径d的校核：下表为活塞杆所选材料型号MPaMPa%45MnB10308359 d=0.18M 满足要求F活塞杆上的作用力 活塞杆材料的许用应力，=/1.4（三） 液压控制阀的选择一个完整的液压系统总是由一些基本液压回路组成，而液压油回路主要由各种液压控

24、制阀按一定需要组合而成。液压控制阀的作用是控制液压系统中液流的方向、压力和流量。液压阀的规格按液压系统的最大压力和通过该阀的实际流量从已有产品样本中选取。同时要兼顾以后的维修及成本等。51、 先导式溢流阀DB/DBW型先导式溢流阀具有压力高、调压性能平稳、最低调节压力低和调压范围大等特点。在设计中选用DBW型可以控制系统的压力并能在任意时刻使之卸荷。DBW30的通径为20MM，最大流量可达500，可以满足供油要求。2、 节流阀Z2FS型节流阀是双单向叠加式节流阀，用来控制两个工作油口的主流量或先导油流量。将本元件装在先导阀和主阀之间，可以控制先导流量。Z2fs型的通径为22mm，流量可达350

25、，对于下油缸流量要求较小，所以，可以满足要求。3、 单向阀S型单向阀为锥阀式结构，压力损失小。主要用于做背压阀和旁路阀。连接方式采用管式连接，通径为30mm，流量可达260。SV型液控单向阀为锥阀式结构，只允许油流正向通过，反向则截止。连接方式采用螺纹连接，型号选SV25。通径为20mm，流量可达300。4、 电磁换向阀设计中采用三位四通电磁换向阀。参考型号DSG系列，该系列电磁换向阀配有强吸力、高性能的湿式电磁铁，具有高压、大流量、压力损失低等特点。最终选用型号为S-DSG-03-3C的电磁换向阀，最大流量120。5、 顺序阀DZ型先导式顺序阀利用油路本身压力来控制液压缸或马达的先后动作顺序

26、，以实现油路系统的自动控制。改变控制油和泄露油的连接方法，该阀还可以作为卸荷阀和背压阀（平衡阀）使用。DZ型选通径25mm 流量可达300。6、 背压阀该阀可使背压随载荷变化而变化，载荷增大，背压自动降低，载荷减小则背压增加，使运动平稳性好，提高系统效率。最终选择FBF3型系列，满足最大32 MPa范围即可。（四） 管道及管接头管道及管接头用以把液压元件连接起来组成一个完整的系统。正确的选择管道和管接头，对液压系统的安装、使用和维修都有着重要的意义。在设计管道时管径应适应、路线应最短，管道弯头、接头应尽量小，以减小系统的压力损失。同时管道的连接必须牢固可靠，防止振动松脱，并且要便于调整和维修。

27、1、 管道（1） 管子的选择液压传动系统常用的管子有钢管、橡胶软管、尼龙管和塑料管等。应当根据液压元件的装置条件、部位和压力大小来选用油管的材料。本设计中选用的是钢管。钢管分为焊接钢管和无缝钢管。压力小于2.5 Mpa时可选用焊接钢管；压力大于2.5 MPa时，推荐用10号或15号无缝钢管；对于需要防锈防腐蚀的场合，可选用不锈钢管；超高压时可选用合金钢管。本设计主要选用合金钢管。钢管价格便宜，工作压力较高，但装配时不能任意弯曲，因此多用于装配部位限制较少和产品比较定型以及大功率的液压传动装置中，是液压传动系统主要的油管材料。（2） 管子的内径和壁厚的确定管道尺寸一般由选定的标准元件连接口尺寸确

28、定，也可以按管路允许流速进行计算。油缸快进时油管的流量可达。取管内流速。 =0.040 取d=42mm主缸快退时进油管流量可达，则 =0.040取d=42mm顶出缸快进时油管的流量可达，则 =0.042取d=45mm顶出缸快退时进油管流量可达，则 =0.016取d=45mm2、 管接头管接头用于油管之间或油管与液压元件之间的连接。对管接头的基本要求是工作可靠、密封性良好、对液流的阻力小、结构简单、安装和制造方便等。常用的管接头可分为金属管固定连接管接头、活动连接管接头和软管管接头等三类。本设计中采用金属管固定连接管接头。法兰连接的结构形式有焊接式和凸肩式两种。用12个高强度螺栓紧固，并采用O型

29、橡胶密封圈密封。法兰连接常用于通径大于32mm的高压管道及超高压管道。这种连接的特点是牢固可靠，但外形尺寸较大，要求较大的空间。目前，法兰连接一般是采用方形的法兰，在直径大于125mm时，也可采用圆形法兰。在设计中采用法兰式连接。（五） 油泵规格和电动机功率1、 确定液压泵流量和规格型号主系统工作时所需高压液体最大流量是主缸工作行程活塞腔的进油流量，为，主缸活塞回程时所需流量，为，顶出缸顶出时所需进油流量，为.主缸回程和顶出缸顶出时，他们只是在开始时需要高压而其他情况则不需要高压.根据工况分析，决定选用一台ZB型斜轴式轴向柱塞泵公称流量为，转速为，功率为130.2/KW，型号1ZXB740。2

30、、 确定电动机功率和型号电机选用三相异步电机，型号Y315L2-6，额定功率132/KW ，转速为 ，电流246/A，效率93.8%，功率因数0.87，重量1210千克。四、 总 结此次设计采用的液压系统结构简单，操作灵活且生产成本低。但是在生产过程中，有时会出现压力不稳及位置不精确等现象。结合当前液压方面的发展，如在系统中采用液压比例阀及伺服系统，生产运行将会更加平稳。通过设计的构思，是对大学三年所学专业知识的一次广泛而深刻的复习。同时也对我工作中理论知识上给予了莫大的支持。以前在工作中遇到许多的疑虑得到了合理的解释。毕业设计是与实际的应用紧密联系在一起的，是一次理论联系实际的有机结合。通过

31、此次设计，发现自己所掌握知识的片面性及许多的不足，还有理论加实践才能更多、更好的提高自己。学海无涯，今后只有努力的学习，争取在工作中做出更多的成绩。参考文献：1液力传动理论与设计.马文里编. 化学工业出版社，2004.2液压传动与控制手册.陈启松 编. 上海科学技术出版社,2006.3液压传动.薛祖德 编 .中央广播电视大学出版社,19954机械设计手册，（单行本3版），液压控制，减（变）速器、电机与电器.成大先等编 .化学工业出版社，20065液压元件及选用.王守城，段俊勇编. 化学工业出版社，2007.致 谢此次论文的全部工作得到指导老师的亲切关怀和精心指导导师严谨的治学态度、诲人不倦的敬业精神以及高度的责任感使我受益非浅同时，感谢我的上司及同事单成平、张晓林，从专业知识上给我帮助。感谢我们公司的设备厂商工程师给予我的指导，使我在计算液压缸和选择液压阀的部分做的更加细致。值此论文完成之际，谨向帮助我完成设计的老师及同事们表示崇高的敬意和衷心的感谢！