2022新能源汽车金属成形零部件制造大会

某汽车厂大型串联伺服压力机在投入生产使用后，经常会发生各种故障。因此本文主要以大型串联伺服压力机为例，介绍其工作原理，通过分析发生的重大典型故障，来介绍处理重大典型故障时采取的相关对策。

为了使压力机结构变得简单化、小型化，日本小松产业机械和某汽车株式会社共同开发了SS4-16M-460-215 型号的大型伺服压力机。当前，该型号的伺服压力机在某汽车公司得到广泛的使用和推广(图1)。

图1 大型串联高速伺服压力机布局

大型伺服压力机主要组成部分

伺服压力机机械结构

伺服压力机机械结构由上横梁驱动部分和伺服模垫的机械结构组成，如图2 所示。⑴上横梁驱动部分的结构由伺服驱动部分的结构(电机、减速机齿轮箱、上横梁)、滑块保持制动结构、滑块位置检测编码器部分的结构、齿轮锁紧装置的结构、滑块部分的结构(4点独立调节系统)、立柱部分的结构(直尺)组成。⑵伺服模垫的机械结构由伺服电机驱动部分的结构、模垫机械结构和均压化装置结构组成。

图2 伺服压力机结构

伺服驱动控制系统

伺服压力机控制系统的压力机控制部分、滑块控制部分、气垫控制部分都是由FS16i-MB CN 内的PMC 程序进行控制的。伺服控制原理：电源→伺服控制器→PDM分配模块→伺服放大器→伺服马达(编码器)→齿轮箱(曲轴角度编码器)→不等速减速机→滑块工作(直线尺位置控制)→冲压作业完成(图3)。

图3 伺服控制原理

典型故障及处理方法

伺服气垫滚珠丝杠损坏分析

⑴伺服气垫工作原理：4 个伺服马达和皮带、同步皮带轮连接带动滚珠丝杠进行上升、下降(气垫压力：300t，3.75s/行程)，通过编码器进行位置控制行程，不同模具气垫压力和行程是不同的，最终将不同形状板件冲压成形。

⑵伺服气垫在高负荷生产时，发生过电流报警。经过调查，气垫内部传动滚珠丝杠发生磨损，使滚珠螺母内部的滚珠、隔垫发生碰撞造成表面剥落、隔垫碎裂。丝杠滚道发生刮伤、凹坑现象。

⑶滚珠丝杠导致发生磨损的原因(图4)。高负荷时润滑性比较低，导致温度升高；在重载负荷下，润滑性低，导致滚珠隔垫磨损破裂；在滚珠隔垫破损情况下，造成相邻的2 个滚珠发生碰撞，出现凹坑；由于滚珠损伤，导致滚珠螺母、丝杠滚道表面出现剥离。

图4 滚珠丝杠磨损形成过程

⑷滚珠丝杠寿命延长对策。润滑油性能提升(润滑油油品型号选择)对策。通过FZG 齿轮试验机进行齿轮油磨损试验、润滑油承载能力试验，还可以进行FZG 微点蚀和点蚀试验。对润滑油的添加剂、温度、其他因素微点蚀、点蚀的影响程度，可以快速、高效做出评价。荷重测试阶段数字越大越好,最高性能有12 级以上就可以。经过测试选用Mobil SHC630 作为适用于气垫滚珠丝杠用油，见表1。

表1 润滑油性能对比

⑸必须选择合适的模具行程和预备加速度的对策。模具行程示教功能必须以实际的模具行程为准。追加模具行程示教联锁功能和预备加速自动设定功能。

⑹滚珠丝杠滚珠直径变更对策(图5)。将滚珠丝杠的滚珠由5/8 寸变更成1 寸，基本额定荷重向上提升,使额定寿命提升到2 倍。滚珠直径与滚珠总数都与基本额定的荷重有一定关系，现行品与改良品式样对比见表2。额定寿命和动态额定荷重之间的相互关系，从丝杠的变更来看，改变滚珠的直径可以将丝杠的额定寿命提高2 倍。

图5 滚珠丝杠滚珠直径变更的对策

表2 现行品与改良品式样对比

伺服马达的频发故障

伺服马达是伺服压力机的动力组成部分之一，它通过同步皮带或者直接式联轴器将动力传递给减速机，带动压力机进行工作。目前某汽车厂伺服压力机生产线使用了178 台伺服马达，最近53 台伺服马达故障频发。

伺服马达轴承损坏典型故障事例

⑴伺服马达轴承破损的形式(图6)。

图6 伺服马达轴承破损形式

⑵伺服马达轴承破损分析。按当初的零星散发故障来考虑，马达的寿命等于轴承的寿命，因此从轴承的寿命来查找原因进行判别。

马达的设计寿命，载荷条件以伺服气垫的马达为例，轴承寿命以轴的动态载荷作为同等平均载荷算出。生产部品以下记比率、假设1 个循环的扭矩计算，图7 为按3 个模式条件区分进行寿命计算；以1 个循环内发生的扭矩作为平均寿命计算，见表3。

图7 3 个模式条件区分

表3 按3 个模式条件区分进行寿命计算

⑶马达径向载荷轴承破损。皮带初期的张紧力、气垫所受的载荷还有瞬间马达的最大扭矩，最终会使转子受到径向动态载荷。马达载荷过大造成润滑油膜被切断，使滚珠与轴承内外圈轨道面发生磨损，导致轴承保持架破损。

⑷马达轴承破损对策见表4。轴承强化，对轴承的材质、热处理方式进行变更，在高载荷下使用耐久性高的轴承。

表4 马达轴承破损对策

伺服压力机滑块高速减速机输入轴断裂故障分析

伺服压力机在高速生产过程中发生联动中停止报警，对压力机伺服马达、减速机进行检查，寸有异响。打开盖板发现减速机皮带轮侧轴断裂(图8)，输入轴详细剖面图见图9。

图8 减速机皮带轮侧轴断裂开

图9 输入轴详图

减速机输入轴断裂原因分析，输入轴在加工时调质处理，出现轻微弯曲变形和微小的龟裂现象，经过长时间的稼动使用，发生疲劳断裂。输入轴R 角过小是造成断裂的主要原因。从模拟输入轴的最大应力分布来看，根部R0.5mm圆角更改为R2.0mm圆角可以减少应力29%( 图10)。高速减速机的输入轴对策，将输入轴的台阶端R 圆角更改为R2.0mm，增强轴的强度和耐用度(图11)，后续高速减速机输入轴全部横展更换。

图10 输入轴的最大应力分布

图11 高速减速机的输入轴对策

结束语

综上所述，关于大型伺服压力机中所出现的各种故障问题，仅依靠一种处理更换是无法有效排除故障的，因此对某一个故障的处理，可能要运用到以上所有的分析验算。除此之外，还需要对伺服压力机传动机构进行有效的了解学习，掌握其工作原理、功能，才能保证故障排除效率。