2022新能源汽車金屬成形零部件制造大會

某汽車廠大型串聯伺服壓力機在投入生產使用后，經常會發生各種故障。因此本文主要以大型串聯伺服壓力機為例，介紹其工作原理，通過分析發生的重大典型故障，來介紹處理重大典型故障時采取的相關對策。

為了使壓力機結構變得簡單化、小型化，日本小松產業機械和某汽車株式會社共同開發了SS4-16M-460-215 型號的大型伺服壓力機。當前，該型號的伺服壓力機在某汽車公司得到廣泛的使用和推廣(圖1)。

圖1 大型串聯高速伺服壓力機布局

大型伺服壓力機主要組成部分

伺服壓力機機械結構

伺服壓力機機械結構由上橫梁驅動部分和伺服模墊的機械結構組成，如圖2 所示。⑴上橫梁驅動部分的結構由伺服驅動部分的結構(電機、減速機齒輪箱、上橫梁)、滑塊保持制動結構、滑塊位置檢測編碼器部分的結構、齒輪鎖緊裝置的結構、滑塊部分的結構(4點獨立調節系統)、立柱部分的結構(直尺)組成。⑵伺服模墊的機械結構由伺服電機驅動部分的結構、模墊機械結構和均壓化裝置結構組成。

圖2 伺服壓力機結構

伺服驅動控制系統

伺服壓力機控制系統的壓力機控制部分、滑塊控制部分、氣墊控制部分都是由FS16i-MB CN 內的PMC 程序進行控制的。伺服控制原理：電源→伺服控制器→PDM分配模塊→伺服放大器→伺服馬達(編碼器)→齒輪箱(曲軸角度編碼器)→不等速減速機→滑塊工作(直線尺位置控制)→沖壓作業完成(圖3)。

圖3 伺服控制原理

典型故障及處理方法

伺服氣墊滾珠絲杠損壞分析

⑴伺服氣墊工作原理：4 個伺服馬達和皮帶、同步皮帶輪連接帶動滾珠絲杠進行上升、下降(氣墊壓力：300t，3.75s/行程)，通過編碼器進行位置控制行程，不同模具氣墊壓力和行程是不同的，最終將不同形狀板件沖壓成形。

⑵伺服氣墊在高負荷生產時，發生過電流報警。經過調查，氣墊內部傳動滾珠絲杠發生磨損，使滾珠螺母內部的滾珠、隔墊發生碰撞造成表面剝落、隔墊碎裂。絲杠滾道發生刮傷、凹坑現象。

⑶滾珠絲杠導致發生磨損的原因(圖4)。高負荷時潤滑性比較低，導致溫度升高；在重載負荷下，潤滑性低，導致滾珠隔墊磨損破裂；在滾珠隔墊破損情況下，造成相鄰的2 個滾珠發生碰撞，出現凹坑；由于滾珠損傷，導致滾珠螺母、絲杠滾道表面出現剝離。

圖4 滾珠絲杠磨損形成過程

⑷滾珠絲杠壽命延長對策。潤滑油性能提升(潤滑油油品型號選擇)對策。通過FZG 齒輪試驗機進行齒輪油磨損試驗、潤滑油承載能力試驗，還可以進行FZG 微點蝕和點蝕試驗。對潤滑油的添加劑、溫度、其他因素微點蝕、點蝕的影響程度，可以快速、高效做出評價。荷重測試階段數字越大越好,最高性能有12 級以上就可以。經過測試選用Mobil SHC630 作為適用于氣墊滾珠絲杠用油，見表1。

表1 潤滑油性能對比

⑸必須選擇合適的模具行程和預備加速度的對策。模具行程示教功能必須以實際的模具行程為準。追加模具行程示教聯鎖功能和預備加速自動設定功能。

⑹滾珠絲杠滾珠直徑變更對策(圖5)。將滾珠絲杠的滾珠由5/8 寸變更成1 寸，基本額定荷重向上提升,使額定壽命提升到2 倍。滾珠直徑與滾珠總數都與基本額定的荷重有一定關系，現行品與改良品式樣對比見表2。額定壽命和動態額定荷重之間的相互關系，從絲杠的變更來看，改變滾珠的直徑可以將絲杠的額定壽命提高2 倍。

圖5 滾珠絲杠滾珠直徑變更的對策

表2 現行品與改良品式樣對比

伺服馬達的頻發故障

伺服馬達是伺服壓力機的動力組成部分之一，它通過同步皮帶或者直接式聯軸器將動力傳遞給減速機，帶動壓力機進行工作。目前某汽車廠伺服壓力機生產線使用了178 臺伺服馬達，最近53 臺伺服馬達故障頻發。

伺服馬達軸承損壞典型故障事例

⑴伺服馬達軸承破損的形式(圖6)。

圖6 伺服馬達軸承破損形式

⑵伺服馬達軸承破損分析。按當初的零星散發故障來考慮，馬達的壽命等于軸承的壽命，因此從軸承的壽命來查找原因進行判別。

馬達的設計壽命，載荷條件以伺服氣墊的馬達為例，軸承壽命以軸的動態載荷作為同等平均載荷算出。生產部品以下記比率、假設1 個循環的扭矩計算，圖7 為按3 個模式條件區分進行壽命計算；以1 個循環內發生的扭矩作為平均壽命計算，見表3。

圖7 3 個模式條件區分

表3 按3 個模式條件區分進行壽命計算

⑶馬達徑向載荷軸承破損。皮帶初期的張緊力、氣墊所受的載荷還有瞬間馬達的最大扭矩，最終會使轉子受到徑向動態載荷。馬達載荷過大造成潤滑油膜被切斷，使滾珠與軸承內外圈軌道面發生磨損，導致軸承保持架破損。

⑷馬達軸承破損對策見表4。軸承強化，對軸承的材質、熱處理方式進行變更，在高載荷下使用耐久性高的軸承。

表4 馬達軸承破損對策

伺服壓力機滑塊高速減速機輸入軸斷裂故障分析

伺服壓力機在高速生產過程中發生聯動中停止報警，對壓力機伺服馬達、減速機進行檢查，寸有異響。打開蓋板發現減速機皮帶輪側軸斷裂(圖8)，輸入軸詳細剖面圖見圖9。

圖8 減速機皮帶輪側軸斷裂開

圖9 輸入軸詳圖

減速機輸入軸斷裂原因分析，輸入軸在加工時調質處理，出現輕微彎曲變形和微小的龜裂現象，經過長時間的稼動使用，發生疲勞斷裂。輸入軸R 角過小是造成斷裂的主要原因。從模擬輸入軸的最大應力分布來看，根部R0.5mm圓角更改為R2.0mm圓角可以減少應力29%( 圖10)。高速減速機的輸入軸對策，將輸入軸的臺階端R 圓角更改為R2.0mm，增強軸的強度和耐用度(圖11)，后續高速減速機輸入軸全部橫展更換。

圖10 輸入軸的最大應力分布

圖11 高速減速機的輸入軸對策

結束語

綜上所述，關于大型伺服壓力機中所出現的各種故障問題，僅依靠一種處理更換是無法有效排除故障的，因此對某一個故障的處理，可能要運用到以上所有的分析驗算。除此之外，還需要對伺服壓力機傳動機構進行有效的了解學習，掌握其工作原理、功能，才能保證故障排除效率。