Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers

(1)

hydraulische pers

Citation for published version (APA):

Braak, L. H. (1981). Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers. (DCT rapporten; Vol. 1981.005). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1981

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

Dr.ir.

L.H.

Braak

WE

81-05 maart

1981

Opdrachtgever:

HONESS

B.V. te Helmond

via : Bestuurscommissie Contact en

(3)

Inhoudsopgave

1 .

I n l e i d i n g 2 . Modelvorming 3 . Berekening van h e t p r o t o t y p e 4. C o n f r o n t a t i e metingen en berekeningen 5. Wijzigingen

i n

h e t p r o t o t y p e

6. Een nieuw ontwerp

2 4 6 10

1 1

15

(4)

Berekeningen aan een frame van een pneumatische, hydraulische pers.

I .

Inleiding

De firma Honess B.V. te Helmond is een kleine machinefabriek, waar

in hoofdzaak gereedschappen voor het ponsen, stansen en snijden

worden gemaakt. Om het bedrijf een bredere basis te geven is de

ontwikkeling ter hand genomen van een pneumatisch, hydraulische

pers. Deze pers met een maximale persdruk van 250 kN, heeft een

grote uitlading nl. 300 mm., waardoor vrij grote platen bewerkt

kunnen worden. Het frame van deze persen is uitgevoerd als een

open C-frame (zie fig.

I ) .

Voor het eerste prototype was dit

frame vervaardigd uit twee massieve platen elk 25

mm.

dik.

Bij het tweede prototype was de massieve plaat vervangen door

een doosvormige constructie, waarbij de schetsplaten

10 nrm.

dik waren en de strippen

12

mm. (zie fig.

2 ) .

Verplaatsingsmetingen aan dit prototype toonden een te grote

verplaatsing van het stempel. In punt

A

(fig.

1)

werd een ver-

ticale verplaatsing gemeten, die groter was dan

2

nun.

Via het Bureau Contacten Bedrijfsleven werd door de firma

Honess contact opgenomen met de vakgroep Technische Mechanica

~

van-de afd-eling-der

Werktuigbouwkunde

~ ~ ~ ~

om

~

te

-

vragen

~~ ~ ~ o f ~

zij

~ ~~

be-

-~

hulpzaam wilden zijn enerzijds bij de aanpassing van het proto-

type en anderzijds bij het ontwerpen van een nieuw frame, zodanig

dat de verticale verplaatsing van het stempel minder dan

0,5

nun.

zal worden.

In dit verslag worden de resultaten van de berekeningen gepresen-

(5)

I

!----/___I

I

(6)

2.

Modelvorminn

Voor de berekening van de pers wordt slechts één van de twee frames

in ogenschouw genomen, Dit frame zal dan ook slechts de helft van

de belasting behoeven te dragen.

Omdat het ter beschikking staande rekenprograma geen koker-elementen

bevat wordt het frame geschematiseerd tot een vlak plaatprobleem (zie

fig.

2 ) .

De buigstijfheid van een dwarsdoorsnede van het frame wordt

in hoofdzaak verkregen door het oppervlak van de boven- en onderstrip.

In

het rekenmodel wordt dit effect bereikt door de randen van de plaat

te koppelen met zg. randelementen, waarvoor in dit geval trekstaven

worden gekozen. Zodoende kan

in

het rekenmodel een nagenoeg gelijk-

waardige buigstijfheid worden verkregen als in de werkelijke con-

s

truc

tie.

Het gebruik van randelementen van het type

TREK

2 eist voor een

juiste aansluiting, elementen van het type

TRIM

3 voor de plaat.

Deze membraanelementen zijn driehoekig van vorm en hebben een

lineair verplaatsingsveld en dus een constant rek- en spannings-

veld.

I___

r*--7"-F-y

a- --Jzzz-

A--i

fig.

2 .

Doorsnede in constructie en in rekenmodel.

De kracht van de perscilinder wordt door een drietal bouten over-

gebracht

op

de bovenzijde van een frame. Hoewel de montageflens

zich niet in het midden van het frame bevindt en er dus ook een

wringend moment zal optreden in een willekeurige dwarsdoorsnede,

wordt dit effect in de berekening niet meegenomen. We nemen aan

dat de verstijvingsstrippen in het kokerframe, een vervorming ten

gevolge van torsie voldoende zullen tegengaan.

(7)

D e k r a c h t d i e door d e c i l i n d e r op h e t werkstuk wordt u i t g e o e f e n d , wordt v i a een g r o n d p l a a t d o o r g e l e i d naar d e onderbalk van h e t frame. B i j de f a b r i c a g e i s gezorgd v o o r een goede passing tussen g r o n d p l a a t en frame.

B i j de berekening wordt de p e r s k r a c h t g e l i j k m a t i g v e r d e e l d o v e r een b r e e d t e v a n 1 5 0

mm.

De schematisering van d e ondersteuning v a n een frame i s n i e t zondermeer eenduidig. B e i d e frames z i j n onderling gekoppeld door een p a a r s t r i p p e n , en worden via deze s t r i p p e n v a s t g e b o u t aan een s t a l e n o n d e r t a f e l . B i j de berekening wordt u i t g e g a a n van een scharnier- en een r o l o p l e g g i n g

i n

de punten B en C ( z i e f i g . 1); d e berekende r e s u l t a t e n z i j n waar-

s c h i j n l i j k i e t s t e l a a g daar d e oplegpunten i n w e r k e l i j k h e i d d i c h t e r b i j e l k a a r kunnen l i g g e n .

(8)

3 . Berekening van h e t p r o t o t y p e

A l l e berekeningen z i j n u i t g e v o e r d b i j maximale p e r s k r a c h t . Voor één frame g e e f t d a t dus een r e s u l t e r e n d e k r a c h t op boven- en o n d e r z i j d e

met een g r o o t t e van 125 kN.

Voor d e berekening van h e t plaatmodel i s d i t model v e r d e e l d

i n

d r i e - hoekige elementen ( z i e f i g . 3 ) .

(9)

\ '

(10)

Op grond v a n de r e s u l t a t e n u i t d e berekeningen z i j n d e f i g . 4 e n 6 gemaakt. I n f i g . 4 i s d e vervormde coutour overdreven weergegeven met a l s r e f e r e n t i e d e onvervormde contour. U i t deze f i g u u r b l i j k t d u i d e l i j k d e g r o t e doorvering van d e bovenarm, d i e e c h t e r a l wordt i n g e l e i d door v e r d r a a i i n g van h e t middenstuk. Verder b l i j k t dat o o k

de onderarm u i t e r a a r d n i e t g e h e e l s t i j f i s . U i t d e t a b e l l e n , behorende b i j d e berekening, b l i j k t d a t d e v e r t i c a l e v e r p l a a t s i n g v a n h e t

u i t e r s t e punt A van d e bovenbalk g e l i j k i s aan 2.37

mm.;

t e r w i j l i n de c i l i n d e r h a r t l i j n een v e r t i c a l e v e r p l a a t s i n g v a n 1.99

mm.

o p t r e e d t . Door h e t k a n t e l e f f e c t v a n d e montageflens v a n d e p e r s , zou een punt van h e t s n i j - of ponsgereedschap d a t 330 mm. onder h e t montagevlak

l i g t een h o r i z o n t a l e v e r p l a a t s i n g v a n 1.88

m.

kunnen ondergaan.

,

F i g . 5. H o r i z o n t a l e v e r p l a a t s i n g van h e t stempel.

H i e r b i j i s dan w e l v e r o n d e r s t e l d d a t h e t stempel aan d e o n d e r z i j d e

v r i j kan bewegen. A l s v 1 en v2 d e v e r t i c a l e v e r p l a a t s i n g e n z i j n v a n de eindpunten v a n d e montageflens dan g e l d t immers ( z i e f i g . 5):

(11)

(12)

In

fig.

6 zijn resultaten van de spanningsberekeningen weergegeven.

In

elk punt van de plaat treden horizontale en verticale normaal-

spanningen op, naast schuifspanningen. Een dergelijke spanningstoe-

stand kan ook gekarakteriseerd worden door een zogenaamde ideële

of vergelijkspanning in dat punt, Dit is dan een normaalspanning

die ten aanzien van een sterktecriterium, even gevaarlijk

i s

als

de gecompliceerde spanningstoestand van dat punt.

Op elk punt van een lijn uit fig.

6 heeft de ideële spanning de-

zelfde waarde. Uit deze figuur blijkt dan dat de spanningen aan

de binnenrand van de plaat de hoogste waarde bereiken. Uit de

numerieke uitvoer blijkt deze waarde

168

N/mm

te zijn. Gezien

de aard van de belasting -sterk wisselend en met een stootachtig

karakter- moet gevreesd worden dat deze spanning op den duur zal

leiden tot vermoeiingsscheuren.

2

4 .

Confrontatie metingen en berekeningen

Ter verificatie van de veronderstellingen die bij de modelvorming

van de pers tot een rekenmodel gedaan zijn, is een eenvoudige

controlemeting voor de verplaatsingen uitgevoerd. De meetpunten

en meetrichtingen zijn in fig.

7 aangegeven.

-

(13)

D e v e r p l a a t s i n g e n z i j n gemeten met een meetklok

(f

0.01 mm.).

D e

v o e t

van

h e t magnetisch s t a t i e f i s op de m o n t a g e t a f e l b e v e s t i g d . Tabel 1 : v e r p l a a t s i n g e n b i j maximale p e r s k r a c h t .

Hoewel m e e t r e s u l t a t e n en berekeningen n i e t v o l l e d i g overeenstemmen, hetgeen w e l t e verwachten i s , z i j n de v e r s c h i l l e n n i e t dusdanig g r o o t d a t

naar

een andere berekeningswijze moet worden omgezien. Voor de volgende berekeningen van g e w i j z i g d p r o t o t y p e en nieuw ontwerp wordt dan ook van d e z e l f d e v e r o n d e r s t e l l i n g e n u i t g e g a a n .

D e v o o r g e s t e l d e maximaal t o e l a a t b a r e v e r p l a a t s i n g i s zodanig d a t t e n o p z i c h t e van de bestaande c o n s t r u c t i e een circa v i j f v o u d i g e s t i j f h e i d moet worden verkregen. Aanpassingen v a n h e t p r o t o t y p e kunnen worden gevonden i n een v e r k l e i n i n g van de u i t l a d i n g waardoor d e v r i j e arm

l e n g t e v a n h e t áovendeel van h e t frame v e r k o r t

. - -

wordt.

I F i g . 8. P l a a t s i n g i n z e t s t u k .

(14)

Berekeningen zijn uitgevoerd voor modificaties, met verschillende

breedtes

b

van het inzetstuk. In alle gevallen wordt er van uitge-

gaan dat de zijplaten van het inzetstuk dezelfde dikte hebben als

de schetsplaten van het bestaande frame.

Voor de strip, die het inzetstuk afsluit, kunnen nog verschillende

diktes d gekozen worden.

De resultaten van deze modificaties

zijn

in onderstaande tabel ver-

zameld; ter vergelijking is ook de oorspronkelijke situatie vermeld.

tabel

2:

Resultaten gewijzigd prototype.

code

HOREP 7 HOREP 7+ HOREE8 HOREP 8+

b

m.

60 1 O0 150

strip

mm.

xmm. 14

x

100 14

x

100 20

x

100 25

x

100 20

x

100 25

x

100

f

mm.

1.99 1.10 0.80 0.75 0.72 0.46 O. 44

4 rad

3.4

IO-^

2.7 2 . 5 low3 2.4

IO-^

1 . 7

IO-^

1 . 7

Omax

2 Y/mm I 68 112 8 2 74

-

61

-

f: de verplaatsing onder de werklijn van perskracht.

4 :

de hoekverdraaiing van het montagevlak.

o

:

de maximale normaalspanning in de strippen.

max

T e r i l l u s t r a t i e z i j n resultaten opgen~rnen

van de verplaatsing en

van de ideële spanning van de laatste gewijzigde configuratie (zie

fig.

9

en

IO).

Uit de resultaten blijkt dat bij een halvering van

de uitlading tot

150 m.

de verplaatsing in de buurt van de gewenste

waarde komt. Bij de vergelijking van fig.

9

met fig.

4

is in eerste

oogopslag weinig verandert, maar er moet wel rekening gehouden worden

met het feit dat de schaal voor de verplaatsingen, die in fig.

9

(15)

I

!

I

4 +

4

(u H z 3 (u c3 ,

I;---

F i g . 9. Vervormde geometrie; g e w i j z i g d p r o t o t y p e

(16)

H H L 3 II H f H

+

a

O c3 H i H

(17)

I n f i g .

10

z i e n w i j d a t d e spanningen

i n

d e p l a a t een s t u k lager l i g g e n dan

i n

h e t p r o t o t y p e . Bovendien b l i j k t h i e r u i t d a t d e h o o g s t e spanningen n i e t meer i n d e k l e i n s t e a f r o n d i n g s s t r a a l z i t en d a t h e t middenstuk nagenoeg n i e t meer hoog b e l a s t wordt.

6. Een nieuw ontwerp

B i j d e overwegingen om t o t een b e t e r ontwerp t e komen moet l i e f s t voldaan b l i j v e n aan d e volgende e i s e n :

-

de maximale persdruk van

250.000

N. -

de u i t l a d i n g van 300 mm.

-

de hoogte van h e t montagevlak v a n d e c i l i n d e r mag t . o . v . d e grondplaat n i e t veranderen.

Randvoorwaarden d i e eveneens

i n

d e beschouwing betrokken moeten worden z i j n :

-

de b r e e d t e van de kokers mag n i e t overmatig toenemen. E n e r z i j d s omdat dan ook d e g r o n d p l a a t veel g r o t e r moet worden, a n d e r z i j d s omdat dan d e v e r o n d e r s t e l l i n g d a t t o r s i e verwaarloosd mag worden, geweld aangedaan wordt.

-

de’werkhoogte, dus d e hoogte v a n d e g r o n d p l a a t , mag op ergonomische gronden n i e t t e veel toenemen. Z i t t e n d werk aan d e p e r s moet m o g e l i j k b l i j ven.

Beschouwing v a n d i t p a k k e t v a n e i s e n levert d e volgende mogelijkheden

om, uitgaande van h e t b a s i s i d e e , h e t p r o t o t y p e aan t e passen. ( z i e

f i g .

1 1 ) .

a). h e t verhogen v a n d e bovenarm; wegens de hoogte van h e t montagevlak

i s a maximaal 40

nnn.

b). h e t verbreden van h e t middenstuk; a i te hoge verwachtingen mogen w e n i e t hebben van z e e r g r o t e b r e e d t e s , omdat d e k r a c h t e n

i n

hoofdzaak v i a de binnenzijde van h e t frame worden d o o r g e l e i d .

c). h e t verhogen van d e onderarm; een maximale a f s t a n d van c i r c a 7 cm.

(18)

Een v e r g r o t i n g van d e b u i g s t i j f h e i d van een w i l l e k e u r i g e dwarsdoorsnede kan v e r d e r worden verkregen door:

d). v e r g r o t i n g van d e d i k t e van d e s c h e t s p l a t e n .

e). v e r g r o t i n g van h e t oppervlak van d e s t r i p p e n .

B i j een gegeven oppervlak kan a l t i j d nog een keuze gemaakt worden voor d e b r e e d t e , w a a r u i t dan de s t r i p d i k t e v o l g t . D e u i t e i n d e l i j k e keuze wordt h i e r b i j ondermeer bepaald door v o o r r a d i g e afmetingen en

l a s b a a r h e i d .

I

F i g .

1 1 .

M o g e l i j k e w i j z i g i n g e n i n h e t p r o t o t y p e .

I n eerste i n s t a n t i e z i j n aanpassingen g e z c c h t zonder d a t d e werkhoogte toenam. I n onderstaande t a b e l z i j n d e r e s u l t a t e n weergegeven. D e ver-

p l a a t s i n g f

de h a r t l i j n v a n de c i l i n d e r b e v i n d t .

i s bepaald v o o r h e t punt v a n d e bovenarm, d a t z i c h op

(19)

Zoals uit de tabel blijkt is het met deze aanpassingen amper mogelijk

verplaatsingen kleiner dan

1 mm.

te realiseren. Uit de resultaten,

vooral de vervormde geometrie, blijkt dat de vervorming van de onder-

arm relatief groot wordt.

In de volgende reeks wordt dan

ook

de hoogte

van de onderarm aangepast.

Tabel

4 :

Tweede reeks aanpassingen

HONEW13

+40 +80 +7 2 2

x

15 3000

0.55 De resultaten van HONEW9 en

10

tonen aan dat wij op de goede weg zijn

hoewel de maximale aanpassing aan de hoogtes a en c al bereikt zijn.

Verbetering van de constructie kan nog plaatsvinden door te pogen de

hoeken te verstijven door het inlassen van een aantal strippen. Een

(20)

Voor de berekening van een frame met verstijvers wordt uitgegaan van

een ander rekenmodel, zie fig.

1 2 .

Daarbij worden alle gedeelten waar

alleen schetsplaten aanwezig zijn verdeeld in driehoekige plaatslementen,

terwijl de strippen en verstijvers verdeeld worden

i n

vierhoekige plaats-

(21)

' I I I I i I I I I I I I I I

(22)

d- O k- c a, II H * a,

m

H i 6l H H H

(23)

HONESS-GROUP

13

MESH: 1 MM

=

1.5

UNITS

CONTOURS

O F

S I G I D o LEVELS:

0 + I m

109

1=0

TO

14

(24)

(25)

I n h e t eerste model d a t op deze w i j z e i s doorgerekend (HONEWII) werd

t e n o n r e c h t e een s t r i p o p p e r v l a k aangehouden van 2250

mm

,

h e t g e e n

overeen komt met b i j v . 90 x 25

mm.

I n h e t tweede model HONEW13 i s

bovendien d e g r o o t t e van de elementen v e r k l e i n d . D e r e s u l t a t e n d i e

met d i t l a a t s t e model behaald z i j n , worden i n d r i e f i g u r e n gepresen- t eerd

.

I n f i g . 13 i s de vervorming v a n d e buitenrand

i n

b e e l d g e b r a c h t . F i g . 14 en

i5

tonen l i j n e n met g e l i j k e waarde v a n d e i d e ë l e spanning

i n

de be- l a n g r i j k s t e s t r i p p e n . Z o a l s u i t h e t d e t a i l ( f i g . 15) b l i j k t i s wederom

d e binnenrand de hoogst b e l a s t e p l a a t s met spanningen t o t 128 N/mm

.

2

Zoals u i t a l l e berekeningen b l i j k t , i s h e t m o e i l i j k v e r t i c a l e v e r p l a a t s i n g van h e t stempel k l e i n e r dan 0 , 5

mm.

t e k r i j g e n b i j max. p e r s d r u k en een

u i t l a d i n g van 300 mm. D e w i j z i g i n g e n t e n o p z i c h t e v a n h e t b e s t a a n d e proto- t y p e z i j n daarvoor t e g e r i n g . .

I n h e t a l s l a a t s t e berekende model, z i e f i g . 16, _{z i j n d e z i j p l a t e n v a n}

de frames e l k 15

mm.

d i k , t e r w i j l

i n

d e berekening v o o r a l l e s t r i p p e n een o p p e r v l a k van 3000

mm

werd ingevoerd. Technisch i s d a t t e realiseren

door s t r i p p e n van 120 x 25 mm. t e kiezen, D e b r e e d t e v a n één frame komt daardoor op 120 + 2

x

15 = 150

mm.

2

U i t een g e d e t a i l l e e r d e a n a l y s e v o l g t d a t de v e r s t i j v i n g s s t r i p p e n i n h e t frame n i e t hoog b e l a s t worden: c i r c a 30

2

40 N / m 2

,

w a a r b i j er r e l a t i e f weinig buiging aanwezig i s . H e t l i j k t dan ook verantwoord d e z e s t r i p p e n l i c h t e r u i t t e voeren dan 120 x 25. T e denken v a l t aan s t r i p d i k t e n van i 5

mm.

H e t v e r l i e s aan s t i j f h e i d z a i daardoor n a u w e i i j k s merkbaar z i j n .

Zoals u i t h e t d e t a i l i n f i g . 15 d u i d e l i j k wordt, z i j n d e hoeken aan d e

binnenrand h e t zwaarst b e l a s t . B i j d e f a b r i c a g e d i e n t er rekening mee

gehouden t e worden d a t op deze p l a a t s e n spanningsconcentraties optreden. Een z o r g v u l d i g e c o n t r o l e v a n h e t laswerk d a a r ter p l a a t s e z a l n o o d z a k e l i j k z i j n .