WE maart Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers. Dr.ir. L.H. Braak. Opdrachtgever: HONESS B.V. te Helmond.

Transcriptie

1 Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers. Dr.ir. L.H. Braak WE maart 1981 Opdrachtgever: HONESS B.V. te Helmond via : Bestuurscommissie Contact en Bedrijfsleven, T.H.E.

2 1 nhoudsopgave 1. nleiding 2. Modelvorming 3. Berekening van het prototype 4. Confrontatie metingen en berekeningen 5. Wijzigingen in het prototype 6. Een nieuw ontwerp

3 ~ van-de 2 Berekeningen aan een frame van een pneumatische, hydraulische pers.. nleiding 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. ). 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. n punt A (fig. 1) werd een verticale 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 afd-eling-der Werktuigbouwkunde ~ ~ ~ ~ om ~ te - vragen ~~ ~ ~ of ~ zij ~ ~~ be- -~ hulpzaam wilden zijn enerzijds bij de aanpassing van het prototype en anderzijds bij het ontwerpen van een nieuw frame, zodanig dat de verticale verplaatsing van het stempel minder dan 0,5 zal worden. n dit verslag worden de resultaten van de berekeningen gepresent eerd. nun.

4 3!----/ Fig. 1. Front- en zijaanzicht van de pers

5 4 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. n 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 gelijkwaardige buigstijfheid worden verkregen als in de werkelijke cons truc tie. Het gebruik van randelementen van het type TREK 2 eist voor een juiste aansluiting, elementen van het type TRM 3 voor de plaat. Deze membraanelementen zijn driehoekig van vorm en hebben een lineair verplaatsingsveld en dus een constant rek- en spanningsveld. 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 overgebracht 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.

6 5 De kracht die door de cilinder op het werkstuk wordt uitgeoefend, wordt via een grondplaat doorgeleid naar de onderbalk van het frame. Bij de fabricage is gezorgd voor een goede passing tussen grondplaat en frame. Bij de berekening wordt de perskracht gelijkmatig verdeeld over een breedte van 150 mm. De schematisering van de ondersteuning van een frame is niet zondermeer eenduidig. Beide frames zijn onderling gekoppeld door een paar strippen, en worden via deze strippen vastgebout aan een stalen ondertafel. Bij de berekening wordt uitgegaan van een scharnier- en een roloplegging in de punten B en C (zie fig. 1); de berekende resultaten zijn waarschijnlijk iets te laag daar de oplegpunten in werkelijkheid dichter bij elkaar kunnen liggen.

7 6 3. Berekening van het prototype Alle berekeningen zijn uitgevoerd bij maximale perskracht. Voor één frame geeft dat dus een resulterende kracht op boven- en onderzijde met een grootte van 125 kn. Voor de berekening van het plaatmodel is dit model verdeeld in driehoekige elementen (zie fig. 3). Fig. 3. Elementverdeling.

8 7 \ ' Fig. 4. Vervormde geometrie; prototype

9 8 Op grond van de resultaten uit de berekeningen zijn de fig. 4 en6 gemaakt. n fig. 4 is de vervormde coutour overdreven weergegeven met als referentie de onvervormde contour. Uit deze figuur blijkt duidelijk de grote doorvering van de bovenarm, die echter al wordt ingeleid door verdraaiing van het middenstuk. Verder blijkt dat ook de onderarm uiteraard niet geheel stijf is. Uit de tabellen, behorende bij de berekening, blijkt dat de verticale verplaatsing van het uiterste punt A van de bovenbalk gelijk is aan 2.37 mm.; terwijl in de cilinderhartlijn een verticale verplaatsing van 1.99 mm. optreedt. Door het kanteleffect van de montageflens van de pers, zou een punt van het snij- of ponsgereedschap dat 330 mm. onder het montagevlak ligt een horizontale verplaatsing van 1.88 m. kunnen ondergaan., Fig. 5. Horizontale verplaatsing van het stempel. Hierbij is dan wel verondersteld dat het stempel aan de onderzijde vrij kan bewegen. Als v1 en v2 de verticale verplaatsingen zijn van de eindpunten van de montageflens dan geldt immers (zie fig. 5): N.B. n de berekening heeft het montagevlak een breedte van 140 mm.

10 Fig. 6. Vergelijkspanningen; prototype 9

11 10 n fig. 6 zijn resultaten van de spanningsberekeningen weergegeven. n elk punt van de plaat treden horizontale en verticale normaalspanningen op, naast schuifspanningen. Een dergelijke spanningstoestand 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 is als de gecompliceerde spanningstoestand van dat punt. Op elk punt van een lijn uit fig. 6 heeft de ideële spanning dezelfde waarde. Uit deze figuur blijkt dan dat de spanningen aan de binnenrand van de plaat de hoogste waarde bereiken. Uit de 2 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. 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. Fig. 7. Meetpunten voor verplaatsingsmetingen. -

12 11 De verplaatsingen zijn gemeten met een meetklok (f 0.01 mm.). De voet van het magnetisch statief is op de montagetafel bevestigd. Tabel 1 : verplaatsingen bij maximale perskracht. Hoewel meetresultaten en berekeningen niet volledig overeenstemmen, hetgeen wel te verwachten is, zijn de verschillen niet dusdanig groot dat naar een andere berekeningswijze moet worden omgezien. Voor de volgende berekeningen van gewijzigd prototype en nieuw ontwerp wordt dan ook van dezelfde veronderstellingen uitgegaan. De voorgestelde maximaal toelaatbare verplaatsing is zodanig dat ten opzichte van de bestaande constructie een circa vijfvoudige stijfheid moet worden verkregen. Aanpassingen van het prototype kunnen worden gevonden in een verkleining van de uitlading waardoor de vrije arm lengte van het áovendeel van het frame verkort.-- wordt. Fig. 8. Plaatsing inzetstuk.

13 2 Berekeningen zijn uitgevoerd voor modificaties, met verschillende breedtes b van het inzetstuk. n alle gevallen wordt er van uitgegaan 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 verzameld; ter vergelijking is ook de oorspronkelijke situatie vermeld. tabel 2: Resultaten gewijzigd prototype. code b m. strip mm. xmm. f mm. 4 rad Omax 2 Y/mm O0 14 x x O-^ HOREP 7 HOREP 7+ HOREE8 HOREP x x x x O low3 2.4 O-^ 1.7 O-^ f: de verplaatsing onder de werklijn van perskracht. 4: de hoekverdraaiing van het montagevlak. o : de maximale normaalspanning in de strippen. max Ter illustratie zijn resultaten opgen~rnen van de verplaatsing en van de ideële spanning van de laatste gewijzigde configuratie (zie fig. 9 en O). 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 vijfmaal zo groot is.

14 13 ; ! 4 + H z 3 (u 4 (u c3, Fig. 9. Vervormde geometrie; gewijzigd prototype

15 14 H H L 3 H f H + a O H c3 i H Fig. 10. Vergelijkspanningen; gewijzigd prototype

16 15 n fig. 10 zien wij dat de spanningen in de plaat een stuk lager liggen dan in het prototype. Bovendien blijkt hieruit dat de hoogste spanningen niet meer in de kleinste afrondingsstraal zit en dat het middenstuk nagenoeg niet meer hoog belast wordt. 6. Een nieuw ontwerp Bij de overwegingen om tot een beter ontwerp te komen moet liefst voldaan blijven aan de volgende eisen: - de maximale persdruk van N. - de uitlading van 300 mm. - de hoogte van het montagevlak van de cilinder mag t.o.v. de grondplaat niet veranderen. Randvoorwaarden die eveneens in de beschouwing betrokken moeten worden zijn: - de breedte van de kokers mag niet overmatig toenemen. Enerzijds omdat dan ook de grondplaat veel groter moet worden, anderzijds omdat dan de veronderstelling dat torsie verwaarloosd mag worden, geweld aangedaan wordt. - de werkhoogte, dus de hoogte van de grondplaat, mag op ergonomische gronden niet te veel toenemen. Zittend werk aan de pers moet mogelijk blij ven. Beschouwing van dit pakket van eisen levert de volgende mogelijkheden om, uitgaande van het basisidee, het prototype aan te passen. (zie fig. 11). a). het verhogen van de bovenarm; wegens de hoogte van het montagevlak is a maximaal 40 nnn. b). het verbreden van het middenstuk; ai te hoge verwachtingen mogen we niet hebben van zeer grote breedtes, omdat de krachten in hoofdzaak via de binnenzijde van het frame worden doorgeleid. c). het verhogen van de onderarm; een maximale afstand van circa 7 cm. lijkt nog acceptabel.

17 16 Een vergroting van de buigstijfheid van een willekeurige dwarsdoorsnede kan verder worden verkregen door: d). vergroting van de dikte van de schetsplaten. e). vergroting van het oppervlak van de strippen. Bij een gegeven oppervlak kan altijd nog een keuze gemaakt worden voor de breedte, waaruit dan de stripdikte volgt. De uiteindelijke keuze wordt hierbij ondermeer bepaald door voorradige afmetingen en lasbaarheid. Fig. 11. Mogelijke wijzigingen in het prototype. n eerste instantie zijn aanpassingen gezccht zonder dat de werkhoogte toenam. n onderstaande tabel zijn de resultaten weergegeven. De verplaatsing f is bepaald voor het punt van de bovenarm, dat zich op A de hartlijn van de cilinder bevindt.

18 HONEW x 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 onderarm relatief groot wordt. n de volgende reeks wordt dan ook de hoogte van de onderarm aangepast. Tabel 4: Tweede reeks aanpassingen HONEW x 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 testberekening gaf aanleiding tot circa 25% lagere vervorming.

19 18 Voor de berekening van een frame met verstijvers wordt uitgegaan van een ander rekenmodel, zie fig. 12. Daarbij worden alle gedeelten waar alleen schetsplaten aanwezig zijn verdeeld in driehoekige plaatslementen, terwijl de strippen en verstijvers verdeeld worden in vierhoekige plaatselementen met grote dikte. Randelementen komen dan niet meer voor.

20 19 ' i Fig. 13. Vervormde geometrie; 18atste ontwerp

21 20 d- c O k- a, H * a, H m H i 6l H H Fig. 14. Vergelijkspanningen; laatste ontwerp

22 21 HONESS-GROUP 13 MESH: 1 MM = 1.5 UNTS CONTOURS OF SGD o LEVELS: 0 + m 109 1=0 TO 14 Fig. 15. Detail vergelijkspanningen; laatste ontwerp

23 4aqF---- ij16 Fig. 16. Geometrie laatste ontwerp

24 23 n het eerste model dat op deze wijze is doorgerekend (HONEW) werd 2 ten onrechte een stripoppervlak aangehouden van 2250 mm, hetgeen overeen komt met bijv. 90 x 25 mm. n het tweede model HONEW13 is bovendien de grootte van de elementen verkleind. De resultaten die met dit laatste model behaald zijn, worden in drie figuren gepresent eerd. n fig. 13 is de vervorming van de buitenrand in beeld gebracht. Fig. 14 en i5 tonen lijnen met gelijke waarde van de ideële spanning in de be- langrijkste strippen. Zoals uit het detail (fig. 15) blijkt is wederom de binnenrand de hoogst belaste plaats met spanningen tot 128 N/mm 2. Zoals uit alle berekeningen blijkt, is het moeilijk verticale verplaatsing van het stempel kleiner dan 0,5 mm. te krijgen bij max. persdruk en een uitlading van 300 mm. De wijzigingen ten opzichte van het bestaande proto-. type zijn daarvoor te gering. n het als laatste berekende model, zie fig. 16, zijn de zijplaten van de frames elk 15 mm. dik, terwijl in de berekening voor alle strippen 2 een oppervlak van 3000 mm werd ingevoerd. Technisch is dat te realiseren door strippen van 120 x 25 mm. te kiezen, De breedte van één frame komt daardoor op x 15 = 150 mm. Uit een gedetailleerde analyse volgt dat de verstijvingsstrippen in het 2 frame niet hoog belast worden: circa N/m, waarbij er relatief weinig buiging aanwezig is. Het lijkt dan ook verantwoord deze strippen lichter uit te voeren dan 120 x 25. Te denken valt aan stripdikten van i5 mm. Het verlies aan stijfheid zai daardoor nauweiijks merkbaar zijn. Zoals uit het detail in fig. 15 duidelijk wordt, zijn de hoeken aan de binnenrand het zwaarst belast. Bij de fabricage dient er rekening mee gehouden te worden dat op deze plaatsen spanningsconcentraties optreden. Een zorgvuldige controle van het laswerk daar ter plaatse zal noodzakelijk zijn.

25 24 Verantwoording 13 jan. 1980: Bezoek Honess; probleemformulering. 20 jan. 1980: Formulering contract THE-Honess. 29 jan. 1980: Presentatie berekeningen aan prototype. Meting aan prototype. i9 feb. 1980: Bespreking voortgang, voorstellen tot wijziging. 5 mrt. 1980: afronden verslaggeving. Rekenkosten Gezien de vele probeersels en oefeningen die extra op deze constructie zijn uitgevoerd is de rekentijd veel hoger dan bij het opmaken van het contract begroot was. n totaal is circa 45 min. procestijd verbruikt waarvan circa 20 min. voor rekening van de opdrachtgever zou kunnen komen. Personeelskosten Ten behoeve van dit project zijn circa 66 manuren besteed; inclusief 13 uur voor rapportage. Ook hierbij geldt dat circa de helft van het aantal uren besteed is aan taken die een vakgroepsbelang dienden.