Berekeningen aan een frame van een pneumatisch,hydraulische persCitation for published version (APA):Braak, L. H. (1981). Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers. (DCT rapporten;Vol. 1981.005). Eindhoven: 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 beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI 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 pagenumbers.Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand 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, pleasefollow below link for the End User Agreement:www.tue.nl/taverne

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:openaccess@tue.nlproviding details and we will investigate your claim.

Download date: 11. Jun. 2020

Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers.

Dr.ir. L.H. Braak

WE 81-05 maart 1981

Opdrachtgever: HONESS B.V. te Helmond

via : Bestuurscommissie

Contact en

Bedrijfsleven, T.H.E.

1

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. Confronta 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

2

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-

t eerd .

3

I !----/___I I

F i g . 1 . Front- en z i j a a n z i c h t van de p e r s

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. 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.

5

D e krach t d i e door de c i l i n d e r op h e t werkstuk wordt u i tgeoe fend ,

wordt v ia een grondp laa t doorge le id 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 voor een goede passing tussen grondp laa t

en frame.

B i j de berekening wordt de perskracht g e l i j k m a t i g v e r d e e l d o v e r een

breed te van 1 5 0 mm.

De schematisering van de ondersteuning van een frame i s n i e t zondermeer

eenduidig. Be ide frames z i j n onderl ing 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 vas tgebout 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 tgegaan 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 de 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 .

6

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 ) .

F i g . 3 . Elementverdel ing.

7

\ '

Fig. 4 . Vervormde geometrie; prototype

8

Op grond v a n de r e s u l t a t e n u i t de berekeningen z i j n de f i g . 4 e n 6

gemaakt. I n f i g . 4 i s d e vervormde coutour overdreven weergegeven

met a ls r e f e r e n t i e de 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 de g r o t e doorvering van de 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 ook

de onderarm u i t e r a a r d n i e t gehee 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 de berekening, b l i j k t d a t de ver t ica le 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 vert icale v e r p l a a t s i n g van 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 van de montageflens van 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 van 1.88 m. kunnen ondergaan.

,

F i g . 5. Horizonta le v e r p l a a t s i n g van h e t stempel.

H i e r b i j is 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 de ver t ica le v e r p l a a t s i n g e n z i j n v a n

de eindpunten van de montageflens dan g e l d t immers ( z i e f i g . 5):

N.B. I n d e berekening h e e f t h e t montagevlak een b r e e d t e van 140 mm.

9

Fig. 6. Vergelijkspanningen; prototype

10

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.

-

Fig. 7 . Meetpunten voor verplaatsingsmetingen.

1 1

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 montagetafe 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 perskracht .

Hoewel mee t resu l t a ten 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 gewi jz igd p r o t o t y p e en nieuw

ontwerp wordt dan ook van d e z e l f d e veronders te l l ingen u i tgegaan .

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 van h e t pro to type 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 de v r i j e arm

l e n g t e van 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 inze ts tuk .

I 2

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

82

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 lus t ra 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

vijfmaal zo groot is.

I I I I I I I I I I ! I I

4 +

4 (u

H

z 3

(u c3 ,

13

I;-------

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

14

H

H

L 3 I I H

f H

+ a

O

c3 H

i H

Fig. 10. Vergelijkspanningen; gewijzigd prototype

15

I n f i g . 10 z i e n w i j d a t de spanningen i n de p l a a t een s t u k lager

l iggen 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 hoogs te

spanningen n i e t meer i n de 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 de overwegingen om t o t een b e t e r ontwerp te komen moet l i e f s t

voldaan b l i j v e n aan de 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 van 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 de 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 grondp laa t veel g r o t e r moet worden, a n d e r z i j d s

omdat dan de 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 de hoogte van de grondp laa t , mag op ergonomische

gronden n i e t te veel toenemen. Z i t t e n d werk aan de p e r s moet moge l i jk

b l i j ven.

Beschouwing van d i t pakke t van e i s e n levert de 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 van de 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 zeer g r o t e b r e e d t e s , omdat de krach ten i n hoofd-

zaak v i a de binnenzi jde van h e t frame worden d o o r g e l e i d .

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

l i j k t nog a c c e p t a b e l .

16

Een v e r g r o t i n g van de 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 dwarsdoor-

snede kan v e r d e r worden verkregen door:

d). v e r g r o t i n g van de d i k t e van de 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 de 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 de b r e e d t e , waaru 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 asbaarhe id .

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 gezccht zonder d a t d e werkhoogte

toenam. I n onderstaande t a b e l z i j n de 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 voor h e t punt van de bovenarm, d a t z i c h op A

HONEW5

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.

50 75 2 x I2 3300 0.89 I 5 3

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 testberekening gaf aanleiding tot circa 25% lagere vervorming.

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 i n vierhoekige plaats-

elementen met grote dikte. Randelementen komen dan niet meer voor.

19

' I I

I I i I I I I I I I I I

Fig. 13. Vervormde geometrie; 18atste ontwerp

20

d-

O k-

c

a, II H

* a,

m H

i 6l

H

H

H

Fig. 14. Vergelijkspanningen; laatste ontwerp

21

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

Fig. 15. Detail vergelijkspanningen; laatste ontwerp

4aqF---- ij16

F i g . 16. Geometrie laatste ontwerp

23

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

t en onrechte een s t r i p o p p e r v l a k aangehouden van 2250 mm , hetgeen

overeen komt met b i j v . 90 x 25 mm. I n h e t tweede model HONEW13 i s

bovendien de 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 laatste 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 van de 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 ippen . Zoa 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

de 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

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 vert icale 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. persdruk 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 bes taande proto-

t ype z i j n daarvoor t e ger ing . .

I n h e t a l s laatste berekende model, z i e f i g . 16, z i j n d e z i j p l a t e n van

de frames e l k 15 mm. d i k , t e r w i j l i n de berekening v o o r a l l e s t r i p p e n

een opperv lak 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 irca 30 2 40 N / m , w a a r b i j er r e l a t i e f 2

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 val t aan s t r i p d i k t e n van

i 5 mm. H e t ver l ies aan s t i j f h e i d z a i daardoor nauwei i jks 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 de hoeken aan de

binnenrand h e t zwaarst b e l a s t . B i j de 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 spanningsconcentrat ies optreden.

Een zorgvu ld ige c o n t r o l e van h e t laswerk daar ter p l a a t s e z a l noodzake l i jk

z i j n .

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.

i 9 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. In 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.