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EFB-Forschungsbericht Nr. 407

Mechanische Schnellläuferpresse mit Koppelrastgetriebe

efb407

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Tim Benkert, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München - Dipl.-Ing. Andreas Krinner, M.Sc. Blas Starc, Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der Technischen Universität München

112 Seiten (sw, 64 teils farbige Abb., 15 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-453-7

Preis (Digital) EUR 53,82

Preis (Print) EUR 67,71

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Entwicklung einer Anlage zum Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS). Ein Koppelgetriebe im Antrieb einer mechanischen Schnellläuferpresse soll die zum HGSS benötigte Schneidgeschwindigkeit von 2 m/s bereitstellen. Damit galt es zu Beginn das Koppelgetriebe entsprechend auszulegen, um die Geschwindigkeit zu erreichen und alle weiteren Randbedingungen einzuhalten. Dies geschah in der Getriebesynthese wobei insgesamt acht verschiedene Getriebevarianten entworfen wurden.

Im Anschluss erfolgte die Auslegung eines dynamischen Ausgleiches durch zusätzliche Getriebeglieder, zur Reduktion der auf das Fundament wirkenden Kräfte für die finale Getriebevariante. Das Ergebnis dieser Massenausgleichssynthese sind drei unterschiedliche Massenausgleichsvarianten, aus denen, unter vor allem konstruktiven Gesichtspunkten, eine auszuwählen war. Zu jedem Zeitpunkt des Vorhabens wurden verschiedenen Simulationstools für die Starrkörper- und die Finite-Elemente-Analyse in den Entwicklungsprozess eingebunden. Unter Zuhilfenahme des CAD ist aus dem finalen Getriebeentwurf und der ausgewählten Massenausgleichsvariante ein Funktionsmuster der Presse konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen worden. Dieses Funktionsmuster diente als Plattform für den Aufbau eines Messsystems zur Überprüfung der Bewegungskenngrößen des Stößels und der Wirksamkeit des Massenausgleichsystems. Diese Messungen konnten die simulativ erzeugten Ergebnisse bestätigen.

Wichtige Erkenntnisse aus dem Vorhaben sind:

Eine Presse zum HGSS kann nicht geometrisch skaliert werden. Dies liegt an der durch den Prozess vorgegebenen invarianten Anschnittgeschwindigkeit. Sie gibt für jede Kombination aus Nennkraft, Baugröße, Drehzahl etc. einen Punkt der Stößelbewegung fest vor und macht somit eine Neuauslegung der Presse für jede Veränderung der Pressenparameter nötig.
Zu jedem Zeitpunkt der Auslegung ist die konstruktive Machbarkeit zu prüfen. Dies liegt am Zusammenhang zwischen Kinematik, Kinetostatik und Konstruktion. Die Kinematik liefert als Resultat die konkrete Geometrie des Getriebes, welche in der Konstruktion eine räumliche Ausdehnung und damit Masse erhält. Bereits nach der Konstruktion sind zum Teil Änderungen an der Kinematik nötig um Bauraumproblemen aus dem Weg zu gehen. In der kinetostatischen Betrachtung ermittelte Lager- und Bauteillasten können sich ebenfalls auf die Kinematik auswirken. Eine sehr frühzeitige Überprüfung der konstruktiven und fertigungstechnischen Umsetzbarkeit eines Kinematikentwurfes ist daher ratsam.
Das sechsgliedrige Koppelgetriebe ist für die Umsetzung des Hochgeschwindigkeitsscherschneidens auf mechanischen Pressen sehr gut geeignet. Es bietet viele Auslegungsfreiheitsgrade, welche eine Anpassung des Getriebes an die äußeren Bedingungen erlauben. Zudem kann es mittels verschiedener, zum Teil frei verfügbarer Software, entworfen werden und ist in VDI-Richtlinien gut dokumentiert (z.B. [VDI2142]).

Das IGF-Vorhaben „Mechanische Schnellläuferpresse mit Koppelrastgetriebe“ wurde unter der Fördernummer AiF 17470N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 407 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

This research project focused on developing a machine for high-speed shear cutting (HSSC). To achieve the cutting velocity needed for HSSC of about 2 m/s, a linkage trans-mission was included in the drive chain of a mechanical press. The project started with designing the linkage transmission to reach the needed velocity while meeting all other boundary conditions.

This was done during the transmission syntheses which produced eight different transmission versions. Subsequent to this a dynamic mass-balancing system, which includes additional transmission parts, was developed for the final transmission version, to reduce forces on the foundation caused by machine operation. This resulted in three different mass-balancing system types, from which one had to be chosen. The selection was done especially considering constructive aspects. Throughout the project different simulation tools for rigid body and FEM analysis where part of the development process. Using CAD technology, an experimental model of the final transmission version and the selected mass-balancing system was constructed, build and brought into service. This experimental model served as a platform for a measuring system to check the press rams kinematic parameters as well as to test the mass balancing systems efficacy. The measurements support the results gained by analysis.

Important results of this research project are:

A press for HSSC cannot be scaled geometrically. This is due to the invariant cutting velocity which is given by the process. For every combination of press force, size, speed etc. one point of the ram’s movement is specified. Therefore every change of press parameters leads to a new press design.
At every point a feasibility study regarding the construction needs to be done. This results from the close correlation between kinematics, kinetics and construction. Kinematics deliver a concrete geometry which receives steric configuration and mass during construction. Already while constructing, first changes on the geometry need to be done to avoid problems with the available space. After considering the deformation caused by loads on bearings and parts, further changes on the transmission’s geometry have to be carried out eventually. Therefore early checks on producibility are recommended.

A linkage transmission consisting of six links in the drive train of a mechanical press is a good choice to perform HSSC on those machines. The transmission offers a lot of degrees of freedom to adapt it to different types of boundary conditions. Furthermore it can be designed using open-source software and it is well documented (e.g. in [VDI2142])

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abstract
Verzeichnis der Kurzzeichen
1    Einleitung
2    Forschungsaufgabe
2.1    Problemstellung
2.2    Zielsetzung
2.3    Vorgehen
3    Stand der Technik
3.1    Pressenarten
3.1.1    Arbeits- bzw. energiegebundene Pressen
3.1.2    Kraftgebundene Pressen
3.1.3    Weggebundene Maschinen
3.2    Hochgeschwindigkeitsscherschneiden
3.3    Mechanische Pressen
3.3.1    Exzenterantrieb
3.3.2    Kniehebelantrieb und modifizierter Kniehebelantrieb
3.3.3    Gelenkantrieb
3.3.4    Vergleich der Antriebe
3.4    Dynamischer Ausgleich
3.4.1    Wirkung auf das Gestell - Massenausgleich
3.4.2    Wirkung auf den Antrieb - Leistungsausgleich
3.4.3    Wirkung auf die Gelenke
4    Ergebnisse
4.1    Getriebe
4.1.1    Festlegen von Randbedingungen und Definition der Bewegungsaufgabe
4.1.2    Struktursynthese
4.1.3    Maßsynthese
4.1.4    Optimierung und Auslegung einer Getriebekonfiguration
4.2    Massenausgleich
4.2.1    Arten des Massenausgleiches
4.2.2    Struktursynthese
4.2.3    Maßsynthese
4.2.4    Schwungradauslegung
4.3    Konstruktion
4.3.1    Konstruktionsstand 1 und 2 – Generieren erster Trägheitskennwerte
4.3.2    Konstruktionsstand 3
4.3.3    Konstruktionsstand 4
4.4    Funktionsmuster
4.4.1    Ursprungsmodell
4.4.2    Umbau für Messungen
4.4.3    Erhöhung der Gestellsteifigkeit und Verschleißvorbeugung an den Zahnflanken
4.4.4    Kontinuierliche Drehbewegung
4.4.5    Aufstellung
4.5    Simulation
4.6    Messungen und Verifikation
4.7    Ergebnisbewertung
4.7.1    Stößelweg
4.7.2    Stößelbeschleunigung
4.7.3    Verhältnis der Gestellkräfte
5    Ausblick
6    Abbildungsverzeichnis
7    Tabellenverzeichnis
8    Literaturverzeichnis
Anhang