MAGNABEND - CONSIDERAȚII FUNDAMENTALE DE PROIECTARE
Design de bază cu magnet
Aparatul Magnabend este proiectat ca un magnet DC puternic cu ciclu de lucru limitat.
Mașina constă din 3 părți de bază: -
Corpul magnetic care formează baza mașinii și conține bobina electromagnetului.
Bara de prindere care asigură o cale pentru fluxul magnetic între polii bazei magnetului și, prin urmare, prinde piesa de prelucrat din tablă.
Grinda de îndoire care este pivotată spre marginea frontală a corpului magnetului și oferă un mijloc pentru aplicarea forței de îndoire piesei de prelucrat.
Configurații cu corp magnetic
Sunt posibile diferite configurații pentru corpul magnetului.
Iată 2 care au fost ambele folosite pentru mașinile Magnabend:
Liniile roșii întrerupte din desenele de mai sus reprezintă căile fluxului magnetic.Rețineți că designul „U-Type” are o singură cale de flux (1 pereche de poli), în timp ce designul „E-Type” are 2 căi de flux (2 perechi de poli).
Comparația configurației magnetului:
Configurația de tip E este mai eficientă decât configurația de tip U.
Pentru a înțelege de ce este așa, luați în considerare cele două desene de mai jos.
În stânga este o secțiune transversală a unui magnet de tip U, iar în dreapta este un magnet de tip E care a fost realizat prin combinarea a 2 din aceleași tipuri de U.Dacă fiecare configurație de magnet este antrenată de o bobină cu aceleași amperi-tururi, atunci în mod clar magnetul dublat (tipul E) va avea o forță de strângere de două ori mai mare.De asemenea, folosește de două ori mai mult oțel, dar cu greu mai multă sârmă pentru bobină!(Presupunând un design de bobină lungă).
(Cantitatea mică de sârmă suplimentară ar fi necesară doar pentru că cele 2 două picioare ale bobinei sunt mai depărtate în designul „E”, dar acest plus devine nesemnificativ într-un design cu bobină lungă, cum ar fi cel folosit pentru Magnabend).
Super Magnabend:
Pentru a construi un magnet și mai puternic, conceptul „E” poate fi extins, cum ar fi această configurație dublu-E:
Model 3-D:
Mai jos este un desen 3-D care arată aranjamentul de bază al pieselor într-un magnet de tip U:
În acest design, stâlpii din față și din spate sunt piese separate și sunt atașați prin șuruburi de piesa de bază.
Deși, în principiu, ar fi posibilă prelucrarea unui corp de magnet de tip U dintr-o singură bucată de oțel, atunci nu ar fi posibilă instalarea bobinei și astfel bobina ar trebui să fie înfășurată in situ (pe corpul magnetului prelucrat ).
Într-o situație de producție, este foarte de dorit să se poată înfășura separat bobinele (pe un model special).Astfel, un design de tip U dictează în mod eficient o construcție fabricată.
Pe de altă parte, designul de tip E se pretează bine unui corp de magnet prelucrat dintr-o singură bucată de oțel, deoarece o bobină prefabricată poate fi instalată cu ușurință după ce corpul magnetului a fost prelucrat.Un corp de magnet dintr-o singură piesă funcționează, de asemenea, mai bine din punct de vedere magnetic, deoarece nu are goluri de construcție care altfel ar reduce puțin fluxul magnetic (și, prin urmare, forța de strângere).
(Majoritatea Magnabend-urilor fabricate după 1990 au folosit designul de tip E).
Selectarea materialului pentru construcția magnetică
Corpul magnetului și clema trebuie să fie realizate din material feromagnetic (magnetic).Oțelul este de departe cel mai ieftin material feromagnetic și este alegerea evidentă.Cu toate acestea, există diverse oțeluri speciale disponibile care ar putea fi luate în considerare.
1) Oțel siliconic: Oțel cu rezistivitate ridicată, care este de obicei disponibil în laminate subțiri și este utilizat în transformatoare AC, magneți AC, relee etc. Proprietățile sale nu sunt necesare pentru Magnabend, care este un magnet DC.
2) Fier moale: Acest material ar prezenta un magnetism rezidual mai mic, ceea ce ar fi bun pentru o mașină Magnabend, dar este moale din punct de vedere fizic, ceea ce ar însemna că ar fi ușor zdrobit și deteriorat;este mai bine să rezolvați problema magnetismului rezidual într-un alt mod.
3) Fontă: nu se magnetizează la fel de ușor ca oțelul laminat, dar ar putea fi luată în considerare.
4) Oțel inoxidabil tip 416: nu poate fi magnetizat la fel de puternic ca oțelul și este mult mai scump (dar poate fi util pentru o suprafață de protecție subțire de pe corpul magnetului).
5) Oțel inoxidabil tip 316: Acesta este un aliaj de oțel nemagnetic și, prin urmare, nu este deloc potrivit (cu excepția cazului în 4 de mai sus).
6) Oțel carbon mediu, tip K1045: Acest material este foarte potrivit pentru construcția magnetului (și a altor părți ale mașinii).Este destul de dur în starea furnizată și, de asemenea, funcționează bine.
7) Oțel cu carbon mediu tip CS1020: Acest oțel nu este la fel de dur ca K1045, dar este mai ușor disponibil și, prin urmare, poate fi cea mai practică alegere pentru construcția mașinii Magnabend.
Rețineți că proprietățile importante care sunt necesare sunt:
Magnetizare de mare saturație.(Majoritatea aliajelor de oțel se saturează la aproximativ 2 Tesla),
Disponibilitatea dimensiunilor utile de secțiuni,
Rezistenta la daune accidentale,
prelucrabilitate și
Cost rezonabil.
Oțelul cu carbon mediu se potrivește bine tuturor acestor cerințe.Ar putea fi folosit și oțel cu conținut scăzut de carbon, dar este mai puțin rezistent la daune accidentale.Există și alte aliaje speciale, cum ar fi supermendur, care au magnetizare cu saturație mai mare, dar nu trebuie luate în considerare din cauza costului lor foarte ridicat în comparație cu oțelul.
Oțelul cu carbon mediu prezintă totuși un anumit magnetism rezidual, care este suficient pentru a fi o pacoste.(Vezi secțiunea privind magnetismul rezidual).
Bobina
Bobina este cea care conduce fluxul de magnetizare prin electromagnet.Forța sa de magnetizare este doar produsul dintre numărul de spire (N) și curentul bobinei (I).Prin urmare:
N = numărul de spire
I = curent în înfășurări.
Apariția lui „N” în formula de mai sus duce la o concepție greșită comună.
Se presupune pe scară largă că creșterea numărului de spire va crește forța de magnetizare, dar în general acest lucru nu se întâmplă deoarece spirele suplimentare reduc și curentul, I.
Luați în considerare o bobină alimentată cu o tensiune continuă fixă.Dacă numărul de spire este dublat atunci rezistența înfășurărilor va fi și ea dublată (într-o bobină lungă) și astfel curentul se va înjumătăți.Efectul net este o creștere a NI.
Ceea ce determină cu adevărat NI este rezistența pe tură.Astfel, pentru a crește NI grosimea firului trebuie mărită.Valoarea spirelor suplimentare este că reduc curentul și, prin urmare, disiparea puterii în bobină.
Proiectantul ar trebui să aibă în vedere faptul că ecartamentul firului este ceea ce determină cu adevărat forța de magnetizare a bobinei.Acesta este cel mai important parametru al designului bobinei.
Produsul NI este adesea denumit „întreprinderi de amperi” ale bobinei.
Câte ture de amperi sunt necesare?
Oțelul prezintă o magnetizare de saturație de aproximativ 2 Tesla și aceasta stabilește o limită fundamentală pentru cât de multă forță de strângere poate fi obținută.
Din graficul de mai sus vedem că intensitatea câmpului necesară pentru a obține o densitate de flux de 2 Tesla este de aproximativ 20.000 de amperi-turni pe metru.
Acum, pentru un design tipic Magnabend, lungimea traseului fluxului în oțel este de aproximativ 1/5 dintr-un metru și, prin urmare, va necesita (20.000/5) AT pentru a produce saturație, adică aproximativ 4.000 AT.
Ar fi frumos să existe mai multe ture de amperi decât aceasta, astfel încât magnetizarea de saturație să poată fi menținută chiar și atunci când goluri nemagnetice (adică piese de prelucrat neferoase) sunt introduse în circuitul magnetic.Cu toate acestea, tururile suplimentare de amperi pot fi câștigate doar cu un cost considerabil în disiparea puterii sau costul firului de cupru, sau ambele.Deci este nevoie de un compromis.
Modelele tipice Magnabend au o bobină care produce spire de 3.800 de amperi.
Rețineți că această cifră nu depinde de lungimea mașinii.Dacă același design magnetic este aplicat pe o gamă de lungimi de mașină, atunci acesta dictează că mașinile mai lungi vor avea mai puține spire de sârmă mai groasă.Vor consuma mai mult curent total, dar vor avea același produs de amperi x ture și vor avea aceeași forță de strângere (și aceeași putere disipată) pe unitatea de lungime.
Ciclu de funcționare
Conceptul de ciclu de lucru este un aspect foarte important al designului electromagnetului.Dacă proiectarea prevede un ciclu de funcționare mai mare decât este necesar, atunci nu este optim.Mai mult ciclu de funcționare înseamnă în mod inerent că va fi nevoie de mai multă sârmă de cupru (cu costuri mai mari în consecință) și/sau va fi disponibilă o forță de strângere mai mică.
Notă: Un magnet cu ciclu de lucru mai mare va avea mai puțină disipare a puterii, ceea ce înseamnă că va folosi mai puțină energie și, prin urmare, va fi mai ieftin de operat.Cu toate acestea, deoarece magnetul este pornit doar pentru perioade scurte, costul energiei de funcționare este de obicei considerat ca fiind de foarte puțină importanță.Astfel, abordarea de proiectare este de a avea o putere de disipare cât mai mare pe care o puteți scăpa în ceea ce privește nu supraîncălzirea înfășurărilor bobinei.(Această abordare este comună pentru majoritatea modelelor de electromagneți).
Magnabend este proiectat pentru un ciclu de lucru nominal de aproximativ 25%.
De obicei, durează doar 2 sau 3 secunde pentru a face o îndoire.Magnetul va fi apoi oprit pentru încă 8 până la 10 secunde, în timp ce piesa de prelucrat este repoziționată și aliniată gata pentru următoarea îndoire.Dacă ciclul de funcționare de 25% este depășit, în cele din urmă magnetul se va încinge prea mult și se va declanșa o suprasarcină termică.Magnetul nu va fi deteriorat, dar va trebui lăsat să se răcească aproximativ 30 de minute înainte de a fi utilizat din nou.
Experiența operațională cu mașini din teren a arătat că ciclul de lucru de 25% este destul de adecvat pentru utilizatorii obișnuiți.De fapt, unii utilizatori au solicitat versiuni opționale de mare putere ale mașinii care au o forță de strângere mai mare în detrimentul unui ciclu de lucru mai mic.
Zona de secțiune transversală a bobinei
Zona de secțiune transversală disponibilă pentru bobină va determina cantitatea maximă de sârmă de cupru care poate fi montată. Suprafața disponibilă nu ar trebui să fie mai mare decât este necesar, în concordanță cu amperi-turnii și puterea disipată.Furnizarea de mai mult spațiu pentru bobină va crește în mod inevitabil dimensiunea magnetului și va duce la o lungime mai mare a fluxului în oțel (care va reduce fluxul total).
Același argument implică faptul că orice spațiu de bobină este prevăzut în design, acesta ar trebui să fie întotdeauna plin cu sârmă de cupru.Dacă nu este plin, înseamnă că geometria magnetului ar fi putut fi mai bună.
Forța de prindere Magnabend:
Graficul de mai jos a fost obținut prin măsurători experimentale, dar este de acord destul de bine cu calculele teoretice.
Forța de strângere poate fi calculată matematic din această formulă:
F = forța în Newtoni
B = densitatea fluxului magnetic în Tesla
A = aria stâlpilor în m2
µ0 = constanta permeabilității magnetice, (4π x 10-7)
Pentru un exemplu, vom calcula forța de strângere pentru o densitate de flux de 2 Tesla:
Astfel F = ½ (2)2 A/µ0
Pentru o forță asupra unității de suprafață (presiune) putem scădea „A” din formulă.
Astfel Presiunea = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Aceasta iese la 1.590.000 N/m2.
Pentru a converti aceasta în kilograme forță, aceasta poate fi împărțită la g (9,81).
Astfel: Presiune = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Aceasta corespunde destul de bine cu forța măsurată pentru un decalaj zero prezentat în graficul de mai sus.
Această cifră poate fi convertită cu ușurință într-o forță totală de strângere pentru o anumită mașină, înmulțind-o cu aria polului mașinii.Pentru modelul 1250E aria polului este 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Astfel, forța totală, zero-gap, ar fi (735 x 16,2) = 11.900 kg sau 11,9 tone;aproximativ 9,5 tone pe metru de lungime a magnetului.
Densitatea fluxului și presiunea de prindere sunt direct legate și sunt prezentate grafic mai jos:
Forța practică de prindere:
În practică, această forță mare de strângere este realizată numai atunci când nu este necesară (!), adică atunci când îndoiți piesele subțiri din oțel.La îndoirea pieselor neferoase, forța va fi mai mică, așa cum se arată în graficul de mai sus și (un pic curios), este, de asemenea, mai mică atunci când îndoiți piesele de oțel groase.Acest lucru se datorează faptului că forța de strângere necesară pentru a face o îndoire ascuțită este mult mai mare decât cea necesară pentru o îndoire cu rază.Deci, ceea ce se întâmplă este că, pe măsură ce îndoirea înaintează, marginea frontală a clemei se ridică ușor, permițând astfel piesei de prelucrat să formeze o rază.
Micul spațiu de aer care se formează provoacă o ușoară pierdere a forței de strângere, dar forța necesară pentru a forma curbura cu raza a scăzut mai puternic decât forța de strângere a magnetului.Astfel rezultă o situație stabilă și clema nu se lasă.
Ceea ce este descris mai sus este modul de îndoire atunci când mașina este aproape de limita sa de grosime.Dacă se încearcă o piesă de prelucrat și mai groasă, atunci, desigur, bara de prindere se va ridica.
Această diagramă sugerează că, dacă marginea vârfului barei de clemă ar fi puțin înclinată, mai degrabă decât ascuțită, atunci spațiul de aer pentru îndoirea groasă ar fi redus.
Într-adevăr, acesta este cazul și un Magnabend realizat corespunzător va avea o bară de prindere cu o margine razată.(O muchie radiată este, de asemenea, mult mai puțin predispusă la daune accidentale în comparație cu o muchie ascuțită).
Modul marginal al eșecului de îndoire:
Dacă se încearcă o îndoire pe o piesă de prelucrat foarte groasă, atunci mașina nu o va îndoi deoarece bara de prindere se va ridica pur și simplu.(Din fericire, acest lucru nu se întâmplă într-un mod dramatic; bara de clemă pur și simplu dă drumul în liniște).
Cu toate acestea, dacă sarcina de îndoire este doar puțin mai mare decât capacitatea de îndoire a magnetului, în general, ceea ce se întâmplă este că îndoirea va continua să spună aproximativ 60 de grade și apoi bara de clemă va începe să alunece înapoi.În acest mod de defectare, magnetul poate rezista la sarcina de încovoiere doar indirect, creând frecare între piesa de prelucrat și patul magnetului.
Diferența de grosime dintre o defecțiune din cauza ridicării și o defecțiune din cauza alunecării nu este, în general, foarte mare.
Eșecul la ridicare se datorează faptului că piesa de prelucrat pârghie marginea frontală a barei de prindere în sus.Forța de strângere la marginea frontală a barei de clemă este cea care rezistă în principal.Prinderea la marginea din spate are un efect redus, deoarece este aproape de locul unde este pivotată bara de prindere.De fapt, doar jumătate din forța totală de strângere este cea care rezistă la ridicare.
Pe de altă parte, alunecarea este rezistată de forța totală de strângere, dar numai prin frecare, astfel încât rezistența reală depinde de coeficientul de frecare dintre piesa de prelucrat și suprafața magnetului.
Pentru oțel curat și uscat, coeficientul de frecare poate fi de până la 0,8, dar dacă este prezentă lubrifiere, atunci ar putea fi până la 0,2.În mod obișnuit, acesta va fi undeva la mijloc, astfel încât modul marginal de eșec la îndoire se datorează de obicei alunecării, dar s-a constatat că încercările de a crește frecarea pe suprafața magnetului nu merită.
Capacitatea de grosime:
Pentru un corp de magnet de tip E de 98 mm lățime și 48 mm adâncime și cu o bobină de turație de 3.800 de amperi, capacitatea de îndoire pe toată lungimea este de 1,6 mm.Această grosime se aplică atât tablei de oțel, cât și tablei de aluminiu.Va exista mai puțină strângere pe tabla de aluminiu, dar este nevoie de un cuplu mai mic pentru a o îndoi, astfel încât acest lucru compensează astfel încât să ofere o capacitate similară pentru ambele tipuri de metal.
Trebuie să existe câteva avertismente cu privire la capacitatea de îndoire declarată: principala este că limita de curgere a tablei poate varia foarte mult.Capacitatea de 1,6 mm se aplică oțelului cu o limită de curgere de până la 250 MPa și aluminiului cu o limită de curgere de până la 140 MPa.
Capacitatea de grosime a oțelului inoxidabil este de aproximativ 1,0 mm.Această capacitate este semnificativ mai mică decât pentru majoritatea celorlalte metale, deoarece oțelul inoxidabil este de obicei nemagnetic și are totuși o limită de curgere relativ mare.
Un alt factor este temperatura magnetului.Dacă magnetul a fost lăsat să devină fierbinte, atunci rezistența bobinei va fi mai mare și acest lucru, la rândul său, va face ca acesta să atragă mai puțin curent, cu consecințe mai mici în amperi și forță de strângere mai mică.(Acest efect este de obicei destul de moderat și este puțin probabil să provoace ca mașina să nu îndeplinească specificațiile sale).
În cele din urmă, Magnabends de capacitate mai groase ar putea fi realizate dacă secțiunea transversală a magnetului a fost mărită.