MAGNABEND - FUNDAMENTĀLI DIZAINA APSVĒRUMI
Magnēta pamata dizains
Magnabend iekārta ir veidota kā spēcīgs līdzstrāvas magnēts ar ierobežotu darba ciklu.
Mašīna sastāv no 3 pamata daļām: -
Magnēta korpuss, kas veido iekārtas pamatni un satur elektromagnēta spoli.
Skavas stienis, kas nodrošina magnētiskās plūsmas ceļu starp magnēta pamatnes poliem un tādējādi nostiprina lokšņu metāla sagatavi.
Liekšanas sija, kas ir pagriezta uz magnēta korpusa priekšējo malu un nodrošina līdzekli lieces spēka pielikšanai sagatavei.
Magnēta korpusa konfigurācijas
Magnēta korpusam ir iespējamas dažādas konfigurācijas.
Šeit ir 2, kas abi ir izmantoti Magnabend mašīnām:
Iepriekšējos zīmējumos punktētās sarkanās līnijas attēlo magnētiskās plūsmas ceļus.Ņemiet vērā, ka "U veida" dizainam ir viens plūsmas ceļš (1 stabu pāris), savukārt "E veida" dizainā ir 2 plūsmas ceļi (2 stabu pāri).
Magnēta konfigurācijas salīdzinājums:
E veida konfigurācija ir efektīvāka nekā U veida konfigurācija.
Lai saprastu, kāpēc tas tā ir, apskatiet divus zemāk esošos zīmējumus.
Kreisajā pusē ir U veida magnēta šķērsgriezums un labajā pusē E veida magnēts, kas izgatavots, apvienojot 2 vienādus U veida magnētus.Ja katru magnēta konfigurāciju darbina spole ar vienādiem ampēru apgriezieniem, tad nepārprotami dubultotajam magnētam (E veida) būs divreiz lielāks saspiešanas spēks.Tas arī izmanto divreiz vairāk tērauda, bet gandrīz nemaz vairāk stieples spolei!(Pieņemot garu spoles dizainu).
(Neliels papildu stieples daudzums būtu vajadzīgs tikai tāpēc, ka spoles 2 kājas ir tālāk viena no otras "E" dizainā, taču šī papildu kļūst nenozīmīga garās spoles konstrukcijā, piemēram, Magnabend).
Super Magnabend:
Lai izveidotu vēl jaudīgāku magnētu, "E" koncepciju var paplašināt, piemēram, šo dubultā E konfigurāciju:
3-D modelis:
Zemāk ir 3-D zīmējums, kurā parādīts detaļu pamata izvietojums U veida magnētā:
Šajā konstrukcijā priekšējie un aizmugurējie stabi ir atsevišķi gabali un ir piestiprināti ar skrūvēm pie serdes daļas.
Lai gan principā būtu iespējams izgatavot U veida magnēta korpusu no viena tērauda gabala, tad spoli nebūtu iespējams uzstādīt un tādējādi spole būtu jāuztver in situ (uz apstrādātā magnēta korpusa ).
Ražošanas situācijā ir ļoti vēlams, lai spoles būtu iespējams uztīt atsevišķi (uz speciāla formētāja).Tādējādi U veida dizains efektīvi nosaka izgatavotu konstrukciju.
No otras puses, E-veida dizains ir labi piemērots magnēta korpusam, kas izgatavots no viena tērauda gabala, jo pēc magnēta korpusa apstrādes var viegli uzstādīt iepriekš izveidotu spoli.Viengabala magnēta korpuss arī magnētiski darbojas labāk, jo tam nav nekādu konstrukcijas atstarpi, kas citādi nedaudz samazinātu magnētisko plūsmu (un līdz ar to arī iespīlēšanas spēku).
(Lielākā daļa Magnabends, kas izgatavotas pēc 1990. gada, izmantoja E veida dizainu).
Materiālu izvēle magnētu konstrukcijai
Magnēta korpusam un skavas stienim jābūt izgatavotiem no feromagnētiska (magnetizējama) materiāla.Tērauds ir vislētākais feromagnētiskais materiāls, un tā ir acīmredzama izvēle.Tomēr ir pieejami dažādi īpašie tēraudi, kurus varētu apsvērt.
1) Silīcija tērauds: augstas pretestības tērauds, kas parasti ir pieejams plānās slāņos un tiek izmantots maiņstrāvas transformatoros, maiņstrāvas magnētos, relejos utt. Tā īpašības nav nepieciešamas Magnabend, kas ir līdzstrāvas magnēts.
2) Mīkstais dzelzs: šim materiālam būtu mazāks atlikušais magnētisms, kas būtu labs Magnabend mašīnai, taču tas ir fiziski mīksts, kas nozīmētu, ka tas būtu viegli iespiedies un bojāts;labāk ir atrisināt atlikušā magnētisma problēmu kādā citā veidā.
3) Čuguns: nav tik viegli magnetizēts kā velmētais tērauds, bet to var apsvērt.
4) Nerūsējošais tērauds, tips 416: nevar tikt magnetizēts tik spēcīgi kā tērauds, un tas ir daudz dārgāks (bet var būt noderīgs plānai aizsargājošai virsmai uz magnēta korpusa).
5) 316. tipa nerūsējošais tērauds: tas ir nemagnētisks tērauda sakausējums, un tāpēc tas vispār nav piemērots (izņemot 4. punktu iepriekš).
6) Vidēja oglekļa tērauds, tips K1045: šis materiāls ir īpaši piemērots magnēta (un citu iekārtas daļu) konstrukcijai.Tas ir pietiekami ciets piegādes stāvoklī, un tas arī labi darbojas.
7) Vidēja oglekļa tērauda tips CS1020: Šis tērauds nav tik ciets kā K1045, taču tas ir vieglāk pieejams un tādējādi var būt vispraktiskākā izvēle Magnabend mašīnas konstruēšanai.
Ņemiet vērā, ka svarīgas nepieciešamās īpašības ir:
Augsta piesātinājuma magnetizācija.(Lielākā daļa tērauda sakausējumu piesātina aptuveni pie 2 teslām)
Noderīgu sadaļu izmēru pieejamība,
Izturība pret nejaušiem bojājumiem,
Apstrādājamība un
Saprātīgas izmaksas.
Vidēja oglekļa tērauds labi atbilst visām šīm prasībām.Var izmantot arī zemu oglekļa tēraudu, taču tas ir mazāk izturīgs pret nejaušiem bojājumiem.Ir arī citi īpaši sakausējumi, piemēram, supermendur, kuriem ir augstāka piesātinājuma magnetizācija, bet tie nav jāņem vērā to ļoti augsto izmaksu dēļ salīdzinājumā ar tēraudu.
Vidēja oglekļa tēraudam tomēr ir zināms atlikušais magnētisms, kas ir pietiekami, lai radītu traucējumus.(Skatīt sadaļu Atlikušais magnētisms).
Spole
Spole ir tā, kas virza magnetizācijas plūsmu caur elektromagnētu.Tā magnetizācijas spēks ir tikai apgriezienu skaita (N) un spoles strāvas (I) reizinājums.Tādējādi:
N = apgriezienu skaits
I = strāva tinumos.
"N" parādīšanās iepriekš minētajā formulā izraisa izplatītu nepareizu priekšstatu.
Plaši tiek pieņemts, ka, palielinot apgriezienu skaitu, palielināsies magnetizācijas spēks, bet parasti tas nenotiek, jo papildu pagriezieni samazina arī strāvu, I.
Apsveriet spoli, kas tiek piegādāta ar fiksētu līdzstrāvas spriegumu.Ja apgriezienu skaits tiek dubultots, tad arī tinumu pretestība tiks dubultota (garā spolē) un līdz ar to strāva tiks samazināta uz pusi.Neto efekts nav NI pieaugums.
Tas, kas patiešām nosaka NI, ir pretestība vienā pagriezienā.Tādējādi, lai palielinātu NI, ir jāpalielina stieples biezums.Papildu pagriezienu vērtība ir tāda, ka tie samazina strāvu un līdz ar to arī jaudas izkliedi spolē.
Projektētājam jāņem vērā, ka stieples mērītājs patiešām nosaka spoles magnetizēšanas spēku.Šis ir vissvarīgākais spoles konstrukcijas parametrs.
NI produkts bieži tiek saukts par spoles "ampēru apgriezieniem".
Cik ampēru apgriezieni ir nepieciešami?
Tērauda piesātinājuma magnetizācija ir aptuveni 2 Tesla, un tas nosaka pamata ierobežojumu tam, cik lielu iespīlēšanas spēku var iegūt.
Iepriekš redzamajā diagrammā redzams, ka lauka stiprums, kas nepieciešams, lai iegūtu plūsmas blīvumu 2 Tesla, ir aptuveni 20 000 ampēru apgriezienu uz metru.
Tagad tipiskajam Magnabend dizainam plūsmas ceļa garums tēraudā ir aptuveni 1/5 metra, un tāpēc būs nepieciešams (20 000/5) AT, lai radītu piesātinājumu, tas ir, aptuveni 4000 AT.
Būtu jauki, ja būtu daudz vairāk ampēru apgriezienu nekā šis, lai piesātinājuma magnetizāciju varētu saglabāt pat tad, ja magnētiskajā ķēdē tiek ievadītas nemagnētiskas spraugas (ti, krāsainās metāla sagataves).Tomēr papildu ampēru apgriezienus var iegūt tikai ar ievērojamām izmaksām par jaudas izkliedi vai vara stieples izmaksām, vai abām.Tāpēc ir nepieciešams kompromiss.
Tipiskiem Magnabend modeļiem ir spole, kas rada 3800 ampēru apgriezienus.
Ņemiet vērā, ka šis skaitlis nav atkarīgs no iekārtas garuma.Ja viena un tā pati magnētiskā konstrukcija tiek izmantota dažādu mašīnu garumu diapazonā, tas nozīmē, ka garākām mašīnām būs mazāk resnākas stieples apgriezienu.Tie patērēs vairāk kopējās strāvas, bet tiem būs vienāds ampēru x apgriezienu reizinājums, un tiem būs tāds pats iespīlēšanas spēks (un tāda pati jaudas izkliede) uz garuma vienību.
Cikls
Darba cikla jēdziens ir ļoti svarīgs elektromagnēta konstrukcijas aspekts.Ja konstrukcija paredz lielāku darba ciklu nekā nepieciešams, tas nav optimāls.Lielāks darbības cikls pēc būtības nozīmē, ka būs nepieciešams vairāk vara stieples (ar attiecīgi augstākām izmaksām) un/vai būs pieejams mazāks iespīlēšanas spēks.
Piezīme: Magnētam ar lielāku darba ciklu būs mazāka jaudas izkliede, kas nozīmē, ka tas patērēs mazāk enerģijas un tādējādi būs lētāks ekspluatācijā.Tomēr, tā kā magnēts ir IESLĒGTS tikai īsu laiku, ekspluatācijas enerģijas izmaksas parasti tiek uzskatītas par ļoti maznozīmīgām.Tādējādi projektēšanas pieeja ir nodrošināt tik daudz jaudas izkliedes, cik vien iespējams, lai nepārkarsētu spoles tinumus.(Šī pieeja ir izplatīta lielākajai daļai elektromagnētu dizainu).
Magnabend ir paredzēts nominālajam darba ciklam aptuveni 25%.
Parasti līkuma veikšana aizņem tikai 2 vai 3 sekundes.Pēc tam magnēts tiks izslēgts vēl 8 līdz 10 sekundes, kamēr apstrādājamā detaļa tiek pārvietota un izlīdzināta, lai tā būtu gatava nākamajam izliekumam.Ja tiek pārsniegts 25% darba cikls, magnēts galu galā kļūs pārāk karsts un atslēgsies termiskā pārslodze.Magnēts netiks bojāts, bet tam būs jāļauj atdzist apmēram 30 minūtes pirms atkārtotas izmantošanas.
Darbības pieredze ar mašīnām uz lauka liecina, ka 25% darba cikls ir diezgan piemērots tipiskiem lietotājiem.Patiesībā daži lietotāji ir pieprasījuši izvēles lieljaudas mašīnas versijas, kurām ir lielāks savilkšanas spēks uz mazāka noslodzes cikla rēķina.
Spoles šķērsgriezuma laukums
Spolei pieejamais šķērsgriezuma laukums noteiks maksimālo vara stieples daudzumu, ko var ievietot. Pieejamajam laukumam nevajadzētu būt lielākam par nepieciešamo, lai tas atbilstu nepieciešamajiem ampēru apgriezieniem un jaudas izkliedei.Nodrošinot vairāk vietas spolei, neizbēgami palielināsies magnēta izmērs un rezultātā palielināsies plūsmas ceļa garums tēraudā (kas samazinās kopējo plūsmu).
Tas pats arguments nozīmē, ka neatkarīgi no konstrukcijā paredzētās spoles vietas tai vienmēr jābūt pilnai ar vara stiepli.Ja tas nav pilns, tas nozīmē, ka magnēta ģeometrija varēja būt labāka.
Magnabend iespīlēšanas spēks:
Zemāk redzamais grafiks tika iegūts ar eksperimentāliem mērījumiem, taču tas diezgan labi sakrīt ar teorētiskajiem aprēķiniem.
Saspiedes spēku var matemātiski aprēķināt pēc šīs formulas:
F = spēks ņūtonos
B = magnētiskās plūsmas blīvums Teslas
A = stabu laukums m2
µ0 = magnētiskās caurlaidības konstante, (4π x 10-7)
Piemēram, mēs aprēķināsim iespīlēšanas spēku plūsmas blīvumam 2 Tesla:
Tādējādi F = ½ (2)2 A/µ0
Spēkam uz laukuma vienību (spiedienu) mēs varam nomest formulā "A".
Tādējādi Spiediens = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Tas ir 1 590 000 N/m2.
Lai to pārvērstu kilogramu spēkā, to var dalīt ar g (9,81).
Tādējādi: Spiediens = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Tas diezgan labi sakrīt ar izmērīto spēku nulles spraugai, kas parādīts iepriekš minētajā grafikā.
Šo skaitli var viegli pārveidot par kopējo iespīlēšanas spēku konkrētai mašīnai, reizinot to ar iekārtas pola laukumu.Modelim 1250E staba laukums ir 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Tādējādi kopējais nulles atstarpes spēks būtu (735 x 16,2) = 11 900 kg jeb 11,9 tonnas;apmēram 9,5 tonnas uz vienu magnēta garuma metru.
Plūsmas blīvums un iespīlēšanas spiediens ir tieši saistīti un ir parādīti diagrammā zemāk:
Praktiskais saspiešanas spēks:
Praksē šis lielais savilkšanas spēks tiek realizēts tikai tad, kad tas nav nepieciešams(!), tas ir, liekot plānas tērauda sagataves.Liekot krāsaino metālu sagataves, spēks būs mazāks, kā parādīts iepriekš redzamajā grafikā, un (nedaudz dīvainā kārtā) tas ir mazāks, liekot biezas tērauda sagataves.Tas ir tāpēc, ka stiprinājuma spēks, kas nepieciešams, lai veiktu asu līkumu, ir daudz lielāks nekā tas, kas nepieciešams rādiusa līkumam.Tātad notiek tas, ka, virzoties uz līkumu, skavas priekšējā mala nedaudz paceļas, tādējādi ļaujot sagatavei veidot rādiusu.
Mazā gaisa sprauga, kas veidojas, rada nelielu saspiešanas spēka zudumu, bet spēks, kas nepieciešams, lai izveidotu rādiusa līkumu, ir samazinājies daudz straujāk nekā magnēta iespīlēšanas spēks.Tādējādi tiek iegūta stabila situācija un skava neatlaižas.
Iepriekš aprakstītais ir lieces režīms, kad iekārta ir tuvu tā biezuma robežai.Ja tiek mēģināts izmantot vēl biezāku sagatavi, tad, protams, skava pacelsies.
Šī diagramma liecina, ka, ja skavas sliedes priekšgala mala būtu nedaudz rādiusa, nevis asa, tad gaisa sprauga biezai saliekšanai tiktu samazināta.
Patiešām, tas tā ir, un pareizi izgatavotam Magnabend būs skava ar rādiusu malu.(Arī rādiusa mala ir daudz mazāk pakļauta nejaušiem bojājumiem, salīdzinot ar asu malu).
Izliekuma kļūmes robežveids:
Ja tiek mēģināts saliekt ļoti biezu sagatavi, iekārtai neizdosies to saliekt, jo skavas stienis vienkārši pacelsies.(Par laimi tas nenotiek dramatiskā veidā; skava vienkārši ļauj klusi iet).
Tomēr, ja lieces slodze ir tikai nedaudz lielāka par magnēta lieces spēju, tad parasti notiek tā, ka liece turpinās apmēram 60 grādu leņķī un tad skavas stienis sāks slīdēt atpakaļ.Šajā atteices režīmā magnēts var izturēt lieces slodzi tikai netieši, radot berzi starp apstrādājamo priekšmetu un magnēta pamatni.
Biezuma atšķirība starp atteici, kas radusies pacelšanās dēļ, un kļūmi slīdēšanas dēļ, parasti nav ļoti liela.
Pacelšanas kļūme ir saistīta ar to, ka apstrādājamā detaļa svira skavas stieņa priekšējo malu uz augšu.Saspiedes spēks skavas priekšējā malā galvenokārt ir tas, kas tam pretojas.Aizmugurējās malas iespīlēšanai ir maza ietekme, jo tā atrodas tuvu vietai, kur tiek pagriezts skavas stienis.Faktiski tā ir tikai puse no kopējā saspiešanas spēka, kas iztur pacelšanos.
No otras puses, slīdēšanu pretojas kopējais iespīlēšanas spēks, bet tikai ar berzi, tāpēc faktiskā pretestība ir atkarīga no berzes koeficienta starp apstrādājamo priekšmetu un magnēta virsmu.
Tīram un sausam tēraudam berzes koeficients var būt pat 0,8, bet, ja ir eļļošana, tas var būt pat 0,2.Parasti tas ir kaut kur pa vidu, jo lieces atteices marginālais režīms parasti ir slīdēšanas dēļ, taču ir konstatēts, ka mēģinājumi palielināt magnēta virsmas berzi nav lietderīgi.
Biezuma ietilpība:
E-tipa magnēta korpusam, kura platums ir 98 mm un dziļums 48 mm, un ar 3800 ampēru apgriezienu spoli, pilna garuma lieces jauda ir 1,6 mm.Šis biezums attiecas gan uz tērauda loksnēm, gan uz alumīnija loksnēm.Alumīnija loksnei būs mazāk iespīlēšanas, taču tās saliekšanai ir nepieciešams mazāks griezes moments, tādējādi tas tiek kompensēts tā, lai abiem metāla veidiem būtu līdzīga jauda.
Jāievēro daži brīdinājumi attiecībā uz norādīto lieces spēju: galvenais ir tas, ka lokšņu metāla tecēšanas robeža var ievērojami atšķirties.1,6 mm ietilpība attiecas uz tēraudu ar tecēšanas spriegumu līdz 250 MPa un uz alumīniju ar tecēšanas spriegumu līdz 140 MPa.
Nerūsējošā tērauda biezuma ietilpība ir aptuveni 1,0 mm.Šī jauda ir ievērojami mazāka nekā lielākajai daļai citu metālu, jo nerūsējošais tērauds parasti nav magnētisks un tomēr tam ir pietiekami augsts tecēšanas spriegums.
Vēl viens faktors ir magnēta temperatūra.Ja magnētam ir ļauts sakarst, tad spoles pretestība būs lielāka, un tas savukārt liks tam izmantot mazāku strāvu, kā rezultātā samazināsies ampēru apgriezieni un samazinās iespīlēšanas spēks.(Šis efekts parasti ir diezgan mērens un maz ticams, ka iekārta neatbilst tās specifikācijām).
Visbeidzot, ja magnēta šķērsgriezums būtu lielāks, varētu izgatavot biezākas ietilpības magnabendus.