MAGNABEND — ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ
Базовая конструкция магнита
Машина Magnabend спроектирована как мощный магнит постоянного тока с ограниченным рабочим циклом.
Машина состоит из 3-х основных частей:-
Корпус магнита, который образует основу машины и содержит катушку электромагнита.
Зажимная планка, которая обеспечивает путь для магнитного потока между полюсами основания магнита и, таким образом, зажимает заготовку из листового металла.
Изгибающая балка, которая поворачивается к переднему краю корпуса магнита и обеспечивает средство приложения силы изгиба к заготовке.
Конфигурации магнит-корпус
Возможны различные конфигурации корпуса магнита.
Вот два из них, которые использовались для машин Magnabend:
Красные пунктирные линии на приведенных выше рисунках представляют пути прохождения магнитного потока.Обратите внимание, что конструкция «U-типа» имеет один путь потока (1 пара полюсов), тогда как конструкция «E-типа» имеет 2 пути потока (2 пары полюсов).
Сравнение конфигурации магнита:
Конфигурация E-типа более эффективна, чем конфигурация U-типа.
Чтобы понять, почему это так, рассмотрим два рисунка ниже.
Слева — поперечное сечение магнита U-типа, а справа — магнит E-типа, который был сделан путем объединения двух одинаковых U-образных магнитов.Если каждая конфигурация магнита приводится в движение катушкой с одинаковыми ампер-витками, то очевидно, что сдвоенный магнит (типа Е) будет иметь вдвое большую прижимную силу.Он также использует в два раза больше стали, но едва ли больше проволоки для катушки!(Предполагая конструкцию с длинной катушкой).
(Небольшое количество дополнительного провода потребуется только потому, что две ножки катушки расположены дальше друг от друга в конструкции «E», но это дополнительное количество становится незначительным в конструкции с длинной катушкой, такой как используется для Magnabend).
Супер Магнабенд:
Для создания еще более мощного магнита концепция «Е» может быть расширена, например, такой двойной Е-конфигурацией:
3-D модель:
Ниже представлен трехмерный рисунок, показывающий базовое расположение деталей U-образного магнита:
В этой конструкции передняя и задняя стойки представляют собой отдельные детали и крепятся болтами к центральной части.
Хотя в принципе можно было бы изготовить корпус магнита U-образного типа из цельного куска стали, тогда было бы невозможно установить катушку, и, следовательно, катушку пришлось бы наматывать на месте (на корпус магнита, обработанный механическим способом). ).
В производственной ситуации крайне желательно иметь возможность наматывать катушки отдельно (на специальном формирователе).Таким образом, U-образная конструкция эффективно диктует сборную конструкцию.
С другой стороны, конструкция Е-типа хорошо подходит для корпуса магнита, изготовленного из цельного куска стали, поскольку предварительно изготовленную катушку можно легко установить после механической обработки корпуса магнита.Цельный корпус магнита также обладает лучшими магнитными характеристиками, так как в нем нет конструктивных зазоров, которые в противном случае немного уменьшили бы магнитный поток (и, следовательно, усилие зажима).
(Большинство Magnabends, произведенных после 1990 года, имели конструкцию E-type).
Выбор материала для конструкции магнита
Корпус магнита и зажимная планка должны быть изготовлены из ферромагнитного (намагничивающегося) материала.Сталь, безусловно, является самым дешевым ферромагнитным материалом и является очевидным выбором.Однако существуют различные специальные стали, которые можно было бы рассмотреть.
1) Кремниевая сталь: сталь с высоким удельным сопротивлением, которая обычно доступна в виде тонких пластин и используется в трансформаторах переменного тока, магнитах переменного тока, реле и т. д. Ее свойства не требуются для Magnabend, который является магнитом постоянного тока.
2) Мягкое железо: этот материал будет иметь более низкий остаточный магнетизм, что было бы хорошо для машины Magnabend, но он физически мягкий, что означает, что его легко помять и повредить;лучше решить проблему остаточного магнетизма каким-то другим способом.
3) Чугун: Намагничивается не так легко, как катаная сталь, но может рассматриваться.
4) Нержавеющая сталь типа 416: не может намагничиваться так же сильно, как сталь, и намного дороже (но может быть полезна для тонкой защитной поверхности на корпусе магнита).
5) Нержавеющая сталь типа 316: это немагнитный стальной сплав, поэтому он вообще не подходит (за исключением пункта 4 выше).
6) Среднеуглеродистая сталь, тип K1045: этот материал идеально подходит для изготовления магнита (и других частей машины).Он достаточно твердый в состоянии поставки, а также хорошо обрабатывается.
7) Среднеуглеродистая сталь типа CS1020: эта сталь не такая твердая, как K1045, но она более доступна и, таким образом, может быть наиболее практичным выбором для конструкции станка Magnabend.
Обратите внимание, что важными свойствами, которые необходимы, являются:
Высокая намагниченность насыщения.(Большинство стальных сплавов насыщаются около 2 тесла),
Наличие полезных размеров сечения,
Устойчивость к случайным повреждениям,
Обрабатываемость и
Разумная стоимость.
Всем этим требованиям хорошо отвечает среднеуглеродистая сталь.Также можно использовать низкоуглеродистую сталь, но она менее устойчива к случайным повреждениям.Также существуют другие специальные сплавы, такие как супермендур, которые имеют более высокую намагниченность насыщения, но их не следует рассматривать из-за их очень высокой стоимости по сравнению со сталью.
Однако среднеуглеродистая сталь обладает некоторым остаточным магнетизмом, которого достаточно, чтобы доставлять неудобства.(См. раздел об остаточном магнетизме).
Катушка
Катушка - это то, что управляет потоком намагничивания через электромагнит.Его намагничивающая сила является произведением количества витков (N) и тока катушки (I).Таким образом:
N = количество витков
I = ток в обмотках.
Появление «N» в приведенной выше формуле приводит к распространенному заблуждению.
Широко распространено мнение, что увеличение числа витков увеличивает силу намагничивания, но обычно этого не происходит, поскольку дополнительные витки также уменьшают ток I.
Рассмотрим катушку, на которую подается фиксированное постоянное напряжение.Если количество витков удвоить, то сопротивление обмоток также удвоится (в длинной катушке) и, таким образом, ток уменьшится вдвое.Чистый эффект заключается в отсутствии увеличения NI.
Что действительно определяет NI, так это сопротивление на оборот.Таким образом, для увеличения NI необходимо увеличить толщину проволоки.Ценность дополнительных витков заключается в том, что они уменьшают ток и, следовательно, рассеиваемую мощность в катушке.
Разработчик должен помнить о том, что сечение проволоки действительно определяет намагничивающую силу катушки.Это самый важный параметр конструкции катушки.
Продукт NI часто называют «ампер-витками» катушки.
Сколько ампер-витков нужно?
Сталь имеет намагниченность насыщения около 2 тесла, и это устанавливает фундаментальный предел того, какое усилие зажима можно получить.
Из приведенного выше графика видно, что напряженность поля, необходимая для получения плотности потока в 2 Тесла, составляет около 20 000 ампер-витков на метр.
Теперь, для типичной конструкции Magnabend, длина пути потока в стали составляет около 1/5 метра и, следовательно, потребуется (20 000/5) AT для обеспечения насыщения, то есть около 4 000 AT.
Было бы хорошо иметь намного больше ампер-витков, чем это, чтобы можно было поддерживать намагниченность насыщения, даже когда в магнитную цепь вводятся немагнитные зазоры (т.е. заготовки из цветных металлов).Однако дополнительные ампер-витки можно получить только за счет значительных затрат в виде рассеиваемой мощности или стоимости медного провода, или того и другого.Таким образом, необходим компромисс.
Типичные конструкции Magnabend имеют катушку, которая производит 3800 ампер-витков.
Обратите внимание, что эта цифра не зависит от длины машины.Если одна и та же магнитная конструкция применяется к машинам разной длины, это означает, что более длинные машины будут иметь меньше витков более толстого провода.Они будут потреблять больше общего тока, но будут иметь такое же произведение ампер на витки и будут иметь такое же усилие зажима (и такое же рассеивание мощности) на единицу длины.
Рабочий цикл
Концепция рабочего цикла является очень важным аспектом конструкции электромагнита.Если конструкция обеспечивает больший рабочий цикл, чем необходимо, то она не оптимальна.Более продолжительный рабочий цикл по своей сути означает, что потребуется больше медной проволоки (с последующим повышением стоимости) и/или будет меньше доступное усилие зажима.
Примечание. Магнит с более высоким рабочим циклом будет иметь меньшую рассеиваемую мощность, что означает, что он будет потреблять меньше энергии и, следовательно, будет дешевле в эксплуатации.Однако, поскольку магнит включается только на короткие периоды времени, стоимость энергии при эксплуатации обычно считается очень незначительной.Таким образом, конструктивный подход заключается в том, чтобы иметь как можно больше рассеиваемой мощности, чтобы не перегревать обмотки катушки.(Этот подход является общим для большинства конструкций электромагнитов).
Magnabend рассчитан на номинальный рабочий цикл около 25%.
Обычно на поворот уходит всего 2-3 секунды.Затем магнит отключается еще на 8-10 секунд, пока заготовка перемещается и выравнивается, готовая к следующему изгибу.Если рабочий цикл 25% превышен, то в конечном итоге магнит станет слишком горячим, и сработает тепловая перегрузка.Магнит не будет поврежден, но перед повторным использованием ему необходимо дать остыть в течение примерно 30 минут.
Опыт эксплуатации машин в полевых условиях показал, что рабочий цикл 25 % вполне подходит для обычных пользователей.На самом деле, некоторые пользователи запросили дополнительные версии машины с высокой мощностью, которые имеют большее усилие зажима за счет меньшего рабочего цикла.
Площадь поперечного сечения катушки
Площадь поперечного сечения, доступная для катушки, будет определять максимальное количество медного провода, которое может быть установлено. Доступная площадь не должна быть больше, чем необходимо, в соответствии с требуемыми ампер-витками и рассеиваемой мощностью.Предоставление большего места для катушки неизбежно увеличит размер магнита и приведет к увеличению длины пути потока в стали (что уменьшит общий поток).
Тот же аргумент подразумевает, что любое место для катушки, предусмотренное в конструкции, всегда должно быть заполнено медным проводом.Если он не полный, значит, геометрия магнита могла бы быть и получше.
Сила зажима Magnabend:
Приведенный ниже график получен экспериментальными измерениями, но достаточно хорошо согласуется с теоретическими расчетами.
Сила зажима может быть математически рассчитана по следующей формуле:
F = сила в ньютонах
B = плотность магнитного потока в Теслах
A = площадь опор в м2
µ0 = постоянная магнитной проницаемости, (4π x 10-7)
Для примера рассчитаем прижимную силу для плотности потока 2 Тесла:
Таким образом, F = ½ (2)2 A/µ0
Для силы, действующей на единицу площади (давления), в формуле можно опустить букву «А».
Таким образом, давление = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) Н/м2.
Получается 1 590 000 Н/м2.
Чтобы преобразовать эту силу в килограммы, ее можно разделить на g (9,81).
Таким образом: Давление = 162 080 кг/м2 = 16,2 кг/см2.
Это довольно хорошо согласуется с измеренной силой для нулевого зазора, показанной на графике выше.
Эту цифру можно легко преобразовать в общее усилие зажима для данной машины, умножив ее на площадь полюса машины.Для модели 1250E площадь опоры составляет 125(1,4+3,0+1,5)=735 см2.
Таким образом, общая сила без зазора будет (735 x 16,2) = 11 900 кг или 11,9 тонны;около 9,5 тонн на метр длины магнита.
Плотность потока и давление зажима напрямую связаны и показаны на графике ниже:
Практическая сила зажима:
На практике это высокое усилие зажима реализуется только тогда, когда в нем нет необходимости (!), то есть при гибке тонких стальных заготовок.При гибке заготовок из цветных металлов усилие будет меньше, как показано на графике выше, и (немного любопытно) оно также меньше при гибке толстых стальных заготовок.Это связано с тем, что сила зажима, необходимая для выполнения крутого изгиба, намного выше, чем сила, необходимая для радиусного изгиба.Происходит следующее: по мере изгиба передняя кромка прижимной планки слегка приподнимается, позволяя заготовке сформировать радиус.
Небольшой воздушный зазор, который образуется, вызывает небольшую потерю прижимной силы, но сила, необходимая для формирования радиусного изгиба, падает более резко, чем прижимная сила магнита.Таким образом получается стабильное положение и прижимная планка не отпускает.
То, что описано выше, представляет собой режим гибки, когда машина приближается к пределу толщины.Если попробовать еще более толстую заготовку, прижимная планка, конечно, поднимется.
На этой диаграмме показано, что если передняя кромка прижимной планки была бы немного закругленной, а не острой, то воздушный зазор для толстого изгиба был бы уменьшен.
Действительно, это так, и правильно сделанный Magnabend будет иметь зажимную планку с закругленным краем.(Закругленная кромка также гораздо менее подвержена случайным повреждениям по сравнению с острой кромкой).
Предельный режим разрушения изгиба:
Если попытаться согнуть очень толстую заготовку, станок не сможет ее согнуть, потому что прижимная планка просто оторвется.(К счастью, это не происходит драматическим образом, зажим просто тихо отпускает).
Однако, если изгибающая нагрузка лишь немного превышает изгибающую способность магнита, то, как правило, происходит то, что изгиб будет продолжаться, скажем, до 60 градусов, а затем прижимная планка начнет скользить назад.В этом режиме отказа магнит может сопротивляться изгибающей нагрузке только косвенно, создавая трение между заготовкой и основанием магнита.
Разница в толщине между разрушением из-за отрыва и разрушением из-за скольжения обычно невелика.
Отрыв происходит из-за того, что заготовка поднимает передний край прижимной планки вверх.Сила зажима на переднем крае прижимной планки в основном препятствует этому.Зажим на заднем крае малоэффективен, потому что он находится близко к тому месту, где поворачивается зажимная планка.На самом деле только половина общей силы зажима сопротивляется отрыву.
С другой стороны, скольжению препятствует общая сила зажима, но только за счет трения, поэтому фактическое сопротивление зависит от коэффициента трения между заготовкой и поверхностью магнита.
Для чистой и сухой стали коэффициент трения может достигать 0,8, но при наличии смазки он может опускаться до 0,2.Обычно это будет где-то посередине, так что предельный вид разрушения изгиба обычно происходит из-за скольжения, но было обнаружено, что попытки увеличить трение на поверхности магнита не имеют смысла.
Толщина Емкость:
Для корпуса магнита Е-типа шириной 98 мм и глубиной 48 мм и с катушкой на 3800 ампер-витков способность к изгибу по всей длине составляет 1,6 мм.Эта толщина относится как к стальному листу, так и к алюминиевому листу.Алюминиевый лист будет меньше зажиматься, но для его изгиба требуется меньший крутящий момент, поэтому это компенсируется таким образом, чтобы обеспечить одинаковую пропускную способность для обоих типов металла.
Необходимо сделать некоторые оговорки относительно заявленной способности к изгибу: главное из них заключается в том, что предел текучести листового металла может сильно различаться.Емкость 1,6 мм относится к стали с пределом текучести до 250 МПа и к алюминию с пределом текучести до 140 МПа.
Толщина нержавеющей стали составляет около 1,0 мм.Эта емкость значительно меньше, чем у большинства других металлов, потому что нержавеющая сталь обычно немагнитна и при этом имеет достаточно высокий предел текучести.
Еще одним фактором является температура магнита.Если магниту было позволено нагреться, то сопротивление катушки будет выше, и это, в свою очередь, приведет к тому, что она будет потреблять меньше тока с последующим меньшим ампер-витком и меньшим усилием зажима.(Этот эффект обычно довольно умеренный и вряд ли приведет к тому, что машина не будет соответствовать своим спецификациям).
Наконец, магниты Magnabend большей емкости можно было бы изготовить, если бы поперечное сечение магнита было больше.