MAGNABEND - ОСНОВНІ МІРКУВАННЯ ПРОЕКТУ
Основний дизайн магніту
Машина Magnabend розроблена як потужний магніт постійного струму з обмеженим робочим циклом.
Машина складається з 3 основних частин: -
Корпус магніту, який утворює основу машини і містить котушку електромагніту.
Затискач, який забезпечує шлях для магнітного потоку між полюсами основи магніту і тим самим затискає заготовку з листового металу.
Згинальна балка, яка повертається до переднього краю корпусу магніту і забезпечує засіб для прикладення згинального зусилля до заготовки.
Конфігурації магнітного тіла
Для корпусу магніту можливі різні конфігурації.
Ось 2, які обидва були використані для машин Magnabend:
Пунктирні червоні лінії на кресленнях вище представляють шляхи магнітного потоку.Зверніть увагу, що конструкція «U-Type» має один шлях потоку (1 пара полюсів), тоді як конструкція «E-Type» має 2 шляхи потоку (2 пари полюсів).
Порівняння конфігурації магніту:
Конфігурація типу E є більш ефективною, ніж конфігурація типу U.
Щоб зрозуміти, чому це так, розглянемо два малюнки нижче.
Ліворуч — поперечний переріз магніту U-типу, а праворуч — магніт E-типу, який був виготовлений комбінацією 2-х однакових U-типів.Якщо кожна конфігурація магніту приводиться в рух котушкою з однаковими ампер-витками, то очевидно, що подвоєний магніт (тип E) матиме вдвічі більшу силу затиску.Він також використовує вдвічі більше сталі, але майже не більше дроту для котушки!(Припускаючи довгу конструкцію котушки).
(Невелика кількість додаткового дроту знадобиться лише тому, що 2 дві ніжки котушки розташовані далі один від одного в дизайні «E», але цей додатковий елемент стає незначним у конструкції довгої котушки, як, наприклад, у Magnabend).
Супер Магнабенд:
Щоб створити ще більш потужний магніт, концепцію «E» можна розширити, наприклад, цю конфігурацію подвійного E:
3-D модель:
Нижче наведено 3-D креслення, що показує основне розташування деталей у магніті U-типу:
У цій конструкції передня і задня стовпи є окремими частинами і прикріплені болтами до основної частини.
Хоча в принципі можна було б обробити корпус магніту U-типу з цільного шматка сталі, тоді було б неможливо встановити котушку, і, отже, котушку потрібно було б намотати на місці (на обробленому корпусі магніту ).
У виробничих умовах вкрай бажано мати можливість намотувати котушки окремо (на спеціальний формувач).Таким чином, U-подібна конструкція ефективно диктує виготовлену конструкцію.
З іншого боку, конструкція E-типу добре підходить до корпусу магніту, виготовленого з цільного шматка сталі, оскільки попередньо виготовлену котушку можна легко встановити після того, як корпус магніту був оброблений.Цільний магнітний корпус також працює краще магнітно, оскільки він не має конструктивних зазорів, які в іншому випадку трохи зменшили б магнітний потік (а отже, і силу затиску).
(Більшість Magnabends, виготовлених після 1990 року, використовували дизайн E-type).
Вибір матеріалу для магнітної конструкції
Корпус магніту і затискач повинні бути виготовлені з феромагнітного (намагнічованого) матеріалу.Сталь є найдешевшим феромагнітним матеріалом і є очевидним вибором.Однак існують різні спеціальні сталі, які можна розглянути.
1) Кремнієва сталь: сталь високого питомого опору, яка зазвичай доступна в тонких шарах і використовується в трансформаторах змінного струму, магнітах змінного струму, реле тощо. Її властивості не потрібні для Magnabend, який є магнітом постійного струму.
2) М'яке залізо: цей матеріал буде демонструвати менший залишковий магнетизм, що було б добре для машини Magnabend, але він фізично м'який, що означало б, що його можна було б легко пом'яти та пошкодити;Проблему залишкового магнетизму краще вирішити іншим способом.
3) Чавун: не так легко намагнічується, як прокат, але його можна розглянути.
4) Нержавіюча сталь типу 416: не може бути намагнічена так сильно, як сталь, і коштує набагато дорожче (але може бути корисним для тонкої захисної поверхні на корпусі магніту).
5) Нержавіюча сталь типу 316: це немагнітний сплав сталі, тому він взагалі не підходить (за винятком 4 вище).
6) Середньовуглецева сталь, тип K1045: Цей матеріал надзвичайно підходить для конструкції магніту (та інших частин машини).Він досить твердий у стані, який постачається, і він також добре обробляється.
7) Середньовуглецева сталь типу CS1020: ця сталь не настільки тверда, як K1045, але вона є більш доступною і, таким чином, може бути найбільш практичним вибором для конструкції машини Magnabend.
Зауважте, що необхідні важливі властивості:
Висока намагніченість насичення.(Більшість сталевих сплавів насичуються приблизно на 2 Тесла),
Наявність корисних розмірів секцій,
Стійкість до випадкових пошкоджень,
Оброблюваність, і
Розумна вартість.
Середньовуглецева сталь добре відповідає всім цим вимогам.Також можна використовувати низьковуглецеву сталь, але вона менш стійка до випадкових пошкоджень.Існують також інші спеціальні сплави, такі як супермендур, які мають вищу намагніченість насичення, але їх не слід розглядати через їх дуже високу вартість порівняно зі сталлю.
Проте середньовуглецева сталь демонструє деякий залишковий магнетизм, якого достатньо, щоб зашкодити.(Див. розділ про залишковий магнетизм).
Котушка
Котушка - це те, що керує магнітним потоком через електромагніт.Його сила намагнічування є просто добутком кількості витків (N) і струму котушки (I).Таким чином:
N = кількість витків
I = струм в обмотках.
Поява «N» у наведеній вище формулі призводить до поширеної помилки.
Широко вважається, що збільшення кількості витків збільшить силу намагнічування, але зазвичай цього не відбувається, оскільки додаткові витки також зменшують струм I.
Розглянемо котушку з фіксованою напругою постійного струму.Якщо кількість витків збільшити вдвічі, то опір обмоток також збільшиться вдвічі (у довгій котушці) і, таким чином, струм зменшиться вдвічі.Чистий ефект – відсутність збільшення NI.
Те, що дійсно визначає NI, - це опір на оберт.Таким чином, щоб збільшити NI, необхідно збільшити товщину дроту.Цінність додаткових витків полягає в тому, що вони зменшують струм і, отже, розсіювання потужності в котушці.
Конструктор повинен пам’ятати, що діаметр дроту дійсно визначає силу намагнічування котушки.Це найважливіший параметр конструкції котушки.
Продукт NI часто називають «амперними витками» котушки.
Скільки витків Ампер потрібно?
Сталь демонструє намагніченість насичення близько 2 Тесла, і це встановлює фундаментальне обмеження на те, яку силу затиску можна отримати.
З наведеного вище графіка ми бачимо, що напруженість поля, необхідна для отримання щільності потоку 2 Тесла, становить приблизно 20 000 ампер-витків на метр.
Тепер, для типової конструкції Magnabend, довжина шляху потоку в сталі становить приблизно 1/5 метра, і тому для насичення буде потрібно (20 000/5) AT, тобто приблизно 4 000 AT.
Було б добре мати набагато більше амперних витків, ніж це, щоб намагніченість насичення могла підтримуватися навіть тоді, коли немагнітні зазори (тобто кольорові заготовки) вводяться в магнітопровод.Однак додаткові амперні витки можна отримати лише за значних витрат на розсіювання потужності або вартість мідного дроту, або і те, і інше.Тому потрібен компроміс.
Типові конструкції Magnabend мають котушку, яка виробляє 3800 витків.
Зверніть увагу, що цей показник не залежить від довжини машини.Якщо одна і та ж магнітна конструкція застосовується до діапазону довжин машини, це означає, що довші машини матимуть менше витків товщого дроту.Вони будуть споживати більше сумарного струму, але матимуть той самий добуток ампер x витків і матимуть таку ж силу затиску (і ту саму розсіювану потужність) на одиницю довжини.
Робочий цикл
Концепція робочого циклу є дуже важливим аспектом конструкції електромагніту.Якщо конструкція передбачає більший робочий цикл, ніж необхідно, це не є оптимальним.Більший робочий цикл за своєю суттю означає, що буде потрібно більше мідного дроту (з відповідною більшою вартістю) і/або буде менше доступної сили затиску.
Примітка: магніт з більшим робочим циклом матиме менше розсіювання потужності, що означає, що він споживатиме менше енергії і, таким чином, буде дешевшим у експлуатації.Однак, оскільки магніт увімкнено лише на короткі періоди, витрати енергії на експлуатацію зазвичай вважаються дуже невеликими.Таким чином, підхід до проектування полягає в тому, щоб мати якомога більше розсіювання потужності, щоб уникнути перегріву обмоток котушки.(Цей підхід звичайний для більшості конструкцій електромагнітів).
Magnabend розрахований на номінальний робочий цикл близько 25%.
Зазвичай на згин потрібно всього 2-3 секунди.Потім магніт буде вимкнено ще на 8-10 секунд, поки заготовка буде переставлена та вирівняна, готова до наступного згину.Якщо робочий цикл перевищено 25%, то в кінцевому підсумку магніт стане занадто гарячим і спрацює теплове перевантаження.Магніт не пошкодиться, але йому потрібно дати охолонути приблизно 30 хвилин перед повторним використанням.
Досвід роботи з машинами в польових умовах показав, що робочий цикл 25% цілком достатній для звичайних користувачів.Насправді деякі користувачі вимагають опціональних високопотужних версій машини, які мають більшу силу затиску за рахунок меншого робочого циклу.
Площа поперечного перерізу котушки
Площа поперечного перерізу, доступна для котушки, визначатиме максимальну кількість мідного дроту, який можна вставити. Доступна площа не повинна бути більше необхідної, відповідно до необхідних витків ампер і розсіювання потужності.Надання більше місця для котушки неминуче збільшить розмір магніту і призведе до більшої довжини шляху потоку в сталі (що зменшить загальний потік).
Цей же аргумент передбачає, що будь-який простір для котушки передбачено в конструкції, він завжди повинен бути заповнений мідним дротом.Якщо він не заповнений, це означає, що геометрія магніту могла бути кращою.
Сила затиску Magnabend:
Наведений нижче графік був отриманий шляхом експериментальних вимірювань, але він досить добре узгоджується з теоретичними розрахунками.
Силу затиску можна математично розрахувати за цією формулою:
F = сила в ньютонах
B = щільність магнітного потоку в Теслах
A = площа стовпів в м2
µ0 = константа магнітної проникності, (4π x 10-7)
Для прикладу розрахуємо силу затиску для щільності потоку 2 Тесла:
Таким чином, F = ½ (2)2 A/µ0
Для сили на одиницю площі (тиску) ми можемо опустити «А» у формулі.
Таким чином Тиск = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) Н/м2.
Це виходить до 1 590 000 Н/м2.
Щоб перетворити цю силу в кілограми, її можна поділити на g (9,81).
Таким чином: Тиск = 162 080 кг/м2 = 16,2 кг/см2.
Це досить добре узгоджується з виміряним зусиллям для нульового зазору, показаним на наведеному вище графіку.
Цю цифру можна легко перетворити на загальну силу затиску для даної машини, помноживши її на площу полюса машини.Для моделі 1250E площа полюса становить 125(1,4+3,0+1,5) =735 см2.
Таким чином, загальна сила з нульовим зазором буде (735 x 16,2) = 11 900 кг або 11,9 тонн;близько 9,5 тонн на метр довжини магніту.
Щільність потоку і тиск затиску безпосередньо пов'язані і показані на графіку нижче:
Практична сила затиску:
На практиці ця висока сила затиску реалізується лише тоді, коли вона не потрібна(!), тобто при згинанні тонких сталевих заготовок.Під час згинання кольорових заготовок сила буде меншою, як показано на графіку вище, і (трохи цікаво), вона також менша при згинанні товстих сталевих заготовок.Це пов’язано з тим, що сила затиску, необхідна для різкого вигину, набагато вище, ніж для радіусного згину.Отже, що відбувається, так це те, що під час згину передній край затискача злегка піднімається, дозволяючи заготовці утворювати радіус.
Невеликий повітряний зазор, який утворюється, спричиняє невелику втрату сили затиску, але сила, необхідна для формування радіусного вигину, впала більш різко, ніж сила затиску магніту.Таким чином утворюється стабільна ситуація, і зажим не відпускає.
Вище описано режим згинання, коли машина наближається до своєї межі товщини.Якщо спробувати ще більш товсту заготовку, то зажим, звичайно, підніметься.
Ця діаграма говорить про те, що якби передній край хомута був трохи радіусним, а не гострим, то повітряний зазор для товстого вигину був би зменшений.
Справді, це так, і правильно виготовлений Magnabend матиме хомути з радіусним краєм.(Радіусний край також набагато менш схильний до випадкових пошкоджень, ніж гострий край).
Граничний режим відмови згину:
Якщо спробувати зігнути дуже товсту заготовку, машина не зможе зігнути її, тому що зажим просто підніметься.(На щастя, це відбувається не драматично; зажим просто тихо відпускається).
Однак якщо навантаження на згин лише трохи більше, ніж згинальна здатність магніту, то зазвичай відбувається те, що вигин продовжує приблизно 60 градусів, а потім затискач почне ковзати назад.У цьому режимі відмови магніт може протистояти згинальному навантаженню лише опосередковано, створюючи тертя між заготовкою та ложем магніту.
Різниця в товщині між поломкою через відрив і поломкою через ковзання, як правило, не дуже велика.
Збій підйому пов’язаний з тим, що заготовка висуває передній край затискача вгору.Зусилля затиску на передній кромці затискача в основному чинить опір цьому.Затиск на задній кромці має незначний ефект, оскільки він знаходиться близько до місця повороту затискача.Фактично це лише половина загальної сили затиску, яка чинить опір відриву.
З іншого боку, ковзанню протидіє загальна сила затиску, але тільки через тертя, тому фактичний опір залежить від коефіцієнта тертя між заготовкою та поверхнею магніту.
Для чистої та сухої сталі коефіцієнт тертя може досягати 0,8, але якщо є мастило, то він може бути низьким до 0,2.Як правило, це буде десь посередині, так що граничний режим вигину зазвичай пов’язаний з ковзанням, але спроби збільшити тертя на поверхні магніту виявились недоцільними.
Ємність товщини:
Для корпусу магніту E-типу шириною 98 мм і глибиною 48 мм і з котушкою на 3800 ампер повна згинальна здатність становить 1,6 мм.Ця товщина стосується як сталевого, так і алюмінієвого листа.Алюмінієвий лист буде менше затискатися, але для його згинання потрібен менший крутний момент, тому це компенсується таким чином, щоб забезпечити однакову ємність калібру для обох типів металу.
Повинні бути деякі застереження щодо заявленої здатності на згин: головне з них полягає в тому, що межа плинності листового металу може сильно змінюватися.Місткість 1,6 мм стосується сталі з межею плинності до 250 МПа і алюмінію з межею плинності до 140 МПа.
Товщина нержавіючої сталі становить близько 1,0 мм.Ця ємність значно менша, ніж у більшості інших металів, оскільки нержавіюча сталь, як правило, немагнітна, але має досить високий межа текучості.
Ще один фактор - температура магніту.Якщо магніт нагрівся, то опір котушки буде вищим, а це, у свою чергу, призведе до того, що він буде витрачати менше струму, а отже, ампер-витки та менша сила затиску.(Цей ефект зазвичай досить помірний і навряд чи призведе до того, що машина не відповідатиме своїм специфікаціям).
Нарешті, можна було б зробити Magnabends більшої ємності, якщо збільшити поперечний переріз магніту.