Magnetické upínání obrobků

2. Fyzikální základy magnetické upínací techniky

2.1 Magnetické pole
Oblast, v které působí magnetické síly, se označuje jako magnetické pole. Magnetický účinek je přitom závislý na poloze a směru. Magnetické pole se vytváří mezi dvěma nebo více póly, přičemž stejné póly se odpuzují, opačné póly se naopak přitahují. Magnetické pole lze nejjednodušším způsobem znázornit pomocí železného prášku, který se nasype na dělicí vrstvu, například papír nebo sklo, vystavenou působení magnetického pole

 

 

Obr. 1: Průběh silových čar dvoupólového tyčového magnetu
Při vhodném umístění tyčového magnetu se zobrazení známým způsobem přizpůsobí magnetickému poli země. Pól, který ukazuje ve směru geografického směru severu, se přitom označuje jako „severní pól“ magnetu.
Jestliže tyčový magnet ohneme do tvaru písmene U, vznikne tím již dvoupólový magnetický systém (podkovovitý magnet na obr. 2).

2.2. Magnetické silové čáry
Magnetické silové čáry proudí od severního pólu k jižnímu pólu magnetu. Magnetické pole se snaží pomocí svého rozptylového a užitečného toku uzavřít přes vzduchovou mezeru (obr. 2). Jestliže přitom magnetické pole vystoupí z měkkého železa, děje se tak téměř vždy.

 

 


Obr. 2: Znázornění magnetických
silových čar podkovovitého magnetu
Vzduch ovšem poskytuje magnetickému poli velmi vysoký magnetický odpor, takže magnetické silové čáry prioritně proudí ve feromagnetických materiálech (např. v železu).
Silové čáry se přitom používají ke znázornění magnetického toku Θ v jednotkách Wb (Weber). Pro účinek magnetického pole – například dosažitelnou přilnavost – je rozhodující koncentrace silových čar na dané ploše, ale i magnetická hustota toku B v mT (1 Tesla = 1 Wb/m2) nebo G (1 Gauss = 0, 1 mT).
Příčinou magnetického pole s jeho silovými čarami je intenzita magnetického pole H v A/m nebo Oe (1 kA/m = 12,56 Oersted). Na vztah mezi intenzitou pole a hustotou toku můžeme nahlížet podobně jako na vztah mezi elektrickým napětím a elektrickým proudem.

3. Ocelové obrobky v magnetickém poli
Přiložené železné obrobky nabízejí magnetickému poli pouze nízký odpor a zkracují tak dráhu silových čar. Magnetické pole tak již nepotřebuje hledat obtížnou dráhu vzduchem (obr. 3). Magnetická vodivost (permeabilita) ocele (St 37) je například proti vzduchu asi 2000krát lepší.
Jestliže od magnetu vzdálíme přiložený železný díl, síla magnetického pole bude klást odpor zvětšení magnetického odporu a tedy i změně magnetické energie.
Protože magnetická energie přímo souvisí s prací, kterou je nutné vynaložit na odtažení feromagnetického obrobku od magnetu, brání to zvětšení vzduchové mezery, resp. magnetické energie. Proto se materiály obsahující železo přitáhnou a zůstanou přitaženy.

Aby bylo možné určitý obrobek magneticky přidržet, musí dojít k propojení alespoň jednoho severního a jižního pólu.

 

 

Obr. 3: Magnetický tok a účinná
přilnavost při propojení
jednoho severního a jednoho jižního pólu

2.4. Vysvětlení magnetizace na atomové bázi
V látkách, které lze zmagnetizovat (feromagnetické látky), existují drobná magnetická pole, tzv. „molekulární magnety“.
V atomu obíhají elektrony jako nejmenší elektrické náboje jak kolem jádra, tak také kolem své vlastní osy, a vytvářejí – na základě příčinné souvislosti, kterou jako první objevil Oersted – magnetický moment, resp. magnetický dipól.
Bez působení vnějšího pole jsou tyto magnetické dipóly ve feromagnetických látkách uspořádány zcela náhodně a jejich účinek se ve značné míře vzájemně ruší. Při přiložení vnějšího magnetického pole dochází k přesnému usměrnění dipólů. Velký počet uspořádaných dipólů v malých oblastech, takzvané „Weissovy domény“, představují nejmenší feromagnetická tělesa.‘ Tyto molekulární magnety se uspořádávají podle působení vnějších magnetických polí a po odstranění vnějšího pole zůstávají v závislosti na materiálu více či méně ve vynuceném útvaru.¬ Uspořádání „molekulárních magnetů“ kromě jiného znázorňuje demagnetizační účinek tepla, nárazu, radioaktivního záření nebo cizích magnetických polí.
Příslušné těleso, které obsahuje takovýmto způsobem uspořádané oblasti, poté zcela působí jako magnet. Při kompletním uspořádání elementárního magnetu není žádné další magnetizování možné. Materiál je již „nasycen“.

 

Obr. 4: Uspořádání „molekulárního magnetu“ ve Weissových‘
doménách vlivem upínací síly magnetického pole

2.5. Maximální možná upínací síla a vlivy, které je nutné zohlednit:
Magnetické přitažlivosti se odvíjejí od více faktorů, které se zpravidla v praxi jen obtížně hodnotí, takže dimenzování magnetických systémů vyžaduje hodně zkušeností. Důležitá jsou tato kritéria:
- konstrukční provedení a typ magnetického materiálu, 
- složení materiálu a stav tepelného zpracování dílu, který se má upnout, 
- poměr pólové rozteče k tloušťce obrobku, 
- kontakt povrchu obrobku s magnetem a jeho drsnost, 
- vliv pokrytí magnetů, 
- vliv pólových nástavců, 
- vliv použité teploty.
Maximální upínací síla FH max je přitom založena na ploše vzduchové mezery (Aluftspalt). Plocha vzduchové mezery ovšem nesmí být nikdy ¬identická s plochou obrobku, jako je tomu například u lepených pólových desek, protože v tomto případě se počítá pouze vodivá ocelová plocha. Jednotlivé faktory zohledňují tyto účinky:

 

Faktor odporu pro zohlednění složení materiálu a stavu tepelného zpracování¬. Upínací síly významně klesají s klesajícím obsahem čistého železa.


Faktor rozptylu zahrnuje poměr nevyužitého magnetického toku paralelního k obrobku a užitečného toku ve vzduchové mezeře mezi magnetem a obrobkem. Je velmi výrazně ovlivněn konstrukcí magnetického systému a geometrií obrobku a společně s faktorem odporu jsou klíčovou částí výpočtu.



Poměr průměru magnetu k průměru vzduchové mezery vysvětluje vyšší ¬upínací síly u obrobků, které jsou ve srovnání s magnetem menší. Maxima¬ je ovšem dosaženo tehdy, když je materiál obrobku již nasycen, tzn., když nemůže přijmout žádný další magnetismus.



Permanence představuje hustotu toku magnetického materiálu při mezeře 0 mm. Jde o určující faktor, který je podstatným způsobem závislý na materiálu permanentního¬ magnetu.

je permeabilita nebo indukční konstanta. Má hodnotu 1,256 10-8 Vs/Am a popisuje konstantní vztah mezi intenzitou pole a hustotou toku ve vzduchové mezeře.

Magnetická upínací síla rychle klesá se zvětšující se vzduchovou mezerou (rostoucí¬ drsností povrchu).

 

 

 

 

 

Nezohledněny zůstávají důsledky tloušťky obrobku, pólových nástavců a provozní teploty, což je tak z velké části ponecháno na zkušenostech.

3. Magnetické vlastnosti materiálů
Jestliže budeme zkoumat chování různých materiálů v magnetickém poli, zjistíme, že lze rozlišovat tři různé látky, pokud ¬jde o magnetické chování.
1. nemagnetické materiály
2. magneticky měkké materiály
3. magneticky tvrdé materiály
3.1. Nemagnetické materiály
Sem patří látky, jako jsou například mosaz, měď, hliník, dřevo, sklo, umělé hmoty a další kovy, které vůbec nereagují na magnetické pole nebo na něj reagují jen podružně.
Takovými materiály může procházet magnetické pole, například vzduch nebo podtlak. Nedochází proto k žádné interakci¬ (přitažlivé síle) mezi magnetickým polem a materiálem. Tyto materiály nelze magneticky upínat.

3.2. Magneticky měkké materiály
Do této skupiny řadíme především železo, nízkolegované ocele, nikl a kobalt. Magnetická pole se v těchto materiálech¬ soustřeďují a zesilují. Po odstranění magnetického pole ve značné míře ztrácejí svůj účinek. V závislosti na legující složce však může v materiálu zůstat malé množství zbytkového magnetismu.

3.3. Magneticky tvrdé materiály
V tomto případě se jedná o „permanentní nebo trvalé magnetické materiály“. Po zmagnetizování vykazují vlastní magnetické pole s vysokou energetickou hustotou, které lze technicky využít ve staticky nebo dynamicky namáhaných magnetických obvodech¬, tzn. v magnetických obvodech s konstantní nebo variabilní vzduchovou mezerou.
Trvale magnetická látka musí rovněž vykazovat dvě vlastnosti. Za prvé musí přijmout dostatečný magnetismus (vysoká remanence Br, respektive nasycení Bs), za druhé pak musí v látce ulpět nahromaděný magnetismus (vysoká koercitivní síla HC).
Trvale magnetické látky se používají v přídržných a upínacích systémech, ale i v motorech, reproduktorech, měřících přístrojích, atd. Přehled s rozdělením magnetických látek je uveden na obrázku 5. Dnes se přitom pro permanentní magnety používají tvrdé ferity a slitiny AlNiCo a SmCo. Kromě slitiny SmCo se dnes používá také slitina NdFeB s ještě daleko větší koercitivní sílou a remanencí.


weichmagnetische
Werkstoffe Magneticky měkké
materiály
halbharte Werkstoffe Polotvrdé materiály
Permanent-Magnet
-Werkstoffe Permanentní magnetické
materiály
Kohlenstoff- Stähle Uhlíkové ocele
mittlerer
Ni-Gehalt Materiály
se středním obsahem Ni
hoher
Ni-Gehalt Materiály
s vysokým obsahem Ni
weichmagnetische
Ferrite Magneticky měkké
ferity
Sinter Okuje
Hartferrite Tvrdé ferity

 

 


4. Permanentní nebo trvale magnetické materiály

4.1 Kovové trvalé magnety
z AlNiCo:
Hlavními legovanými složkami jsou hliník, nikl, kobalt, železo, měď a titan. Tento tvrdý materiál se vyrábí ve slinovacím procesu nebo při odlévání a lze jej zpracovat pouze broušením. Magnety z AlNiCo se vyrábějí v podstatě už jen jako anizotropní magnety. Již při výrobě získávají snadnou osu magnetizace, což vede k lepšímu uspořádání „elementárních magnetů“ a tím i k lepším magnetickým hodnotám. Anizotropie se dosáhne vytvořením sloupkovitých krystalů při odlévání a tepelným zpracováním v přítomnosti přilehlého magnetického pole.

Poměr délky k průměru L: D by měl v otevřeném magnetickém obvodu činit 4: 1, aby materiál vykazoval kvalitní odolnost vůči demagnetizaci. Při tomto poměru lze u materiálů AlNiCo dosáhnout maximálních přilnavostí při dané velikosti magnetu. Čím dále je magnetický obvod uzavřen, tím kratší může být konstrukční délka.

Magnety z AlNiCo vykazují vysokou remanenci, avšak nízkou koercitivní sílu. Z tohoto důvodu musejí tyto magnety -přijmout silné magnetické pole, snadno se ale znovu demagnetizují. Proto se tyto magnety používají v elektrických upínacích deskách s permanentními magnety s elektrickým spínáním.

Magnety z AlNiCo lze používat v poměrně vysokém teplotním rozsahu až do asi + 450 °C, přičemž svou magnetizaci ztrácejí při takzvané „Curieho teplotě“.

4.2. Vysoce energetické „magnety ze vzácných zemin“
Ze samaria a kobaltu (SmCo5/SmCo17) nebo neodymu, železa a bóru (Nd2Fe14B)

V tomto případě se jedná o slinované, kovové trvalé magnety s velkým energetickým produktem ze skupiny ¬„vzácných zemin“. Do vzácných zemin patří 15 prvků s atomovými čísly 57 až 71 v periodické soustavě prvků.

Nákladné zpracování a drahé suroviny mají za následek relativně vysokou cenu. Tyto magnety při výrobě ¬v zásadní míře získávají snadnou osu magnetizace (anizotropie). Dokonce ani silná vstřícná pole nemají na ¬magnetické pole žádný vliv.

a) Magnet ze samaria a kobaltu
Magnetický materiál s vynikajícími magnetickými hodnotami je velmi tvrdý a křehký a lze jej opracovat pouze broušením nebo diamantovými nástroji. Maximální teplota použití činí asi + 350 °C.

b) Magnet z neodymu, železa a bóru
Pomocí tohoto aktuálně nejsilnějšího magnetického materiálu se dosahují nejvyšší magnetické hodnoty, které lze -ekonomicky výhodně vyrábět. Energetický produkt je asi dvojnásobný oproti magnetu ze samaria a kobaltu. Energetický produkt charakterizuje kvalitu magnetu a jde o produkt hustoty toku a intenzity pole (B x H). Maximální teplota použití činí asi + 80 °C.
4.3 Magnety z tvrdého feritu podle normy DIN 17 410
Tyto magnety se skládají asi z 80 % z oxidu železitého a z 20 % z uhličitanu barnatého nebo strontnatého. Tyto suroviny jsou k dispozici ve velkém¬ množství a jsou proto relativně cenově dostupné.
Stejně jako všechny keramické materiály jsou i tyto magnety velmi tvrdé a křehké. Lze je proto opracovávat pouze pomocí diamantových nástrojů. Magnety z tvrdého feritu se vyrábějí anizotropně a izotropně a rovněž s osou snadné magnetizace nebo bez ní.
Izotropní magnety vykazují po zmagnetizování pouze nízkou energetickou hustotu.
U anizotropních magnetů je koercitivní síla v poměru k remanenci vysoká. Proto je zapotřebí velká plocha -magnetických pólů.
Maximální teplota použití činí + 200 °C.

4.4. Stručné srovnání permanentních magnetických materiálů

 

 

 


Obr. 6: Objem magnetu pro různé magnetické materiály při stejném obsahu magnetické energie

 

 

 

 

Obr. 7: Srovnání maximálních energetických produktů různých magnetických materiálů
anisotrop Anizotropní
Kristallorientiert, wärmebeh. Anisotrop s orientovanou krystalizací, tepelně zpracovaný, anizotropní
Warmebehandelt, anisotrop tepelně zpracovaný, anizotropní
Hartferrit 100 ,isotrop tvrdý ferit 100, izotropní
Hartferit isotrop tvrdý ferit, izotropní
 
5. Magnetické upínání obrobků

5.1. Upínací síla a posouvací síly v magnetické technice
Pólové rozteče, tvar obrobku, kvalita povrchu a materiál mají velký vliv na upínací a posouvací síly obrobku.
a) Upínací síla je odtrhovací síla upnutého obrobku
kolmo k upínací ploše.

b) Posouvací síla je síla vyžadovaná k posunutí obrobku
rovnoběžně k upínací ploše. Posouvací síla
činí v závislosti na kvalita povrchu asi 15 až 30 % přilnavosti.
Je závislá na drsnosti povrchu a adhezi.

Jestliže nejsou k dispozici žádné přesnější pokyny, platí jmenovité přilnavosti pro broušený zkušební obrobek z St 37¬ s rozměry 100 x 100 x 40 mm, které uvádíme u našich výrobků.

 

 

 

Obr. 11: Upínací a posouvací síla u magnetické upínací desky

5.2. Vliv rozteče pólů a tloušťky obrobků
K dosažení rovnoměrné upínací síly po celé upínací ploše a také k upnutí malých obrobků se upínací magnety vyrábějí s rozmanitými pólovými roztečemi a vzdálenostmi pólů. Upínací plocha se rovněž střídavě¬ prokládá severními a jižními póly (obr. 12) Mezera mezi póly vzniká v důsledku nemagnetického materiálu, jako je mosaz nebo umělá hmota.

 

 

 

Obr. 12: Definice mezery mezi póly a vzdálenosti pólů u magnetických upínacích desek

Faktory ovlivňující upínací sílu:
Magnetické pole v přiloženém obrobku se vytváří v přibližně půlkruzích od jednoho pólu k druhému.

 

 

 


Obr. 13: Průběh silových čar
u obrobků s tloušťkou > vzdálenost pólů
Obr. 14: Průběh silových čar u obrobků s tloušťkou < vzdálenost pólů
   
Jestliže je tloušťka obrobku výrazně menší, než je vzdálenost pólů, magnetické pole nebude obrobkem zcela absorbováno. Tím se sníží upínací síla¬. Jestliže obrobkem probíhají všechny siločáry, dosáhne se nejlepších hodnot přilnavosti. Orientačně platí, že dokud je tloušťka obrobku > 40 % skutečné rozteče pólů, nedochází ke snížení přilnavosti.

Větší vzdáleností mezi póly se dosáhne u tlustších a hrubších obrobků větší hloubkové účinnosti magnetického pole a tím i větší přilnavosti ¬u obrobků takového druhu.

 

Obr. 14a: Závislost přilnavostí
na poměru rozteče pólů

 

 

 

5.3. Vliv kontaktní plochy a stavu povrchu
Za kontaktní plochu je nutné považovat každou plochu obrobku, která se skutečně dotýká povrchu magnetu (obr. 15).
a) Závislost upínací síly na tvaru obrobku

 

 

Obr. 15: Hrubé znázornění snížení upínací síly vlivem nepříznivých tvarů obrobků.
a) Závislost upínací síly na tvaru kvalitě povrchu
Kvalita povrchu je pro přilnavost obrobku velice důležitá, protože s rostoucí drsností se přilnavost rychle snižuje. Nejlepších hodnot se dosáhne u jemně broušených povrchů bez vzduchových mezer (obr. 16).

 

 

 


Obr. 16: Vliv povrchu obrobku na dosažitelné upínací síly
c) Závislost upínací síly na vzduchových mezerách
Vzduchovým mezerám se nelze u obrobků vždy vyhnout. Vznikají například v důsledku tvarování materiálu při předběžném ¬obrobení, kazů a nerovností u odlévaných dílů, drsností při mechanickém obrábění, vrstev laku a nemagnetických povrchových vrstev. Protože vzduch klade velmi vysoký magnetický odpor, může v případě velkých mezer vzniknout pouze malé množství silových čar a přilnavost se rychle ztrácí, jak je názorně znázorněno na schématu.

 

 

 

 

Obr. 16a: Vliv vzduchových mezer na magnetickou přilnavost (příklad)
Citlivost na vzduchové mezery je z velké části závislá na velikosti obrobku v porovnání s velikostí magnetu, složení materiálu¬ a roztečí pólů magnetu. Všeobecně můžeme říci, že magnetické systémy s větší primární roztečí pólů lépe překonávají vzduchové mezery. Ve srovnání s elektrickými permanentními magnety umožňují dosáhnout¬ hlubších magnetických polí a tím i větších necitlivostí u elektrických magnetů.

5.4. Složení materiálů, z nichž jsou obrobky vyrobeny
V technicky čistém železu lze dosáhnout vysokých hodnot magnetického toku a tím i vysokých přilnavostí. V praxi můžeme nalézt řadu materiálů s rozmanitými magnetickými vlastnostmi.

 

 


Obr. 17: Závislost přilnavosti na materiálu
Technech reines Eisen Technicky čisté železo
Ne-Metalle Neželezné kovy

Magnetizovatelnost obrobků kromě jiného ovlivňuje také tepelné zpracování, protože tímto procesem dochází ke změně fyzikálního složení materiálu. Tvrzené obrobky hůře vedou magnetický tok.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 18: Vliv stavu tepelného zpracování
na přilnavosti (příklad)

5.5. Vliv pokrytí pólových desek
Jak jsme již ukázali, je upínací síla na plochu obrobku závislá na pokrytí pólových desek. Z měření například vyplývají uvedená snížení maximální přilnavosti na plochu obrobku:
Dispozice:
 Nominální upínací síla
na plochu obrobku:
obrobek s rozměry
50 x 100 mm < kontaktní plocha < 150 x 300 mm 120 N / cm2
obrobek s rozměry
Kontaktní plocha > 150 x 300 mm nebo větší počet obrobků s 
rozměry 50 x 100 mm < kontaktní plocha < 150 x 300 mm 80 N / cm2


Omezení spočívá v prvé řadě v paralelním magnetickém obvodu obrobků, protože ve druhém případu se magnetický tok rozloží na větší plochu. V důsledku toho klesá magnetická indukce a tím také přilnavost, která je k dispozici.
Přilnavosti na plochu ovšem u větších ploch neklesají v tak velké míře, jak bychom mohli usuzovat z kvadratického vztahu v části 2. f), protože s rostoucí plochou obrobku se snižuje rozptylový tok vně obrobku a užitečná vzduchová mezera.¬

 

 

Werkst.= Obrobek =

5.6. Vliv pólových nástavců
Jestliže jsou k vyřešení daného upínacího úkolu zapotřebí pólové nástavce, nepůsobí pouze jako magnetický odpor, ale současně s tím zvyšují rozptylový tok. Například při výšce pólových nástavců do 140 mm je nutné počítat s poklesem přilnavostí až o 20 %.

 

 

 

 


Obr.19: Vliv výšky pólového nástavce na dosažitelné upínací síly

Při vhodném dimenzování však lze vzhledem k účinkům, které jsme popsali v části 6. e), tento pokles přilnavosti -vyrovnat a za určitých okolností dokonce ještě o něco zvýšit.
Pólové nástavce přitom v žádném případě nesmějí spojovat mezeru mezi póly, protože v takovém případě by nebyl v obrobku k dispozici žádný magnetický tok.

5.7. Vliv teploty použití

 

 


Materiál Max. teplota použití Curieho teplota
Tvrdý ferit 200 °C asi 450 °C
AlNiCo 450 °C asi 850 °C
SmCo 350 °C asi 750 °C
NdFeB 80 °C asi 300 °C

Teplotní vlivy mohou významným způsobem ovlivnit vlastnosti upínacího magnetického systému, takže musejí být zohledněny při výběru a konstrukci magnetického upínacího prostředku. Rostoucí teploty vedou ke snížení remanence a tím i přilnavostí a rovněž ke zvýšení koercitivní síly. Od Curieho teploty ztrácejí magnetické materiály nevratně svou magnetizaci