View
4
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
I
Stiskanje NdFeB magnetov Diplomsko delo
Študent: Marjan GREGORIN
Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo
Smer: Proizvodno strojništvo
Mentor: red. prof. dr., Ivan ANŽEL
Somentor: izr. Prof. dr., Ivan PAHOLE
Maribor, 2010
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- II -
Vložen original sklepa o
potrjeni temi diplomskega dela
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- III -
I Z J A V A
Podpisani Marjan Gregorin izjavljam, da:
• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom
prof. dr. Ivan Anžel in somentorstvom prof. dr. Ivan Pahole ;
• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, 01.02.2010 Podpis: ___________________________
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- IV -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Ivan Anžel in
somentorju prof. dr. Ivan Pahole za pomoč in vodenje
pri opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala dr. Borisu Saje, ki mi je svetoval pri
pisanju naloge in zbiranju gradiva ter pomagal pri
eksperimentalnem delu z koristnimi napotki.
Zahvaljujem se sodelavcem Kolektor MAGMA, ki so
mi pomagali pri izvajanju diplomske naloge.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- V -
Stiskanje NdFeB magnetov
Ključne besede: trajni magneti, plastomagneti, stiskanje NdFeB
UDK: 621.97:621.318.2(043.2)
POVZETEK
Plastomagneti, ki so predmet diplomske naloge spadajo v področje trdo magnetnih
materialov. Ne glede na uporabljen material in tehnologijo izdelave, zanje velja opisni pojem
– PLASTOMAGNETI.
Diplomska naloga se osredotoča na izdelavo plastomagnetov z stiskanjem.
Vsebina naloge se deli na eksperimentalni del, kjer je na znanem orodju narejen preizkus
magnetnega materiala, kateremu se določijo fizikalno/tehnološki parametri za potrebe
konstrukcije orodja. Sledi izračun konstrukcije orodja, v katerem so uporabljeni podatki
eksperimentalnega dela. Verifikacija na izdelku, predhodno izračunanega in izdelanega
orodja, pa je v zaključku diplomske naloge.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- VI -
Pressing of NdFeB magnets
Key words: permanent magnets, polymer bonded magnets, compressed NdFeB
UDK: 621.97:621.318.2(043.2)
ABSTRACT
Polymer bonded magnets, that are discussed in presented work, fit in the field hard magnetic
materials. Description POLYMER BONDED MAGNETS (PBM) applies to them regardless
of used material and technology of processing.
In the presented work, compression bonded rare earths based magnets are discussed.
Presented work is divided into three parts. In experimental part determination of
physically/technological parameters needed for tool’s construction was conducted. The
defined parameters where then used in tool’s construction. Finally, the experimentally
defined parameters for tool’s construction were verified on a required product.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- VII -
KAZALO
1 UVOD ........................................................................................ 1
1.1 Umestitev .................................................................................................. 1
1.2 Vrste trajnih magnetov ............................................................................. 2
1.3 Trajni magneti na osnovi neodima ............................................................ 4
1.4 Opis ............................................................................................................ 4
1.5 Zgodovina in tehnike izdelave .................................................................. 4
1.5.1 Tehnike izdelave ..................................................................................... 6
1.6 Materiali .................................................................................................... 5
1.7 Tehnologija ............................................................................................... 8
1.7.1 Kalandriranje .......................................................................................... 8
1.7.1 Ekstruzija ................................................................................................ 9
1.7.3 Injekcijsko stiskanje ............................................................................... 9
1.7.4 Stiskanje ................................................................................................ 10
1.8 Magnetne lastnosti .................................................................................. 13
1.9 Pregled uporabe-aplikacij ....................................................................... 14
2 EKSPERIMENTALNO DELO............................................. 17
2.1 Namen ..................................................................................................... 17
2.2 Eksperimentalna naloga ........................................................................... 17
2.3 Določitev parametrov za konstrukcijo ..................................................... 18
2.4 Eksperimentalni preizkus ........................................................................ 21
3 REZULTATI ........................................................................... 23
3.1 Rezultati preizkusa .................................................................................. 23
3.2 Rezultati magnetnih lastnost .................................................................... 28
3.3 Izračun orodja .......................................................................................... 30
3.4 Konstrukcija orodja ................................................................................. 32
3.5 Verifikacija na izdelku............................................................................. 33
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- VIII -
4 SKLEP ................................................................................... 44
5 SEZNAM UPORABLJENE LITERATURE .................... 47
6 PRILOGE ............................................................................. 49
Priloga 2.1: Risba izdelka (magnetni obroč) ................................................. 49
Priloga 2.2: Izpis meritev testnega centra ...................................................... 50
Priloga 2.3: Ekscentrska stiskalnica z adapterjem ......................................... 55
Priloga 3.1: Orodje za stiskanje NdFeB (PRO-E) ......................................... 56
Priloga 3.2: Adapter z orodjem...................................................................... 57
Priloga 3.3: Faze stiskanja ............................................................................. 58
Priloga 3.4: Izpis meritev za ovalnost in koničnost ....................................... 59
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- IX -
UPORABLJENI SIMBOLI
ρ - gostota
F - sila
d1 - zunanji premer
d2 - notranji premer
h(H) - višina
A - prerez
P - tlak (obremenitev)
R - polnilni faktor
m - masa
V - volumen
Br - magnetna remanenca
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- X -
UPORABLJENE KRATICE
PA - Poliamid
PPS - Polifenilen-sulfid
NBR - Nitrilni kavčuk
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
1.1 Umestitev
Trajni magneti zavzemajo pomembno mesto v vsakodnevnem življenju, kot
bistvene komponente v električnih napravah, avtomobilih, beli in industrijski
tehniki. Razširjenost trajnih magnetov je navadno podcenjena, saj praviloma
ne nastopajo kot samostojni izdelki ampak kot vgrajeni deli kompleksnih
sistemov.
Prvi trajni magneti so bili naravni magnetiti , ferimagnetni železovi oksidi ,
ki so našli uporabo v kompasih na Kitajskem pred približno 2000 leti. Prvi
umetno izdelani trajni magneti, pa magnetna jekla, katerih izdelavna
tehnologija je bila opisana pred približno 500 leti [1, 2].
Industrijski razvoj sodobnih trajno magnetnih materialov se je začel v
dvajsetih let ih prejšnjega stoletja in je prikazan na sliki 1.1. Diagram
prikazuje časovni razvoj energijskega produkta (BHma x) pri posameznih trajno
magnetnih materialih [3].
BHmax (maksimalni energijski produkt) je splošno sprejet kvalitativni
indeks za karakterizacijo trajno magnetnih materialov, ki je odvisen od
remanentne magnetizacije (B r) in koercitivne sile (jHc). Izračunan je za vsako
točko razmagnetilne krivulje B=f(H) iz ustreznega para magnetne poljske
gostote (B) in magnetne poljske jakosti (H).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
Slika 1.1: Časovni razvoj energijskega produkta (BHmax) pri različnih
trajnomagnetnih materialih.
Primarno vodilo razvoja, je bilo doseganje čim večje specifične energije
(kJ/m3) magnetnega materiala s ciljem ali zmanjšati volumen uporabljeni
magnetov ali povečati gostoto magnetnega polja.
1.2 Vrste trajnih magnetov
Z razvojem različnih aplikacij se je v praksi pokazalo, da, ne glede na
dosežene magnetne karakteristike, univerzalnega magnetnega materiala ni.
Uporabnost določajo tudi ostale karakteristike (jakost magnetilnega polja,
termična stabilnost, mehanske lastnosti, korozijska odpornost, fleksibilnost
geometrije in predvsem cena izdelave), ki jih je potrebno upoštevati v razvoju
celotnega sklopa (motorja, senzorja, .. ) v katerem bodo magneti vgrajeni. Zato
so se razvile različne kombinacije material/ tehnologija, ki omogočajo
doseganje optimalnih karakterist ik za dano aplikacijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
Komercialno dostopni so danes trajno magnetni materiali kot prikazuje
tabela 1.1 [4].
TRŽNO DOSTOPNI TRAJNO MAGNETNI MATERIALI
PLASTO
MATERIALI LITI EKSTRUDIRANI
ALI VALJANI
GOSTO
SINTRANI
BRIZGANI STISKANI UPOGLJIV NEUPOGLJIV
EKSTRUDIRA
NI
ALNICO Y Y Y
Fe-Cr-Co Y Y
CuNiFe Y
SmCo Y Y Y
NdFeB Y Y Y Y Y
Feriti Y Y Y
Mešani Y Y Y
Tabela 1.1: Nabor komercialno dostopnih trajno magnetnih materialov
(material-tehnologija)
Trajne magnete glede na uporabljene materiale lahko načeloma razdelimo
na tri skupine: jekla, oksidni (feritni) magneti in magneti na osnovi
intermetalnih spojin redkih zemelj (SmCo, NdFeB).
Glede na tehnologijo pa na klasične (l ite, sintrane) in plasto magnete
(stiskane, brizgane in ekstrudirane).
Pokazalo se je, da imajo plastomagnetni materiali prednosti predvsem v
aplikacijah, kjer je bistvena fleksibilnost obdelave ter nizki izdelavni stroški.
Glavni področji sta senzorika in elektronsko komutirani DC motorji.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
1.3 Trajni magneti na osnovi neodima
Neodimov magnet (znan tudi kot NdFeB, NIB, al i Neo magnet), je vrsta
magneta na osnovi intermetalne spojine redke zemlje in kovine prehoda. Je
trajni magnet narejen iz neodima, železa in bora, da tvori trdo magnetno
intermentalno fazo s tetragonalno kristalno strukturo Nd2Fe1 4B. Ta material je
trenutno glede na energijski produkt, najmočnejša vrsta trajnega magneta
[5,6].
1.4 Opis
Tetragonalna kristalna struktura Nd2Fe1 4B ima izjemno visoko,
kristalograpsko enoosno magnetno-kristalno anizotropijo (HA~7 Tesla). To
daje zlitini potencial za visoko koercitivnost (tj . upornost proti
razmagnetenju). Zlit ina ima tudi visoko magnetizacijo zasičenosti (J s ~1.6T).
Ker je maksimalna energijska gostota proporcionalna J s2 , ima ta magnetna
faza potencial za shranjevanje velikih količin magnetne energije (teoretično -
BHmax ~ 512 kJ/m3), znatno večj i kot magneti iz samarij kobalta (SmCo), ki
so bili prva vrsta magneta iz sistema redkih zemelj, ki so se komercialno
uporabljali. V praksi so magnetne lastnosti neodimovih magnetov odvisne od
sestave zli tine, mikrostrukture in uporabljene tehnike izdelave [8].
1.5 Zgodovina in tehnike izdelave
Leta 1982 so korporacija General Motors, Sumitomo Special Metals in
kitajska akademija znanosti [17] odkril i sestavek Nd2Fe1 4B [5,6]. Gonilo
uspeha so bili v bistvu visoki materialni stroški za trajne magnete SmCo
(predvsem nihanje cene kobalta), ki so bili razviti prej. General Motors se je
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
osredotočil na razvoj hitro strjenih trakov (melt-spun) nanokristalnih
magnetov Nd2Fe1 4B, medtem ko je Sumitomo razvil sintrane magnete
Nd2Fe1 4B, polne gostote. General Motors Corporation je komercializiral svoje
izume izotropnega praha Neo, vezanih magnetov Neo in s tem povezanih
proizvodnih procesov z ustanovitvijo Magnequench leta 1986. Sumitomo je
postal del korporacije Hitachi in trenutno proizvaja in daje licence drugim
podjetjem za proizvodnjo sintranih magnetov Nd2Fe1 4B.
1.5.1 Tehnike izdelave
Obstajata dva osnovna postopka izdelave neodimovega magneta:
1. Postopek klasične prahaste metalurgije al i sintranega magneta [5]
2. Postopek hitrega strjevanja ali vezanega magneta [8]
Sintrani Neo magneti se pripravijo z mletjem ingota, sintranjem v goste
bloke, ki so nato toplotno obdelani, narezani na ustrezno obliko, površinsko
obdelani in magnetizirani.
Vezani Neo magneti se pripravijo z hitrim strjevanjem tankega traka zlit ine
Nd-Fe-B. Trak vsebuje naključno usmerjena nano zrna Nd2Fe1 4B. Ta trak se
nato zmelje, zmeša s polimerom in se bodisi stiskajo v kalupu bodisi
injekcijsko lijejo v vezane magnete. Vezani magneti dajejo manjši magnetni
pretok kot sintrani magneti , a jih je moč oblikovati v dele zapletenih oblik
brez obdelave površine ter nimajo pomembnih izgub zaradi vrtinčnih tokov.
Poleg tega je mogoče vroče st iskati hitro strjene nanokristalne delce v
izotropne magnete polne gostote in nato utopno kovanje/ekstrudiranje le teh v
visoko energijske anizotropne magnete.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
1.6 Materiali
Ker se diplomsko delo osredotoča na področje plastomagnetov, prikazuje
tabela 1.2 presek material /tehnologija, za trenutno uporabljane plastomagnete.
Plastomagneti so izdelani iz vsaj dveh komponent; magnetnega prahu in
nemagnetnega veziva. Načeloma imajo sintrani ali uli ti magnetni material i
izvedbo tudi v plasto tehnologiji .
Tehnologije izdelave magnetnega prahu so lahko zelo različne:
• drobljenje ingotov
• termokemijsko v prašnem stanju
• atomizacija
• vodikova disproporcionacija , desorbcija in rekombinacija
• hitro strjevanje
VEZIVO: DUROPLASTI TERMOPLASTI ELASTOMERI
Epoksi Poliamid (PA) Guma
Akril Poliester (PE) Vinil
Fenol PPS,PVC,LFPE
Prostopek Stiskanje Brizganje Ekstrudiranje Kalandriranje
Izdelek Neupogljiv Neupogljiv Neupogljiv Upogljiv
Značilen NdFeB NdFeB NdFeB NdFeB
magnetni SmCo SmCo
prah Ferit Ferit Ferit
Alnico Alnico
Mešan Mešan Mešan
Tabela 1.2: Pregled komercialnih plastomagnetov (material/ tehnologija) [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
Najbolj razširjena tehnologija v sistemu NdFeB je izdelava prahu s hitrim
strjevanjem (melt-spun). Kovinski prah se izdela s hitrim strjevanjem NdFeB
zlitine (MQ tehnologija), nato se ga domelje in preseje na ustrezne frakcije.
Tako je pripravljen za izdelavo mešanic (enosmerno stiskane) ali granulatov
(injekcijsko brizganje) [10]. Na sliki 1.2 sta shematsko prikazana postopka
izdelave kovinskega prahu.
Slika 1.2: Principa izdelave kovinskega prahu
Bistvo tehnologije izdelave NdFeB magnetnih prahov je prikazana na sliki
1.3 (levo), s pripadajočim izdelkom - trak (desno).
Slika 1.3: Hitro strjevanje NdFeB zlitine (levo) in SEM (rasterski elektronski
mikroskop) posnetek izdelanega prahu (desno)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
Vezivna komponenta je navadno določena s tehnologijo izdelave
plastomagnetov. Termoplasti (PA, PPS) se uporabljajo pri injekcijskem
brizganju, duroplasti (epoxi) pri st iskanju, ter elastomeri (NBR) pri
kalandriranju.
1.7 Tehnologije
Tehnologije izdelave plastomagnetov so shematsko prikazane na slikah 1.4 do
1.7 [8].
1.7.1 Kalandriranje
Elastomerna masa prehaja preko kalandrirnih valjev v več prehodih
(Grӧnefeld [7]) do debeline 1-10 mm. Nizek volumski delež magnetnega
prahu (30 do 50 vol.%) omogoča mehansko elastičnost izdelka, na račun
magnetnih karakteristik. Elastomerni materiali imajo temperaturo uporabe
med 80 in 130°C.
Slika 1.4: Shematski prikaz kalandriranja (desno) in fotografija odvzemne
mize na kalandrirnem stroju (levo)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
1.7.2 Ekstruzija
Pri ekstruzij i so možni višji polnilni faktorji [11] – do 65 vol%, kar omogoča
doseganje višjih magnetnih karakteristik. Večina ekstrudiranih
plastomagnetov se uporablja za tesnila, v fotokopirnih strojih in l inearnih
senzorjih pozicije.
Slika 1.5: Shematski prikaz ekstrudorja (zgoraj) in odvzemnega dela
ekstrudirne linije (spodaj)
1.7.3 Injekcijsko brizganje
Injekcijsko brizganje omogoča doseganje kompleksnih geometrij ali celo
večkomponentne izdelke. Polnilni faktorj i so od 60 do 65 vol. %. Poliamidna
veziva omogočajo temperaturo uporabe do okoli 120°C, PPS vezivni sistem pa
je odporen do okoli 160°C [12].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
Slika 1.6: Shematski prikaz brizganja (zgoraj) in brizgalke z manipulatorji
(spodaj)
1.7.4 Stiskanje
Mešanice za st iskanje so navadno na epoksidni ali fenolni osnovi s polnilnim
faktorjem do 80 vol%, kar zagotavlja tudi najvišje magnetne lastnosti od vseh
plasto tehnologij [13]. Maksimalna temperatura uporabe je v teh sistemih
omejena s stabilnostjo magnetnega prahu in ne presega 180°C. Tehnologija je
cenovno primerna za tankostenske magnete predvsem za elektronsko
komutirane DC motorje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
Slika 1.7: Stiskalnica (levo) in shematski prikaz tehnologije stiskanja (desno)
Za enosmerno stiskanje (hidravlične ali mehanske stiskalnice) se uporabljata
dva principa:
1. Hladno orodje in naknadna polimerizacija izdelka [10], katerega princip
delovanja je prikazan na sl iki 1.8.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
Slika 1.8: Princip hladnega orodja
2. Greto orodje [10], ki ga prikazuje sl ika 1.9.
Slika 1.9: Princip toplega orodja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
1.8 Magnetne lastnosti
Nekatere pomembne lastnosti uporabljene za primerjavo trajnih magnetov so:
remanenca (B r), ki meri gostoto magnetnega polja; koercitivnost (Hc i),
upornost materiala proti razmagnetenju; energijski produkt (BHmax), gostota
magnetne energije; in Curiejeva temperatura (TC), temperatura pri kateri
material izgubi svoj magnetizem. Neodimovi magneti imajo višjo remanenco,
veliko višjo koercitivnost in energijski produkt, a pogosto nižjo Curiejeva
temperaturo kot ostale vrste. Neodim se v zlitinah lahko delno nadomesti z
terbijem in disprozijem, da se ohrani njegove magnetne lastnosti pri visokih
temperaturah. Tabela 1.3 primerja magnetne lastnosti neodimovih magnetov z
drugimi vrstami trajnih magnetov [14].
Magnet Br [T] Hci [kA/m] BHmax [kJ/m3] TC [°C]
Nd2Fe14B (sintrani) 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400
Nd2Fe14B (plasto) 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400
SmCo5 (sintrani) 0.8–1.1 600–2000 120–200 720
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 (sintrani) 0.9–1.15 450–1300 150–240 800
Alnico (sintrani) 0.6–1.4 275 10–88 700–860
Sr-ferrite (sintrani) 0.2–0.4 100–300 10–40 450
Tabela 1.3: Magnetne lastnosti t rajnih magnetov
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
1.9 Pregled uporabe – aplikacije
Trajni magneti na osnovi Nd (neodim) se uporabljajo v mnogih aplikacijah in
sicer:
1. Računalniška in pisarniška oprema [15]:
• Motorji za pogon trdih diskov ter ʺvoice coilʺ motorji (motor ki vozi
bralno/či talno glavo po trdem disku) – P
• Motorji za pogon CD diskov in ʺpick upʺ sistem za fokusiranje
laserskega žarka ki bere z diska – P
• Printerski in fax koračni motorji – P
• Printerske glave
• Motorji za pogon fotokopirnih valjev
2. Avtomobilska industrija
• Štarterji
• Motorji za ʺdirect driveʺ servo volan
• Senzorji (navadno so dajalniki signala za Hallov senzor – hitrost in
pozicija odmičnih gredi, hitrost motorne gredi, pozicija gas pedala) – P
• Črpalke – P
• Instrumenti (motorj i za pogon indikatorjev hitrosti , goriva, obratov,
temperature, . .) – P
• Elektronsko komutirani brezkrtačni (EC) motorji
• Aktuatorji (eden od sistemov vbrizga goriva, krmiljenja kota odpiranja
ventilov) – P
• Alternatorj i
3. Široka potrošnja
• Video in kamkorderj i
• Fotoaparati (motor zaslonke)
• Zvočniki
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
• Mikrofoni
• Pagerji (vibro motor)
• DC motorji za pogon DVD enot – P
• Ure
• Mobiteli (vibro motor, zvočnik)
4. Gospodinjska oprema
• Ročna orodja – P
• Bela tehnika (ʺNo frostʺ motor) – P
• Tehtnice
• Klima naprave (kompresorji turbine-pogon)
• Vodne črpalke – P
• Varnostni sistemi (magnetne kode)
5. Proizvodna avtomatizacija
• Magnetne sklopke
• Črpalke
• Motorji
• Servo motorji
• Generatorji
• Magnetni ležaji – P
6. Medicina
• MR skenerji (magnetno resonančni tomograf)
• Kirurška orodja
• Implantati
Opomba: – P = uporabljeni plastomagneti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Nazorni primer uporabe NdFeB magneta v praksi
Trenutno največ ji uporabnik plasto NdFeB magnetov je računalniška
industrija (pogon diska), čeprav jo že dohiteva avtomobilska industri ja
(indikatorji na armaturi, brisalci, pomik sedežev,…).
Slika 1.10:Postopek od prahu do računalnika (največji porabnik Nd plasto
magnetov).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
2 EKSPERIMENTALNO DELO
2.1 Namen
S strani vodstva podjetja je bila dana pobuda, da bi se lotili izdelave
plastomagnetov (NdFeB) za določenega kupca (priloga 2.1) in s tem dopolnili
osnovni program v podjetju (feritni izdelki različnih oblik in za različne
aplikacije).
Po svetu je kar nekaj tovarn, ki se ukvarjajo z izdelavo Neo magnetov.
Tehnologija st iskanja Neo magneta naj bi bila podobna stiskanju ferita, kar je
bilo za nas poznano področje, vendar je bilo za samo stiskanje Neo magneta
potrebno pridobiti kar nekaj nam neznanih podatkov.
2.2 Eksperiment - naloga
Cilj diplomske naloge je bil določit i parametre za konstrukcijo in
konstruiranje orodja za naročen izdelek določene geometrije in fizikalnih
karakteristik (gostota, magnetne lastnosti) za uporabo v motorju kompresorja.
Ciljne zahteve za motor kompresorja klimatske naprave so bile:
• Moment (navor): M = 7,5 Nm
• Inducirana napetost: U i = 15,8 V
• Vrtljaj i: n = 1000-5000 min -1
• Material CN80EP: ρ = 5,6-6,1 g/cm3
• Energijski produkt: (BH)max = min. 75kJ/m3 (typ. 80)
• Remanenca: Br = min. 670mT (typ. 700)
• Koercitivnost: BHc = min. 390kA/m (typ. 440)
• Lastna koercitivnost: JHc = min. 620kA/m2 ( typ. 680)
• Določena geometrija (risba z tolerancami)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
Pred pričetkom konstruiranja orodja je bilo potrebno preuč iti nekaj
neznank, določenih z stiskanjem Neo magneta. Rok za izdelavo magnetnega
obroča je bil vnaprej določen, tako da je na začetku manjkalo kar nekaj
podatkov, ki smo jih pridobili tekom ekperimentalnega dela..
2.3 Določitev parametrov za konstrukcijo
Za preračun konstrukcije orodja je bilo potrebno poznavanje lastnosti
magnetnega prahu. Zaradi nepoznavanja fizikalno/tehnoloških parametrov
magnetnega prahu, smo nabavili minimalno (za izvedbo preizkusa) količino
materiala NdFeB proizvajalca Magnequench. Z nabavljeno količino
magnetnega prahu, smo dobili tudi osnovno dokumentacijo - certifikat (slika
2.1). Dobavljenemu materialu (oplaščen prah z 1,5% epoksija) smo dodali
0,5% Zn stearata in ga temeljito zmešali (linija za granuliranje LEISTRITZ -
mešalec MIXACO CM,). Dobil i smo zmes 98% NdFeB, 1,5% epoksi in 0,5%
Zn stearata. Vse enote v zmesi so v utežnostnih procentih.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Slika 2.1: Certifikat granulata NdFeB
Z zmešanim granulatom smo na testnem centru (PTC-03DT) naredili analizo o
nasipni gostoti, nasipnem volumnu, stisnjeni gostoti, … (slika 2.2).
Kompletna meritev z diagrami je v prilogi 2.2.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
Slika 2.2: Meritev NdFeB ( pozicijo 14 ) z razlago okrajšav teksta
Iz dane meritve so bili izbrani sledeči rezultat i:
• Nasipna gostota: ρ = 2,837 g/cm3
• Nasipni kot: β = 60 °
• Povprečna gostota v matrici: ρmat . = 6,094 g/cm3
• Gostota izven matrice: ρ i zd . = 5,795 g/cm3
• Maksimalni tlak st iskanja: Pmax = 56 330 N/cm2
• Maksimalni tlak izmetavanja: P i zm et = 1400 N/cm2 (iz tabele
fig. 4 - priloga 2.2)
Ker pa je bila želena gostota ( ρ = 6,0 g/cm2 ) izven matrice premajhna za
približno 5%, sem vse vrednosti linearno povečal za 5%.
Nove preračunane vrednosti so tako naslednje:
• Povprečna gostota v matrici: ρmat . = 6,4 g/cm3
• Gostota izven matrice: ρ i zd . = 6,1 g/cm3
• Maksimalni tlak st iskanja: Pmax = 60 000 N/cm2
• Maksimalni tlak izmetavanja: P i zm et = 1 500 N/cm2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
2.4 Eksperimentalni preizkus
Za točnost parametrov izmerjenih na testnem centru, sem naredil še
preizkus z enim od obstoječih orodij, da bi se potrdile točnost meritve
testnega centra. Opravil sem še meritve na velikost raztezka po st iskanju in
polimerizaciji , ter test magnetnih lastnosti, kot funkcijo tlaka stiskanja.
Za preizkus se je vzelo orodje za stiskanje feritnega toroidnega jedra,
oznake BT 31 25 – kode 927 519 000 0, ki je bilo primerno po premerih in
višini . Konstrukcija orodja je bila primerna tudi glede velikosti sile stiskanja
(vzeto iz meritve testnega centra in z popravljeno vrednostjo) in s tem na
izbrano velikost stiskalnice z maksimalno silo stiskanja 35 ton (enačba (2.1)).
Da bi bili preračuni kar najtočnejši, se je izbrano orodje predhodno
pomerilo. Meritev se je naredila na zgornjem pestiču in matrici.
Rezultati meritev so naslednji:
• Zunanji premer: d1 = 36,29 mm
• Notranji premer: d2 = 29,22 mm
• Višina matrice: h = 35 mm
Izračun prereza in maksimalne sile stiskanja:
A = ( )
4
22Π− dD
= ( )
4
22,2929,36 22Π−
= 363,76 mm 2
F [N]= A [cm 2] x P [N/cm 2] = 3,6376 x 60 000 = 218 300 N (2.1)
Izračun polnilnega faktorja (enačba 2.2):
R = ρz/ρnas = 6,0 / 3,203 = 1,87 (2.2)
ρn as . . gostota granulata (nasipni volumen)
ρz . . zelena gostota (surova gostota stisnjenca)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
Da bi bila gostota testnega granulata kar se da točna, se je gostota še enkrat
preverila. V 100 ml posodo se je nasul granulat, na tehtnici (METLLER
TOLEDO PB 3001) pa se je odčitala teža. Pomerjena teža testnega granulata
je znašala 320,3 g pri 100 ml (gostota granulata ρn as = 3,203 g/cm 3). Zaradi
prevelike razlike gostot izmerjenih na testnem centru in »ročno«, sem za
nadaljne računanje vzel večjo gostoto (ρn as = 3,203 g/cm 3).
Višina matrice izbranega orodja (h = 35 mm) bi morala zadostovati
( polnilni faktor R = 1,87) za višine testnih obročev 15 mm. Sama višina
obroča za test ni toliko pomembna, ampak gostota in s tem magnetne
lastnosti .
Nasipna višina granulata:
Hn = H x R = 15 x 1,87 = 28,0 mm (2.3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
3 REZULTATI
3.1 Rezultati preizkusa
Test se je izvajal na mehanski stiskalnici TPA 35 (priloga 3.1). Ob preizkusu
so bile odčitane ali pomerjene naslednje vrednosti:
• Maksimalna si la stiskanja "F" (odčitana z manometra stiskalnice)
• Masa izdelka "m" (pomerjena na elektronski tehtnici VIPER BC)
• Višino "h" in zunanji premer "d1" (digitalno pomično merilo Analogic
0-150mm)
• Notranji premer "d2" (mikrometer za notranje mere Mytutoyo 75-88mm )
• Debelina stene "δ" (mikrometer za debelino stene MEBA 0-25 mm)
Dim\kos 1 2 3 4 5 6 7 8 9
F [ kN] 21,8 21,9 21,0 23,0 21,4 21,8 22,6 21,3 21,9
m [g ] 34,91 34,91 34,62 35,31 34,72 34,91 35,17 34,73 34,96
h [mm] 15,56 15,56 15,47 15,66 15,51 15,56 15,63 15,51 15,56
d1[mm] 36,51 36,51 36,495 36,497 36,502 36,502 36,51 36,497 36,51
d2[mm] 29,245 29,368 29,307 29,278 29,30 29,298 29,309 29,295 29,28
Tabela 3.1: Meritev zelenih preizkušancev in sila st iskanja
Temperaturo polimerizacije smo določil i na podlagi DSC meritve plastno
magnetnega materiala (diagram 3.1). Na DSC diagramu sta zabeleženi dve
premeni v materialu pri katerih se sprosti specifična toplota. Pri T~70°C, to
je temperatura steklastega prehoda in pri T~160°C, temperatura največje
hitrosti polimerizacije (zamreženja, utrjevanja) smole.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
Diagram 3.1: Meritev plastomagnetne mešanice (DSC)
Krivulja segrevanja z temperaturo polimerizacije (določena z DSC
meritvijo) je podana v diagramu 3.2. Program polimerizacije smo določil i na
podlagi DSC meritve in sicer:
T=160°C (največ ja hitrost polimerizacije)
T=180°C (arbitrarno določena temperatura, blizu zgornje meje temperature
polimerizacije, z namenom da se ves polimer zamreži)
Hitrost segrevanja (oziroma ohlajanja) je bila določena na osnovi
zmogljivosti peči za polimerizacijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo
Zelene izdelke smo polimerizirali v laboratorijski komorni pe
WT 120 - 50°C do 300°C ). Izdelke, položene na pladnje, smo vstavili v pe
temperaturo 180 °C. Č
nato se je peč izklopila. Pri ohladitvi pe
polimerizirani izdelki vzeti iz pe
izvedle meritve predpisanih mer (tabela 3.2).
Dim\kos 1 2
m [g] 34,96 34,95
h[mm] 15,56 15,56
d1[mm] 36,53 36,537
d2[mm] 29,319 29,308
Tabela 3.2: Meritev
Zeleni preizkušanec številka 9 ni bil dan v polimerizacijo, ker se je na
njem pomerila gostota po stiskanju. Preizkušanec se je razlomil, da se je
naredil test gostote na elektronski tehtnici za merjenje gostote (M
Fakulteta za strojništvo
- 25 -
Diagram 3.2: Krivulja segrevanja
Zelene izdelke smo polimerizirali v laboratorijski komorni pe
50°C do 300°C ). Izdelke, položene na pladnje, smo vstavili v pe
temperaturo 180 °C. Čas trajanja polimerizacije je bil 30 minut pri 180 °C,
izklopila. Pri ohladitvi peči na približno 50°C, so se
polimerizirani izdelki vzeti iz peč i (diagram 3.2). Po 24 urnem staranju, so se
izvedle meritve predpisanih mer (tabela 3.2).
3 4 5 6
34,95 34,66 35,36 34,78 34,96
15,56 15,48 15,67 15,51 15,55
36,537 36,535 36,515 36,512 36,525
29,308 29,316 29,319 29,614 29,311
Tabela 3.2: Meritev polimeriziranih preizkušancev
Zeleni preizkušanec številka 9 ni bil dan v polimerizacijo, ker se je na
njem pomerila gostota po stiskanju. Preizkušanec se je razlomil, da se je
naredil test gostote na elektronski tehtnici za merjenje gostote (M
Diplomsko delo
Zelene izdelke smo polimerizirali v laboratorijski komorni peč i ( Feutron
50°C do 300°C ). Izdelke, položene na pladnje, smo vstavili v peč s
e je bil 30 minut pri 180 °C,
i na približno 50°C, so se
i (diagram 3.2). Po 24 urnem staranju, so se
7 8
35,22 34,78
15,62 15,51
36,525 36,52
29,306 29,309
polimeriziranih preizkušancev
Zeleni preizkušanec številka 9 ni bil dan v polimerizacijo, ker se je na
njem pomerila gostota po stiskanju. Preizkušanec se je razlomil, da se je
naredil test gostote na elektronski tehtnici za merjenje gostote (M-T AX205).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
Izmerjena gostota:
ρ = 6,031 g/cm3 (zgornja polovica preizkušanca)
ρ = 6,075 g/cm3 (spodnja polovica preizkušanca)
Pred meritvijo se je izračunala še gostota (enačba 3.1) iz znanih meritev.
m = 34,96 g
V = 5,813 cm 3
ρ = m/V = 6,014 g/cm 3 (3.1)
Izračuna in izmerjena gostota se minimalno razlikujeta, tako da je sam
postopek izdelave magnetnega obroča na velikost (želene) gostote ustrezen.
Iz izmerjenih velikosti premerov, višine in mase zelenega in utrjenega
testnega obroča, se je naredila tabela 3.3 za izračun velikosti ekspanzije v
procentih. Preračun v procentih se bo uporabljal za vsa naslednja
preračunavanja orodij pri suhem stiskanju NdFeB magnetnih obročev.
V tabeli 3.3 so medsebojne relacije za preračune v procentih:
• Zelen: Preračun med pomerjenim testnim orodjem in merami zelenega
obroča
• Utrjen: Preračun med zelenim in utrjenim (polimeriziranim) testnim
obročem
• Skupno: Preračun med pomerjenim testnim orodjem in utrjenim testnim
obročem
• Povprečje: Izračun srednje vrednosti (skupno) posameznih meritev
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
Št. d1 d2 m Št. d1 d2 m
zelen 0,6 0,08 zelen 0,6 0,27
1 utrjen 0,05 0,24 0,14% 5 utrjen 0,03 0,05 0,17%
skupno 0,66% 0,34% skupno 0,61% 0,32%
Št. d1 d2 m Št. d1 d2 m
zelen 0,61 0,5 zelen 0,58 0,27
2 utrjen 0,08 0 0,11% 6 utrjen 0,06 0,04 0,14%
skupno 0,68% 0,50% skupno 0,65% 0,31%
Št. d1 d2 m Št. d1 d2 m
zelen 0,56 0,3 zelen 0,6 0,31
3 utrjen 0,11 0,03 0,11% 7 utrjen 0,4 0 0,14%
skupno 0,67% 0,33% skupno 0,65% 0,31%
Št. d1 d2 m Št. d1 d2 m
zelen 0,57 0,2 zelen 0,57 0,26
4 utrjen 0,05 0,14 0,14% 8 utrjen 0,06 0,05 0,14%
skupno 0,62% 0,34% skupno 0,63% 0,31%
Št. d1 d2 m
zelen 0,6 0,2
9 utrjen
skupno
povprečje 0,64% 0,33% 0,14%
Tabela 3.3: Preračun ekspanzije v procentih testnega obroča
Preračun v procentih za višino ( h ) testnega obroča se ni izvedel, ker je
bila razlika minimalna ali pa je ni bilo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
Iz tabele je razvidno, da je ekspanzije (raztezek) 0,64% od orodja do
končnega izdelka. Povečana je tudi masa testnih merjencev od zelenega do
polimeriziranega merjenca za 0,14%. Povečanje premerov je razumljivo,
nekoliko nenavadno (nerazumljivo) je povečanje mase pri utrjevanju.
3.2 Rezultati magnetnih lastnosti
Testni obroči so bili magneteni na impulznem magnetizerju (MPS IM 3030).
Razmagnetilna krivulja (slika 3.3) je bila izmerjena na histerezni graf
(PERMAGRAPH BROCKHAUS MESSTECHNIK), pri sobni temperaturi
(tabela 3.4).
Izmerjena vrednost
Br 727 mT
BHc 465,13 kA/m
JHc 722,10 kA/m
(BH)max 83,76 kJ/m3
Tabela 3.4: Izmerjene vrednosti
Razmagnetilna krivulja prikazuje dva poteka odvisnosti gostote magnetnega
pretoka kot funkcije jakosti magnetnega polja in sicer B=f(H) in J=f(H), ki ju
povezuje enačba B=J+µ oH.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
Slika 3.3: Razmagnetilna krivulja
Karakteristične točke na sliki 3.3 so:
Br = Jr = remanenca [T] – gostota magnetnega polja v magnetu, ko nanj ne
vpliva zunanje magnetno polje jakosti µ oH
jHc = lastna koercit ivnost [kA/m2]
BHc = koercitivnost [kA/m]
BHmax = produkt BDxHD v namišljeni ʺDELOVNIʺ točki (D) magneta
Ostale karakteristike z slike 3.3:
HKN = koercitivnost pri kateri B pada na 90% vrednosti Br
Hs = jakost magnetnega polja pri katerem v 1.kvadrantu (ni prikazano na
krivulji) se J ne spreminja več in se predpostavi, da je material nasičen.
Uporablja se pri meritvi mehkomagnetnih materialov. Pri našem delu
irelevantno, ker se magneti magnetijo z impulznim magnetizerjem, kjer
magneti lna polja dosegajo več kot 2500 kA/m.
Js = magnetizacija nasičenja (relevantno za mehkomagnetne materiale)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
3.3 Izračun orodja
Ekperimentalno delo je pokazalo naslednje rezultate za določ itev parametrov
konstrukcije orodja. • Tlak stiskanja: Pmi n = 60 000 N/cm2
• Tlak izmetavanja: P i zmet = 1 500 N/cm2
• Gostota: ρ = 6,0 g/cm3
• Ekspanzija izdelka: 0,64% po zunanjem premeru
• Polnilni faktor: R = 1,87
Pravilna konstrukcija orodja je zelo pomembna, ne samo zaradi visoke cene
le-tega, ampak tudi zato, ker pomembno vpliva na ustreznost mehanskih
lastnosti in s tem na magnetne parametre končnega izdelka (magnetna
kvaliteta izdelka).
Glede na mere končnega izdelka se določi jo (izračunajo) dimenzije surovca
(zelenega izdelka), v odvisnosti od zahtevane kvali tete granulata. Ker pa se
izdelki pri utrjevanju raztezajo, mora biti izdelek v surovem stanju ustrezno
manjši. Pri določevanju dimenzij orodja, moramo paziti na ekspanzijski
faktor, ki omogoča natančen preračun.
Ekspanzijski faktor podaja razmerje dimenzij orodja (matrice) in utrjenega
(polimeriziranega) magnetnega jedra.
Iz dimenzij surovca se izračuna površina (enačba 3.2) zelenega izdelka,
katera se pomnoži z stisljivostjo P = 60 000 N/cm3 . Stisljivost se je že
predhodno določi la na testnem centru (pri loga 2.1). Zaradi varnosti pri
preračunu orodja, sem stisl jivost povečal na P = 65 000 N/cm3 (zadostna
gostota izdelka). Tako se dobi maksimalna sila (enačba 3.3) stiskanja, ki se
uporablja za suho stiskanje. Maksimalna sila je omejena z velikostjo
stiskalnice. Pri tako velikih silah stiskanja se pojavi tudi problem mehanske
trdnosti delov orodja, predvsem pestičev. Zato je potreben izračun na uklon,
da se prepričamo, ali je orodje podvrženo lomu.
Pri preračunu orodja na uklon je razvidno, da je varnostni faktor za pestiče
majhen in da lahko pride do loma spodnjega pestiča.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
Glede na izračunane vrednosti se odločimo za stiskalnico DORST TPA 50,
ki ima maksimalni si lo stiskanja 50 ton.
Višina matrice je pogojena z polnilno višino (Hn) nasutega granulata
(enačba 3.4), katera je tista minimalna višina polnjenja matrice za izdelavo
zelenega izdelka. Zaradi varnosti se odločimo za povečanje višine matrice
(faktor 3), s katerim pomnožim višino zelenega izdelka, da dobim višino
matrice (enačba 3.4). Dobljeno višino zaokrožimo na 75 mm.
A = ( )
4
22Π− dD
= ( )
4
14,767,82 22Π−
= 722,11 mm (3.2)
Fmax [N]= A [cm 2] x P [N/cm 2] = 7,2211 x 65 000 = 469 400 N (3.3)
Hn = H x R = 23,85 x 1,87 = 44,6 mm (3.4)
Hmatrice = H x 3 = 24 x 3 = 72 mm (3.5)
Pri sami konstrukciji orodja je potrebno upoštevati tudi izvlečni tlak, ki se
uporablja pri preračunu vijakov (pritrditev spodnjega pestiča in trna). Ker
smo maksimalno silo stiskanja (varnostni faktor), povečali za caa 8%, se tudi
izvlečni tlak poveča za ta koeficient.
Tako povečan tlak znaša: P i zv l ek = 1 650 N/cm2 . S tem povečanim tlakom,
se izračuna sila izvleka (enačba 3.6).
Fizvlek [N]= A [cm 2] x P [N/cm 2] = 116,64 x 1 650 = 192 500 N (3.6)
Mere orodja (premeri matrice, pestičev in trna) so se določile iz risbe
končnega izdelka, preračunane (pomanjšane) z ekspanzijskim faktorjem
(določenim z eksperimentalnim preizkusom).
Vsi ti parametri so potrebni za konstrukcijo orodja. Pri sami konstrukciji
orodja je potrebno paziti na več relacij med posameznimi deli orodja, da se
zagotovi optimalna življenska doba orodja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
V prilogi 3.1 je končna konstrukcija orodja narisanega v PRO-E za
stiskanje NdFeB magnetov v 3D prerezu.
3.4 Konstrukcija orodja
Orodje za suho stiskanje se sestoji iz glavnih delov (zgornjega in spodnjega
pestiča, matrice, in trna), ter pripadajočih delov za sestavo v adapter
(vpenjalne plošče in podstavki). V prilogi 3.2 je prikaz orodja v adapterju.
• Kvaliteta uporabljenega materiala
Bistveno daljšo življensko dobo imajo orodja z drsnimi deli (matrica)
izdelanimi iz karbidnih trdin, kot orodja ki imajo te dele iz orodnih
jekel (približno trikrat daljša življenska doba). Pestiči so izdelani iz
orodnega jekla (1.2379), pravilno toplotno obdelani in zaščiteni z krom-
nitridno prevleko (CrN). Ostali deli orodja so izdelani iz materiala za
poboljšanje (1.2312), za kaljenje (1.2550) in iz ogljikovega jekla
(1.0070).
• Kvaliteta izdelave orodja
Le od orodja izdelanega v predpisanih tolerancah in zahtevanih
površinskih obdelavah, lahko pričakujemo zahtevano nemoteno delovanje
za življensko dobo. Površine ki so v stiku z granulatom morajo bit i polirane
(Ra = 0,05µm), ostale naležne površine pa brušene (Ra = 0,4µm). Zelo
pomembna je vzporednost (0,01 mm) in pravokotnost (0,005mm)
posameznega dela orodja, saj se pri sestavljanju napake seštevajo. Pomembna
je tudi zračnost med gibajočimi deli in naj znaša 0,02-0,025 mm na premeru.
• Kvaliteta stiskalnice in adapterja
Veliko vlogo pri življenski dobi orodja ima tudi st iskalnica. Če so
vodilni deli izrabljeni in se med delovanjem stiskalnice pojavlja
zračnost, ne moremo pričakovati kvalitetnih izdelkov. Posamezni izdelki
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
so lahko med seboj različni po gostoti, kot tudi po višini. Pri
delovanju stiskalnice obstaja še nevarnost nasedanja zgornjega pestiča
na rob matrice.
Na življensko dobo orodja ima velik vpliv tudi adapter. Adapter je
sestavljen iz štirih plošč (zgornja, matrična osnovna in spodnja), ki so
medsebojno pritrjene preko ustreznih vodil . V primeru, da je gibanje
plošč prisi ljeno, al i da je prevelika zračnost v vodilih, pride do okvar
na adaptorju (neenakomerna obraba vodil in vodilnih puš, krivljenje
vodil in plošč , . . .) in s tem tudi do okvar orodju (nasedanje
zgornjega pestiča, lom trnov, . . ).
• Kvaliteta magnetne mase (granulata)
Če se kvalitete magnetne mase med seboj razlikujejo (po saržah), se to
izraža tudi pri stiskanju. Tako so pri slabših kvali tetah magnetnih mas,
bolj obremenjene stiskalnice in orodja. Zahtevani pritiski se povečajo
in s tem obraba orodja, zato je življenska doba orodja krajša in tudi
stiskalnice.
3.5 Verifikacija na izdelku
Sestavljeno orodje v pripadajočem adapterju se je namesti lo na mehansko
stiskalnico (DORST TPA 50). Preoblikovanje magnetnega prahu v želeno
obliko, se lahko vrši na mehanskih in hidravličnih stiskalnicah. V
bistvu so to identične naprave, ki se razlikujejo samo v načinu
pogona.
Mehanske stiskalnice delujejo na principu pretvarjanja rotacijskega
gibanja v translatorno.
Pri hidravličnih stiskalnicah pa za silo, ki jo potrebujemo za
stiskanje, dobimo z hidravličnim medijem (olje), ki se pretaka iz enega
v drugi valj.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
• Postopek stiskanja in nastavitve
Stiskanje se deli na štiri faze (priloga 3.3):
V fazi polnjenja polnilni čevelj nasuje granulat v matrico, ki je
takrat maksimalno dvignjena. Ta dvig se imenuje polnilna višina
nasutega granulata (nasipna višina – Hn).
Zapiranje matrice je pomembna faza, saj pri tem zgornji pestič sede
v matrico in prepreči izhod granulata iz nje, obenem pa iztisne iz
granulata še preostali zrak. Zapiranje je razdalja med vstopom
zgornjega pestiča v matrico in začetkom skupnega gibanja zgornjega
pestiča in matrice in znaša 2 do 4 mm.
Stiskanje je faza, ki da izdelku trdo obliko. Zrna se zaradi
medsebojnih deformacij tesno sprimejo, vendar pa ni med njimi nobene
kemijske povezave. Pri stiskanju potujeta zgornji pestič in matrica
sočasno proti spodnjemu pestiču in pri tem naglo naraste gostota
granulata. Če želimo enakomerno gostoto, dodamo zgornje prešanje po
fazi stiskanja. To storimo tako, da omejimo hod matrice, zgornji pestič
pa se še nekoliko približa spodnjemu pestiču. Pot stiskanja je razdalja,
ki jo opravi matrica v fazi stiskanja.
Pri izmetavanju dobimo izdelek iz matrice. Matrica se spusti do
višine spodnjega pestiča, izvlečna višina (izmetalna) pa mora biti za
faktor 1,2 večja od višine izdelka. Istočasno z izvlekom poteka
pnevmatsko pridrževanje zgornjega pestiča, da se prepreč i predčasna
ekspanzija izdelka in s tem razpoke na zelem izdelku. Ekspanzija
zelenega izdelka je pogoj, da pri izmetavanju obstane na matrici, kjer
ga polnilni čevelj odrine na drčo pri fazi polnjenja.
• Dimenzije izdelka
Po začetnih nastavitvah st iskalnice (teža izdelka, gostota , dimenzije), se je
stiskanje nadaljevalo na avtomatskem režimu z 8,5 takti na minuto. Za nulto
serijo se je stisnilo 110 kosov in od te količine se je vzeto 6 kosov za
natančno meritev dimenzij.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Pri pobiranju magnetnih obročev iz drče stoja se je po približno 30 kosih
občutilo, da so magnetni obroči postal i topli. Proti koncu stiskanja (110
kosov), pa so bili obroči že zelo topli (ocenjujem 45-50°C). Po končanem
stiskanju se je potipalo orodje in ugotovitev je bila, da je trn veliko toplejši
kot matrica. Zgornji pestič ni bi l toplejši, kot na začetku stiskanja. Glede na
opažanja sprememb temperatur, se je v drugi fazi stiskanja pomerila
temperatura magnetnih obročev in orodja. Meritve (laserski merilnik Raytek:
Rayneger 3i) so pokazale, da so se obroč i segreli postopoma od 32°C do 52°C
tabela 3.5). Trn se je segrel od sobne temperature do 70°C pri 110 kosih.
Podatek je potreben zaradi temperature steklastega prehoda epoksija
(meritev DSC), kar povzroči deformacijo izdelkov (ovalnost, koničnost).
Tem\kos 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
°C 32 39 42 44 46 47 48 49 50 51 51 52
Tabela 3.5: Temperatura obročev po kosih stiskanja
Iz serije stisnjenih magnetnih obročev (zeleni), se je vzelo 6 kosov za
podrobno dimenzijsko meritev. V tabeli 3.6 so meritve dimenzij zunanjega in
notranjega premera, višine ter mase. Sila stiskanja se je odči tala med
procesom stiskanja z manometra stiskalnice.
Kos\dim F[kN] m[g] d1[mm] d2[mm] h[mm] δ[mm]
1 41,8 97,83 82,97 77,05 23,81 2,92
2 41,7 97,66 82,83 77,03 23,78 2,94
3 41,7 97,68 82,83 77,1 23,79 2,94
4 42 98,54 82,88 76,96 23,88 2,94
5 42 97,83 82,81 77,05 23,80 2,94
6 41,8 97,77 82,81 77,27 23,81 2,95
Tabela 3.6: Meritve zelenega magnetnega obroča
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
Zeleni izdelki so se utrdili (polimerizirali) v laboratorijski komorni peč i
( Feutron WT 120). Segrevanje je potekalo po krivulji, ki je bila določena v
predhodnem postopku (diagram 3.1).
Meritev utrjenih obročev se je izvedla po 24 urah, ko so bili vzorci vzeti iz
laboratorijske peči . Izmerjene vrednosti so podane v tabeli 3.7.
Kos\dim m[g] d1[mm] d2[mm] h[mm] δ[mm]
1 97,97 83,25 77,47 23,89 2,93
2 97,8 83,16 77,43 23,87 2,95
3 97,84 83,29 77,43 23,85 2,95
4 98,66 83,16 77,26 23,98 2,95
5 97,95 83,25 77,41 23,89 2,95
6 97,88 83,21 77,39 23,87 2,96
Tabela 3.7: Meritve utrjenih magnetnih obročev
Dimenzije za premera (d1 in d2) in višine (h) so v tabeli 3.7 povprečne
vrednosti štirih meritev pri zasuku obroča za 45°. Meritev je tudi pokazala, da
so obroči ovalni in konični, za vrednosti kot so podane v tabeli 3.8.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
KONIČNOST
1 2 3 4 5 6 0,087 0,055 0,154 0,005 0,012 0,114 OVALNOST
1 2 3 4 5 6 0,12 0,152 0,152 0,166 0,075 0,14
Tabela 3.8: Koničnost in ovalnost utrjenih obročev
Da so meritve ovalnosti in koničnosti točne, so se trije kosi pomerili na
merilniku za ovalnost (Rank Taylor Hobson: Tayrond 32C). Meritev je
pokazala, da so obroči konični in ovalni velikostnega razreda, kot so bili
izmerjeni z pomičnim merilom. Izpis meritve (RTH:Taylor 32C) enega kosa je
v prilogi 3.4.
Za prepoznavanje kvalitete obročev je bilo potrebno narediti še drobilno
(ang. Crushring strenght) trdnost magnetnih obročev in meritev gostote. Oba
postopka sta porušitvena, zato se je najprej izvedla drobilna trdnost (tabela
3.9). Za test drobilne trdnosti in meritev gostote so se določi li trije magnetni
obroči .
DROBILNA TRDNOST MAGNETNIH OBROČEV [16]
( POLYMER BONDED NdFeB )
Formula (enačba 3.6):
K =2
)(
LxT
TDPx − [N/mm2]
(3.7)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Legenda:
K . . . . . . . Drobilna trdnost
P . . . . . . . Obremenitev na magnetni obroč [N]
D . . . . . . . Zunanji premer [mm]
T . . . . . . . Debelina obroča [mm]
L . . . . . . . Višina obroča
Obrazložitev:
Drobilna trdnost obroča K je definirana s silo vzdolž premera magnetnega
obroča pri čemer je P vrednost pri kateri se pojavijo prve razpoke.
Vrednost K za stiskan NdFeB:
K = 55 N/mm2
Iz znanih podatkov magnetnega obroča se je izračunala obremenitev obroča.
Izračunana vrednost znaša:
P = 130 N (zaokrožena).
Meritev na drobilno trdnost je bila narejena na napravi za preizkus mehanske
trdnosti (NETSZCH Bending Strenght Tester 401).
Nastavitev stroja:
F = 600 . . merilno območje [N]
i = 4 . . prestava; naraščanje sile-moment [N/s]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
Kos\sila F [N]
1 145
2 135
3 135
Tabela 3.9: Meritev mehanske trdnosti; prikaz meri tve
• Gostota
Gostota je pomemben parameter, od katerega so odvisne končne magnetne
lastnosti . Meritve gostote z Mohrovo tehtnico so navedene v tabeli 3.10.
Razvidna je razlika med sredino in robovi, kar je posledica tehnologije
stiskanja.
Kos\gostota ρ Zgoraj [g/cm3] Sredina [g/cm3] Spodaj [g/cm3]
1 5,804 5,651 5,837
2 5,865 5,68 5,79
3 5,782 5,722 5,85
Tabela 3.10: Gostota stisnjenih in polimeriziranih vzorcev, glede na pozicijo
Relativno nizka stisnjena gostota (5,8 g/cm3 proti 7,55 g/cm3 za kovinski
prah) je posledica deleža veziva (epoksi) in poroznosti, kar je razvidno iz
mikrostrukture na sliki 3.4. Pri izdelku brez poroznosti bi po zakonu o
aditivnosti, bila pričakovana gostota magneta enaka 6,3 g/cm3 .
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
Pričakovana gostota (enačba3.8):
(7,55 g/cm3x0,8V%) + (1,3 g/cm3x0,2V%) = 6,3 g/cm3 (3.8)
kovinski prah: ρ = 7,55 g/cm3 , volumski delež 80%
vezivo (epoksi): ρ = 1,3 g/cm3 , volumski delež 20%
Slika 3.4: Mikrostruktura stisnjenega vzorca
• Magnetne karakterist ike
Magnetne lastnosti so eden osnovnih fizikalnih karakteristik, ki jih zahtevamo
od magnetnega materiala.
Definiramo jih lahko z meri tvijo statične razmagnetilne krivulje (slika 3.5),
kar nam da podatek o remanenci , koercit ivnosti in energijskem produktu pri
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
različnih temperaturah. Iz meritev razmagnetilne krivulje je razvidno, da so
ciljane magnetne lastnosti ( Br = 670 mT, jHc = 620 kA/m in
(BH)max = 75 kJ/m3) vse pri sobni temperaturi dosežene.
Iz meritev pri različnih temperaturah lahko odči tamo tudi temperaturne
koeficiente remanence in koercitivnosti, ki sta v našem primeru
TK Br = -0.1%/K in TK jHc = -0,4 %/K, kar nam da informacijo o
temperaturni odpornosti magnetnega materiala pri povišanih temperaturah
uporabe v motorjih.
Razlaga oznak in njihov pomen je pod točko 3.2 (rezultati magnetnih
lastnosti).
Slika 3.5: Statične razmagnetilne krivulje merjene pri različnih temperaturah.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
Aplikativno bolj koristno informacijo o magnetnih karakteristikah, pa nam
da meritev gostote magnetnega polja, po obodu magneta (graf 3.1).
Graf 3.1: Meritev gostote magnetnega polja po obodu 10 polno radialno
namagnetenega magneta.
Iz grafa je razvidno, da so maksimalne amplitudne vrednosti okoli 190 mT
ter, da je magnet 10 polno namagneten.
Najpopolnejšo aplikativno informacijo pa dobimo z meritvijo inducirane
napetosti v statorju, kjer z osciloskopom merimo potek sunkov inducirane
napetosti po fazah (graf 3.2)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo
Graf 3.2: Prikaz meritve i
Iz grafa je razvidno, da je inducirana napetost zadosti visoka (meja 15,8 V)
in zadosti enakomerna (meja 0.8 V med fazami). Dejstvo pa je da meritev
inducirane napetosti ni odvisna zgol
ampak je kompleksna informacija h kateri prispevajo tudi sklop rotorja, ter
statorja (enakomernost naviti j , upornost vodnikov).
Fakulteta za strojništvo
- 43 -
Graf 3.2: Prikaz meritve inducirane napetosti za vsako fazo posebej pri
3-faznem navitju
Iz grafa je razvidno, da je inducirana napetost zadosti visoka (meja 15,8 V)
in zadosti enakomerna (meja 0.8 V med fazami). Dejstvo pa je da meritev
inducirane napetosti ni odvisna zgolj od magnetnih karakteristik magneta
ampak je kompleksna informacija h kateri prispevajo tudi sklop rotorja, ter
statorja (enakomernost naviti j , upornost vodnikov).
Diplomsko delo
nducirane napetosti za vsako fazo posebej pri
Iz grafa je razvidno, da je inducirana napetost zadosti visoka (meja 15,8 V)
in zadosti enakomerna (meja 0.8 V med fazami). Dejstvo pa je da meritev
j od magnetnih karakteristik magneta
ampak je kompleksna informacija h kateri prispevajo tudi sklop rotorja, ter
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
4 SKLEP
Zaključek diplomske naloge sem razdelil v dva dela, ki se dopolnjujeta:
• Potrditev ugotovitev eksperimentalnega dela z verifikacijo na izdelku
• Smernice za nadaljevanje izboljšav tehnoloških postopkov izdelave
magnetnih obročev in sprememb na orodju
Potrditev na danem izdelku je pokazala, da so meritve in izračuni
eksperimentalnega dela diplomske naloge pravilno načrtovani (določeni) in
uporabni za naslednja preračunavanja orodij za stiskanje magnetnega prahu.
Potrebna je le manjša korekcija nekaterih prvotnih izračunov.
Izračun za zunanji premer (d1) , je pokazal točen rezultat določen z
eksperimentalnim delom. Nekoliko pa so se razlikovali izračuni in izmerjene
vrednosti za notranji premer (d2) in debelino stene (δ) danega izdelka.
Razlika izračunane in izmerjene vrednosti za notranji premer (d2) je
minimalna, vendar se izmerjena vrednost vseeno upošteva za naslednje
izračune (odprava netočnosti). Nekoliko večje je odstopanje izmerjene
vrednosti od izračunane vrednosti pri debelini stene izdelka (δ) . Napaka
zaradi prevelike razlike med eksperimentalno določeno vrednostjo in
izmerjeno vrednostjo, je v razliki debeline stene izdelka pri obeh postopkih
(eksperimentalni , verifikacijski). Pri verificiranem izdelku je bila debelina
stene občutno manjša kot pri eksperimentalnem poizkusu (razlika skoraj
23%). Zato je potrebno pri naslednjih preračunavanjih orodij upoštevati nove
izračunane vrednosti za raztezek debeline stene.
Meritve magnetnih karakteristik so pokazale, da so izmerjeni parametri v
mejah predvidenih vrednosti .
Prenizka višina izdelka, premajhna teža, prenizka gostota izdelka in s tem
manjša sila stiskanja od izračunanih vrednosti , je bila napaka v osnovnih
nastavitvah stiskalnice, glede na predpisane parametre. S pravimi parametri
nastavitve st iskalnice, so bili naknadno dobljeni želeni rezultati .
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
Največj i problem pri stiskanju in utrjevanju NdFeB magnetnega obroča je
ovalnost in koničnost na izdelku (tabela 3.4), glede na geometrijske zahteve
po načrtu. Ovalnost in koničnost se pojavita pri stiskanju zelenih izdelkov,
kjer se zahteva velika stis ljivost magnetnega prahu, da se dobi želena oblika
in gostota izdelka (pojav segrevanja izdelkov). Pri izmetavanju toplih zelenih
izdelkov (tabela 3.1) iz orodja se pojavi koničnost. Potiskanje segretih
zelenih izdelkov s polnilnim čevljem na izmetalni trak, pa doda ovalnost.
Rešitev problema ovalnosti in koničnosti sta prioritetni točki za izboljšanje
geometrije magnetnega obroča, glede na zahtevane parametre po načrtu.
Ovalnost obroča bi se lahko v celoti odpravila, tako da bi se zeleni izdelki
pred utrjevanjem nataknili na utrjevalne obroče. Utrjevalni obroči bi bili iz
aluminija, ki ima pravi razteznostni koeficient . Pri utrjevanju bi tako
prepreči l i , da bi se magnetni obroči nekontrolirano raztezali. Koničnost
izdelka pa je pogojena z samim postopkom stiskanja in je težko odpravljiva z
obstoječo stiskalnico (predelava obstoječe stiskalnice-draga izvedba rešitve
za odpravo koničnosti).
Oba tehnološka problema, ki jih predstavljata ovalnost in koničnost, pa sta
pogojena tudi z orodjem za st iskanje.
Obstoječe orodje bo potrebno na novo skonstruirati s hlajenjem matrice in
trna, tako se bodo zagotovili č im bolj enakomerni pogoji tekom stiskanja
(nihanje temperature zelenih izdelkov). Z novo konstrukcijo bi se tako rešila
ovalnost. Koničnost bi rešili z novim načinom izmetavanja iz orodja, kar
pomeni poleg novega orodja tudi nov adapter z spremenjenim nač inom
gibanja orodja v stiskalnici .
Naslednja smernica za izboljšavo orodja je v spremembi velikosti zračnosti
v gibajočih delih orodja (matrica-pestič-trn). Obstoječa velikost zračnosti
med posameznimi gibajočimi deli orodja naj bi bila težava (predvidevana) za
razliko v debelini stene izdelka (δ) . Razlika v debelini stene se lahko pojavi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
tudi v razporeditvi delcev osnovnega materiala (velikost delcev osnovnega
prahu).
Izbira-zamenjava materiala matrice, pestičev in trna (gibajoči deli) je ena
od naslednjih nalog.
Material matrice in trna, ki s ta iz karbidne trdine (G20), naj se ne bi menjal
(ustrezna obrabna odpornost) , tako da ostane za menjavo samo še material
pest ičev.
Material pestičev (1.2379) je bil v procesu stiskanja (eksperimenta in
potrditve na izdelku) vseskozi enak. Menjali smo le zašči to nanosa na pestiču
iz CrN na TiN. Ker pa tudi zamenjava zašči te ni bistveno izboljšala delovanja
stiskanja (zatrganine na obroču), bo potrebno poiskati nov primernejši
material za pestiče (izbira med ASP, VANADIS, …).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 47 -
5 SEZNAM UPORABLJENE LITERATURE
[1] G. J. Long and F. Grandjean: Supermagnets, Hard Magnetic Materials (Kluver Academic
Publishers, Dordrecht, 1991) Chaps. 5 and 19
[2] K. H. J. Buschow: Ferromagnetic Materials, eds. E. P. Wohlfahrt and K. H. J. Buschow
(North-Holland, Amsterdam, 1988) Chap. 1.
[3] Steve Constantinides: NdFeB for High Temperature Motor Applications, The SMMA
Fall Technical Conference, November 3-5, 2004, St. Louis, Missouri
[4] Steve Constantinides: Magnet Selection, Manager Applications & DesignPresented at:
Sintered & Bonded NdFeB Magnets - 2003, Gorham Advanced Materials, Inc.Detroit,
MI, October 15-17, 2003
[5] M. Sagawa, S. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto and Y. Matsuura: J. Appl. Phys. 55
(1984) 2083.
[6] Croat, J.J, Herbst; J.F., Lee, R.W., Pinkerton, F.E.: J. Appl. Phys. 55 (1984) 2078.
[7] M. Grӧnefeld, Rewiew on bonded magnets, GC Hadjipanayis, (ed.), Bonded Magnets,
1-12, Kluwer, 2003
[8] John Ormerod: Bonded Magnets: A Major Force for the 21st Century, Presented at:
Polymer Bonded Magnets 2000, Intertech Corporation Conference, Nashville, Tennessee,
May 2000
[9] Steve Constantinides: A Manufacturing and Performance Comparison Between Bonded
and Sintered Permanent Magnets, Presented at APEEM, Ames Laboratory, April 4, 2006
[10] David Brown, Permanent Magnet Market Overview by Magnet Property, Magnequench
ressearch centre, Singapore, April 2009
[11] V. Panchanatan, D.F. Davis, Extruded and calendered bonded magnets – an overwiev , v
Bonded Magnets, G. Hadjipanayis ed, Procedings of the NATO advanced workshop,
Newark, Delaware, 2002
[12] Dietmar Schwegler, Joining technologies for sintered and plastic bonded magnets, ABM
workshop, MagneticMaterials for Automotive Applications and perspectives for Hybrid
cars, Sao Paulo, Brasil, 2008
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 48 -
[13] W. Stass, Plastic Bonded Magnets for Automotive Applications, ABM workshop,
MagneticMaterialsforAutomotive Applications and perspectives forHybrid cars, Sao
Paulo, Brasil, 2008
[14] P. Morin and D. Schmitt, in Ferromagnetic Materials, edited by K. H. J.Buschow and E.
P. Wohlfarth ~North-Holland, Amsterdam, 1990!, Vol. 7,Chap. 1.
[15] B. Grieb, Raw Material Status and New Developments in Processing and Applications,
ABM workshop, MagneticMaterials for Automotive Applications and perspectives for
Hybrid cars, Sao Paulo, Brasil, 2008
[16] www.bwmagnet.com/bonded_ndfeb.html
[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 49 -
6 PRILOGE
Priloga 2.1: Risba izdelka (magnetni obroč)
Priloga 2.2: Izpis meritev testnega centra
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 50 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 51 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 52 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 53 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 54 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 55 -
Priloga 2.3: Ekscentrska stiskalnica z adapterjem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 56 -
Pr i loga 3.1: Orodje za st iskanje NdFeB (PRO-E)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 57 -
Priloga 3.2: Adapter z orodjem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 58 -
Priloga 3.3: Faze stiskanja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 59 -
Priloga 3.4: Izpis meritve za ovalnost in koničnost
Recommended