MAGNABEND - CONSIDÉRATIONS DE CONCEPTION FONDAMENTALES
Conception d'aimant de base
La machine Magnabend est conçue comme un puissant aimant DC avec un cycle de service limité.
La machine se compose de 3 parties de base : -
Le corps de l'aimant qui forme la base de la machine et contient la bobine de l'électro-aimant.
La barre de serrage fournit un chemin pour le flux magnétique entre les pôles de la base de l'aimant, et serre ainsi la pièce en tôle.
La poutre de flexion qui pivote vers le bord avant du corps de l'aimant et fournit un moyen pour appliquer une force de flexion à la pièce.
Configurations du corps magnétique
Diverses configurations sont possibles pour le corps d'aimant.
En voici 2 qui ont tous deux été utilisés pour les machines Magnabend :
Les lignes rouges en pointillés dans les dessins ci-dessus représentent les chemins de flux magnétique.Notez que la conception "U-Type" a une seule voie de flux (1 paire de pôles) tandis que la conception "E-Type" a 2 voies de flux (2 paires de pôles).
Comparaison de configuration d'aimant :
La configuration de type E est plus efficace que la configuration de type U.
Pour comprendre pourquoi il en est ainsi, considérez les deux dessins ci-dessous.
Sur la gauche se trouve une coupe transversale d'un aimant de type U et sur la droite se trouve un aimant de type E qui a été fabriqué en combinant 2 des mêmes types U.Si chaque configuration d'aimant est entraînée par une bobine avec les mêmes ampères-tours, il est clair que l'aimant doublé (le type E) aura deux fois plus de force de serrage.Il utilise aussi deux fois plus d'acier mais quasiment plus de fil pour la bobine !(En supposant une conception de bobine longue).
(La petite quantité de fil supplémentaire serait nécessaire uniquement parce que les 2 deux pattes de la bobine sont plus éloignées dans la conception "E", mais ce supplément devient insignifiant dans une conception de bobine longue telle que celle utilisée pour le Magnabend).
Super Magnabend :
Pour construire un aimant encore plus puissant, le concept "E" peut être étendu comme cette configuration double-E :
modèle 3D:
Vous trouverez ci-dessous un dessin en 3D montrant la disposition de base des pièces dans un aimant de type U :
Dans cette conception, les poteaux avant et arrière sont des pièces séparées et sont fixés par des boulons à la pièce centrale.
Bien qu'en principe, il serait possible d'usiner un corps d'aimant de type U à partir d'une seule pièce d'acier, il ne serait alors pas possible d'installer la bobine et donc la bobine devrait être enroulée in situ (sur le corps d'aimant usiné ).
Dans une situation de production, il est hautement souhaitable de pouvoir enrouler les bobines séparément (sur un gabarit spécial).Ainsi, une conception de type U dicte effectivement une construction fabriquée.
D'autre part, la conception de type E se prête bien à un corps d'aimant usiné à partir d'une seule pièce d'acier car une bobine préfabriquée peut facilement être installée après l'usinage du corps d'aimant.Un corps d'aimant monobloc fonctionne également mieux magnétiquement car il n'a pas d'espace de construction qui réduirait autrement un peu le flux magnétique (et donc la force de serrage).
(La plupart des Magnabends fabriqués après 1990 utilisaient la conception de type E).
Sélection du matériau pour la construction de l'aimant
Le corps de l'aimant et la barre de serrage doivent être en matériau ferromagnétique (magnétisable).L'acier est de loin le matériau ferromagnétique le moins cher et le choix évident.Cependant, il existe différents aciers spéciaux disponibles qui pourraient être envisagés.
1) Acier au silicium : Acier à haute résistivité généralement disponible en tôles minces et utilisé dans les transformateurs AC, les aimants AC, les relais, etc. Ses propriétés ne sont pas requises pour le Magnabend qui est un aimant DC.
2) Fer doux : ce matériau présenterait un magnétisme résiduel plus faible, ce qui serait bon pour une machine Magnabend, mais il est physiquement doux, ce qui signifie qu'il serait facilement bosselé et endommagé ;il est préférable de résoudre le problème du magnétisme résiduel d'une autre manière.
3) Fonte : Pas aussi facilement magnétisé que l'acier laminé, mais pourrait être envisagé.
4) Acier inoxydable de type 416 : Ne peut pas être magnétisé aussi fortement que l'acier et est beaucoup plus cher (mais peut être utile pour une fine surface de protection sur le corps de l'aimant).
5) Acier inoxydable Type 316 : Il s'agit d'un alliage d'acier non magnétique et ne convient donc pas du tout (sauf comme en 4 ci-dessus).
6) Acier au carbone moyen, type K1045 : Ce matériau convient parfaitement à la construction de l'aimant (et d'autres parties de la machine).Il est raisonnablement dur dans l'état de livraison et il s'usine également bien.
7) Acier à teneur moyenne en carbone de type CS1020 : Cet acier n'est pas aussi dur que le K1045 mais il est plus facilement disponible et peut donc être le choix le plus pratique pour la construction de la machine Magnabend.
Notez que les propriétés importantes requises sont :
Magnétisation à haute saturation.(La plupart des alliages d'acier saturent à environ 2 Tesla),
Disponibilité de tailles de sections utiles,
Résistance aux dommages accidentels,
Usinabilité, et
Prix raisonnable.
L'acier au carbone moyen répond bien à toutes ces exigences.L'acier à faible teneur en carbone pourrait également être utilisé, mais il est moins résistant aux dommages accidentels.Il existe également d'autres alliages spéciaux, comme le supermendur, qui ont une aimantation à saturation plus élevée mais ils ne sont pas à considérer en raison de leur coût très élevé par rapport à l'acier.
L'acier à carbone moyen présente cependant un certain magnétisme résiduel qui est suffisant pour être une nuisance.(Voir la section sur le magnétisme résiduel).
La bobine
La bobine est ce qui entraîne le flux magnétisant à travers l'électroaimant.Sa force magnétisante est simplement le produit du nombre de spires (N) et du courant de la bobine (I).Ainsi:
N = nombre de tours
I = courant dans les enroulements.
L'apparition de "N" dans la formule ci-dessus conduit à une idée fausse commune.
Il est largement admis que l'augmentation du nombre de tours augmentera la force de magnétisation, mais cela ne se produit généralement pas car des tours supplémentaires réduisent également le courant, I.
Considérons une bobine alimentée par une tension continue fixe.Si le nombre de tours est doublé, la résistance des enroulements sera également doublée (dans une longue bobine) et donc le courant sera divisé par deux.L'effet net est l'absence d'augmentation de NI .
Ce qui détermine vraiment NI, c'est la résistance par tour.Ainsi pour augmenter NI il faut augmenter l'épaisseur du fil.La valeur des tours supplémentaires est qu'ils réduisent le courant et donc la dissipation de puissance dans la bobine.
Le concepteur doit garder à l'esprit que le calibre du fil est ce qui détermine réellement la force magnétisante de la bobine.C'est le paramètre le plus important de la conception de la bobine.
Le produit NI est souvent appelé "ampères-tours" de la bobine.
Combien de tours d'ampères sont nécessaires ?
L'acier présente une magnétisation à saturation d'environ 2 Tesla, ce qui fixe une limite fondamentale à la force de serrage pouvant être obtenue.
D'après le graphique ci-dessus, nous voyons que l'intensité de champ requise pour obtenir une densité de flux de 2 Tesla est d'environ 20 000 ampères-tours par mètre.
Maintenant, pour une conception typique de Magnabend, la longueur du chemin de flux dans l'acier est d'environ 1/5e de mètre et nécessitera donc (20 000/5) AT pour produire la saturation, soit environ 4 000 AT.
Il serait bien d'avoir beaucoup plus d'ampères-tours que cela afin que la magnétisation à saturation puisse être maintenue même lorsque des entrefers non magnétiques (c'est-à-dire des pièces non ferreuses) sont introduits dans le circuit magnétique.Cependant, des ampères-tours supplémentaires ne peuvent être obtenus qu'à un coût considérable en termes de dissipation de puissance ou de coût du fil de cuivre, ou les deux.Un compromis s'impose donc.
Les conceptions typiques de Magnabend ont une bobine qui produit des tours de 3 800 ampères.
Notez que ce chiffre ne dépend pas de la longueur de la machine.Si la même conception magnétique est appliquée sur une plage de longueurs de machine, cela signifie que les machines plus longues auront moins de tours de fil plus épais.Ils tireront plus de courant total mais auront le même produit d'ampères x tours et auront la même force de serrage (et la même dissipation de puissance) par unité de longueur.
Cycle de service
La notion de rapport cyclique est un aspect très important de la conception de l'électroaimant.Si la conception prévoit plus de cycle de service que nécessaire, alors ce n'est pas optimal.Plus de cycle de service signifie intrinsèquement que plus de fil de cuivre sera nécessaire (avec un coût plus élevé conséquent) et/ou il y aura moins de force de serrage disponible.
Remarque : Un aimant à rapport cyclique plus élevé aura moins de dissipation de puissance, ce qui signifie qu'il utilisera moins d'énergie et sera donc moins cher à exploiter.Cependant, étant donné que l'aimant n'est activé que pendant de brèves périodes, le coût énergétique du fonctionnement est généralement considéré comme étant très peu significatif.Ainsi, l'approche de conception consiste à avoir autant de dissipation de puissance que possible en termes de ne pas surchauffer les enroulements de la bobine.(Cette approche est commune à la plupart des conceptions d'électroaimants).
Le Magnabend est conçu pour un cycle de service nominal d'environ 25 %.
En règle générale, il ne faut que 2 ou 3 secondes pour faire un virage.L'aimant sera ensuite éteint pendant 8 à 10 secondes supplémentaires pendant que la pièce est repositionnée et alignée, prête pour le prochain pli.Si le cycle de service de 25 % est dépassé, l'aimant finira par devenir trop chaud et une surcharge thermique se déclenchera.L'aimant ne sera pas endommagé mais il faudra le laisser refroidir environ 30 minutes avant de le réutiliser.
L'expérience opérationnelle avec des machines sur le terrain a montré que le cycle de service de 25 % est tout à fait adéquat pour les utilisateurs typiques.En fait, certains utilisateurs ont demandé des versions optionnelles haute puissance de la machine qui ont plus de force de serrage au détriment d'un cycle de service moindre.
Section transversale de la bobine
La surface de section transversale disponible pour la bobine déterminera la quantité maximale de fil de cuivre pouvant être installée. La surface disponible ne doit pas être supérieure à ce qui est nécessaire, conformément aux ampères-tours requis et à la dissipation de puissance.Fournir plus d'espace pour la bobine augmentera inévitablement la taille de l'aimant et entraînera une longueur de chemin de flux plus longue dans l'acier (ce qui réduira le flux total).
Le même argument implique que quel que soit l'espace de bobine fourni dans la conception, il doit toujours être rempli de fil de cuivre.S'il n'est pas plein, cela signifie que la géométrie de l'aimant aurait pu être meilleure.
Force de serrage Magnabend :
Le graphique ci-dessous a été obtenu par des mesures expérimentales, mais il concorde assez bien avec les calculs théoriques.
La force de serrage peut être calculée mathématiquement à partir de cette formule :
F = force en Newton
B = densité de flux magnétique en Teslas
A = surface des poteaux en m2
µ0 = constante de perméabilité magnétique, (4π x 10-7)
Pour un exemple, nous allons calculer la force de serrage pour une densité de flux de 2 Tesla :
Ainsi F = ½ (2)2 A/µ0
Pour une force sur une unité de surface (pression), nous pouvons supprimer le "A" dans la formule.
Ainsi Pression = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Cela revient à 1 590 000 N/m2.
Pour le convertir en kilogrammes de force, il peut être divisé par g (9,81).
Ainsi : Pression = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Cela correspond plutôt bien à la force mesurée pour un écart nul indiqué sur le graphique ci-dessus.
Ce chiffre peut facilement être converti en une force de serrage totale pour une machine donnée en le multipliant par la surface des pôles de la machine.Pour le modèle 1250E, la surface des pôles est de 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Ainsi, la force totale, sans écart, serait (735 x 16,2) = 11 900 kg ou 11,9 tonnes;environ 9,5 tonnes par mètre de longueur d'aimant.
La densité de flux et la pression de serrage sont directement liées et sont représentées graphiquement ci-dessous :
Force de serrage pratique :
En pratique, cette force de serrage élevée n'est réalisée que lorsqu'elle n'est pas nécessaire (!), c'est-à-dire lors du pliage de pièces en acier minces.Lors du pliage de pièces non ferreuses, la force sera moindre, comme indiqué dans le graphique ci-dessus, et (un peu curieusement), elle est également moindre lors du pliage de pièces en acier épaisses.En effet, la force de serrage nécessaire pour effectuer un virage serré est très supérieure à celle nécessaire pour un virage à rayon.Ainsi, ce qui se passe, c'est qu'au fur et à mesure que le virage progresse, le bord avant de la barre de serrage se soulève légèrement, permettant ainsi à la pièce de former un rayon.
Le petit entrefer qui se forme entraîne une légère perte de force de serrage, mais la force nécessaire pour former le rayon de courbure a chuté plus fortement que la force de serrage de l'aimant.Ainsi, une situation stable en résulte et la barre de serrage ne lâche pas.
Ce qui est décrit ci-dessus est le mode de pliage lorsque la machine est proche de sa limite d'épaisseur.Si une pièce encore plus épaisse est essayée, la barre de serrage se soulèvera bien sûr.
Ce diagramme suggère que si le bord du nez de la barre de serrage était légèrement arrondi, plutôt que pointu, l'entrefer pour une flexion épaisse serait réduit.
En effet, c'est le cas et un Magnabend correctement fabriqué aura une barre de serrage avec un bord arrondi.(Un bord arrondi est également beaucoup moins sujet aux dommages accidentels qu'un bord tranchant).
Mode marginal de rupture de courbure :
Si un pliage est tenté sur une pièce très épaisse, la machine ne parviendra pas à le plier car la barre de serrage se soulèvera simplement.(Heureusement, cela ne se produit pas de manière dramatique ; la barre de serrage lâche simplement tranquillement).
Cependant, si la charge de flexion n'est que légèrement supérieure à la capacité de flexion de l'aimant, ce qui se passe généralement, c'est que la courbure se poursuivra à environ 60 degrés, puis la barre de serrage commencera à glisser vers l'arrière.Dans ce mode de défaillance, l'aimant ne peut résister à la charge de flexion qu'indirectement en créant un frottement entre la pièce et le lit de l'aimant.
La différence d'épaisseur entre une rupture due au soulèvement et une rupture due au glissement est généralement peu importante.
L'échec du soulèvement est dû au fait que la pièce soulève le bord avant de la barre de serrage vers le haut.La force de serrage sur le bord avant de la barre de serrage est principalement ce qui y résiste.Le serrage sur le bord arrière a peu d'effet car il est proche de l'endroit où la barre de serrage est pivotée.En fait, seule la moitié de la force de serrage totale résiste au décollage.
D'autre part, le glissement est résisté par la force de serrage totale, mais uniquement par le frottement, de sorte que la résistance réelle dépend du coefficient de frottement entre la pièce et la surface de l'aimant.
Pour l'acier propre et sec, le coefficient de frottement peut être aussi élevé que 0,8 mais si la lubrification est présente, il peut être aussi bas que 0,2.En règle générale, il se situera quelque part entre les deux, de sorte que le mode marginal de défaillance par courbure est généralement dû au glissement, mais les tentatives pour augmenter le frottement sur la surface de l'aimant se sont avérées inutiles.
Capacité d'épaisseur :
Pour un corps d'aimant de type E de 98 mm de large et 48 mm de profondeur et avec une bobine de 3 800 ampères-tour, la capacité de flexion sur toute la longueur est de 1,6 mm.Cette épaisseur s'applique à la fois à la tôle d'acier et à la tôle d'aluminium.Il y aura moins de serrage sur la tôle d'aluminium mais elle nécessite moins de couple pour la plier, ce qui compense de manière à donner une capacité de jauge similaire pour les deux types de métal.
Il doit y avoir quelques mises en garde sur la capacité de flexion indiquée : La principale étant que la limite d'élasticité de la tôle peut varier considérablement.La capacité de 1,6 mm s'applique à l'acier avec une limite d'élasticité jusqu'à 250 MPa et à l'aluminium avec une limite d'élasticité jusqu'à 140 MPa.
La capacité d'épaisseur en acier inoxydable est d'environ 1,0 mm.Cette capacité est nettement inférieure à celle de la plupart des autres métaux, car l'acier inoxydable est généralement non magnétique et a pourtant une limite d'élasticité raisonnablement élevée.
Un autre facteur est la température de l'aimant.Si l'aimant a été autorisé à devenir chaud, la résistance de la bobine sera plus élevée, ce qui l'amènera à tirer moins de courant avec des ampères-tours inférieurs et une force de serrage inférieure.(Cet effet est généralement assez modéré et il est peu probable que la machine ne réponde pas à ses spécifications).
Enfin, des Magnabends de capacité plus épaisse pourraient être fabriqués si la section transversale de l'aimant était agrandie.