Магнитные приспособления

Элементарная магнитная система (ЭМС) — ячейка МСП, состоящий из источника маг­нитного потока и магнитопроводов, позво­ляющая параллельным соединениям одно­типных элементов скомпоновать приспособ­ление в целом. В ЭМС максимально учиты­ваются требования, предъявляемые к кон­струкции приспособления.

Источниками магнитного потока являются электромагнитные катушки (ЭК) и постоянные магниты. Питание ЭК осуществляется пос­тоянным током напряжением от 6 до 220 В. Постоянные магниты намагничиваются от­дельно или вместе с МСП и сохраняют свою намагниченность долгое время (годами) без подвода энергии.

На рис. 16 показана ЭМС с ЭК, характер­ная для прямоугольных электромагнитных плит. ЭМС состоит из двух частей: силового блока (СБ) и адаптерной плиты (АП). Постоян­ная часть СБ имеет ЭК (4), которая образует поток Ф_о (в сечении I — I), магнитопроводы 5 (сердечники) и основание 6. АП — часть МСП (выше сечения II — II), на которую уста­навливают заготовки. Рабочая поверхность 1 АП подвержена изнашиванию, вследствие чего ее периодически восстанавливают (шли­фуют). АП удлиняет путь прохождения маг­нитного потока, состоит из магнитопроводов 3, разделенных друг от друга проставкой 2. Торцовая поверхность магнитопроводов (полюсников) АП, соприкасаясь с заготовкой, образует полюсы приспособления, располо­женные в плоскости рабочей поверхности МСП.

Магнитопроводы применяют для снижения сопротивления прохождения магнитного пото­ка Ф. По магнитопроводам магнитный поток от источника подводится к рабочему зазору δ, где энергия магнитного потока Ф_δ преобра­зуется в механическую (притяжение заготовки).

Часть магнитного потока Ф_о минует зазор δ. Это поток утечки Ф_у. Для снижения потока утечки детали проставки 2 изготовляют из не­магнитного материала, чем максимально уве­личивают магнитное сопротивление.

В конструкциях МСП АП выполняется в виде единой детали с пазами, в которые вставлены полюсники. При этом если деталь 2 (рис. 16, а) выполнена из немагнитного мате­риала (например, из стали 12X18Н9Т), то по­люсники 3 непосредственно запрессованы в ее пазы. Если же деталь 2 сделана из ферромаг­нитного материала, то полюсники отделены от нее немагнитным материалом 7 (рис. 16, б) толщиной ∆. Возможен также вариант сбор­ной АП.

В зависимости от конструкции МСП в се­чении I — I магнитопроводы могут иметь вид прямоугольника, трапеции, окружности и др., в соответствии с чем создается и конструкция ЭМС.

Для изготовления магнитопроводов приме­няются магнитомягкие ферромагнитные мате­риалы: углеродистая сталь обыкновенного ка­чества по ГОСТ 380—71; конструкционная углеродистая сталь по ГОСТ 1050-74, ГОСТ 4543-71 и электротехническая нелеги­рованная сталь по ГОСТ 3836-83.

Магнитные свойства материала заготовки (как магнитопровода), могут колебаться в ши­роких пределах. Эти свойства учитывают как при расчете МСП, так и при их эксплуатации.

Для изготовления постоянных магнитов применяют магнитотвердые материалы: ли­тые по ГОСТ 17809-72 (преимущественно марки ЮН14ДК24); магнитотвердые ферриты по ГОСТ 24063 — 80 (преимущественно марок 18БА220, 22БА220, 24БА210); магнитотвердые спеченные материалы по ГОСТ 21559 — 76 (ис­пользование ограничено вследствие их высо­кой стоимости).

Все магнитотвердые материалы трудно­обрабатываемы, хрупки и склонны к трещинообразованию из-за низкой теплопроводности. Основным видом обработки является шлифо­вание, причем для магнитотвердых ферритов применяют преимущественно алмазные круги.

Особенность управления электромагнитны­ми приспособлениями состоит в необходимо­сти размагничивания МСП после отключения источника постоянного тока, так как стальные магнитопроводы сохраняют остаточную на­магниченность. Поэтому все электромагнит­ные приспособления снабжают размагничи­вающими устройствами.

Типовая конструкция плиты с магнитами из феррита бария (рис. 17) имеет корпус 4 ко­робчатой формы, на который установлен не­разборный неподвижный магнитный блок 2, состоящий из рамки (изготовленной из немаг­нитного материала), внутри которой устано­влены чередующиеся магнитопроводы 12 и по­стоянные магниты 13. Магнитопроводы соеди­няют с рамкой с помощью шпонок. При сборке узла используют также склеивание. На блок 2 устанавливается адаптерная плита (АП) — 1, как правило, изготовленная из стали 45. В пазы АП вставлены магнитопроводы 15 (полюсники), отделенные от ферромагнитного корпуса заливкой 16 из немагнитного сплава. Между неподвижным магнитным блоком 2 и дном корпуса 4 размещен подвижный маг­нитный блок 3, по конструкции аналогичный неподвижному. От корпуса 4 он отделен не­магнитной прокладкой 9. Перемещение под­вижного блока внутри корпуса на размер t осуществляет силовой механизм, в данном случае состоящий из шестерни 6 с эксцентрич­но посаженным пальцем 5, зубчатого сектора 10 с рукояткой 17.

В магнитных блоках магниты 7 и 13 обра­щены к магнитопроводам 8 и 12 одинаковой полярностью, отчего полюсы на рабочей по­верхности плиты чередуются (N, S и т. д.).

Управление плитой осуществляется по принципу нейтрализации потока: при совпаде­нии полярности магнитов верхнего и нижнего блоков МСП включено, деталь 14 притянута к рабочей поверхности МСП; при переводе рукоятки в другое крайнее положение под­вижный блок переместится на размер t, а маг­ниты нижнего блока — под магниты противо­положной полярности верхнего блока. МСП отключается.

На рис. 18 приведен один из вариантов конструкции патрона (D = 530 мм) с магнита­ми из магнитотвердых ферритов. Принци­пиальное отличие этой конструкции от рас­смотренной выше магнитной плиты состоит в том, что с учетом требований к данному приспособлению магнитные блоки здесь выполнены в виде колец. К фланцу 9 патрона, выполненного в соответствии с конструкцией шпинделя станка, присоединено кольцо 1, на которое опирается неподвижный магнитный блок 6 с АП 3. Между фланцем 9 и непо­движным блоком 6 на подшипниках качения помещен корпус 7 (кольцевое корыто) подвиж­ного магнитного блока 2. Механизм поворота подвижного блока относительно оси патрона включает рычаг 11, соединенный с блоком пальцем 12, гайку 10 и диаметрально располо­женный шлицевой вал 5. Торцы вала 5 имеют гнезда 4 под ключ. Элементарные магнитные системы патрона расположены радиально. Магниты 13 имеют форму прямоугольного параллелепипеда, а полюсники 14 – призмы с основанием в виде трапеции. На рабочей по­верхности АП полюсы патрона имеют также трапециевидную форму.

При кольцевой конструкции магнитных блоков центральная часть патрона становится нерабочей. Поэтому в подвижном магнитном блоке 6 и адаптерной плите 3 предусмотрено отверстие диаметром d, используемое для установки центрирующего устройства для за­готовки и т. д.

Конструкции магнитных патронов мень­ших размеров более простые. Помимо ра­диального расположения полюсов выполняют также патроны с полюсами, расположенными по параллельным хордам, концентрическим окружностям.

На рис. 19 показана конструкция призмы с магнитами, изготовленными из магнито­твердых ферритов. Приспособление состоит из одной ЭМС. Принцип управления МСП осно­ван на нейтрализации магнитного потока, но в отличие от предыдущих конструкций здесь магнит разделен на три части; средняя часть имеет возможность поворачиваться на 180°. Контакт заготовки с губками призмы — ли­нейный, а рабочий зазор — переменного сече­ния и для магнитного потока представляет большое сопротивление. Для его преодоления требуется повышенная магнитодвижущая си­ла, пропорциональная длине магнита. В при­змах длина магнитов в 2,5 — 4 раза больше, чем у плит и патронов.

Призма состоит из двух магнитопроводов 2 и 7, жестко соединенных между собой план­ками 3 и 9. В зазор между магнитопроводами на клею вставлены верхний и нижний магниты 4, а в цилиндрическую расточку — магнитный блок, состоящий из магнита в и двух стальных накладок-полюсников 6. Поворот блока осу­ществляется с помощью рукоятки 1 и двух ко­нических шестерен 12 и 13.

Планки 3 и 9 представляют сварную кон­струкцию, состоящую из магнитопроводов, разделенных друг от друга немагнитной проставкой 10. На верхнюю планку призмы под различные диаметры закрепляемых валиков устанавливаются сменные губки 5 (МСП рас­сматривается как переналаживаемое). Призма установлена на основание 11, изготовленное из немагнитного материала. Габариты при­змы определяются размерами L, В, Н и диа­метром закрепляемого валика D.

Нестандартные магнитные станочные при­способления имеют конструктивное отличие от стандартных и, как правило, более высокие значения сил притяжения.

Электромагнитные прямоугольные плиты (ГОСТ 17519-81) предназначены для закре­пления заготовок из ферромагнитных мате­риалов при их обработке на плоскошлифо­вальных станках. Обозначение плит: первые четыре цифры — номер изделия (для всех плит 7208), вторые четыре цифры — условное обозначение типоразмера, определяемого шириной плиты В, ее длиной L и высотой Н (см. рис. 17); следующие две цифры - удельная сила притяжения, Н/см², и, наконец, напряжение питания В. Пример условного обозначения  плиты с размерами В = 320 мм и L = 630 мм,  с удельной силой притяжения р_у = 25 Н/см² и напряжением питания 110В: плита – 7208-0035 25 110 ГОСТ 17519-81.

Размеры плит изменяются в пределах: ширина - 125-630 мм; длина - 250-2500 мм; высота — 100—125 мм. Плиты выпускают трех классов точности: П, В и А, соответ­ственно с удельной силой притяжения 25, 20 и 16 Н/см² (250, 200, 160 кПа).

Паспортная удельная сила притяжения определяется путем отрыва испытательного образца, имеющего опорную поверхность в виде диска диаметром D. Диаметр диска ис­пытательного образца является одной из ха­рактеристик электромагнитной плиты и гаран­тирует удержание на ней с регламентирован­ной силой р_у заготовок с таким же диаметром. Поэтому стандартом регламентируется не только р_у, но и минимальный размер закре­пляемой заготовки (D = 18, 25, 35, 50, 70 мм в зависимости от размера плиты). Допускает­ся снижение р_у до 50% от установленного номинала в 10% контрольных точек.

Удельная сила магнитного притяжения, определенная по ГОСТ 17519 — 81, не учиты­вает влияния неточности формы и шерохова­тости опорной поверхности заготовки, а также магнитных свойств ее материала.

В зависимости от класса точности плиты регламентируется ее жесткость (размер проги­ба рабочей поверхности плиты под действием определенной нагрузки), нагрев и потребляе­мая мощность. Жесткость (Н/мм) электромаг­нитных плит колеблется от 50 (для плит клас­са точности П) до 65 (для плит класса точности В и А).

Превышение установившейся температуры рабочей поверхности плиты над температурой окружающей среды при работе без охлажде­ния не должно быть более 25 °С для плит класса точности П, 15 °С — для плит класса точности В и 7 °С - для плит класса точно­сти А.

Плиты с постоянными магнитами, изгото­вленными на основе магнитотвердых ферри­тов, выпускают по ГОСТ 16528—81 в двух ис­полнениях; они предназначены для закрепле­ния ферромагнитных заготовок в основном при выполнении плоскошлифовальных операций, а также при фрезеровании, строгании, растачивании заготовок на режимах чистового резания.

Плиты выпускают четырех классов точно­сти: Н, П, В и А. В зависимости от этого ре­гламентируются удельная сила притяжения (для плит классов точности Н и П — не ниже 30 Н/см², В и А — 16 Н/см²), жесткость (при­мерно 40,0 кН/мм для или г классов точности Н и П и 62—66 кН/мм для плит классов точности В и A), а также другие технические тре­бования (точность и шероховатость рабочей поверхности, масса, усилие на рукоятке пере­ключения и т. д.).

Пример условного обозначения магнитной плиты класса точности П, размерами В = 100 мм и L = 250 мм: Плита 7208-0001 П ГОСТ 16528-81. В обозначении плит класса точности Н буква опускается.

Удельную силу притяжения р_у определяют при отрыве от плиты специальною испыта­тельного образца, размеры которого зависят от размеров ЭМС (ширины полюса и межпо­люсного расстояния). Паспортная силовая ха­рактеристика плит по ГОСТ 16528 — 81 не мо­жет быть непосредственно использована для решения технологических задач.

Размеры плит колеблются в пределах: ширина В — от 100 до 300 мм; длина L — от 250 до 1000 мм; высота Н - от 80 до 100 мм. Масса плит — от 10 до 205 кг.

Патроны из материалов на основе магнитотвердых ферритов выпускают по ГОСТ 24568 — 81 и используют для закрепления фер­ромагнитных заготовок типа дисков, фланцев при их обработке методами шлифования, а также точения с режимами чистового и по­лучистового резания.

Патроны выпускают классов точности Н, П, В и А, диаметром 80 — 500 мм. Пример условного обозначения патрона класса точности П, диаметром D = 80 мм: Патрон 7108-0001 П ГОСТ 24568 — 81. В обозначении патронов класса точности Н буква опускается.

Удельная сила магнитного притяжения p_у определяется путем отрыва специального ис­пытательного образца, размеры которою за­висят от размеров ЭМС (ширины полюса и межполюсного расстояния). Удельная сила притяжения р_у на полюсе для включенных па­тронов должна быть не менее: для патронов классов точности Н и П - 70 Н/см²; В и А — 40 Н/см². Паспортная силовая характе­ристика р_у не может быть непосредственно ис­пользована для решения технологических задач.

Возможности использования стандартных магнитных патронов при точении деталей ти­па дисков ориентировочно могут быть опре­делены с учетом данных, приведенных в табл. 23.

Определение функциональной пригодности МСП. Предусматривая применение МСП для оснащения разрабатываемого технологическо­го процесса, необходимо определить возмож­ность использования при заданных условиях имеющегося универсального приспособления или сконструировав специальное, в большей степени отвечающее условиям выполнения данной операции. В том и другом случае необ­ходимо определить действительную силу маг­нитного притяжения, действующую на заго­товку.

Сила магнитного притяжения заготовки определяется нелинейной зависимостью, учитывающей влияние различных факторов — материала заготовки. ее формы, толщины, но в основном она определяется удельной силой магнитного притяжения p_у.

Удельная сила притяжения, отнесенная к площади опорной поверхности детали, р_у.д = Q_м/S_д; отнесенная к площади полюсов приспособления — р_у.п = Q_м/S_п, где Q_м - сила магнитного притяжения, Н. Сила магнитного притяжения Q_м определяется магнитным по­током ф, пронизывающим рабочий зазор, или плотностью потока — магнитной индукцией В:

Q_м = 39,8·10⁴ф²/S_п,

Q_м = 39,8·10⁴В²S_п

где S_п — площадь соприкосновения заготовки с полюсами приспособления, м².

К рабочему зазору магнитный поток под­водится по магнитопроводам. Для магнитомягких материалов имеется некоторое предель­ное значение магнитной индукции — индук­ция насыщения В = 2,1÷2,2 Тл. Удельная сила магнитного притяжения заготовок полюсами приспособления

р_у = 39,8·10⁴ В²_s ≈ 190 кПа.

Площадь S_з опорной поверхности заготовки больше площади S_п соприкосновения ее с по­люсами МСП, причем S_п/S_з = 0,5 ÷ 0,7. Отсю­да сила притяжения, отнесенная к площади опорной поверхности заготовки, может дости­гать значений р_у = 85 ÷ 120 кПа.

Для магнитных и электромагнитных плит удельную силу притяжения р_у.д и минимальный размер закрепляемой заготовки определяют по ГОСТ 17519—81. Магнитные плиты при зазорах менее 0,03 мм обеспечи­вают удельную силу притяжения р_у.д = 500 ÷ 750 кПа. Равномерность распреде­ления силы притяжения по рабочей поверхно­сти плиты, %

W = (S/Q_ср)·100,

где S и Q_ср — средние, соответственно, квадратическое и арифметическое отклонения силы притяжения эталонного образца. При опера­циях чистовой обработки W ≤ 20÷30%. Ра­бочий зазор δ, от которого в значительной степени зависит удельная сила магнитного притяжения, определяется неточностью формы опорной поверхности заготовки и ее шероховатостью и является технологическим параметром. Зависимость р_у = f(δ) определяет­ся экспериментально при измерении силы от­рыва (притяжения) в зависимости от создавае­мого зазора. Требуемый зазор δ_i создается прокладками из немагнитного материала (на­пример, алюминиевой или медной фольги). По экспериментальным данным строят за­висимость р_у = f(δ). На рис. 20 она предста­влена кривой 1, которая аппроксимируется уравнением гиперболы вида

р_у = а/(b + δ),

где а и b — коэффициент гиперболы.

С допустимой для последующих расчетов погрешностью для данного МСП можно опре­делить нижнюю границу зоны рассеяния р_{у min} (кривая 2):

p_{у min} = a/(b + x∆),

где х = 0,52 при отклонении от плоскости опорной поверхности заготовок в пределах ∆ = 0,2 ÷ 0,4 мм, a и b — коэффициенты гипер­болы.

По кривым 1 и 2 можно определить влия­ние отклонений от плоскостности опорной по­верхности заготовки на удельную силу притя­жения плиты.

Для магнитных патронов функцио­нальную пригодность определяют по моменту трения M_т = fQ_м силу магнитного притяже­ния Q_м заготовок — но приведенным выше за­висимостям. Коэффициент трения-скольжения f выбирают по таблицам в зависимости от ма­териала соприкасающихся пар (приспособле­ние — заготовка), качества их поверхностей, наличия смазочного материала и т. д. Для предварительно обработанных заготовок f = 0,15 ÷ 0,2; для необработанных f = 0,22 ÷ 0,4.

Точность расчетов повышается, если М_т (Н · м) определяют на основе экспериментальных данных:

М_т = 0,5Р_zD,

где силу резания P_z находят эксперименталь­но, как максимально допустимую при закре­плении данной заготовки на конкретном па­троне. С этой целью на магнитный патрон устанавливают заготовку, имеющую ввер­нутый палец. Сила Р_z создается домкратом. Для расчета берется максимальная сила, при которой заготовка сохраняет еще свое равно­весие (критическая сила).

Для построения универсальной для данно­го магнитного патрона зависимости M_т = f(D, d) критическая сила резания Р_z определяется для заготовок с широким изменением наруж­ного D и внутреннего d диаметров. На основе экспериментальных данных строят графики М_т = f(d) при D_i = const (квадрант I на рис. 21). В квадранте II выполнен обратный графи­ческий переход от М_т к Р_z. В логарифмиче­ской системе координат установлена связь Р_z = f(S) при t = const, в квадранте III для на­ружного точения, в квадранте IV — для под­резки торцов.

Для магнитных призм силовые характеристики не стандартизованы, а расчет их затруднен. Поэтому экспериментальное опре­деление этих характеристик является наиболее приемлемым. Для данного типоразмера призм получают зависимости Q_м = f(d), Q_сд = f(d) и М_кр = f(d), где Q_сд - сила сдвига валика диаметром d вдоль оси, вызванная силой притя­жения Q_м, при соответствующем коэффициен­те трения f; М_кр — критический удерживаю­щий крутящий момент.

Расчет условий равновесии заготовки, уста­новленной на МСП. В табл. 24 приведены ти­повые схемы установок заготовок на МСП и расчетные зависимости для определения ус­ловий их равновесия.

При проектировании новых МСП приве­денные в табл. 24 зависимости используют для нахождения Q_м (или р_у) при известных (за­данных) Р, f, g, К_з и т. д.