Stiskanje NdFeB magnetovVEZIVO: DUROPLASTI TERMOPLASTI ELASTOMERI Epoksi Poliamid (PA) Guma Akril Poliester (PE) Vinil Fenol PPS,PVC,LFPE Prostopek Stiskanje Brizganje Ekstrudiranje

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


- II -

Vložen original sklepa o

potrjeni temi diplomskega dela


- 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: ___________________________


- 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.


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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


- X -

UPORABLJENE KRATICE

PA - Poliamid

PPS - Polifenilen-sulfid

NBR - Nitrilni kavčuk


- 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).


- 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.


- 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.


- 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


- 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.


- 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]


- 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)


- 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)


- 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].


- 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.


- 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.


- 12 -

Slika 1.8: Princip hladnega orodja

2. Greto orodje [10], ki ga prikazuje sl ika 1.9.

Slika 1.9: Princip toplega orodja


- 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


- 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


- 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


- 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).


- 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)


- 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.


- 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.


- 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


- 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)


- 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)


- 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.


- 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



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



naredil test gostote na elektronski tehtnici za merjenje gostote (M-T AX205).


- 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


- 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%


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%


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%


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.


- 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.


- 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)


- 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.


- 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.


- 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


- 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.


- 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.


- 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


- 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.


- 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)


- 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]


- 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 .


- 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


- 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.


- 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



inducirane napetosti ni odvisna zgolj od magnetnih karakteristik magneta


statorja (enakomernost naviti j , upornost vodnikov).

Diplomsko delo

nducirane napetosti za vsako fazo posebej pri



j od magnetnih karakteristik magneta



- 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 .


- 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


- 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, …).


- 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


- 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


- 49 -

6 PRILOGE

Priloga 2.1: Risba izdelka (magnetni obroč)

Priloga 2.2: Izpis meritev testnega centra


- 50 -


- 51 -


- 52 -


- 53 -


- 54 -


- 55 -

Priloga 2.3: Ekscentrska stiskalnica z adapterjem


- 56 -

Pr i loga 3.1: Orodje za st iskanje NdFeB (PRO-E)


- 57 -

Priloga 3.2: Adapter z orodjem


- 58 -

Priloga 3.3: Faze stiskanja


- 59 -

Priloga 3.4: Izpis meritve za ovalnost in koničnost

Documents

Stiskanje NdFeB magnetovVEZIVO: DUROPLASTI TERMOPLASTI ELASTOMERI Epoksi Poliamid (PA) Guma Akril Poliester (PE) Vinil Fenol PPS,PVC,LFPE Prostopek Stiskanje Brizganje Ekstrudiranje