Smyková síla je výrazně nižší, než přídržná síla, obvykle se pohybuje okolo 20 %. To však nejsou jediné síly, které na magnet působí. Přečtěte si, jakým silám jsou magnety vystaveny a jak zajistit bezpečné používání zvedacích a upínacích magnetů.



Magnety pod vlivem sil

Určitě jste se s tím setkali: dvě magnetky od sebe sotva odtrhnete, pokud je ale posunete do strany, sklouznou po sobě snadno. Mohou za to různé síly, působící na magnety v různých směrech. Rozdíl v silách je významný: při pohybu kolmo od styčné plochy magnetu nebo kolmo od feromagnetického materiálu (přimagnetovaného předmětu) je přídržná síla magnetu cca pětkrát vyšší, než tečná síla při pohybu rovnoběžně se styčnou plochou.

Jaké fyzikální síly tedy na magnety působí a jak ovlivňují celkovou magnetickou sílu magnetického upínače nebo zvedacího magnetu? Pro účely tohoto článku se budeme zabývat hlavně přídržnou, smykovou a gravitační silou.

Přídržná = normálová síla

Nejpodstatnější složkou magnetické upínací síly je přídržná neboli normálová síla (ve fyzice označovaná jako Fn). Tato veličina vyjadřuje sílu, s jakou magnet drží předmět, který je na něj připevněn, v kolmici.

Smyková = tečná = třecí síla

Smyková síla se v učebnicích fyziky obvykle nazývá tečnou silou nebo také třecí silou a označuje se jako Ft.  Vyjadřuje sílu, působící proti směru pohybu dvou na sebe položených předmětů. Je kolmá k síle normálové, rovnoběžná s povrchem magnetu a odpovídá zhruba 20 % přídržné síly magnetu. Z toho vyplývá obecný koeficient tření 0,2.

Gravitační síla

Při práci s magnety je nutno brát v potaz také gravitační sílu, která působí jak na samotný magnet, tak na zvedané břemeno či upínaný obrobek.

Magnetická síla u zvedacích magnetů

U břemenových magnetů vyjadřuje jejich magnetická (normálová) síla celkovou nosnost magnetu. Pokud má magnet zvednout břemeno, je zapotřebí, aby překonal gravitační sílu, která na břemeno působí – poměr mezi gravitační silou zvedaného břemene a magnetickou silou magnetu je vyjádřen tzv. koeficientem bezpečnosti. Ten je stanovený normou ČSN EN 13155 takto:

Typ břemenového magnetu

Koeficient bezpečnosti

Permanentní zvedací magnet

3

Zvedací elektromagnet

2

Elektropermanentní zvedací magnet

3

Všechny zvedací magnety musí před uvedením na trh projít odtrhovou zkouškou, která je u každého výrobku evidována s jeho výrobním číslem a je uváděna na kontrolním certifikátu k danému produktu. Ve Walmagu test provádíme na trhacím stroji certifikovaným měřidlem.

Certifikát pro zvedací magnet platí jeden rok – každoročně proto musí být provedena revizní odtrhová zkouška. Opakované certifikace provádíme na mobilním trhacím stroji přímo u zákazníka v jeho provozu.

Více o tom, jak testujeme břemenové magnety a jaké certifikáty naše zvedací magnety mají, se dozvíte v tomto článku. Ve Walmagu si testování nosnosti magnetů dobrovolně ještě komplikujeme tak, že mezi zvedací magnet a břemeno vložíme list papíru, čímž uměle snížíme přídržnou sílu magnetu (simulujeme tím případné vzduchové bubliny nebo nečistoty povrchu). Skutečná nosnost magnetu je tak ještě o něco vyšší než uvedená nominální nosnost.

Bezpečné zvedání břemen zvedacími magnety

Náklon břemene

Břemenový magnet dosahuje maximální nosnosti při nulovém náklonu břemene. To znamená, že zvedané břemeno by mělo být vůči styčné ploše magnetu perfektně vycentrováno, s těžištěm umístěným přesně uprostřed.

Jestliže se zvedané břemeno na magnetu nepodaří vycentrovat na 100 %, dojde tím k vychýlení těžiště. To způsobí rozklad gravitační síly na:

  • sílu normálovou (kolmou ke zvedanému břemenu)
  • a sílu tečnou (rovnoběžnou s břemenem),
  • přičemž vektorový součet těchto dvou sil je roven gravitační síle.

Čím větší je vychýlení břemene, tím vyšší je tečná síla a tím více se snižuje normálová síla magnetu. Z logiky věci vyplývá, že čím více je nakloněné břemeno, tím nižší je přídržná síla magnetu. Nejvyšší povolený bezpečný náklon zvedaného břemene bývá 6 °. Toto doporučení je zapotřebí za všech okolností respektovat.

V praxi nicméně může nastat situace, kdy potřebujete zvedané břemeno otočit z horizontální do vertikální polohy. U zvedacích magnetů NEO k tomu slouží přídavná zařízení s dorazem, který brání posuvu břemene (např. zvedací rameno NEO HV). Tím zajišťujeme plné využití magnetické upínací síly zvedacího magnetu.

Existuje i varianta břemenového magnetu bez zajištění proti posuvu břemene – např. permanentní jeřábový magnet GP 250. Zde je na první pohled zřejmý rozdíl v tabulce nosností břemenového magnetu v horizontální poloze (pracovní limit 250 kg) a vertikální poloze (pracovní limit 80 kg).


Statorový válec motoru v továrně Siemens ve Frenštátě pod Radhoštěm.
K překonání gravitační síly statoru motoru (ze skládaných plechů) bylo třeba
provést ověření nosnosti břemenového magnetu NEO SPC přímo na výrobku.

Chemické složení a teplota břemene

Na magnetickou sílu magnetu má vliv také teplota. U zvedacích magnetů jsme teplotní omezení vyřešili břemenovými magnety NEO HOT, které jsou použitelné i v horkém prostředí (až do 180 oC).

Pokud jde o chemické složení, zjednodušeně se dá říci, že nejvhodnějším materiálem pro manipulaci za pomocí magnetů je běžná konstrukční ocel. U legované oceli snižují příměsi legur (např. mangan či chrom) magnetičnost materiálu, postupně až k nemagnetickým austenitickým ocelím.

Na magnetickou sílu má vliv také homogennost břemene (hůře se přimagnetovávají odlitky, svařence či montované díly – např. stator motoru na obrázku).

 

Náš tip: U břemen s neobvyklým chemickým složením, tvarem, délkou či problematickou homogenností testujeme nosnost magnetu praktickou zkouškou. Je to ten nejlepší způsob, jak zajistit naprostou bezpečnost zvedacího magnetu. Přesně takto jsme postupovali v případě statorového svazku motoru v Siemensu ve Frenštátě pod Radhoštěm.

 

Rozměry břemene a upevnění na zvedací magnet

Rozměry zvedaného břemene (jeho délka, šířka i tloušťka) mají zásadní vliv na celkovou magnetickou sílu břemenového magnetu. U délky břemene se můžete setkat s omezením maximální délkou – je to proto, že delší břemena se při zvedání prohýbají. To může mít v kombinaci s pohybem břemene podstatný vliv na všechny fyzikální síly, které na zvedané břemeno (a přeneseně na magnet) působí.

Stejně tak hraje roli i tloušťka břemene. Jakékoliv drážky, vyvrtané otvory a další povrchové nerovnosti mohou významně snížit celkovou nosnost břemenového magnetu.

Nezanedbatelný pro výběr vhodného zvedacího magnetu je rovněž tvar zvedaného břemene (resp. jeho styčné plochy). Některé břemenové magnety např. neumožňují manipulaci s břemeny s kruhovým průřezem.

Pro dosažení plného výkonu břemenového magnetu je třeba zajistit plné pokrytí pólů magnetu. Roli zde hraje také velikost průřezu břemene či dílce, který byl měl být větší než plocha pólu. U tenkých dílců hrozí, že magnetické pole prostoupí dílcem a uzavře se až za ním — přimagnetování pak nemusí být dostatečně silné. O manipulaci s tenkými plechy si můžete přečíst více zde >>

Velmi významným faktorem je také vzduchová mezera. Ta vzniká jak díky nemagnetickým materiálům na břemeni (barva, krycí folie apod.) tak i v důsledku drsnosti povrchu, nerovností a dalších povrchových jevů.

 

Magnetická síla u magnetických upínačů

Problematika sil, působících na magnet během upínání a obrábění, je ještě složitější než u zvedacích magnetů.

Gravitační síla obrobku může mít na upínací magnet jak kladný vliv (při vertikálním obrábění), ale i vliv negativní (při horizontáním obrábění).

Během obrábění působí na magnetický upínač také řezné síly. Ty jsou zpravidla kombinované – tzn. mají jak vertikální tak i horizontální složku. Jsou dány řeznými podmínkami a geometrií obráběcího nástroje.

Různé druhy obrábění přinášejí různé nároky na magnetické upínače a proto se můžete setkat s mnoha typy upínacích magnetů.

Podstatné pro upínání obrobků pomocí magnetů je, že jejich magnetická upínací síla vůči obrobku musí převyšovat řezné síly, působící na obrobek během obrábění. Jedině tak může být upnutí bezpečné.

Jak testujeme upínací sílu u magnetických upínačů

Testování upínací síly u magnetických upínačů není na rozdíl od zvedacích magnetů upraveno normami a řídí se interními pravidly výrobce. Každý upínač od Walmagu má kontrolní certifikát, kde jsou uvedeny hodnoty, naměřené při testování.

Při vývoji prototypů testujeme magnetické upínače také na certifikovaném odtrhovém stroji.

Metody testování magnetických upínačů jsou různé:

  • JIS: Měření a testování s kontrolním tělískem se styčnou plochou 1 cm2. Kontrolní tělísko je upevněno k pružině, kterou posléze šroubem natahujeme až do odtržení tělíska od magnetu. Tím změříme sílu kolmého odtrhu v kgf (kilogram-force neboli kilopond).
  • OSW: Měření a testování s kontrolním tělískem o styčně ploše 64 cm2. Kontrolní tělísko upevníme ke šroubu, kterým posléze otáčíme a tím zatěžujeme tenzometr, opět až do odtržení tělíska od upínače. Hodnota síly kolmého odtrhu se v tomto případě obvykle uvádí v lbf (poundal-force) – je převoditelná na kgf.

Jak vybrat magnetický upínač – faktory ovlivňující sílu upnutí

S ohledem na různé druhy obrábění a různé typy obrobků je na trhu řada magnetických upínačů, vyvinutých pro konkrétní typy provozů. Magnetický upínač vybírejte podle následujících parametrů:

Směr řezné síly či řezných sil, které působí na obrobek: ideálně volte směr kolmý k magnetickému pólu.

Tloušťka obrobku: čím je obrobek tenčí, tím hůře na magnetu drží (a tím více magnetických siločar prostupuje do pracovního nástroje). Upnutí tenkých dílců řešíme úpravou pólování upínače (roztečí magnetických pólů) – čím tenčí dílec, tím hustší pólování na upínači, které zajistí silnější magnetické pole. Více tipů pro upínání tenkých dílců najdete zde >>

Výška působiště řezné síly: příliš „vysokým“ obrobkům hrozí převrácení. Riziko převrácení je tím vyšší, čím dále od upínací plochy působí řezná síla a zároveň čím menší je upínací plocha.

Pokrytí magnetických pólů: obrobek na magnetický upínač položte tak, aby zakrýval co nejvíce magnetických pólů a dávejte pozor na to, abyste ve stejném poměru pokryli póly s magnetickou polaritou N (sever) a S (jih). V některých případech docílíte silnějšího upnutí také úpravou technologického postupu. Se zákazníkem jsme řešili například řezání ocelové tyče v délce 2000 mm, kterou bylo potřeba na magnetickém upínači nařezat na 90 mm díly – ty byly potom dále obráběny. Malé 90 mm díly ale na magnetickém upínači nedržely dostatečně silně. Dalo by se to vyřešit snížením výkonu obráběcího stroje – to ale nebylo pro našeho zákazníka žádoucí řešení. Proto jsme se dohodli na úpravě  technologického postupu – dvoumetrová tyč se nejprve nařezala na 470 mm dlouhé díly, které upínač spolehlivě a bezpečně udržel. Tyto díly se obrobily a až posléze se rozřezaly na 90 mm části.

Pokrytí magnetického upínače: upínač, který je zakrytý obrobkem v celé své ploše, má zpravidla nižší upínací sílu než částečně zaplněný upínač (závisí to ale také na tvaru a polaritě pólů). Pokud například umístíte jeden obrobek na magnetický upínač, který jej pokryje částečně, koncentrují se magnetické siločáry do tohoto obrobku. Pokud na upínač přidáte další obrobek, část siločar se ‚‚přesune‘‘ do druhého obrobku a magnetická upínací síla na prvním obrobku se tak sníží.

Drsnost povrchu, vzduchová mezera a kompaktnost obrobku: Zde se magnetické upínače chovají stejně jako břemenové magnety. Stejně tak platí vše řečené o chemickém složení materiálu obrobku a teplotě při obrábění.

Pólové nástavce: prodlužují magnetický obvod a tím podle své výšky a provedení redukují upínací sílu. Pólové nástavce mohou být:

  • pevné – v podobě přídavných desek, do kterých se vyfrézuje negativ obrobku, nebo jednokusových kostek,
  • pružné – ty se zamagnetují spolu s obrobkem a zafixují ho tak v požadované pozici.

 

Náš tip: Tečný posun obrobku lze eliminovat také pomocí opěrných lišt nebo zakládacích bloků, které upnete magneticky spolu s obrobkem. Zakládací bloky lze použít i jako prevenci převrácení obrobku. 

Zásady pro bezpečné upnutí obrobku magnetickým upínačem

Upínací síla by měla vždy být minimálně 2× vyšší než řezná síla. V případě vyšších obrobků je třeba brát v potaz také riziko převrácení (řezná síla působící na malou základnu obrobku).

Ft  ≥  2×G

Fn×(D3 / 2) ≥ 2×G×(L / 2)

Platí, že obě podmínky musí být splněny současně. Tento vzorec ovšem zcela opomíjí řeznou sílu. Pokud bychom ji potřebovali do výpočtu zahrnout, je třeba provést vektorový součet s gravitační silou a přidat proměnné do rovnic.

 

Vysvětlivky:

Fn .. síla upnutí obrobku
Ft … tečná síla upnutí obrobku (Ft=kv×Ft )
kv= koeficient tření (0,15-0,3 dle materiálu obrobku, povrchu apod.)
G … gravitační síla (hmotnost obrobku×9,81)

 

 

 

Není ale třeba, aby vás uvedené fyzikální vzorečky děsily. Upínače Walmag vždy obdržíte s podrobným návodem k použití, ve kterém najdete podrobnosti ohledně magnetického upínání. Uživatelům je navíc vždy k dispozici uživatelská i servisní podpora.

Pokud zvažujete automatizaci výroby a pořízení magnetických upínačů nebo zvedacích magnetů, ozvěte se nám. Spočítáme potřebný výkon magnetů, navrhneme pro vás optimální řešení nebo vám magnety můžeme na zkoušku zapůjčit.