Physikalische Grundlagen der magnetischen Spanntechnik
Das magnetische Feld
Ferromagnetische Werkstoffe erzeugen durch die ihnen eigenen magnetischen Kräfte in dem sie umgebenden Raum eine magnetisches Feld. Dieses Magnetfeld bildet sich immer zwischen zwei oder mehreren Polen und ist dabei orts- und richtungsabhängig. Ursache des magnetischen Feldes mit seinen Kraftlinien sind die Werkstoffeigenschaften des Magnetwerkstoffes. Ausschlaggebend für die Stärke des Magnetfeldes ist die magnetische Feldstärke H, gemessen in A/m oder Oe (1 kA/m = 12,56 Oe).
Der magnetische Fluss
Der magnetische Fluss lässt sich durch Kraftlinien veranschaulichen und wird in Weber (Wb) gemessen. Die magnetische Flussdichte B, gemessen in mT (milli Tesla) gibt die Konzentration der Kraftlinien pro Fläche wieder ( 1 Tesla = 1 Wb/m2). Sie ist ein Maß für die Wirkung des Magnetfeldes und erlaubt Aussagen über die Haftkraft des Systems.
Die Magnetkraft
Magnetische Kraftlinien verlaufen immer vom Nord- zum Südpol des Magneten. Das Medium Luft bietet dem Magnetfeld einen extrem hohen Widerstand, so dass die magnetischen Felder bevorzugt in ferromagnetischem Material (z. B. Eisen) verlaufen. Die Eisenstücke bieten dem magnetischen Feld nur geringen Widerstand und verkürzen den Weg, den die Kraftlinien nehmen müssen. Die magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) von Stahl (St 37) ist gegenüber Luft ca. 2000 mal höher. Wird ein aufgelegtes Eisenstück vom Magneten entfernt, werden die Feldlinien in zunehmendem Maße gezwungen, ihren Weg durch Luft anstatt durch Eisen zu nehmen. Es erfolgt eine Vergrößerung des magnetischen Widerstandes und der magnetischen Energie. Aus diesem Grund ist es mit Arbeit verbunden, das Eisenstück vom Magneten zu entfernen. Deshalb werden Eisenstücke vom Magneten angezogen und gehalten. Um ein Werkstück magnetisch zu halten, müssen mindestens ein Nord- und ein Südpol überbrückt werden.
Die Magnetkraft beeinflussende Faktoren
Die in der Praxis erreichbaren Haftkräfte von Magnetsystemen hängen von vielen Faktoren ab und sind theoretisch nur schwer abzuschätzen. Vor allem nur empirisch zu ermittelnde Widerstands- und Streufaktoren, sowie weitere in Einzelfällen zu berücksichtigende Korrekturfaktoren erschweren deren Berechnung. Es ist viel Erfahrung erforderlich, um ein Magnetsystem entsprechend den Erfordernissen auszulegen. Polteilung, Werkstückform, Oberflächenqualität und Werkstoff haben großen Einfluß auf die Haft- und Verschiebekraft eines Werkstückes. Soweit keine weiteren Hinweise vorhanden sind, gelten die bei unseren Produkten angegebenen Nennhaftkräfte für ein Prüfwerkstück aus St 37, geschliffen.
1 | Kontaktfläche und Oberflächenzustand
Die Kontaktfläche ist die Fläche des Werkstückes, die direkt mit der Magnetoberfläche in Berührung steht. Je größer die Kontaktfläche, um so größer die Haftkraft.
2 | Oberflächengüte
Entscheidend für die Haftkraft eines Werkstückes ist seine Oberflächengüte. Je glatter die Oberfläche, um so größer die Haftkraft. Die besten Werte werden mit einer geläppten Oberfläche ohne Luftspalt erreicht.
3 | Materialeigenschaften
Reines Eisen weist die günstigsten magnetischen Eigenschaften auf. Legierungszusätze beeinträchtigen im Allgemeinen die magnetischen Werte, so daß die erreichbaren Haftkräfte der in der Praxis verwendeten Werkstoffe in der Regel unter denen von technisch reinem Eisen liegen.
4 | Wärmebehandlung
Die Magnetisierbarkeit von Werkstücken wird durch Wärmebehandlungen beeinflusst. Gehärtete Werkstücke leiten den Magnetfluss schlechter.
5 | Einsatztemperatur
Steigende Temperaturen haben einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Eigenschaften des Magnetspannsystems. Hohe Temperaturen führen zu einer Abnahme der Remanenz (und damit zu einer Abnahme der Haftkraft) und zu einer Erhöhung der Koerzitivfeldstärke. Je nach Magnetwerkstoff sind die Temperatureinflüsse in weiten Grenzen reversibel. Ab Erreichen der Curie-Temperatur, die für jeden Magnetwerkstoff eine charakteristische Größe darstellt, verlieren die Magnetwerkstoffe ihre Magnetisierung irreversibel.
| Werkstoff | max. Einsatztemperatur | Curie-Temperatur |
| Hartferrit | 100°C | ca. 450°C |
| AlNiCo | 400°C | ca. 850°C |
| SmCo | 200°C | ca. 750°C |
| NdFeB | 80°C (120°C) | ca. 300° |
Tab. 12.1 Maximale Einsatztemperaturen verschiedener Magnetwerkstoffe