Nieten und Clinchen von Laminatstapeln: Festigkeit vs. magnetische Wirkung

TL;DR

• Wählen Sie Nieten wenn die Unversehrtheit des Stapels während der Handhabung, des Aufwickelns, des Einpressens oder der Vibration ein größeres Risiko darstellt, und wenn Sie Löcher in Regionen mit geringerem Fluss halten können.
• Wählen Sie clinchen wenn das Stanzen von hohen Stückzahlen und die integrierte Stapelung eine größere Rolle spielen, aber nur, wenn die Anzahl der Verriegelungen, die Tiefe, der Abstand und die Anordnung der Paare wie magnetische Designvariablen gesteuert werden und nicht nur die Details der Werkzeuge.
• Der magnetische Nachteil ist nicht unklar. In einer Studie mit gestapelten Kernen wurde festgestellt, dass ein reiner Lochzustand den Eisenverlust um etwa 6.2% unter 1,0 T, 50 Hz, Durch die Verdübelung wurde sie auf etwa 9.1%, und der Zustand des verbundenen Dübels erreichte etwa 13.1%. In dichteren Stellwerkskonstruktionen aus derselben Studie erreichte der Anstieg 40.9%. Im Gegensatz dazu ergab eine Pinhole-Studie, dass eine 6 mm Loch könnte zusätzlichen Verlust behalten unter 1% wenn Größe und Position sorgfältig gewählt wurden.

Kaschierungsstapel funktionieren nur, weil jedes Blatt vom nächsten isoliert ist. Das klingt offensichtlich. Es ist dennoch wichtig. In dem Moment, in dem eine Verbindungsmethode eine lokale Belastung hinzufügt, die Beschichtung aufbricht oder eine leitende Brücke erzeugt, verhält sich der Stapel nicht mehr wie der saubere Stapel im elektromagnetischen Modell. Bei der Überprüfung der Elektrostahlherstellung stößt man immer wieder auf dasselbe Ergebnis: Das Fügen wirkt sich auf die Permeabilität, den Hystereseverlust, den Wirbelstromverlust und die lokale Wärmeentwicklung aus, manchmal sogar gleichzeitig.

Die eigentliche Frage ist also nicht welche Methode stärker ist. Es ist schmaler als das. Und auch nützlicher. Welche Methode ist stark genug für die mechanische Arbeit, mit dem geringsten magnetischen Nachteil, den Sie in der Produktion tatsächlich halten können?

Die kurze Entscheidungsregel

Wenn der Stapel wahrscheinlich mechanisch belastet wird - Transport, Wickelspannung, Einsetzen des Gehäuses, Einpressen, Vibrationen, geschwindigkeitsbedingte Beanspruchung - ist das Nieten in der Regel die sicherere Richtung. Wenn der Stapel in großen Mengen hergestellt wird und das Werk möchte, dass sich die Bleche im Folgeverbundwerkzeug selbst stapeln, hat das Clinchen einen klaren Prozessvorteil. Sobald jedoch die Geschwindigkeit ansteigt, das Flussmittel zunimmt oder sich die Verbindungsdichte im aktiven Pfad ausbreitet, wird das Clinchen interessant.

Das ist der ganze Handel in einer Zeile: Beim Nieten geht es um den mechanischen Spielraum, beim Clinchen um die Fertigungseffizienz. Keiner von beiden ist magnetisch frei.

Was die magnetische Leistung tatsächlich verschlechtert

Drei Mechanismen richten den größten Schaden an.

1. Fehlender Stahl in der Flussbahn. Löcher entfernen aktives Material und verzerren das Flussmittel.
2. Eigenspannung und plastische Verformung. Diese beeinträchtigen die Durchlässigkeit und erhöhen den Hystereseverlust.
3. Elektrische Brücken zwischen den Lamellen. Sobald die Bleche durch den Verbindungsbereich zu leiten beginnen, entstehen zusätzliche Wirbelstrompfade. In einigen Schleusenlayouts werden diese Pfade zu geschlossenen Schleifen, und die Strafe steigt schnell an.

Diese Aufteilung ist wichtig, weil Nieten und Clinchen nicht die gleiche Steuer zahlen.

Nieten: mechanisch ruhig, magnetisch sauber nur, wenn die Löcher sorgfältig behandelt werden

In diesem Artikel, Nieten bedeutet, dass der Stapel mit einem diskreten Befestigungselement durch ein Lochmuster gesichert ist. Mechanisch ist das leicht zu verstehen und leicht zu überprüfen. Die Größe der Löcher ist sichtbar. Die Klammerlast ist sichtbar. Die Anzahl der Verbindungen ist sichtbar. Bei größeren Stapeln oder raueren Montagebedingungen hat diese Art der expliziten Sicherung immer noch viel für sich.

Die magnetische Seite ist der Punkt, an dem die Ingenieure stolpern. Das Loch selbst ist bereits eine Störung. In einer Studie über Transformatorenkerne wurde festgestellt, dass ein zunehmender Lochdurchmesser den Kernverlust sichtbar erhöht, wobei ein 6 mm Loch, das eine Zunahme von unter 1%, während des Umzugs nach 10 mm hat die Änderung auf etwa 6.39% in diesem Fall. In derselben Studie wurde auch festgestellt, dass die Platzierung von Löchern in Bereichen mit geringerer Flussverteilung die Nachteile verringert. Ein separater Bericht über die axiale Klemmung geschichteter Kerne kommt zu demselben Ergebnis: Löcher für die Klemmung mit Durchgangsschrauben gehören in Bereiche mit geringerer Flussverteilung.

Es gibt noch eine zweite Schicht. In einer Studie mit gestapelten Bohrkernen, bei der die Herstellung von Löchern von der Dübelherstellung und dem Zusammenfügen getrennt wurde, war die Nur-Loch Zustand den Eisenverlust um etwa 6.2% unter 1,0 T, 50 Hz. Unter 1,5 T, 50 Hz, war der gleiche Locheffekt immer noch vorhanden, aber schmaler, etwa 6.3%. Nieten ist also nicht “magnetisch neutral”, nur weil es keine Verriegelungsnoppen gibt. Löcher kosten immer noch etwas. Normalerweise weniger als ein schlechtes Clinchmuster. Nicht immer weniger als ein gutes.

Der praktische Nutzen liegt auf der Hand: kleine Löcher, Platzierung mit geringem Lichtstrom, begrenzte Anzahl. Das ist der Punkt, an dem das Nieten sinnvoll erscheint.

Clinchen: schnell in der Produktion, eng im Prozessfenster

Clinchen, oder Verriegelung ist attraktiv, weil sie in die Stanzstrecke eingebaut werden kann. Jüngste Produktionsarbeiten zu Stanzwerkzeugen beschreiben, dass ineinandergreifende Kerne direkt an der Endstation positioniert und kombiniert werden, während bei nicht ineinandergreifenden Routen oft noch ein Offline-Sammeln, Zählen, Formen und späteres Zusammenfügen erforderlich ist. Separate Arbeiten zu den Kosten von Laminierwerkzeugen kommen zu einer ähnlichen Schlussfolgerung wie bei den Stanzwerkzeugen: Die Werkzeugkosten hängen von der Größe der Laminierung, der Komplexität der Teile, dem Produktionsszenario und insbesondere von der Anzahl der Folgeverbundwerkzeugstationen ab.

Das ist der Grund, warum das Clinchen immer wieder in Volumenprogrammen auftaucht. Weniger Berührungspunkte. Weniger nachgelagertes Handling. Kein separates Befestigungsmaterial. Der Prozess ist übersichtlich.

Dann kommt die magnetische Rechnung.

Eine Übersicht über die Fügeverfahren zeigt, dass die Verriegelung als Prozess sehr effizient ist, aber es ist nicht stark und kann nur absorbieren geringe mechanische Kräfte. Die gleiche Übersicht fasst gemessene Beweise dafür zusammen, dass die Umkehrung der Permeabilität und der Eisenverlust beide linear mit der Anzahl der Verzahnungen zunehmen und dass radiale Verzahnungen schädlicher sind als umlaufende. Auch die Dübelbreite spielt eine Rolle: schmalere Dübel verringern tendenziell den Verlust.

Die aussagekräftigeren Zahlen stammen aus Messungen mit gestapelten Kernen. In einer Studie wurden bei 1,0 T, 50 Hz, Bei einer Konfiguration mit nur einem Dübel erhöht sich der Eisenverlust um etwa 13.1% im Vergleich zur Referenz ohne Stützen. Als die Verriegelungsanordnung dichter wurde, stieg der Anstieg auf etwa 20.6%, 23.5%, 31.9%, und schließlich 40.9% je nach Konfiguration. Unter 1,5 T, 50 Hz, war die gleiche Sequenz milder, aber immer noch aussagekräftig: etwa 7.6% bis zu 28.3%. Dieselbe Verbindungsfamilie. Sehr unterschiedliche Ergebnisse, je nach Muster.

Das ist der Punkt, den viele Auswahlhilfen übersehen. Clinchen ist kein einzelnes Prozessergebnis. Es ist eine ganze Familie von Resultaten.

Warum einige geclinchte Stapel sehr schnell schlecht werden

Denn es gibt zwei Strafen, nicht nur eine.

Der erste Nachteil ist die lokale Materialschädigung. Durch die Bildung von Dübeln wird der Stahl plastisch verformt. Bei der gleichen Arbeit mit gestapelten Kernen werden die gedübelt, aber noch nicht verbunden Zustand erhöhte den Eisenverlust um etwa 9.1% unter 1,0 T, 50 Hz. Dann schob das Zusammenfügen der Dübelpaare die Erhöhung auf 13.1%. Diese Aufteilung ist wichtig: Ein Teil des Schadens entsteht durch die Herstellung des Merkmals, ein weiterer durch das Erzwingen der Verbindung.

Der zweite Nachteil ist elektrischer Natur. Sobald sich bestimmte Verriegelungspaare in einer Anordnung befinden, bei der der Fluss eine leitende Schleife verbindet, treten zusätzliche Wirbelstromverluste auf. In derselben Studie wurde festgestellt, dass dieser der zusätzliche Verlust steigt linear mit der Dichte der Verriegelungspaare, und dass das Problem viel deutlicher wird, wenn 400 Hz als bei 50 Hz für die betroffenen Layouts. Mit anderen Worten, dichte oder schlecht platzierte Verriegelungen sind nicht nur ein Ärgernis bei niedrigen Frequenzen. Sie altern schlecht, wenn die Frequenz steigt.

Wenn Ihre Maschine eine hohe Geschwindigkeit aufweist, ist dies von größerer Bedeutung. Nicht weniger.

Quantitativer Vergleich für technische Entscheidungen

In der nachstehenden Tabelle sind Daten aus verschiedenen Studien und Geometrien gemischt, so dass es sich nicht um eine eineindeutige Bemessungsgrenze handelt. Sie ist dennoch nützlich. Sie zeigt, wo der Nachteil beginnt und wie stark er ansteigen kann.

Kosten und Kapazität: Hier beginnt die Beschaffung, bessere Fragen zu stellen

Hier gibt es keine allgemeingültige Dollarzahl, da die Werkzeugkosten stark von der Größe des Teils, der Komplexität der Geometrie und der Anzahl der Stationen im Folgeverbundwerkzeug abhängen. Die veröffentlichte Kostenmodellierung für das Laminierprägen ist in diesem Punkt eindeutig. Das Produktionsszenario ändert das Werkzeug, und das Werkzeug ändert die Kosten.

Dennoch ist der kommerzielle Anteil ziemlich stabil.

Clinchen ist in der Regel dann sinnvoll, wenn die Anlage die Teile im Werkzeug selbst stapeln und den Durchsatz schützen will. Nieten ist in der Regel sinnvoller, wenn der Käufer bereit ist, einen separaten Verbindungsweg im Austausch für eine stärkere Rückhaltung und eine konservativere mechanische Verbindungsstrategie zu akzeptieren. Die eigentliche Einkaufsfrage lautet also nicht “Was ist billiger?”. Es ist diese:

Wo sollen die Kosten ansetzen - im Werkzeug und in der Prozesssteuerung oder nachgelagert in Hardware, Handhabung und Montage?

Auf diese Weise lassen sich Sitzungen schneller beenden.

Gestaltungsregeln, die sich besser halten als Slogans

Einige wenige Regeln tauchen in der Literatur oft genug auf, um ernst genommen zu werden.

1. Gelenke in Regionen mit schwächerer Strömung anbringen

Dies gilt explizit für das Klemmen von Löchern, und dieselbe Logik hilft in der Regel auch bei der Platzierung von Clinchs. Wenn eine Verbindung in einem ruhigeren magnetischen Bereich sitzt, ist der Nachteil leichter zu verkraften.

2. Zähle Gelenke, als würden sie Geld kosten. Denn das tun sie.

Der Verlust durch Verriegelung stieg mit der Anzahl der Dübel und der Dichte der Verriegelungspaare. Mehr Punkte können die Retention verbessern. Sie können aber auch eine überschaubare Verlustzunahme in eine schlechte verwandeln.

3. Prozessparameter sind Teil des magnetischen Designs

Bei der Verzahnung beeinflussen die Prägetiefe, der Abstand und die Beschaffenheit der Werkzeugkanten das Ergebnis. In einer Studie mit 0,5 mm variierte die richtige Prägetiefe von 0,36 mm zu 0,39 mm je nach Blatt, und die Stapelqualität verschlechtert sich, wenn der Abstand überschritten wird 4% der Blechdicke. Das ist keine geringe Empfindlichkeit.

4. Das Ausglühen kann einen Teil des Schadens beheben

In einer Übersichtsarbeit wird berichtet, dass das Glühen nach dem Fügen die Kernverluste verringert und die magnetische Leistung verbessert. Es beseitigt nicht alle geometrischen Nachteile. Es kann den spannungsbedingten Teil des Nachteils so weit reduzieren, dass er ins Gewicht fällt.

Was Sie fragen sollten, bevor Sie eine der beiden Methoden genehmigen

Wenn Sie eine Ausschreibung, eine Prozess-FMEA oder eine Checkliste für die Entwurfsprüfung schreiben, fragen Sie nach diesen Punkten:

• a gemeinsame Karte über die Flusskarte, und nicht nur eine CAD-Zeichnung des Stapels;
• gemessen Kernverlust-Delta im Vergleich zu einem losen oder minimal verbundenen Referenzstapel;
• für das Clinchen, die validierte Tiefenfenster, Abstandsfenster und Werkzeugverschleißausgleichsplan;
• für Nieten, die Anzahl der Löcher, Lochdurchmesser und Nachweis, dass die Löcher in Regionen mit geringerem Durchfluss liegen;
• mechanische Daten angegeben als Lastfall plus Ausfallmodus, und nicht eine allgemeine “stark genug”-Note.

Dieser letzte Punkt ist der Grund, warum viele schlechte Entscheidungen länger überleben, als sie sollten.

FAQ

Endgültige Antwort, ohne Absicherung

Wenn Ihr Programm begrenzt ist durch mechanisches Risiko, ist das Nieten in der Regel die sicherere Lösung.

Wenn Ihr Programm begrenzt ist durch Durchsatz und integrierte Fertigung, ist das Clinchen oft die bessere Lösung.

Wenn Ihr Programm begrenzt ist durch Effizienz bei höherer Frequenz, Achten Sie auf die Durchsetzungsdichte und die Anordnung der Paare, bevor Sie dem Prozess vertrauen, nur weil er auf der Zeichnung elegant aussieht.

Das ist der eigentliche Handel. Nicht Stärke gegen Verlust im Abstrakten. Rückhaltespanne gegenüber magnetischer Beschädigung unter realen Produktionsbedingungen.