СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОВОЛОКИ ИЗ СПЛАВА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS CONTROL OF QUALITY OF WIRE MADE FROM SHAPE MEMORY ALLOY

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для непрерывного контроля качества проволоки, выполненной из сплава с памятью формы (называемого в последующем также SMA). Следует отметить, что хотя в последующем делается ссылка на проволоку, которая является наиболее важным применением, способ согласно изобретению применим также к другим формам с одним практически бесконечным размером и двумя другими конечными и в основном небольшими размерами, например, лентам или тому подобному.
Как известно, явление запоминания формы состоит в том, что механическая деталь, выполненная из сплава, обладающего этим свойством, способна изменяться за очень короткое время и без промежуточных равновесных положений между двумя формами, заданными во время изготовления, в ответ на изменение температуры. Явление может проявляться в так называемом «одностороннем» режиме, когда механическая часть может деформироваться в единственном направлении в результате изменения температуры, например переходить из формы В в форму А, в то время как переход в обратном направлении от А в В требует приложения силы; и в так называемом «двустороннем» режиме, наоборот, оба перехода могут вызываться изменением температуры.
s
f
s
f
Известно, что подобные материалы изменяют свою микрокристаллическую структуру, переходя из типа, называемого мартенситным, стабильного при низких температурах, в тип, называемый аустенитным, стабильным при высокой температуре, и наоборот. Переход между двумя формами происходит в соответствии с гистерезисным циклом в диаграмме зависимости удлинения от температуры, характеризуемым четырьмя значениями температуры: во время нагревания, начиная с низкой температуры, при которой мартенситная фаза стабильна, достигается первая температура A, при которой начинается переход в аустенитную фазу, а затем вторая температура A, которая характеризует конец перехода в аустенитную фазу. Во время охлаждения, начиная с диапазона температур, в котором аустенитная фаза стабильна, достигается третья температура M, при которой начинается переход в мартенситную фазу, а затем четвертая температура M, при которой заканчивается переход. Графики этих гистерезисных циклов можно найти, например, в патентах US 4896955 и ЕР 0807276.
f
s
s
f
s
s
Действительные температуры этих указанных выше переходов зависят от типа материала и процесса изготовления, однако для каждого материала для этих температур справедливо M<M, A<A, хотя может быть M<A или, наоборот, в соответствии со скоростью перехода между двумя фазами. Примеры составов сплавов с памятью формы можно найти в патенте US 6309184 на имя заявителя, это сплавы Ni-Ti, предпочтительно с содержанием Ni 54-55,5 мас.%, остальное титан (допускаются следы других компонентов).
Для практического использования проволока из сплава с памятью формы должна иметь несколько функциональных и технологических характеристик, которые оцениваются с помощью специальных испытаний. Обычно для проверки характеристик проволоки используют следующие четыре испытания:
1. Испытание на усталостную прочность: образец проволоки (например, отрезок длиной 10 см) помещают в печь в подвешенном за один конец положении с грузом на втором конце; груз выбирают в соответствии с диаметром проволоки, и он обычно аналогичен нагрузке, которую должна выдерживать проволока при реальном применении. Посредством циклического нагревания и охлаждения образца его подвергают цикличному удлинению и сокращению вплоть до разрушения.
2. Испытание на остаточную деформацию: состоит в оценке конечной остаточной деформация образца, такого же как в предыдущем испытании, испытываемого в тех же условиях, но с числом циклов, меньшим числа циклов, вызывающих разрушение (например, 75% или 90% числа циклов, вызывающих разрушение).
3. Испытание на гистерезисный цикл: используется для проверки, действительно ли проволока совершает переходы удлинения и сокращения при температурах, ожидаемых для этого состава.
4. Испытание на величину хода: состоит в оценке процентного удлинения или сокращения образца во время перехода. Это последнее испытание проводят также в тех же условиях и в той же экспериментальной установке, что и первое испытание.
Четыре указанных испытания являются дискретными испытаниями, которые можно выполнять, например, для каждого километра проволоки, в то время как два первых испытания являются разрушительными и, таким образом, должны проводиться на образцах, предпочтительно иметь возможность выполнять испытания 3 и 4 непрерывно. В действительности выполнение этих двух последних испытаний в качестве выборочных испытаний имеет некоторые недостатки.
Первый недостаток заключается в том, что могут иметься неравномерности в характеристиках проволоки, которые не обнаруживаются из-за очень низкой частоты выборки вдоль проволоки; кроме того, в современных рабочих режимах эти испытания проводятся параллельно процессу изготовления, и тем самым приводят к увеличению времени и стоимости для отбора проб с производственной линии и выполнения испытаний вне линии; наконец, при промышленном изготовлении желательно иметь возможно длинную проволоку, в то время как выполнение указанных испытаний делает необходимым разрезание проволоки на относительно короткие части.
Поэтому целью изобретения является создание способа и устройства, которые устраняют указанные недостатки. Эта цель достигается согласно изобретению тем, что согласно первому аспекту способ непрерывного управления качеством проволоки или подобного изделия из сплава с памятью формы запоминающего форму сплава характеризуется тем, что содержит этапы:
а) подачи проволоки через устройство, в котором она подвергается резкому росту температуры, который перекрывает диапазон, содержащий характеристические температуры перехода материала, из которого изготовлена проволока;
b) измерения на непосредственно линии или изменений длины проволоки опосредованно в заданных точках указанного устройства, соответствующих различным известным температурам;
с) использования данных изменения температуры и длины для получения точек гистерезисной кривой указанного материала для диаграммы зависимости удлинения от температуры.
Главное преимущество данного способа и соответствующего устройства состоит в обеспечении проверок характеристик проволоки не посредством выборок, а непрерывно, так что контроль качества изделия выполняется во всем производстве.
Другое значительное преимущество следует из того, что этот контроль выполняется на линии, что экономит время и деньги для отбора проб и выполнения испытаний вне линии.
Эти и другие преимущества и признаки способа и устройства согласно данному изобретению следуют для специалистов в данной области техники из приведенного ниже подробного описания варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - устройство для выполнения способа согласно данному изобретению на виде спереди;
фиг.2 - устройство согласно фиг.1 на виде сверху.
f
Данное изобретение основано на идее непрерывного прохождения проволоки через измерительное устройство, в котором оно подвергается такому резкому росту температуры, что указанные выше характеристические температуры переходов охватываются диапазоном роста, и на линии измеряют изменения длины проволоки во время роста температуры. Температура проволоки, входящей и выходящей из измерительного устройства, предпочтительно является комнатной температурой, в то время как, по меньшей мере, в одной зоне устройства проволоку нагревают до температуры, по меньшей мере, равной (но предпочтительно превышающей) A. Внутри устройства можно иметь термический профиль, который является непрерывным или прерывистым с шаговым изменением.
В первом варианте выполнения способа можно измерять непосредственно удлинение проволоки; например, за счет скольжения проволоки по точкам опоры устройства, при этом изменения длины проволоки вызывают последовательное появление и исчезновение провисания между указанными опорными точками, и посредством измерения указанного провисания можно получать изменения длины, которое происходит между опорными точками: поскольку известны температура в этих точках и изменения длины, то есть можно получать гистерезисную кривую проволоки.
Однако, поскольку удлинения являются небольшими, трудно выполнять их прямое измерение, в частности, потому что требуется использование оптических точных инструментов с целью исключения влияния на натяжение проволоки.
Поэтому в предпочтительном варианте выполнения изобретения способ состоит в измерении изменения скорости проволоки при прохождении между зонами системы с разными температурами. С учетом того, что изменение длины можно выразить в процентах относительно исходной длины, изменение длины при прохождении из зоны с одной температуры в другую можно измерять в виде ее первой производной относительно времени, то есть скорости: а именно, в способе согласно изобретению измеряют различие скорости проволоки в нескольких точках ее прохождения через устройство, в которых имеются различные температуры. Другими словами, посредством подачи проволоки с известной фиксированной скоростью и с подходящим постоянным натяжением через последовательность зон с различными температурами и измерения скорости проволоки при каждой температуре можно получать величину удлинения (или укорочения), возникающего во время перехода от одной температуры к другой. Таким образом, посредством интегрирования изменений скорости можно получать точки гистерезисной кривой в диаграмме зависимости удлинения от температуры, а также вычислять шаг в переходе между двумя температурами.
В данном способе измерения измерение скорости проволоки является более простым, чем прямое измерение удлинения или укорочения, подлежащее выполнению в указанном выше способе с провисанием.
Согласно своему второму аспекту изобретение предлагает устройство для выполнения способа согласно изобретению.
Пример устройства, способного выполнять измерение изменений скорости, показан на фиг.1 и 2, на которых показана проволока F, разматываемая входной разматывающей машиной B и наматываемая на выходную намоточную машину B'. Натяжение проволоки F контролируется блоком V, расположенным по потоку за входной размоточной машиной B и снабженным двумя приводными роликами R, на которые проволока F намотана несколько раз, и содержащим свободный рычаг C, который измеряет натяжение проволоки. Измерение натяжения с помощью рычага C предназначено для удерживания его постоянным посредством воздействия на управляющие ролики R' блока V', который управляет скоростью проволоки и который расположен перед выходной намоточной машиной B'. Блоки V и V' соединены с общей обратной связью.
Между двумя блоками V,V' расположено несколько термостатических камер T, в каждой из которых удерживается постоянной заданная температура с помощью известных систем регулирования, с целью создания определенного температурного профиля с дискретным шагом. В показанном примере предусмотрено тринадцать камер T с температурным «шагом», то есть разницей температуры между смежными камерами, равным 20°С, сначала с увеличением, а затем уменьшением, так что получается температурный профиль 40-60-80-100-120-140-160-120-100-80-60-40°С.
В каждой камере Т расположен направляющий шкив М, выдерживаемый при температуре камеры и на который наматывается проволока F без скольжения, который используется для измерения скорости проволоки F с помощью датчика положения высокого разрешения, который точно измеряет скорость вращения шкива M. Два других шкива M с соответствующими датчиками положения также расположены, соответственно, по потоку перед и за камерами T для измерения скорости проволоки при комнатной температуре, которая обычно составляет около 20°С.
За счет измерения скорости проволоки F в различных камерах T при каждой температуре и при известном шаге P между шкивами М можно получать соотношение между температурой проволоки и ее удлинением. Измеряемые параметры непрерывно регистрируются в реальном времени с помощью подходящих известных средств, и предпочтительно предусмотрено также средство для маркировки проволоки, которое автоматически активируется, если величины измеренных параметров находятся вне допустимого диапазона допусков.
В альтернативном варианте выполнения между двумя блоками V и V' расположена единственная нагревательная камера с открытыми концами, и шкивы М можно перемещать вдоль оси указанной камеры; при доведении центральной зоны камеры до максимальной представляющей интерес температуры (160°С в указанном выше примере) тепловое рассеяние на открытых концах камеры определяет «колоколообразный» температурный профиль вдоль единственной камеры с максимумом посредине и равномерным уменьшением в направлении концов. Если температурный профиль камеры известен, то можно перемещать каждый из шкивов М в положение в камере, которое имеет желаемую температуру (например, температуру, соответствующую тринадцати камерам указанного выше варианта выполнения). Тепловой профиль камеры может быть известен посредством измерения температуры в ряде точек, расположенных вдоль камеры, например, с помощью термопар или оптических пирометров или других подходящих систем; измерение температуры в указанной последовательности точек можно выполнять во время подходящего калибровочного испытания или непрерывно во время действительного испытания по проверке проволоки. Точки, в которых измеряется температура вдоль камеры, предпочтительно соответствуют точкам, в которых расположены шкивы М.
Понятно, что варианты выполнения способа и устройства, согласно изобретению раскрытые и показанные выше, являются лишь примерами, в которых можно выполнять различные изменения. В частности, можно варьировать несколько конструктивных и рабочих параметров, таких как число камер Т, температурный «шаг» между камерами, блоки размотки, намотки и подачи проволоки; даже шаг Р между смежными шкивами М может быть не постоянным, если он известен. Кроме того, в варианте выполнения со ступенчатым температурным профилем вдоль устройства можно отказаться от камер Т посредством использования нагревания проволоки с помощью теплового действия тока (по меньшей мере, для увеличения температуры): за счет приложения различных напряжений к различным точкам, с которыми проволока приходит в контакт (это могут быть шкивы М), можно устанавливать заданные падения напряжения в отдельных частях проволоки и, таким образом, при известном сопротивлении проволоки, можно задавать известные температуры в этих частях.
Аналогичным образом, скорость можно измерять с помощью других средств, отличных от указанных выше шкивов с датчиками положения, например с помощью оптических инструментов, которые обнаруживают прохождение меток, расположенных на проволоке с постоянным интервалом, или лазерных считывающих оптических инструментов, которые не требуют присутствия оптических меток на проволоке и в которых измерение скорости проволоки основано на эффекте Доплера.
Устройство согласно изобретению в любом варианте его выполнения может дополнительно содержать средство маркировки проволоки, позволяющее маркировать части проволоки, когда измеренные на этих частях параметры выходят за допустимый диапазон допусков; эти средства маркировки обычно активируются автоматически, когда система обнаруживает, что эти части проволоки не соответствуют техническим требованиям.
Устройство и способ согласно изобретению обеспечивают единственный известный путь для обеспечения проволоки, выполненной из сплава с памятью формы, в которой 100% проволоки сертифицировано на наличие требуемых характеристик. Однако для некоторых применений, имеющих не такие строгие требования к качеству, способ и устройство согласно изобретению можно использовать для проверки не всей проволоки, например 75% проволоки. Это можно осуществлять, например, посредством непропускания части длины проволоки через систему или же посредством нерегистрации данных, измеряемых системой, в части времени; в эти периоды проволока может проходить быстрее с входной размоточной машины В к выходной намоточной машине B', что сокращает полное рабочее время. При такой работе все еще возможно иметь хорошую степень надежности относительно свойств проволоки, достаточную для применений с более низкими требованиями, при меньших затратах.