Способ и устройство для непрерывного контроля качества проволоки из сплава с памятью формы

Способ и устройство для непрерывного контроля качества проволоки из сплава с памятью формы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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_s, при которой начинается переход в аустенитную фазу, а затем вторая температура A_f, которая характеризует конец перехода в аустенитную фазу. Во время охлаждения, начиная с диапазона температур, в котором аустенитная фаза стабильна, достигается третья температура M_s, при которой начинается переход в мартенситную фазу, а затем четвертая температура M_f, при которой заканчивается переход. Графики этих гистерезисных циклов можно найти, например, в патентах US 4896955 и ЕР 0807276.

Действительные температуры этих указанных выше переходов зависят от типа материала и процесса изготовления, однако для каждого материала для этих температур справедливо M_f<M_s, A_s<A_f, хотя может быть M_s<A_s 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.

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_f. 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.

1. Способ непрерывного контроля качества проволоки или подобного изделия из сплава с памятью формы, отличающийся тем, что содержит следующие стадии:a) 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 линии непосредственно или опосредованно изменений длины проволоки в заданных точках указанного устройства, соответствующих различным известным температурам;c) использования данных температуры и изменения длины для получения точек гистерезисной кривой указанного материала в диаграмме зависимости удлинения от температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проволоку подают с известной скоростью и с постоянным натяжением, при этом измерение изменений длины определяют из провисания между различными опорными точками, расположенными вдоль устройства.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проволоку подают с известной скоростью и с постоянным натяжением, при этом измерение изменений длины определяют посредством измерения изменений скорости проволоки между различными точками устройства.

4. Устройство для непрерывного контроля качества проволоки (F) или подобного изделия из сплава с памятью формы, отличающееся тем, что содержит:a) средства, подходящие для создания вдоль проволоки (F) известного температурного профиля в диапазоне, охватывающем характеристические температуры переходов материала проволоки;b) средства, подходящие для измерения непосредственно или опосредованно изменения длины проволоки (F) при каждой различной температуре; иc) блоки (B,B',V,V'), подающие проволоку (F).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что изменение длины проволоки измеряется непосредственно посредством измерения провисания проволоки между различными опорными точками, имеющими различную температуру, с помощью оптического средства.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что подающие средства (B,B',V,V') выполнены с возможностью регулирования натяжения и скорости подачи проволоки (F), при этом изменение длины проволоки измеряется опосредованно с помощью средств, подходящих для измерения скорости проволоки в различных точках, имеющих различную температуру.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные средства, подходящие для создания известного температурного профиля вдоль проволоки, содержат точки контакта с проволокой, имеющие различный электрический потенциал.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные средства, подходящие для создания известного температурного профиля вдоль проволоки, содержат одну или несколько термостатических камер (Т).

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит несколько термостатических камер (Т), в каждой из которых с помощью автоматических систем регулирования поддерживается постоянной заданная температура, и при этом указанные средства, подходящие для измерения непосредственно или опосредованно изменения длины проволоки, расположены в каждой из указанных камер (Т).

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит единственную термостатическую камеру (Т), нагреваемую в своей центральной зоне для создания непрерывного температурного профиля в указанном диапазоне, при этом указанные средства, подходящие для измерения непосредственно или опосредованно изменения длины проволоки, расположены в заданных точках вдоль указанной камеры (Т).

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства контролирования температуры в заданных точках вдоль указанной единственной термостатической камеры (Т).

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что указанные заданные точки контролирования температуры совпадают с точками, в которых расположены указанные средства, подходящие для измерения непосредственно или опосредованно изменения длины проволоки.

13. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средства измерения скорости проволоки (F) являются направляющими шкивами (М), на которые наматывается проволока (F) без скольжения, и скорость которых измеряется с помощью датчиков положения высокого разрешения.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что шаг (Р) между шкивами (М) является постоянным.

15. Устройство по любому из пп.4-14, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство маркировки проволоки, которое автоматически активируется, если измеренные параметры достигают величин, которые находятся вне допустимого диапазона допусков.