鋼質工件的非破壞性測試系統的製作方法

2023-10-11 11:29:09 4

專利名稱：：鋼質工件的非破壞性測試系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及利用渦電流現象對鋼質工件進行測試的非破壞性測試系統。
背景技術：
：在製造後，對鋼質工件，典型為齒輪，進行測試。在該測試中，只有通過預定合格標準的鋼質工件能進入下一步。在這種情況下需要進行非破壞性測試。這種非破壞性測試不會危及鋼質工件的形狀，並能實現對所有工件的測試。已經提出了多種進行非破壞性測試的裝置，其中之一是利用渦電流的渦電流測試裝置，例如日本專利申請特開2004-108873號公報中公開的。下面參考圖15描述該渦電流測試裝置。如圖15所示，在圓柱形鋼質工件101上纏繞勵磁線圈102和檢測線圈103。從交流電源104向勵磁線圈102施加交流電壓。這實現在鋼質工件101的表面層中生成渦電流。通過該渦電流，在檢測線圈103中生成交流電流。通過測量裝置105測量該生成的交流電流的電壓。基於該檢測到的電壓確定強度和滲碳深度。鋼質工件101被施加電壓，並且由於僅僅是基於渦電流檢測生成的電壓，所以不存在劃傷鋼質工件101的危險，並且能夠在不損害工件的情況下測試質量。因此，能夠實現對鋼質工件101的完全測試。由於勵磁線圈102和檢測線圈103的形狀，鋼質工件101的形狀局限於軸、圓柱或圓管，當鋼質工件101為平板時則應用困難。因此，渦電流測試裝置的應用受限。鑑於此，需要一種能夠在鋼質工件101呈圓柱形或平板形時均能使用的渦電流非破壞性測試裝置。如圖16所示，從齒輪107左側的齒頂108L到檢測線圈103的距離Ll優選應該是恆定的。這是因為當距離Ll發生改變時，檢測到的電壓發生波動，測量精度降低。對於通過手動確定距離Ll的手動測試裝置，難以保持距離Ll恆定。對於通過機械手等自動確定距離Ll的自動測試裝置，測試裝置昂貴且大型。鑑於此，需要一種能夠保持被測物與檢測線圈之間的距離恆定的小型廉價的非破壞性測試裝置。此外，當將齒輪107用作測試物體通過檢測線圈103檢測基於渦電流的電壓時，齒輪107的整個外周緣均起著用於該檢測電壓的測試物體的作用。也就是說，關於齒輪107的齒頂111的信息和關於槽底112的信息被組合和協調。常見的是容易在齒輪107的槽底發生缺陷，而使用組合的信息，則存在槽底112存在缺陷時不能檢測到這些缺陷的危險。鑑於此，需要一種能夠單獨測試齒輪107的槽底112的非破壞性測試裝置。
發明內容根據本發明的第一方面，提供了一種利用渦電流現象對鋼質工件進行非破壞性測試的裝置，其包括從棒狀基部的兩端沿相同方向延伸有棒狀臂部的鐵芯；纏繞在兩個臂部上並用於在鋼質工件的表面中生成渦電流的勵磁線圈；從基部延伸出來並位於勵磁線圈之間的支承構件；設置於支承構件的遠端並用於檢測渦電流的檢測線圈；和將檢測線圈檢測到的檢測信息換算成關於鋼質工件的質量信息的換算器件。能夠僅僅通過使設置有勵磁線圈和檢測線圈的鐵芯面對鋼質工件，來進行測試。由於僅僅是使鐵芯面對鋼質工件，所以鋼質工件的形狀可以是板、軸或圓柱。優選地，支承構件由樹脂製成。通過使用輕質的樹脂，能夠降低測試裝置的重量。優選地，鋼質工件的質量表示為工件表面的硬度、或者工件表面附近區域的硬度。能夠通過測量硬度來測試鋼質工件的強度。具體說，測試裝置能夠用於測試強度。優選地，鋼質工件受到真空滲碳處理。能夠通過測量滲碳深度來測試鋼質工件的強度。具體說，測試裝置適於受到真空滲碳處理的鋼質工件。如優選地，支承構件的遠端具有楔形截面，以便能夠插入齒輪的兩個齒之間。由於支承構件的遠端是楔形的，所以支承構件能夠插入齒輪的兩個齒之間，從而能夠通過測試裝置測試齒輪的槽底的質量。優選地，測試裝置還設置有接觸構件，接觸構件比起支承構件從鐵芯延伸的更遠，並通過遠端與鋼質工件發生接觸，而使鋼質工件到檢測線圈的距離保持恆定。由於鋼質工件到檢測線圈的距離能通過接觸構件保持恆定，所以能夠提高測量精度。優選地，接觸構件的遠端是球體。如果遠端是球體，則球體能夠與鋼質工件發生點接觸。優選地，鋼質工件是齒輪。齒輪是昂貴的產品，經由測試裝置的測試能夠保證昂貴齒輪的質量。優選地，齒輪受到真空滲碳處理。滲碳齒輪是更昂貴的產品，經由測試裝置的測試能夠保證昂貴齒輪的質量。優選地，沿齒輪的寬度方向對鐵芯設置至少兩個接觸構件。如果存在多個接觸構件，則能夠防止相對於鋼質工件的傾斜，以高精度使鋼質工件到檢測線圈的距離保持恆定，從而能夠進一步提高測量精度。優選地，接觸構件在鐵芯上安裝成能夠沿齒輪的寬度方向移動。接觸構件根據齒輪尺寸移動，特別是根據齒輪寬度。由於能夠通過一個測試裝置測試不同形狀的多個齒輪，所以能夠增大測試裝置的有效性。根據本發明的第二方面，提供了一種利用渦電流現象對受到真空滲碳處理的例如齒輪等鋼質工件進行鋼質工件非破壞性測試的方法，該方法包括以下步驟通過勵磁線圈在齒輪的槽底生成渦電流；通過檢測線圈檢測渦電流；通過換算器件將檢測到的渦電流換算成滲碳深度；以及當獲得的滲碳深度在預定的合格基準深度範圍外時，判定鋼質工件為不合格品。具體說，通過測試槽底來測試齒輪。在受到真空滲碳處理的齒輪中，槽底比起其它區域滲碳深度容易較小。與對齒輪的整個周緣包括齒頂進行測試的測試方法相比，根據對槽底進行測試的本發明，能更可靠地確定不合格產品。結果是能夠更可靠地進行測試。優選地，對齒輪的所有槽底均進行測試。由於這種所謂的完全測試，使得測試能夠更加可靠。優選地，切割齒輪；在切割面中測量與距外表面的深度相對應的硬度，以找出滲碳深度與硬度之間的相互關係；以及通過換算器件確定滲碳深度，以便能夠確定對應於滲碳深度的硬度。在確定了相互關係後，不必切割齒輪。據此該方面，不但能夠確定滲碳深度，而且還能確定硬度。在優選形式中，測量數據是通過以下方式獲得的曲線形式的數據將多個測得的硬度值的點繪製在橫軸表示距外表面的距離而縱軸表示硬度的圖上，並將這些點連起來。硬度值的數量可局限於能夠通過曲線形式的數據得出的數量。具體說，能夠減少測量硬度的測量點的數量。結果是能夠降低在破壞性測試中涉及的測試成本。圖1是鋼質工件的非破壞性測試裝置的原理的示意圖；圖2是鋼質工件的非破壞性測試裝置的局部放大圖；圖3是沿圖2所示箭頭3的方向所取的截面圖；圖4是沿圖2所示箭頭4的方向所取的截面圖；圖5是圖2所示區域5的放大截面圖；圖6是從圖5所示箭頭6-6的方向觀察到的視圖；圖7示出了接觸構件之間的空間變寬時的接觸構件的操作；圖8示出了接觸構件之間的空間變窄時的接觸構件的操作；圖9是由測得的硬度值繪成的點圖；圖10是由曲線將測得的硬度值連接而成的曲線圖；圖11是電壓X與滲碳深度的關係圖；圖12是頻率與相關係數之間的關係曲線圖；圖13A13D是鋼質工件的非破壞性測試裝置的操作示意圖；圖14是鋼質工件的非破壞性測試方法的流程圖；圖15是現有技術的基本原理示意圖；圖16是用於說明現有技術的問題的視圖。具體實施例方式如圖1所示，用於鋼質工件的非破壞性測試裝置10包括基座11；設置在基座11的頂面中央並向圖中左右方向延伸的導軌12；載置於導軌12上並能左右移動的滑動器13；被滑動器13經由軸承14縱向地且可旋轉地支承、並用於支承例如齒輪等鋼質工件15的工件支承軸16；容納在滑動器13內並用於以恆定節距旋轉工件支承軸16的分度電機(indexmotor)17；載置於基座11上並沿導軌12來回移動滑動器13的缸筒單元18；用於控制缸筒單元18和分度電機17的控制器19；從基座11的一端(圖中左側)向上延伸的支架21；和通過螺栓22、22安裝至支架21上部的鐵芯23。鐵芯23由棒狀基部23A和從基部23A的一端和另一端延伸的臂部23B、23C構成。在臂部23B與臂部23C之間的中間位置，用於支承檢測線圈的支承構件24從鐵芯23朝鋼質工件15延伸。在臂部23B的遠端設置有接觸構件28，接觸構件28由朝鋼質工件15延伸的球體支承部25和設置在球體支承部25遠端的例如鋼球等球體26構成。臂部23C相似地設置有接觸構件28。臂部23B、23C上纏繞有勵磁線圈29、29，而勵磁線圈29、29連接有用於施加交流電壓的交流電源31。檢測線圈33內嵌在支承構件24的遠端中。檢測線圈33依次連接有從檢測線圈33獲得電信息並將該信息換算成滲碳深度的換算器件35；將所得滲碳深度與合格基準深度(acceptabledepth)進行比較以判斷是否合格的合否判定單元36；和基於所得合否判定結果來顯示合格或不合格的合否顯示單元37。如圖2所示，用於鋼質工件的非破壞性測試裝置10的主要元件包括棒狀臂部23B、23C從棒狀基部23A的兩端沿相同方向延伸的鐵芯23；纏繞在兩個臂部23B、23C上、並用於在鋼質工件15的表面中生成渦電流的勵磁線圈29、29；從基部23A延伸出來並位於勵磁線圈29、29之間的支承構件24；設置在支承構件24的遠端、用於檢測渦電流的檢測線圈33；和將檢測線圈33檢測到的檢測信息換算成關於鋼質工件15的質量的信息的換算器件35。測試可僅通過以下方式進行將包括勵磁線圈29、29和檢測線圈33的鐵芯23設置成使鐵芯面對鋼質工件15。由於鐵芯23僅僅設置成面對鋼質工件15，所以鋼質工件15的形狀可為板、軸或圓柱。如圖3所示，支承構件24的遠端包括呈楔形截面或三角形截面的樹脂構件32。檢測線圈33內嵌在樹脂構件32中。由於樹脂構件32呈三角形截面，所以樹脂構件能夠插入輪齒之間，而檢測線圈33能夠靠近槽底44。支承構件24可整體由樹脂構成。這是因為如果使用輕質的樹脂，則支承構件24會更輕。如果鋼質工件15是受到真空滲碳處理(vacuumcarburization)的齒輪，則齒輪的滲碳深度在槽底44處最小(最淺)。如果測量滲碳深度最薄的槽底，則能夠知道齒輪是否具有預定的強度。優選地，如圖4所示，球體支承部25由稜柱形基部43和從基部43的一端延伸出來的錐形部42構成。球體支承部25能夠通過對稜柱形基部43使用扳手的簡單方式得到旋轉。設置於錐形部42末端的球體26的球徑的外徑設置成滿足以下兩個條件第一是在齒頂48與相鄰齒頂48之間形成通道，第二是在到達槽底44前與齒面49、49的表面發生接觸。具體說，由於球體26與觸點51、51發生接觸，所以限定了圖中球體的左右位置和垂直位置。另外，球體26的中心與槽底44的中心對齊。因此，槽底44到檢測線圈33(圖3)或勵磁線圈29、29(圖2)的距離能夠實現恆定。通過使這些距離恆定，能夠改善測量。也就是說，能夠提供可靠度高的鋼質工件測試裝置。此外，在鋼質工件15是齒輪的情況下，接觸構件28能夠與齒輪的齒面49與相鄰齒面49之間發生接觸。通過使接觸構件28與齒面49和另一齒面49之間發生接觸，一個接觸構件能夠在兩點(附圖標記51、51)發生接觸。在兩點發生接觸能使齒輪到檢測線圈的距離穩定。下面將描述球體支承部25和臂部23C的優選實施例。如圖5所示，接觸構件28的基部43具有六邊形截面，並在端部形成有外螺紋柱46。外螺紋柱46擰入形成於臂部23C中的內螺紋孔47中。如圖6所示，臂部23C中形成有例如三個內螺紋孔47。可根據待測量工件的尺寸從這些內螺紋孔47中選擇一個內螺紋孔47，並將接觸構件28(圖4)擰入其中。以下是在臂部23C中形成有多個內螺紋孔47時的操作的說明。如圖7所示，當對大齒寬齒輪53進行測試時，上接觸構件28與下接觸構件28之間的空間變寬。當待測齒輪53的尺寸發生變化時，旋轉接觸構件28，以從內螺紋孔47中去除接觸構件28。如圖8所示，當對小齒寬齒輪54進行測試時，上接觸構件28與下接觸構件28之間的空間變窄。具體說，可沿齒輪54的齒寬方向移動接觸構件28，從而能夠根據齒輪54的尺寸移動接觸構件28。因此，能夠通過一個測試裝置測量各種齒輪，這是有利的。此外，在沿齒輪54的齒寬方向設置兩個接觸構件28的情況下，通過使兩個接觸構件28、28與齒輪54發生接觸，能夠防止鐵芯相對於齒輪54掉落或傾斜。圖1中所述的換算器件35必須存儲有將測得的電壓X換算成滲碳深度的換算表。作為存儲操作的一部分，使用圖1所示非破壞性測試裝置10，將頻率設定為1kHz，並測量已受真空滲碳處理的齒輪的電壓X。電壓X為_67mV。該測量相當於非破壞性測試。然後，切割齒輪，打磨切割面，並測量滲碳深度。該測量相當於破壞性測試。將切割面作為測量目標，使用顯微維氏硬度計，從表面起直到1.Omm每0.Imm測量一次維氏硬度(Hv)0測量結果在圖9中示出。具體說，圖9是將原始數據畫在圖上的測量所得硬度的點圖，橫軸表示均表面的深度，而縱軸表示維氏硬度。對於這種齒輪，通常要求的規格是「在距表面〇〇mm的深度，洛氏C級硬度大於等於50」。洛氏C級硬度50相當於維氏硬度(Hv)513。在縱軸梯度上沒有對應於513的點。為此，用平滑曲線將圖9中的各點連接起來。由此得到圖10所示曲線。在該曲線圖中，在縱軸上從513引出橫線，從水平線與曲線的交點向下引出垂線，讀取垂線與橫軸相交點的距離。該距離為距表面0.64mm。通過上述方式獲得基於破壞性測試的數據。在本發明中，記錄伴隨渦電流的電信號。對於基於破壞性測試的數據，改善電信號的精度很重要。圖11是電壓X與滲碳深度的關係圖，其中橫軸表示滲碳深度(相當於距表面的距離)，而縱軸表示電壓X，並以實心圓示出了一個數據點(0.64mm,-67mV)。通過改變滲碳條件製備了21個樣品，並按照與圖9和10相同的程序，確定出這些樣品的滲碳深度和電壓X。這21個樣品的數據以空心圓表示在圖中。該實心圓點和21個空心圓點沿向下延伸至右側的直線分布。如果縱軸的電壓X通過測量獲得，則對應於所得電壓X的滲碳深度能夠從關係圖確定。雖然未給出具體的計算方法，但是該分布的相關係數(r2)為0.92。如果確定了電壓X，則能夠從圖11確定滲碳深度，而如果確定了滲碳深度，則能夠基於圖10確定硬度。因此，如果確定了電壓X，則能夠確定滲碳深度和硬度兩者。正如從上述說明變得清楚明了的，本發明具有以下方面的特性。具體說，如圖9和10所示，所得硬度和深度能夠從通過如下曲線獲得，即將從齒輪表面朝中心連續測得的硬度的圖示點連接而成的曲線。由於曲線是通過連接點而獲得的，所以能夠將測量點的數量設少，從而能夠縮短測量時間，並降低測量成本。其次，為了明確優選頻率，使頻率在700Hz4kHz範圍內變化，對各頻率製備22個樣品，製作類似於圖11的關係圖，並確定相關係數。其結果在下一圖中示出。圖12是頻率與相關係數之間的關係的曲線圖，其中相關係數在IkHz時最大，而在2kHz及以上減小。從700HzIkHz，相關係數變動小。可知，要找出真空滲碳齒輪的槽底的滲碳深度，頻率優選設定在700HzIkHz的範圍。下面描述使用渦電流現象來測試鋼質工件的鋼質工件的非破壞性測試方法。首先，如圖13A所示，使齒輪54沿箭頭(1)所示方向朝靜止的檢測線圈33移動。其次，如圖13B所示，使任一槽底44與檢測線圈33相對。於是，在齒輪54的槽底44中，通過勵磁線圈生成渦電流。渦電流被檢測線圈檢測到。然後，通過換算器件將檢測到的渦電流換算成滲碳深度。當所得滲碳深度在合格基準深度的預定範圍外時，判定鋼質工件為不合格品。然後，沿箭頭⑵所示方向移回齒輪54。然後，如圖13C所示，(沿箭頭(3)所示方向)使齒輪54旋轉一個節距(相應於一個齒)。於是，如圖13C所示，使下一槽底44面對檢測線圈33。接下來回到圖13A的步驟，繼續操作。該繼續的操作根據流程再次描述。下面，將參考流程圖描述鋼質工件的非破壞性測試方法。如圖14所示，在步驟(簡稱為ST)01，建立合格基準深度Ds。例如，合格基準深度Ds可設定為0.5mm。將0.5mm輸入圖1中的合否判定單元36。在ST02，將待測齒輪的齒數N輸入圖1中的控制器19。為了監視測量次數，首先將次數η設定為1(ST03)。然後，按圖7和8所示方式定位接觸構件28(ST04)。當接觸構件28完成定位後，按圖13Α所示向前移動齒輪(ST05)。按圖13Β所示測量槽底的電壓X(ST06)。通過圖1所示換算器件35將電壓X換算成滲碳深度Da(ST07)。圖1所示合否判定單元36判斷通過測量獲得的滲碳深度Da是否大於合格基準深度Ds(ST08)。如果判定為「是」，則顯示「合格」(ST09)。然後，按圖13Β中的箭頭(2)所示向後移動齒輪(STlO)。然後確定測量周期的數量(STll)。在第一周期中，η為1。如果齒輪的齒數N為例如40，則因η<N而判定為「否」，並使η加1(ST12)。然後，按圖13C所示使齒輪旋轉一個齒量(ST13)。然後，從ST05開始再次測量槽底的滲碳深度。在ST08，如果滲碳深度Da在合格基準深度Ds之下，則判定為「否」，並顯示不合格(ST14)。在不合格的情況下，這時可停止對該齒輪的測量。在ST11，如果測量次數η達到齒數N，則意味著所有槽底均已測試，顯示屏將顯示測量完成，並結束測量(ST15)。在齒數為40的情況下，可能存在38個齒合格，而另外兩個齒不合格的情況。這時，在每個齒輪只測一個齒的隨機測試中，可能發生測試遺漏。鑑於此，需要測試所有齒的完成測試。根據本發明，能夠輕鬆地進行對所有齒的完全測試。在本發明的鋼質工件非破壞性測試方法中，可通過除圖1所示鋼質工件非破壞性測試裝置10外的其它裝置或工具來測量滲碳深度。也就是說，只要能夠以非破壞性方式測量槽底，則測量裝置的形式或類型是無關緊要的。工業適用性本發明可用作對經過真空滲碳處理的齒輪的滲碳深度進行測量的技術。權利要求一種利用渦電流現象對鋼質工件進行非破壞性測試的裝置，包括鐵芯，其中從棒狀基部的兩端沿相同方向延伸有棒狀臂部；纏繞在兩個臂部上並用於在鋼質工件的表面中生成渦電流的勵磁線圈；從基部延伸出來並位於勵磁線圈之間的支承構件；設置於支承構件的遠端並用於檢測渦電流的檢測線圈；和將檢測線圈檢測到的檢測信息換算成關於鋼質工件的質量信息的換算器件。2.如權利要求1所述的裝置，其中，支承構件由樹脂製成。3.如權利要求1所述的裝置，其中，鋼質工件的質量表示為工件表面的硬度、或者工件表面附近區域的硬度。4.如權利要求1所述的裝置，其中，鋼質工件受到真空滲碳處理。5.如權利要求1所述的裝置，其中，支承構件的遠端具有楔形截面，以便能夠插入齒輪的兩個齒之間。6.如權利要求1所述的裝置，其中，還包括接觸構件，接觸構件比起支承構件從鐵芯延伸的更遠，並通過遠端與鋼質工件發生接觸，而使鋼質工件到檢測線圈的距離保持恆定。7.如權利要求6所述的裝置，其中，接觸構件的遠端是球體。8.如權利要求7所述的裝置，其中，鋼質工件是齒輪。9.如權利要求8所述的裝置，其中，齒輪受到真空滲碳處理。10.如權利要求8所述的裝置，其中，沿齒輪的寬度方向為鐵芯提供至少兩個接觸構件。11.如權利要求8所述的裝置，其中，接觸構件在鐵芯上安裝成能夠沿齒輪的寬度方向移動。12.—種對鋼質工件進行非破壞性測試的方法，其中利用渦電流現象對作為鋼質工件的受到真空滲碳處理的齒輪進行測試，所述方法包括以下步驟通過勵磁線圈在齒輪的槽底生成渦電流；通過檢測線圈檢測渦電流；通過換算器件將檢測到的渦電流換算成滲碳深度；以及當獲得的滲碳深度在預定的合格基準深度範圍外時，判定鋼質工件為不合格品。13.如權利要求12所述的方法，其中，對齒輪的所有槽底均進行測試。14.如權利要求12所述的方法，其中，還包括以下步驟切割齒輪；在切割面中測量與距外表面的深度相對應的硬度，找出滲碳深度與硬度之間的相互關係；以及通過換算器件確定滲碳深度，以確定對應於滲碳深度的硬度。15.如權利要求14所述的方法，其中，測量數據是通過以下方式獲得的曲線形式的數據將多個測得的硬度值的點繪製在橫軸表示距外表面的距離而縱軸表示硬度的圖上，並將這些點連起來。全文摘要本發明公開了對受到真空滲碳處理的齒輪(15)的強度進行測試的非破壞性測試系統。將內嵌在具有楔形截面的樹脂構件(32)中的檢測線圈(33)放置於齒輪的槽底(44)附近，測量槽底的滲碳深度，以測試出齒輪的強度。文檔編號G01N27/80GK101971016SQ20098010898公開日2011年2月9日申請日期2009年3月17日優先權日2008年3月27日發明者山本雄三,長澤一郎申請人:本田技研工業株式會社