CN101971016B - 钢质工件的非破坏性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对受到真空渗碳处理的齿轮(15)的强度进行测试的非破坏性测试系统。将内嵌在具有楔形截面的树脂构件(32)中的检测线圈(33)放置于齿轮的槽底(44)附近，测量槽底的渗碳深度，以测试出齿轮的强度。

Description

钢质工件的非破坏性测试系统

技术领域

本发明涉及利用涡电流现象对钢质工件进行测试的非破坏性测试系统。

背景技术

在制造后，对钢质工件，典型为齿轮，进行测试。在该测试中，只有通过预定合格标准的钢质工件能进入下一步。在这种情况下需要进行非破坏性测试。这种非破坏性测试不会危及钢质工件的形状，并能实现对所有工件的测试。

已经提出了多种进行非破坏性测试的装置，其中之一是利用涡电流的涡电流测试装置，例如日本专利申请特开2004-108873号公报中公开的。下面参考图15描述该涡电流测试装置。

如图15所示，在圆柱形钢质工件101上缠绕励磁线圈102和检测线圈103。从交流电源104向励磁线圈102施加交流电压。这实现在钢质工件101的表面层中生成涡电流。通过该涡电流，在检测线圈103中生成交流电流。通过测量装置105测量该生成的交流电流的电压。基于该检测到的电压确定强度和渗碳深度。

钢质工件101被施加电压，并且由于仅仅是基于涡电流检测生成的电压，所以不存在划伤钢质工件101的危险，并且能够在不损害工件的情况下测试质量。因此，能够实现对钢质工件101的完全测试。

由于励磁线圈102和检测线圈103的形状，钢质工件101的形状局限于轴、圆柱或圆管，当钢质工件101为平板时则应用困难。因此，涡电流测试装置的应用受限。

鉴于此，需要一种能够在钢质工件101呈圆柱形或平板形时均能使用的涡电流非破坏性测试装置。

如图16所示，从齿轮107左侧的齿顶108L到检测线圈103的距离L1优选应该是恒定的。这是因为当距离L1发生改变时，检测到的电压发生波动，测量精度降低。对于通过手动确定距离L1的手动测试装置，难以保持距离L1恒定。对于通过机械手等自动确定距离L1的自动测试装置，测试装置昂贵且大型。

鉴于此，需要一种能够保持被测物与检测线圈之间的距离恒定的小型廉价的非破坏性测试装置。

此外，当将齿轮107用作测试物体通过检测线圈103检测基于涡电流的电压时，齿轮107的整个外周缘均起着用于该检测电压的测试物体的作用。也就是说，关于齿轮107的齿顶111的信息和关于槽底112的信息被组合和协调。常见的是容易在齿轮107的槽底发生缺陷，而使用组合的信息，则存在槽底112存在缺陷时不能检测到这些缺陷的危险。

鉴于此，需要一种能够单独测试齿轮107的槽底112的非破坏性测试装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种利用涡电流现象对钢质工件进行非破坏性测试的装置，其包括：从棒状基部的两端沿相同方向延伸有棒状臂部的铁芯；缠绕在两个臂部上并用于在钢质工件的表面中生成涡电流的励磁线圈；从基部延伸出来并位于励磁线圈之间的支承构件；设置于支承构件的远端并用于检测涡电流的检测线圈；和将检测线圈检测到的检测信息换算成关于钢质工件的质量信息的换算器件。

能够仅仅通过使设置有励磁线圈和检测线圈的铁芯面对钢质工件，来进行测试。由于仅仅是使铁芯面对钢质工件，所以钢质工件的形状可以是板、轴或圆柱。

优选地，支承构件由树脂制成。

通过使用轻质的树脂，能够降低测试装置的重量。

优选地，钢质工件的质量表示为工件表面的硬度、或者工件表面附近区域的硬度。

能够通过测量硬度来测试钢质工件的强度。具体说，测试装置能够用于测试强度。

优选地，钢质工件受到真空渗碳处理。

能够通过测量渗碳深度来测试钢质工件的强度。具体说，测试装置适于受到真空渗碳处理的钢质工件。

如优选地，支承构件的远端具有楔形截面，以便能够插入齿轮的两个齿之间。

由于支承构件的远端是楔形的，所以支承构件能够插入齿轮的两个齿之间，从而能够通过测试装置测试齿轮的槽底的质量。

优选地，测试装置还设置有接触构件，接触构件比起支承构件从铁芯延伸的更远，并通过远端与钢质工件发生接触，而使钢质工件到检测线圈的距离保持恒定。

由于钢质工件到检测线圈的距离能通过接触构件保持恒定，所以能够提高测量精度。

优选地，接触构件的远端是球体。

如果远端是球体，则球体能够与钢质工件发生点接触。

优选地，钢质工件是齿轮。

齿轮是昂贵的产品，经由测试装置的测试能够保证昂贵齿轮的质量。

优选地，齿轮受到真空渗碳处理。

渗碳齿轮是更昂贵的产品，经由测试装置的测试能够保证昂贵齿轮的质量。

优选地，沿齿轮的宽度方向对铁芯设置至少两个接触构件。

如果存在多个接触构件，则能够防止相对于钢质工件的倾斜，以高精度使钢质工件到检测线圈的距离保持恒定，从而能够进一步提高测量精度。

优选地，接触构件在铁芯上安装成能够沿齿轮的宽度方向移动。

接触构件根据齿轮尺寸移动，特别是根据齿轮宽度。由于能够通过一个测试装置测试不同形状的多个齿轮，所以能够增大测试装置的有效性。

根据本发明的第二方面，提供了一种利用涡电流现象对受到真空渗碳处理的例如齿轮等钢质工件进行钢质工件非破坏性测试的方法，该方法包括以下步骤：通过励磁线圈在齿轮的槽底生成涡电流；通过检测线圈检测涡电流；通过换算器件将检测到的涡电流换算成渗碳深度；以及当获得的渗碳深度在预定的合格基准深度范围外时，判定钢质工件为不合格品。

具体说，通过测试槽底来测试齿轮。在受到真空渗碳处理的齿轮中，槽底比起其它区域渗碳深度容易较小。与对齿轮的整个周缘包括齿顶进行测试的测试方法相比，根据对槽底进行测试的本发明，能更可靠地确定不合格产品。结果是能够更可靠地进行测试。

优选地，对齿轮的所有槽底均进行测试。

由于这种所谓的完全测试，使得测试能够更加可靠。

优选地，切割齿轮；在切割面中测量与距外表面的深度相对应的硬度，以找出渗碳深度与硬度之间的相互关系；以及通过换算器件确定渗碳深度，以便能够确定对应于渗碳深度的硬度。在确定了相互关系后，不必切割齿轮。

据此该方面，不但能够确定渗碳深度，而且还能确定硬度。

在优选形式中，测量数据是通过以下方式获得的曲线形式的数据：将多个测得的硬度值的点绘制在横轴表示距外表面的距离而纵轴表示硬度的图上，并将这些点连起来。

硬度值的数量可局限于能够通过曲线形式的数据得出的数量。具体说，能够减少测量硬度的测量点的数量。结果是能够降低在破坏性测试中涉及的测试成本。

附图说明

图1是钢质工件的非破坏性测试装置的原理的示意图；

图2是钢质工件的非破坏性测试装置的局部放大图；

图3是沿图2所示箭头3的方向所取的截面图；

图4是沿图2所示箭头4的方向所取的截面图；

图5是图2所示区域5的放大截面图；

图6是从图5所示箭头6-6的方向观察到的视图；

图7示出了接触构件之间的空间变宽时的接触构件的操作；

图8示出了接触构件之间的空间变窄时的接触构件的操作；

图9是由测得的硬度值绘成的点图；

图10是由曲线将测得的硬度值连接而成的曲线图；

图11是电压X与渗碳深度的关系图；

图12是频率与相关系数之间的关系曲线图；

图13A～13D是钢质工件的非破坏性测试装置的操作示意图；

图14是钢质工件的非破坏性测试方法的流程图；

图15是现有技术的基本原理示意图；

图16是用于说明现有技术的问题的视图。

具体实施方式

如图1所示，用于钢质工件的非破坏性测试装置10包括：基座11；设置在基座11的顶面中央并向图中左右方向延伸的导轨12；载置于导轨12上并能左右移动的滑动器13；被滑动器13经由轴承14纵向地且可旋转地支承、并用于支承例如齿轮等钢质工件15的工件支承轴16；容纳在滑动器13内并用于以恒定节距旋转工件支承轴16的分度电机(index motor)17；载置于基座11上并沿导轨12来回移动滑动器13的缸筒单元18；用于控制缸筒单元18和分度电机17的控制器19；从基座11的一端(图中左侧)向上延伸的支架21；和通过螺栓22、22安装至支架21上部的铁芯23。

铁芯23由棒状基部23A和从基部23A的一端和另一端延伸的臂部23B、23C构成。在臂部23B与臂部23C之间的中间位置，用于支承检测线圈的支承构件24从铁芯23朝钢质工件15延伸。

在臂部23B的远端设置有接触构件28，接触构件28由朝钢质工件15延伸的球体支承部25和设置在球体支承部25远端的例如钢球等球体26构成。臂部23C相似地设置有接触构件28。

臂部23B、23C上缠绕有励磁线圈29、29，而励磁线圈29、29连接有用于施加交流电压的交流电源31。

检测线圈33内嵌在支承构件24的远端中。检测线圈33依次连接有：从检测线圈33获得电信息并将该信息换算成渗碳深度的换算器件35；将所得渗碳深度与合格基准深度(acceptable depth)进行比较以判断是否合格的合否判定单元36；和基于所得合否判定结果来显示合格或不合格的合否显示单元37。

如图2所示，用于钢质工件的非破坏性测试装置10的主要元件包括：棒状臂部23B、23C从棒状基部23A的两端沿相同方向延伸的铁芯23；缠绕在两个臂部23B、23C上、并用于在钢质工件15的表面中生成涡电流的励磁线圈29、29；从基部23A延伸出来并位于励磁线圈29、29之间的支承构件24；设置在支承构件24的远端、用于检测涡电流的检测线圈33；和将检测线圈33检测到的检测信息换算成关于钢质工件15的质量的信息的换算器件35。

测试可仅通过以下方式进行：将包括励磁线圈29、29和检测线圈33的铁芯23设置成使铁芯面对钢质工件15。由于铁芯23仅仅设置成面对钢质工件15，所以钢质工件15的形状可为板、轴或圆柱。

如图3所示，支承构件24的远端包括呈楔形截面或三角形截面的树脂构件32。检测线圈33内嵌在树脂构件32中。

由于树脂构件32呈三角形截面，所以树脂构件能够插入轮齿之间，而检测线圈33能够靠近槽底44。

支承构件24可整体由树脂构成。这是因为如果使用轻质的树脂，则支承构件24会更轻。

如果钢质工件15是受到真空渗碳处理(vacuum carburization)的齿轮，则齿轮的渗碳深度在槽底44处最小(最浅)。如果测量渗碳深度最薄的槽底，则能够知道齿轮是否具有预定的强度。

优选地，如图4所示，球体支承部25由棱柱形基部43和从基部43的一端延伸出来的锥形部42构成。球体支承部25能够通过对棱柱形基部43使用扳手的简单方式得到旋转。

设置于锥形部42末端的球体26的球径的外径设置成满足以下两个条件：第一是在齿顶48与相邻齿顶48之间形成通道，第二是在到达槽底44前与齿面49、49的表面发生接触。具体说，由于球体26与触点51、51发生接触，所以限定了图中球体的左右位置和垂直位置。另外，球体26的中心与槽底44的中心对齐。

因此，槽底44到检测线圈33(图3)或励磁线圈29、29(图2)的距离能够实现恒定。通过使这些距离恒定，能够改善测量。也就是说，能够提供可靠度高的钢质工件测试装置。

此外，在钢质工件15是齿轮的情况下，接触构件28能够与齿轮的齿面49与相邻齿面49之间发生接触。通过使接触构件28与齿面49和另一齿面49之间发生接触，一个接触构件能够在两点(附图标记51、51)发生接触。在两点发生接触能使齿轮到检测线圈的距离稳定。

下面将描述球体支承部25和臂部23C的优选实施例。

如图5所示，接触构件28的基部43具有六边形截面，并在端部形成有外螺纹柱46。外螺纹柱46拧入形成于臂部23C中的内螺纹孔47中。

如图6所示，臂部23C中形成有例如三个内螺纹孔47。可根据待测量工件的尺寸从这些内螺纹孔47中选择一个内螺纹孔47，并将接触构件28(图4)拧入其中。

以下是在臂部23C中形成有多个内螺纹孔47时的操作的说明。

如图7所示，当对大齿宽齿轮53进行测试时，上接触构件28与下接触构件28之间的空间变宽。

当待测齿轮53的尺寸发生变化时，旋转接触构件28，以从内螺纹孔47中去除接触构件28。

如图8所示，当对小齿宽齿轮54进行测试时，上接触构件28与下接触构件28之间的空间变窄。

具体说，可沿齿轮54的齿宽方向移动接触构件28，从而能够根据齿轮54的尺寸移动接触构件28。因此，能够通过一个测试装置测量各种齿轮，这是有利的。

此外，在沿齿轮54的齿宽方向设置两个接触构件28的情况下，通过使两个接触构件28、28与齿轮54发生接触，能够防止铁芯相对于齿轮54掉落或倾斜。

图1中所述的换算器件35必须存储有将测得的电压X换算成渗碳深度的换算表。

作为存储操作的一部分，使用图1所示非破坏性测试装置10，将频率设定为1kHz，并测量已受真空渗碳处理的齿轮的电压X。电压X为-67mV。该测量相当于非破坏性测试。

然后，切割齿轮，打磨切割面，并测量渗碳深度。该测量相当于破坏性测试。将切割面作为测量目标，使用显微维氏硬度计，从表面起直到1.0mm每0.1mm测量一次维氏硬度(Hv)。测量结果在图9中示出。

具体说，图9是将原始数据画在图上的测量所得硬度的点图，横轴表示均表面的深度，而纵轴表示维氏硬度。

对于这种齿轮，通常要求的规格是“在距表面○○mm的深度，洛氏C级硬度大于等于50”。洛氏C级硬度50相当于维氏硬度(Hv)513。

在纵轴梯度上没有对应于513的点。为此，用平滑曲线将图9中的各点连接起来。

由此得到图10所示曲线。在该曲线图中，在纵轴上从513引出横线，从水平线与曲线的交点向下引出垂线，读取垂线与横轴相交点的距离。该距离为距表面0.64mm。

通过上述方式获得基于破坏性测试的数据。在本发明中，记录伴随涡电流的电信号。对于基于破坏性测试的数据，改善电信号的精度很重要。

图11是电压X与渗碳深度的关系图，其中横轴表示渗碳深度(相当于距表面的距离)，而纵轴表示电压X，并以实心圆示出了一个数据点(0.64mm，-67mV)。

通过改变渗碳条件制备了21个样品，并按照与图9和10相同的程序，确定出这些样品的渗碳深度和电压X。这21个样品的数据以空心圆表示在图中。

该实心圆点和21个空心圆点沿向下延伸至右侧的直线分布。如果纵轴的电压X通过测量获得，则对应于所得电压X的渗碳深度能够从关系图确定。

虽然未给出具体的计算方法，但是该分布的相关系数(r²)为0.92。

如果确定了电压X，则能够从图11确定渗碳深度，而如果确定了渗碳深度，则能够基于图10确定硬度。

因此，如果确定了电压X，则能够确定渗碳深度和硬度两者。

正如从上述说明变得清楚明了的，本发明具有以下方面的特性。具体说，如图9和10所示，所得硬度和深度能够从通过如下曲线获得，即将从齿轮表面朝中心连续测得的硬度的图示点连接而成的曲线。由于曲线是通过连接点而获得的，所以能够将测量点的数量设少，从而能够缩短测量时间，并降低测量成本。

其次，为了明确优选频率，使频率在700Hz～4kHz范围内变化，对各频率制备22个样品，制作类似于图11的关系图，并确定相关系数。其结果在下一图中示出。

图12是频率与相关系数之间的关系的曲线图，其中相关系数在1kHz时最大，而在2kHz及以上减小。从700Hz～1kHz，相关系数变动小。

可知，要找出真空渗碳齿轮的槽底的渗碳深度，频率优选设定在700Hz～1kHz的范围。

下面描述使用涡电流现象来测试钢质工件的钢质工件的非破坏性测试方法。

首先，如图13A所示，使齿轮54沿箭头(1)所示方向朝静止的检测线圈33移动。

其次，如图13B所示，使任一槽底44与检测线圈33相对。于是，在齿轮54的槽底44中，通过励磁线圈生成涡电流。涡电流被检测线圈检测到。然后，通过换算器件将检测到的涡电流换算成渗碳深度。当所得渗碳深度在合格基准深度的预定范围外时，判定钢质工件为不合格品。

然后，沿箭头(2)所示方向移回齿轮54。

然后，如图13C所示，(沿箭头(3)所示方向)使齿轮54旋转一个节距(相应于一个齿)。于是，如图13C所示，使下一槽底44面对检测线圈33。接下来回到图13A的步骤，继续操作。该继续的操作根据流程再次描述。

下面，将参考流程图描述钢质工件的非破坏性测试方法。

如图14所示，在步骤(简称为ST)01，建立合格基准深度Ds。例如，合格基准深度Ds可设定为0.5mm。将0.5mm输入图1中的合否判定单元36。

在ST02，将待测齿轮的齿数N输入图1中的控制器19。为了监视测量次数，首先将次数n设定为1(ST03)。然后，按图7和8所示方式定位接触构件28(ST04)。

当接触构件28完成定位后，按图13A所示向前移动齿轮(ST05)。按图13B所示测量槽底的电压X(ST06)。通过图1所示换算器件35将电压X换算成渗碳深度Da(ST07)。图1所示合否判定单元36判断通过测量获得的渗碳深度Da是否大于合格基准深度Ds(ST08)。如果判定为“是”，则显示“合格”(ST09)。然后，按图13B中的箭头(2)所示向后移动齿轮(ST10)。

然后确定测量周期的数量(ST11)。在第一周期中，n为1。如果齿轮的齿数N为例如40，则因n＜N而判定为“否”，并使n加1(ST12)。然后，按图13C所示使齿轮旋转一个齿量(ST13)。然后，从ST05开始再次测量槽底的渗碳深度。

在ST08，如果渗碳深度Da在合格基准深度Ds之下，则判定为“否”，并显示不合格(ST14)。在不合格的情况下，这时可停止对该齿轮的测量。

在ST11，如果测量次数n达到齿数N，则意味着所有槽底均已测试，显示屏将显示测量完成，并结束测量(ST15)。

在齿数为40的情况下，可能存在38个齿合格，而另外两个齿不合格的情况。这时，在每个齿轮只测一个齿的随机测试中，可能发生测试遗漏。鉴于此，需要测试所有齿的完成测试。根据本发明，能够轻松地进行对所有齿的完全测试。

在本发明的钢质工件非破坏性测试方法中，可通过除图1所示钢质工件非破坏性测试装置10外的其它装置或工具来测量渗碳深度。也就是说，只要能够以非破坏性方式测量槽底，则测量装置的形式或类型是无关紧要的。

工业适用性

本发明可用作对经过真空渗碳处理的齿轮的渗碳深度进行测量的技术。

Claims (11)

1.一种利用涡电流现象对齿轮进行非破坏性测试的装置，包括：

铁芯，其中从棒状基部的两端沿相同方向延伸有棒状臂部；

缠绕在两个臂部上并用于在齿轮的表面中生成涡电流的励磁线圈；

从基部延伸出来并位于励磁线圈之间的支承构件；

设置于支承构件的远端并用于检测涡电流的检测线圈；

接触构件，所述接触构件比起支承构件从铁芯延伸的更远，并通过远端与齿轮发生接触，而使齿轮到检测线圈的距离保持恒定，接触构件在铁芯上安装成能够沿齿轮的宽度方向移动；和

将检测线圈检测到的检测信息换算成关于齿轮的质量信息的换算器件。

2.如权利要求1所述的装置，其中，支承构件由树脂制成。

3.如权利要求1所述的装置，其中，齿轮的质量表示为工件表面的硬度、或者工件表面附近区域的硬度。

4.如权利要求1所述的装置，其中，齿轮受到真空渗碳处理。

5.如权利要求1所述的装置，其中，接触构件的远端是球体。

6.如权利要求1所述的装置，其中，支承构件的远端具有楔形截面，

以便能够插入齿轮的两个齿之间。

7.如权利要求1所述的装置，其中，沿齿轮的齿宽方向为铁芯提供至少两个接触构件。

8.一种对钢质工件进行非破坏性测试的方法，其中利用涡电流现象对作为钢质工件的受到真空渗碳处理的齿轮进行测试，所述方法包括以下步骤：

沿齿轮的齿宽方向设置两个接触构件，并根据齿轮的尺寸移动该接触构件，以将接触构件定位在齿轮的齿宽方向上；

通过励磁线圈在齿轮的槽底生成涡电流；

通过检测线圈检测涡电流；

通过换算器件将检测到的涡电流换算成渗碳深度；以及

当获得的渗碳深度在预定的合格基准深度范围外时，判定钢质工件为不合格品。

9.如权利要求8所述的方法，其中，对齿轮的所有槽底均进行测试。

10.如权利要求8所述的方法，其中，还包括以下步骤：

切割齿轮；

在切割面中测量与距外表面的深度相对应的硬度，找出渗碳深度与硬度之间的相互关系；以及

通过换算器件确定渗碳深度，以确定对应于渗碳深度的硬度。

11.如权利要求8所述的方法，其中，测量数据是通过以下方式获得的曲线形式的数据：将多个测得的硬度值的点绘制在横轴表示距外表面的距离而纵轴表示硬度的图上，并将这些点连起来。

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