JP2007218590A - 超音波による焼入深さ測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波による焼き入れ深さ非破壊測定技術によって、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができる測定方法、装置、プログラムを提供する。
【解決手段】軸回転する外輪２の転走面２ｃに垂直に対向させた超音波プローブ１１により発信された超音波の反射波を超音波プローブ１１で受信する。受信された反射波における所定サンプリング回転角度毎の散乱波のピーク信号を超音波測定手段１２により検出する。このピーク信号が現れるピーク位置を、検出したピーク信号の発信から受信までの伝搬時間より算出することで測定する。超音波の散乱確率分布のヒストグラムを求め、所定の基準で超音波深さ位置を定める。この散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準は複数準備し、一つを選択する。定められた超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの焼入れ深さである有効硬化層深さを求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、周面に焼入れ硬化層を有するワーク、例えば複列円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪等において、高周波焼入により焼入れ処理された転走面等の焼入れ硬化層の焼入れ深さを、超音波を用いて測定する方法および測定装置に関する。

従来、車輪用軸受等の焼入れ部分の深さの検査は、ワークを切断後、硬度計で測定することによって行っていた。このような焼入れ深さの測定方法の場合、切断および硬度測定に時間がかかる、測定後のワークは廃却されるから無駄になる、などの問題点があった。一方、焼入れ深さを非破壊で計測する方法も開発され、特許文献１〜３および非特許文献１，２には非破壊の計測方法として以下のような技術的事項が開示されている。

（ａ）焼入れ深さの測定に超音波を用いている点。
（ｂ）焼入れ層と母材層の超音波散乱確率の差を元に焼入れ深さの測定を行っている点。（ｃ）超音波散乱確率の差を可視化し、焼入れ深さのパターンを描いている点。
（ｄ）焼入れ深さの測定システムとして、超音波探傷機の信号をパソコンで処理し、計算で深さを求めている点。
（ｅ）超音波で求めた焼入れ深さのデータと硬度による焼入れ深さのデータとの相関を評価している点。
（ｆ）超音波の周波数として５０ＭＨｚ以上の高周波を利用している点。
特開平７−２２９７０５号公報 特開平９−２５７７６８号公報 特開２００４−１７７１５９号公報 田中、阪野、森永共著、「超音波による焼入れ深さ可視化技術の開発」、平成９年春季大会講演概要集、超音波計測５、平成９年５月発行、ｐ．９３−９６ 三原、鈴木、伊達、坂野、田中共著、「組織散乱エコーによる硬化深さの評価」、１９９４年秋季大会資料、ｐ．３１５−３２２

上記従来の技術では、超音波の散乱波の分布から焼入れ深さを求める際に、超音波の可視化パターンの境界線を目視によって読み取り、表面からの深さを焼入れ深さと判断している。しかし、目視により判断する方法では、読み取りに時間がかかる他、個人差で測定値が変わるという問題点がある。
また、上記非特許文献１では、超音波の確率分布のピーク位置を焼入れ深さとしているが、必ずしも最適な方法とは言えない。
さらに、上記各文献の技術では、円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪転走面端部などのように、超音波が乱れる部位の焼入れ深さの測定を行う例は示されておらず、したがって円すいころ軸受形の車輪用軸受外輪の転走面への適用はなされていない。

この発明の目的は、超音波による焼き入れ深さ非破壊測定技術によって、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができ、その際に、ワークに適した処理方法が選択できて、ワークに応じた精度の良い焼入れ深さの測定が可能であり、かつ測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間を短縮できる超音波による焼入深さ測定方法、測定装置、および測定プログラムを提供することである。
この発明の他の目的は、円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪転走面の焼入れ深さを測定することができる焼入れ深さ測定方法を提供することである。

この発明の超音波による焼入深さ測定方法は、ワークの周面に設けられた焼入れ硬化層のワーク表面からの深さを測定する方法であって、
ワークを上記周面の中心回りに回転させながら、上記周面であるワーク表面に対向させた超音波プローブにより所定サンプリング回転角度毎に超音波を発信させ、この超音波の反射波を受信する過程と、
受信された反射波における上記所定サンプリング回転角度毎の散乱波のピーク信号を超音波検出手段により検出し、このピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置を、検出したピーク信号の発信から受信までの伝播時間による測定する過程と、 ワークの１回転毎に所定ピッチでワークの軸方向に走査することで、上記ピーク位置の測定を、軸方向の所定範囲につき行う過程と、
この所定範囲の測定により得られたデータから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める過程と、
この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める過程とを含む。
上記散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準は複数準備し、これらの準備された複数の基準のうちの一つを選択して前記超音波深さ位置を定める。
ワークは、例えば炭素鋼製のものであり、またその測定する周面は、高周波焼入れ等の処理がなされたものである。

炭素鋼を高周波焼入れすることによって形成される焼入れ層は、マルテンサイトと呼ばれる微細で品質な組織である。一方、母材は、フェライトとパーライトが層状に重なりあった不均質な粗い組織である。上記焼入れ層を有するワークの周面に、例えば５０ＭＨｚ程度の超音波を入射させると、焼入れ層では超音波がほとんど散乱せず、母材層で散乱される。
この発明方法は、この散乱波の散乱確率の差から、焼入れ深さの推定を行う。このための処理として、上記のように、受信された散乱波のピーク信号を検出し、このピーク信号が現れる転走面表面からの深さ位置であるピーク位置を、伝搬時間より算出する。
このようにして得られたピーク位置のデータから、超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める。このように所定の基準を定めておいて、超音波深さ位置を定めるため、測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間が短縮できる。
この場合に、前記基準として、測定対象となるワークの種類や、測定箇所、焼入れ条件等によって、どのような基準で超音波を定めると、硬度による焼入れ深さとの相関が高いかが異なる。したがって、これらの検出基準を２つ以上準備しておいて、予備テスト等を行い、最も硬度による測定と相関が高く、かつ安定している検出基準を選択することで、焼入れ深さを精度良く求めることができる。
なお、散乱確率分布から所定の基準で超音波深さ位置を定める過程では、散乱確率分布のヒストグラムを作成すると、処理が容易である。
超音波深さは、硬度測定によって得られる焼入れ深さである有効硬化層深さとは一致しないが、予め両者の相関を調べて変換式を作成しておくことで、超音波深さから、硬度による焼入れ深さである有効硬化層深さの推定を行うことができる。

この発明において、散乱確率分布から超音波深さを求める複数の所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準うちのいずれか２つ以上の検出基準を含むものとしても良い。また、これらの４つの検出基準を含むものであっても良い。
これらの検出基準を準備して選択的に用いれば、種々のワーク種類、その測定箇所、焼入れ硬化層深さ等に応じて、焼入れ深さを精度良く求めることができる。

この発明において、超音波深さ位置から有効硬化層深さを求める所定の推定処理は、有効硬化層深さを測定する軸方向の目的測定位置の近傍における超音波深さの測定値を元に、最小二乗法による近似線を求め、この近似線から、その目的測定位置における超音波深さ位置を求め、この求めた超音波深さ位置から所定の推定式を用いてその目的測定位置の有効硬化層深さを求める処理としても良い。
このように、焼入れ深さを測定したい箇所の近傍のデータを用いて最小二乗法による近似を行うことで、ノイズの影響を軽減させることができる。

この発明方法において、前記ワークが円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪であり、前記周面が、この外輪の転走面であっても良い。
転走面端部は、超音波の乱れが発生するため、直接に超音波による測定を行うことができないが、近傍における焼入れ深さの測定値を元に推定をすることで、測定が可能になる。このように、この発明方法によると、超音波による焼き入れ深さ非破壊測定技術によって、円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪転走面の焼入れ深さを測定することができる。

この発明の超音波による焼入深さ測定装置は、ワークの周面に設けられた焼入れ硬化層のワーク表面からの深さを測定する装置であって、
入力データとして、ワーク周面全周の所定サンプリング回転角度毎における、超音波を対向発信させて受信された散乱波のピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置のデータを、ワークの軸方向の所定範囲につき求めた測定データを読み込む測定データ読込手段（４６）と、
この読み込まれた測定データから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める超音波深さ位置算出手段（４７）と、
この算出された超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める有効硬化層深さ推定手段（４８）とを含むものである。
前記超音波深さ位置算出手段（４７）は、散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準のうちの少なくとも２つ以上の検出基準と、これらの検出基準を選択する手段（５５）を有する。

この構成の測定装置によると、この発明の超音波による焼入深さ測定方法を実施して、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができ、その際に、ワークに適した処理方法が選択できて、ワークに応じた精度の良い焼入れ深さの測定が行え、かつ測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間を短縮することができる。

この発明の超音波による焼入深さ測定プログラム（４３）は、コンピュータにより実行可能なプログラムであって、
入力データとして、ワーク周面全周の所定サンプリング回転角度毎における、超音波を対向発信させて受信された散乱波のピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置のデータを、ワークの軸方向の所定範囲につき求めた測定データを読み込む手順（Ｓ１）と、
この読み込まれた測定データから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める手順（Ｓ２）と、
この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める手順（Ｓ３）とを含む。
前記超音波深さ位置を定める手順（Ｓ２）は、散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準と、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準と、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準と、散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準と、これらの基準を選択する手順（２３）とを含む。

この構成の測定プログラム（４３）によると、この発明の超音波による焼入深さ測定方法を実施できて、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができ、その際に、ワークに適した処理方法が選択できて、ワークに応じた精度の良い焼入れ深さの測定が行え、かつ測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間を短縮することができる。

この発明の超音波による焼入深さ測定方法は、ワークの周面に設けられた焼入れ硬化層のワーク表面からの深さを測定する方法であって、ワークを上記周面の中心回りに回転させながら、上記周面であるワーク表面に対向させた超音波プローブにより所定サンプリング回転角度毎に超音波を発信させ、この超音波の反射波を受信する過程と、受信された反射波における上記所定サンプリング回転角度毎の散乱波のピーク信号を超音波検出手段により検出し、このピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置を、検出したピーク信号の発信から受信までの伝播時間による測定する過程と、ワークの１回転毎に所定ピッチでワークの軸方向に走査することで、上記ピーク位置の測定を、軸方向の所定範囲につき行う過程と、この所定範囲の測定により得られたデータから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める過程と、この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める過程とを含み、上記散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準を複数準備し、これらの準備された複数の基準のうちの一つを選択して前記超音波深さ位置を定める方法であるため、超音波による焼き入れ深さ非破壊測定技術によって、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができ、その際に、ワークに適した処理方法が選択できて、ワークに応じた精度の良い焼入れ深さの測定が行え、かつ測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間を短縮することができる。

この発明の超音波による焼入深さ測定装置および測定プログラムによると、この発明の超音波による焼入深さ測定方法を実施できて、ワーク周面の焼入れ深さを測定することができ、その際に、ワークに適した処理方法が選択できて、ワークに応じた精度の良い焼入れ深さの測定が行え、かつ測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間を短縮することができる。

この発明の超音波による焼入深さ測定方法および装置を、図１ないし図１９と共に説明する。測定対象となるワーク２を図３に拡大して示す。このワーク２は、円すいころ軸受形の車輪用軸受装置における外輪であり、その測定対象となる周面は、ワーク２の内周の転走面２ｃである。ワーク２は、軸方向の中央側が小径となるテーパ面からなる複列の転走面２ｃを有しており、炭素鋼製とされている。これら転走面２ｃは高周波焼入れが施されている。この外輪からなるワーク２は、車輪取付用のフランジ２ａを一端に有するハブ一体型のものである。

この外輪２は、図１４に示す車輪用軸受１に用いられるものである。同図の車輪用軸受１は、従動輪支持用の外輪回転型の円すいころ軸受であり、上記外輪であるワーク２と、複列の内輪３と、これら内輪３および外輪２の転走面３ａ，２ｃ間に介在した円すいころ４と、保持器５とを有する。内輪３は、各列毎に分割して設けられている。内輪３と外輪２間の軸受空間の両端は、シール６により密封されている。

図３において、ワーク２の転走面２ｃの測定箇所は、イ，ロ，ハ，ニ，ホ，ヘの６点である。この内、イ，ハ，ニ，ヘ部は、転走面２ｃの端部であり、詳しくは転走面２ｃの端から微小距離（０．５ｍｍ）だけ転走面中央側の位置である。ロ，ホ部は転走面３ｃの中央位置をそれぞれ示す。
これら６点の測定箇所の測定を行うにつき、後述のように転走面２ｃの全体の測定を行い、その測定結果より上記６点の測定値を定める。

測定系を図１，図２に示す原理図と共に説明する。図１において、測定対象となるワーク２は、水を入れた測定槽１０内の回転台１０ａ上に、三爪のチャック１０ｂにより固定する。回転台１０ａは、サーボモータからなる回転駆動源１０ｃにより、測定槽１０と共に回転させられる。
超音波プローブ１１は、ワーク２の転走面２ｃに対して垂直となる姿勢で、走査機構２１の走査台２２に設置される。走査台２２は、回転台１０ａに固定されたワーク２の軸方向Ｙおよび径方向Ｘに移動可能なものであり、両方向の合成動作によってテーパ面からなる転走面２ｃに対して、一定の距離を保った状態で軸方向に移動可能とされる。

図２に走査機構２１の概念構成を示す。走査台２２は、それぞれサーボモータからなる径方向駆動源２７および軸方向駆動源２８により、径方向Ｘおよび軸方向Ｙに移動させられる。各方向の駆動源２７，２８の駆動による走査台２２の移動は、制御手段（図示せず）による制御によって、また手動操作によって可能とされている。

操作台２２の各軸方向の位置は、上記各駆動源２７，２８等に設けられたエンコーダ等の位置検出器２９，３０により検出可能とされる。これら位置検出器２９，３０の検出データ、および前記回転台１０の回転角度を検出する位置検出器３１の検出データは、超音波深傷機１２に接続されたパーソナルコンピュータ等のコンピュータ１３に入力され、超音波深傷機１２の検出データと関連付けて保存可能とされる。超音波深傷機１２は、超音波検出手段であって、超音波プローブ１１に超音波の発信および受信を行わせ、散乱波のピーク信号の検出、およびそのピーク信号の超音波発信からの伝搬時間の測定機能を有するものである。

なお、超音波プローブ１１としてクラウトクレーマー社製ＴＫＰ５０−５−２５（５０ＭＨｚ，ｆ＝２５ｍｍ，Φ５ｍｍ）を使用し、超音波探傷機１２としては、クラウトクレーマー社製ＨＩＳ３・ＨＦを使用することができる。コンピュータ１３は、例えば、クラウトクレーマー社製の超音波探傷映像化装置（ＳＤＳ−ｗｉｎ）を使用するが、一般的なパーソナルコンピュータを使用しても良い。

上記パーソナルコンピュータ１３に、一次データ測定装置４０、および焼入深さ測定値処理装置４１が構成されている。上記クラウトクレーマー社製の超音波探傷映像化装置は、一次データ測定装置４０を備えたものである。
一次データ測定装置４０は、超音波探傷機１２で得た測定データに所定の処理を施し、その処理後の測定データをデータファイルとして保存する手段である。
焼入深さ測定値処理装置４１は、一次データ測定装置４０で作成した測定データのファイルから、焼入れ深さを自動計算する装置である。

上記のような測定系を用い、図１のように、ワーク２を回転台１０ａに固定し、超音波プローブ１１を、ワーク２の転走面２ｃに対して水距離３mmの位置で垂直となるようにセットする。ワーク２を回転台１０ａにより所定の回転速度（例えば、２０ｒｐｍ）で回転させ、所定サンプリング回転角度（例えば０．０４°）毎の超音波プローブ１１による超音波の散乱波のピーク信号を、超音波探傷機１２で検出し、その伝搬時間情報をパーソナルコンピュータ１３へ送る。

パーソナルコンピュータ１３では、一次データ測定装置４０により、超音波探傷機１２の伝搬時間情報から散乱波が最大となる位置（表面からの深さ）を算出する。上記の所定サンプリング回転角度によると、ワーク２を１回転させる毎に９０００個のデータを得ることができる。
焼入れ深さを求める箇所は、上記６箇所（イ〜ヘ）（図３）の測定部であるが、焼入れパターンを得て上記６箇所の焼入れ深さを正確に推定するために、転走面２ｃの全域の測定を行う。このために、ワーク２が１回転する毎に、水距離３ｍｍを保ちつつ、所定ピッチ（０．２５ｍｍのピッチ）でワーク２の軸方向に超音波プローブ１１を走査することにより、転走面２ｃの全域の測定を行う。
一次データ測定装置４０は、このようにした得た散乱波が最大となる表面からの深さ位置のデータを、各位置検出器２９〜３１により得られる回転方向位置、および軸方向，径方向位置と関連続けてデータファイルとして保存する。データファイルは、この例では、一つのワーク２における各転走面２ｃ毎に作成する。したがって、一つのワーク２に対して、測定箇所イ〜ハを含む転走面２ｃのファイルと、測定箇所ニ〜ヘを含む転走面２ｃのファイルとが作成される。

図１において、焼入れ深さ測定値処理装置４１は、パーソナルコンピュータ１３と、このパーソナルコンピュータ１３により実行する焼入れ深さ測定プログラム４３とで構成される。焼入れ深さ測定プログラム４３は、コンピュータで実行可能なプログラムであって、図４に流れ図で示す各手順Ｓ１〜Ｓ３を含むものである。この焼入れ深さ測定プログラム４３をパーソナルコンピュータ１３にインストールすることで、図５に概念構成をブロック図で示すように、焼入れ深さ測定値処理装置４１が構成される。

この焼入れ深さ測定値処理装置４１および焼入れ深さ測定プログラム４３は、概要を説明すると、一次データ測定装置４０で作成された上記測定データのファイルを読み込むことで自動的に焼入れ深さを計算するものである。これは、従来の超音波探傷映像化装置による超音波の映像パターンを、カーソル等を用いて目視で読み取るのに比べて、工数の削減や読み取りの個人差を排除できる等が利点である。

この焼入れ深さ測定値処理装置４１および焼入れ深さ測定プログラム４３の主な機能は、次の各機能である。
・一次データ測定装置４０で作成されたファイルを読み込み、転走面２ｃの両端と中央の３箇所の焼入れ深さ（推定硬化層深さである有効硬化層深さ）を自動計算し、結果を画面等に表示する。
・超音波散乱波の確率分布を濃淡画像として可視化する。この濃淡画像をオペレータが見て熱処理条件が著しく異なっているかの判断を行える場合がある。
・転走面２ｃの全長に渡るヒートパターンの概略を表示する。
・各段階の自動計算結果等の処理データを、他のソフトウェアに複写して貼り付けたり、テキストファイルの形式で書き出せるものとする。

図４において、焼入れ深さ測定プログラム４３は、測定データ読み込み手順Ｓ１、超音波深さ位置定め手順Ｓ２、および有効硬化層深さ推定手順Ｓ３を含む。
超音波深さ位置定め手順Ｓ２には、散乱確率分布の計算・表示手順Ｓ２１、有効測定範囲算出手順Ｓ２２、ヒートパターン計算表示手順Ｓ２３、超音波深さ算出手順Ｓ２４を含む。
これらの手順の詳細は、後に焼入深さ測定方法と共に説明する。

図５において、焼入深さ測定値処理装置４１は、測定データ記憶手段４５、測定データ読込手段４６、超音波深さ位置算出手段４７、有効硬化層深さ推定手段４８、ワーク設定手段４９、および画面表示装置４４を備える。画面表示装置４４は、液晶表示装置やブラウン管等からなる。
超音波深さ位置算出手段４７は、散乱確率分布計算手段５０、散乱確率分布表示手段５１、有効測定範囲算出手段５２、範囲取得方式選択手段５３、ヒートパターン計算手段５４、検出基準選択手段５５、ヒートパターン表示手段５６、超音波深さフィッティング手段５７、および超音波深さ表示手段５８を有する。
有効硬化層深さ推定手段４８は、推定計算手段５９および推定結果表示手段５０を有する。
ワーク設定手段４９は、製品設定部６１、測定範囲設定部６２、および焼入れ深さ設定部６３を有する。
上記各手段の機能については、以下に説明する。

この焼入れ深さ測定値処理装置４１および焼入れ深さ測定プログラム４３による焼入深さ測定方法を説明する。
ワーク設定手段４９は、焼入れ深さの自動計算の前に、ワーク２に応じた種々の事項を設定する手段である。新規型番や焼入れ条件の変更時には、この焼入深さ測定装置４１による計算を行わせるよりも前に、硬度による焼入れ深さの測定と超音波による焼入れ深さの測定を行い、両者の相関が最も良くなるように、ワーク２や推定式などについての設定を行う必要がある。
ワーク設定手段４９は、上記製品設定部６１、測定範囲設定部６２、および焼入れ深さ設定部６３により、それぞれ、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示す製品設定用の入力画面、測定範囲推定用の入力画面、および焼入れ深さに関する入力画面を画面表示装置４４に表示させ、入力を行わせるようにしている。各入力画面は、画面中の「製品」，「測定範囲」，「焼き入れ深さ」と表示されたタブを選択することで、切換可能とされる。また、このワーク設定手段４９による設定は、ワーク２の各転走面２ｃ毎に設定可能とされている。

図１３（Ａ）の製品設定用の入力画面では、製品つまりワーク２の寸法として、レース長（転走面２ｃの長さのこと）、端位置、およびテーパ角度を入力ボックスを表示し、数値を入力させるようにしている。レース長については、ワーク２の図面等より、転走面２ｃの長さを入力する。端位置は、超音波で直接に測定できない端位置をどの位置で代用するかの値の入力を行う。テーパ角については、ワーク２の図面等から、テーパ角を度の単位等で入力する。
製品設定用の入力画面では、この他に推定式に関する入力を行わせるが、推定式については、後に関連する事項と共に説明する。
また、図１３（Ｂ），（Ｃ）の各入力画面についても、後に関連する事項と共に説明する。

図５において、測定データ記憶手段４５は、一次データ測定装置４０で作成された上記測定データのファイルを保存する手段であり、測定した複数のワーク２の各２つの転走面２ｃ毎の測定データファイルが、保存される。保存した測定データファイルは、画面表示装置４４にファイル名等で一覧表示される。

測定データ読込手段４６は図４の測定データ読み込み手順Ｓ１を実行する手段である。この手順Ｓ１では、画面表示装置４４に表示された測定データファイルのファイル名が、オペレータによる入力手段（図示せず）からの入力により指定されると、計算対象となる測定データファイルを読み込む処理を行う。

測定データファイルを読み込むと、超音波深さ位置算出手段４７および有効硬化層深さ推定手段４８により、図４の超音波深さ位置定め手順Ｓ２、および有効硬化層深さの推定手順Ｓ３が実行され、図６に例示する分布フォーム画面７０が画面表示装置４４に表示される。また、図１０に示すヒートパターンフォーム画面８０、および結果表示フォーム画面（図示せず）が表示され、各フォーム画面７０，８０につき、測定値や画像等が表示される。各フォーム画面７０，８０等は、所定の入力により切り換えて表示可能とされる。

上記超音波深さ位置定め手順Ｓ２では、まず、上記の読み込んだ測定データファイルから、超音波の表面からの深さに対する散乱確率分布のヒストグラム（図１２）を計算し、かつ散乱確率分布を濃淡画像として表示する（手順Ｓ２１）。この手順Ｓ２１の処理における散乱確率分布の計算を、図５の散乱確率分布計算手段５０が行い、計算結果となる散乱確率分布の濃淡画像を画面表示装置４４へ表示する出力を、散乱確率分布表示手段５１が行う。図１２のヒストグラムは、散乱確率分布計算手段５０による内部計算だけとして画面表示を行わなくても良く、また散乱確率分布表示手段５１により画面表示装置４４へ表示させるようにしても良い。

図１２（Ａ）〜（Ｄ）のヒストグラムは、散乱確率分布から超音波深さを求めるための各種検出基準についての説明表示が付加されており、付加部分となる表示を除くと、互いに同じグラフである。
このヒストグラムは、超音波の表面からの深さ位置を横軸に取り、各深さ位置における散乱確率分布を縦軸に示したものである。
同図のヒストグラムは、ワーク２の転走面２ｃにおける１箇所の軸方向位置のものを例示しており、この散乱確率のヒストグラムの計算は、測定面となる転走面２ｃの軸方向に走査された各軸方向位置について作成される。

散乱確率分布表示手段５１は、このように計算された転走面２ｃの各軸方向位置についてのヒストグラムから、画面表示装置４４に、図６の分布フォーム画面７０における散乱確率分布の濃淡画像を表示させる。

図６の分布フォーム画面７０は、３箇所の測定箇所に対応する分布フォーム表示部７１〜７３と、３箇所の測定箇所の数値表示部７４〜７６とを有する。
各分布フォーム表示部７１〜７３には、測定データを可視化した画像に、十字形の線（図では実線で示す）ａで、測定箇所と超音波深さを示した画像である。この線ａの交差部が、その測定箇所における超音波深さの位置を示す。また、上下に表示した２本の線ｂで、その間に挟まれた範囲が有効測定範囲であることを表している。
３か所の分布フォーム表示部７１〜７３は、図の左からワーク２の上端・中央・下端に対応している。図３の上側の転走面２ｃでは、イ部が上端、ロ部が中央、ハ部が下端であり、下側の転走面２ｃではヘ部が上端、ホ部が中央、ニ部が下端である。
３か所の分布フォーム表示部７１〜７３に表示された濃淡の可視化画像、および有効測定範囲を表す線ｂは、互いに同じであり、上記十字形の線ａの位置がそれぞれ異なっている。
上記十字形の線ａは、図５の超音波深さ表示手段５８によって表示され、有効測定範囲を表す線ｂは、ワーク設定手段４９の測定範囲設定部６２により、その設定データに従って表示される。

各分布フォーム表示部７１〜７３に表示された散乱確率分布の濃淡画像である可視化画像は、次のように処理された画像である。すなわち、測定面における個々の軸方向位置について、散乱波のピーク信号が現れる表面からの深さ位置を点として表示して全周分を重ね書きし、さらに軸方向につなぎ合わせて２次元表示に可視化した画像である。

図７に示すように、この可視化画像においては、焼入れ層の形状が、散乱波の発生確率が低く、塗りつぶされない部分のパターンとして映像化される。焼入れ層との境界付近の母材層では、散乱波の発生確率が高く塗り潰される。
この可視化パターンの塗りつぶされない部分と塗りつぶされた部分の境界位置を目視によって読取ることによって、表面からの深さを超音波深さとすることも可能であるが、この発明では超音波深さを自動計算する。この濃淡画像を表示するのは、熱処理異常品の判別などのために、分布フォーム表示部７１〜７３に上記のように濃淡画像を表示することが、信頼性向上のために好ましいからである。

熱処理異常品の中には、分布（濃淡）画像が正常品とは異なるパターンを示す場合がある。図９（Ａ）は正常品の分布画像の例を示すが、例えば、オーバーヒート品では、図９（Ｂ）に例を示すように、表面付近と中間付近に超音波分布が現れ、ヒートパターンの形状がぼやけた形状となる。このような場合の自動測定値は、正しい値ではない。このようなパターン形状から、目視により熱処理異常品であることが簡単にわかる。

図６の分布フォーム画面７０における各数値表示部７４〜７６は、画面の上側から、ワーク２の上端・中央・下端に対応している。これら数値表示部７４〜７６には、「測定位置」，「超音波深さ」，および「有効硬化層深さ」を示す意味の文字による表示と、その表示に対応する値、つまり測定位置、超音波深さ、および有効硬化層深さの値が表示される。数値表示部７４〜７６における測定位置は、ワーク設定手段４９による製品設定部６１の設定内容により、超音波深さについては超音波深さ表示手段５８により、また有効硬化層深さについては、推定結果表示手段５０により、それぞれ表示される。
なお、この分布フォーム画面７０において、測定データの未入力の状態（すなわち初期状態）では、分布フォーム表示部７１〜７３は内部が空白とされ、数値表示部７４〜７６は、文字表示だけとされて数値の表示箇所が空白とされる。

図４の散乱確率分布の計算・表示の手順Ｓ２１の後、有効測定範囲の算出の手順Ｓ２２が実行される。この手順Ｓ２２は、上記のように計算されたヒトスグラムから、有効測定範囲を算出する手順であり、図５の有効測定範囲算出手段５２によって実行される。
有効測定範囲は、測定面となるワーク２の転走面２ｃのうち、ヒートパターン（図１０）を計算する軸方向範囲のことである。転走面２ｃの両端では、超音波の乱れが生じるため、乱れを含まない範囲でヒートパターンを計算することが必要であるが、端部の焼入れ深さを求めるためには、できるだけ端の位置までの測定値を用いることが好ましい。転走面２ｃの端位置は、図１３（Ｂ）の製品入力画面で設定するが、それだけでは適切とはならない場合がある。そのため、有効測定範囲の取得方式を複数準備し、その取得方式を選択させ、必要なパラメータを入力させるようにしている。

例えば、図５のワーク設定手段４９の測定範囲設定部６２により、図１３の（Ｂ）に示す測定範囲の入力画面を出力させ、ここで「レベル」，「重心」、「固定」と表示された３種類の取得方式を選択させるようにしている。具体的な内容については説明を省略するが、概要を説明すると、「重心」で示された取得方式は、標準となる測定範囲の取得方式であり、所定の計算方法で測定範囲を取得する。「レベル」で示された取得方式は、標準的な取得方式である「重心」では正しく範囲が取得できない場合に選択する。「レベル」で示された取得方式を選択する場合、「レベル」と「幅」の値を入力させる入力ボックスか表示される。「レベル」については、大きな値を入力するほど、有効測定範囲が広くなる。「幅」については、大きな値を入力するほど、表面から深いデータを使って範囲取得が行われる。「固定」で示された取得方式は、ワーク２を回転台１０ａに対して所定の治具（図示せず）を使用して固定した場合につき選択される取得方式である。

図４において、有効測定範囲の算出手順Ｓ２２の後、ヒートパターンの計算と表示の手順Ｓ２３に進む。この手順Ｓ２３では、上記ヒストグラムからヒートパターンを計算し、その計算結果であるヒートパターンを画面表示装置４４に表示する。ヒートパターンの計算は、図５のヒートパターン計算手段５４が行い、その表示はヒートパターン表示手段５６が行う。

ヒートパターンは、図１０のヒートパターンフォーム画面８０に示されるように、測定面（転走面２ｃ）の軸方向の位置を横軸に取り、超音波深さを縦軸に取って曲線で示される超音波深さのパターンであり、有効測定範囲内の超音波深さが表示される。

ヒートパターンの計算においては、散乱確率分布のヒストグラムから、各位置の超音波深さを計算する。この散乱確率分布から超音波深さを計算する際の検出基準は、ヒートパターン計算手段５４に複数準備しておき、検出基準選択手段５５に選択させるようにしている。ヒートパターン計算手段５４は、その選択された検出基準によって超音波を計算する。ここでは、図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示す４種類の検出基準を準備している。
（Ａ）散乱確率が設定レベルＬを超える位置を超音波深さとする検出基準。
（Ｂ）散乱確率分布の傾きθが設定傾き角度（図示せず）を超える位置を超音波深さとする検出基準。
（Ｃ）散乱確率分布の傾きθが最大の位置（すなわち傾きのピーク位置）を超音波深さとする検出基準。
（Ｄ）散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準。

検出基準選択手段５５における上記４つの検出基準の選択は、ワーク設定手段４９の焼入れ深さ設定部６３により、図１３（Ｃ）のように表示される焼き入れ深さ入力画面において、「レベル」，「傾きのレベル」，「傾きのピーク位置」，「累積度数」とあるうちの任意の表示事項が選択されることで、対応する検出基準が選択されるものとしている。この入力画面では、レベル、傾きのレベル、累積度数を入力させる入力ボックスが表示され、選択された検出基準の種類に応じてその値が入力可能とされる。これらの入力された値が、選択された検出基準を用いた超音波深さの計算に用いられる。

図４において、ヒートパターンの計算・表示の手順Ｓ２３の後、各測定箇所（イ，ロ，ハ、またはニ，ホ，ヘ）の超音波深さの算出の手順Ｓ２４に進む。
この手順Ｓ２４では、超音波深さフィッティング算出手段５７により、各測定箇所の超音波深さを、ヒートパターンからのフィッティングにより算出する。すなわち、目的の測定箇所の近傍における超音波深さの測定値を元に、最小二乗法による近似線を求め、この近似線から、その目的測定箇所における超音波深さ位置を求める。上記近似線を求めるために用いる目的の測定箇所の近傍の範囲、つまりフィッティングに使用するデータの長さＦ１，Ｆ２，Ｆ３（図１１）については、図１３（Ｂ）の測定範囲の入力画面における下部に示すように、各測定箇所（上端、中央、下端）毎に、入力する。
このデータ長さＦ１，Ｆ２，Ｆ３は、範囲が広いほどノイズの影響を受け難くなるが、分解能が低下する。このため、焼入れ深さの変化が大きい端部では小さめの値を、焼入れ深さの変化が小さい中央部では大きめの値を設定することが好ましい。

図４において、各測定箇所の超音波深さの算出の手順Ｓ２４に続き、有効硬化層深さの推定・推定結果の表示の手順Ｓ３に進む。
この手順Ｓ３では、各測定箇所の超音波深さから、推定式を用いて有効硬化層深さを推定し、測定結果を表示する処理を、有効硬化層深さ推定手段４８により行う。このうち、推定の計算は推計計算手段５９が、推定結果の表示は推定結果表示手段５０がそれぞれ行う。

有効硬化層深さにつき説明する。超音波深さは、硬度計によって測定される焼入れ深さ（有効硬化層深さ）とは一致しない。図８は、焼入層、母材層、超音波深さ、有効硬化層深さの関係を示す。同図に示すように、超音波深さは組織の大きさが変化する境界とほぼ一致するのに対し、必要な硬度で定義される有効硬化層深さ位置は、組織の境界よりも浅い位置にあるためである。さらに、必要な硬度自体、製品によって異なるため、それによって有効硬化層深さも変わることとなる。

通常、焼入れ深さと言えば、有効硬化層深さを表す。そのため、超音波深さを有効硬化層深さに変換する必要がある。
そこで、この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの焼入れ深さである有効硬化層深さを求める。
この推定処理は、例えば次の推定式、
（有効硬化層深さ）＝（傾き）×（超音波深さ）×（切片）
によって計算処理とされる。
この推定式で用いる係数（傾き、切片）は、上端、中央、下端の３つの測定箇所毎にそれぞれ設定する。
これらの係数の入力は、図１３（Ａ）の製品入力画面において、「推定式」と表示された箇所に現れた入力ボックスに対して行う。

このようにしてワーク２の転走面２ｃにおける各測定箇所の硬度深さである有効硬化層深さが計算される。計算された有効硬化層深さの値は、推定結果表示手段５０により、図６の分布フォーム画面７０等に表示される他に、結果フォーム画面（図示せず）において、それまでに読み込んだ測定データファイルの測定位置、超音波深さと共に、一覧表示形式などで表示される。

この焼入深さ測定方法および測定値処理装置４１によると、このように、超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定めるようにしたため、測定者の個人差の影響を排除でき、また測定時間が短縮できる。
この場合に、前記所定の基準として、検出基準を２つ以上準備しておいて選択するようにしたため、測定対象となるワーク２の種類や、測定箇所、焼入れ条件等によって、どのような基準で超音波深さを定めると硬度による焼入れ深さとの相関が高いかを予備テスト等で求めておいて、最も硬度による測定と相関が高く、かつ安定している検出基準を選択することができる。そのため、焼入れ深さを精度良く求めることができる。

また、上記所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準の４つの基準を設けため、測定対象となるワーク２の種類や、測定箇所、焼入れ条件等に応じて、より精度の高い測定が可能となる。

さらに、目的測定箇所の近傍における超音波深さの測定値を元に、最小二乗法による近似線を求め、この近似線から、その目的測定箇所における超音波深さ位置を求めるようにしたため、ノイズの影響を軽減させることができて、精度の良い測定が行え、また超音波の乱れの大きい測定面の端部の焼入れ深さの測定も超音波によって行うことができる。

なお、この発明の転走面焼入れ深さ測定方法の対象軸受として、従動輪支持用の外輪回転型複列円すいころ軸受を例示したが、駆動輪支持用の外輪固定型複列円すいころ軸受においても、この発明の測定方法を適用することができる。また、外輪が車輪取付用のフランジを有するハブ一体型のものである例について述べたが、これに限定されるものではなく、その他の複列円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪転走面の焼入れ深さや、さらに他の焼入れされた周面を持つ各種のワークの測定にも広く適用されるものである。

この発明の焼入深さ測定方法の測定系を示す原理図である。 同測定系の具体例を示す正面図である。 測定対象と測定箇所を示す図である。 同測定方法に用いる超音波による焼入深さ測定プログラムの流れ図である。 同測定方法を実施する焼入れ深さ測定装置の概念構成を示すブロック図である。 同焼入れ深さ測定装置における散乱確率分布のフォーム画面例の説明図である。 同フォーム画面における散乱波の可視化パターンを示す図である。 焼入れ層の超音波深さおよび硬度深さの関係を示す図である。 散乱確率分布のフォーム画面における正常品とオーバーヒート品をそれぞれ示す説明図である。 ヒートパターン画面例の説明図である。 ヒートパターンと測定位置毎のデータ長の関係例を示す説明図である。 散乱確率分布のヒートパターンと各検出基準の関係を示す説明図である。 入力画面例の説明図である。 この発明方法が対象とする車輪用軸受の一例を示す断面図である。

符号の説明

１…車輪用軸受
２…外輪
２ａ…フランジ
２ｃ…転走面
１０ａ…回転台
１１…超音波プローブ
１２…超音波探傷機（超音波測定手段）
４１…焼入れ深さ測定値処理装置
４３…焼入れ深さ測定プログラム
４４…画面表示装置
４６…測定データ読込手段
４７…超音波深さ位置算出手段
４８…有効硬化層深さ推定手段
４９…ワーク設定手段
５０…散乱確率分布計算手段
５２…有効測定範囲算出手段
５４…ヒートパターン計算手段
５７…超音波深さフィッティング算出手段

Claims (7)

1. ワークの周面に設けられた焼入れ硬化層のワーク表面からの深さを測定する方法であって、
   ワークを上記周面の中心回りに回転させながら、上記周面であるワーク表面に対向させた超音波プローブにより所定サンプリング回転角度毎に超音波を発信させ、この超音波の反射波を受信する過程と、
   受信された反射波における上記所定サンプリング回転角度毎の散乱波のピーク信号を超音波検出手段により検出し、このピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置を、検出したピーク信号の発信から受信までの伝播時間による測定する過程と、 ワークの１回転毎に所定ピッチでワークの軸方向に走査することで、上記ピーク位置の測定を、軸方向の所定範囲につき行う過程と、
   この所定範囲の測定により得られたデータから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める過程と、
   この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの焼入れ深さである有効硬化層深さを求める過程とを含み、
   上記散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準を複数準備し、これらの準備された複数の基準のうちの一つを選択して前記超音波深さ位置を定める、
   超音波による焼入深さ測定方法。
2. 請求項１において、散乱確率分布から超音波深さを求める複数の所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超
   音波深さとする検出基準のうちのいずれか２つ以上の検出基準を含む超音波による焼入深さ測定方法。
3. 請求項１において、散乱確率分布から超音波深さを求める複数の所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準の４つの検出基準を含む超音波による焼入深さ測定方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、超音波深さ位置から有効硬化層深さを求める所定の推定処理は、有効硬化層深さを測定する軸方向の目的測定位置の近傍における超音波深さの測定値を元に、最小二乗法による近似線を求め、この近似線から、その目的測定位置における超音波深さ位置を求め、この求めた超音波深さ位置から所定の推定式を用いてその目的測定位置の有効硬化層深さを求める処理である超音波による焼入深さ測定方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記ワークが円すいころ軸受形の車輪用軸受における外輪であり、前記周面が、この外輪の転走面である超音波による焼入深さ測定方法。
6. ワークの周面に設けられた焼入れ硬化層のワーク表面からの深さを測定する焼入れ深さ測定装置であって、
   入力データとして、ワーク周面全周の所定サンプリング回転角度毎における、超音波を対向発信させて受信された散乱波のピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置のデータを、ワークの軸方向の所定範囲につき求めた測定データを読み込む測定データ読込手段と、
   この読み込まれた測定データから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める超音波深さ位置算出手段と、
   この算出された超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層の硬度により定められるワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める有効硬化層深さ推定手段とを含み、
   前記超音波深さ位置算出手段は、散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準のうちの少なくとも２つ以上の検出基準と、これらの検出基準を選択する手段を有する、
   超音波による焼入深さ測定装置。
7. コンピュータにより実行可能なプログラムであって、
   入力データとして、ワーク周面全周の所定サンプリング回転角度毎における、超音波を対向発信させて受信された散乱波のピーク信号が現れるワーク表面からの深さ位置であるピーク位置のデータを、ワークの軸方向の所定範囲につき求めた測定データを読み込む手順と、
   この読み込まれた測定データから、各軸方向走査位置毎に、ワーク１回転における各回転角度のピーク位置の分布である超音波の散乱確率分布を求め、この散乱確率分布から所定の基準でその走査位置の超音波測定による深さ位置である超音波深さ位置を定める手順と、
   この超音波深さ位置から所定の推定処理により、焼入れ硬化層のワーク表面からの深さである有効硬化層深さを求める手順とを含み、
   前記超音波深さ位置を定める手順は、散乱確率分布から超音波深さを求める所定の基準として、散乱確率が設定レベルを超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが設定傾き角度を超える位置を超音波深さとする検出基準、散乱確率分布の傾きが最大の位置を超音波深さとする検出基準、および散乱確率分布の累積度数が設定値を超える位置を超音波深さとする検出基準のうちの少なくとも２つ以上の検出基準と、これらの検出基準を選択する手順とを含む、
   超音波による焼入深さ測定プログラム。

Images