JP2013224916A - 研削焼け判定装置および研削焼け判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削時に発生した被検体の研削焼けを正確に判定することができる研削焼け判定装置および研削焼け判定方法を提供する。
【解決手段】研削加工された円環状、円筒状、球状の被検体に接触、または近接させた試験コイルに交流電流を流し、交流電流により誘導された磁界により、被検体に渦電流を発生させ、発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する試験コイルのインピーダンス変化を測定し、被検体を少なくとも１周させて測定、もしくは被検体に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定することにより得られる該渦電流信号から研削焼けを判定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、研削焼け判定装置および研削焼け判定方法に関し、特に、ずぶ焼入れ、浸炭、浸炭窒化処理して用いられる鋼、転動部材、及び転がり軸受全般の研削焼けを判定する研削焼け判定装置および研削焼け判定方法に関する。

従来より、あらゆる製品に対して、熱処理工程後に高い寸法精度、表面粗さを満足させるため、研削が施される。その際、研削条件が通常と異なり厳しい条件であると、研削面に研削焼けが発生し、表面が軟化（焼戻り）、または硬化（再焼入れ）することがある。例えば、研削焼けが発生した転がり軸受を使用した場合、この研削焼け箇所にクラックやはく離が発生し、破損の原因となってしまう。そのため、研削工程後、研削焼けの有無を検査することは重要である。この研削焼けの検査には、エッチングによる食刻検査が行われている。しかしながら、この検査方法は破壊検査であること、また、抜き取りによる検査であることから、製造されたすべての製品を保証する検査方法ではないといえる。特に、大形・超大軸受であれば、検査が困難であることに加え、検査品は破棄しなくてはならず、製造コストの増大につながる。

このような問題を解決するため、研削焼けを非破壊で測定する手法について多くの技術が開示されている。その代表的な技術として、バルクハウゼンノイズ、過電流法などを用いたものがある。
例えば、特許文献１には、研削焼けによる焼戻りが発生した位置の硬度を正常部と研削焼け部とのバルクハウゼンノイズの大きさを比較することで、破壊することなく検出する技術が記載されている。

また、特許文献２には、渦電流法により予め用意してあるマスターサンプルの測定値と未知の鋼材の測定結果を比較することで、硬化層深さ・未焼入れ・異材判定を行う測定方法が記載されている。
また、特許文献３には、渦電流法を用い、測定位置の透磁率変化によるコイルインピーダンス変化等を検出することで、研削焼けを検査する検査方法が記載されている。
さらに、特許文献４には、渦電流法を用い、工作物の加工変質層（研削焼け層）と加工の影響がない深層部を測定するための２つの周波数を設定し、検出される透磁率の差の大きさにより、加工変質層の判定を行う検査方法が記載されている。

特開２０１０−８５１９５号公報 特開２００７−４０８６５号公報 特開２０１０−２３０４８４号公報 特開２０１１−１０６９３２号公報

上述した特許文献１〜４は、被検体の研削焼けや熱処理品質の検査に関するものであるが、判定方法に課題がある。例えば、マスターサンプルの測定値と被検体の測定値とを比較し、研削焼けを判別する場合、実際の製品は同じ製造工程を経てきたとしても、品質にばらつきを持っているため、硬さや透磁率が必ずしも同じであるとはいえない。このばらつきを把握しなければ、正常品を不良として判別してしまうことが懸念される。また、研削焼けの深さと幅とは研削焼け発生条件によって異なるため、被検体測定時の透磁率変化を捕らえる検査方法では、仮に被検体全体に研削焼けが均一に発生している場合や、深くまで発生している場合、研削焼けを検出するのが困難であると考えられる。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、研削時に発生した研削焼けを正確に判定することができる研削焼け判定装置および研削焼け判定方法を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、研削工程後の被検体に対して渦電流を用いて測定し、研削焼け発生による部分的な品質変化により生じる渦電流信号の変化に着目することが有効であることを知見した。
本発明は、本発明者らによる上記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明のある実施形態の研削焼け判定装置は、交流電流を流した試験コイルを有し、研削加工された被検体を前記試験コイルに接触、または近接させて、交流電流により誘導された磁界により、前記被検体に渦電流を発生させ、その発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する上記試験コイルにおけるインピーダンス変化を、上記被検体の渦電流信号として測定する渦電流信号測定手段と、
上記被検体の渦電流信号と、予め得た複数の基準試料の渦電流信号とに基づいて研削時の研削焼けを判定する判定手段とを有する。

また、上記判定手段は、上記被検体を少なくとも１周させて測定、もしくは被検体に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定することにより得られる電圧差の波形の最大値と最小値、及び最大値と最小値との差から求めた電圧変化幅、さらにある特定の測定区間における電圧の変化から求めた電圧変化率の内、１つあるいは２つ以上の判定基準で判定してもよい。
また、上記被検体は、転がり軸受を構成する内輪、外輪、ころ、または転動体であってもよい。

また、上記課題を解決するための本発明のある実施形態の研削焼け判定方法は、研削加工された被検体に接触、または近接させた試験コイルに交流電流を流し、交流電流により誘導された磁界により、被検体に渦電流を発生させる渦電流発生ステップと、発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する上記試験コイルにおけるインピーダンス変化を上記被検体の渦電流信号として測定する渦電流信号測定ステップと、上記被検体の渦電流信号と、予め得た複数の基準試料の渦電流信号とに基づいて研削時の研削焼けを判定する判定ステップとを含む。

また、上記判定ステップは、上記被検体を少なくとも１周させて測定、もしくは被検体に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定することにより得られる電圧差の波形の最大値と最小値、及び最大値と最小値との差から求めた電圧変化幅、さらにある特定の測定区間における電圧の変化から求めた電圧変化率の内、１つあるいは２つ以上の判定基準で判定されてもよい。
また、上記被検体は、転がり軸受を構成する内輪、外輪、ころ、または転動体であってもよい。

上述の研削焼け判定装置および研削焼け判定方法によれば、研削時に発生した研削焼けを正確に判定することができる研削焼け判定装置および研削焼け判定方法を提供することができる。

本発明のある実施形態の研削焼け判定方法における基準試料の渦電流信号の測定結果を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法における複数の基準試料としての良品５０個の渦電流信号の測定結果、および第１の判定基準を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法におけるサンプルＡの渦電流信号の測定結果および第１の判定基準を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法におけるサンプルＢの渦電流信号の測定結果および第１の判定基準を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法におけるサンプルＢの渦電流信号の測定結果および第２の判定基準を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法におけるサンプルＢの渦電流信号の測定結果を電圧変化率（ΔＶ）にて整理するための測定区間（ΔＬ）を示すグラフである。 本発明のある実施形態の研削焼け判定方法におけるサンプルＢの渦電流信号の測定結果を電圧変化率にて整理した結果および第３の判定基準を示すグラフである。

以下、本発明に係る研削焼け判定装置および研削焼け判定方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
（研削焼け判定装置）
本実施形態の研削焼け判定装置は、渦電流信号測定手段と、判定手段とを有する。
＜渦電流信号測定手段＞
上記渦電流信号測定手段は、渦電流方式の測定装置であり、試験コイルと、発振器と、ブリッジ回路と、増幅器と、移相器と、位相検波器と、表示器等とを有する。上記発振器は、上記試験コイルに交流電流を流し、該試験コイル内に磁界を発生させる手段である。また、ブリッジ回路は、上記発振器によって磁界を発生させられた上記試験コイルのインピーダンス変化を検知する手段である。

すなわち、渦電流信号測定手段は、研削工程後の被検体に接触、または近接させた試験コイルに交流電流を流し、交流電流により誘導された磁界により、被検体に渦電流を発生させる。そして、発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する試験コイルのインピーダンス特性として得られる電圧値を測定する手段である。ここで、上記被検体は、例えば、転がり軸受を構成する内輪、外輪、ころ、または転動体である。

＜判定手段＞
一方、上記判定手段は、予め得られた複数の基準試料の渦電流信号に基づいて一定の範囲の判定基準を規定し、この判定基準と、上記渦電流信号測定手段によって測定された被検体の渦電流信号とから、当該被検体の研削時の研削焼けを判定する手段である。この判定結果は、例えば、表示装置などに表示されるなどして利用者に報知される。

（研削焼け判定方法）
本実施形態の研削焼け判定方法は、渦電流信号測定ステップと判定ステップとを含む。
＜渦電流信号測定ステップ＞
渦電流信号測定ステップは、以下のようにして行われる。すなわち、上記発振器により上記試験コイルに交流電流が流されると、該交流電流に誘導されて上記試験コイル内に磁界が発生する。ここで、上記試験コイルに被検体を接触又は近接させると、上記試験コイル内に発生した磁界により上記被検体に渦電流が発生する。さらに、渦電流により、上記試験コイル内の磁界を打ち消す方向に磁界が誘導されるため、上記試験コイルのインピーダンスに変化が生じる。ここで、上記試験コイル内の磁界により上記被検体に発生する渦電流は、上記被検体の導電率や透磁率によって変化するため、材質の異なる被検体を上記試験コイルに接触又は近接させると上記試験コイルのインピーダンスは異なるものとなる。

そこで、所定の基準試料（例えば、研削焼けが発生していない良品）を用意し、この基準試料について渦電流測定手段を用いて渦電流信号の検出を行う際に、渦電流測定手段内のブリッジ回路の可変抵抗を調整し、平衡条件を満たし、ブリッジ回路に生じる電圧がゼロとなるように調整（バランス）する。

［渦電流信号の測定］
ここで、上記基準試料とは材質が異なる被検体（例えば、研削焼けが発生している不良品）を測定すると、前述した原理により試験コイルのインピーダンスが変化するため、ブリッジ回路の平衡が崩れ、ブリッジ回路に電圧が生じる。この電圧は増幅器、位相検波器により電圧ベクトルとしてＸ−Ｙ平面に表示される。２つの位相検波器を用いて、片方の制御信号の位相をＸ、もう片方の位相をＸと９０°異なるＹにすることにより、ブリッジ回路に生じた電圧情報をＸ電圧、Ｙ電圧として出力することができる。本実施形態の研削焼け判定方法においては、このような機能を有する渦電流測定装置を用いて、Ｘ電圧、Ｙ電圧を渦電流信号として計測する。
なお、基準試料と試験コイルとの距離（リフトオフ）による電圧変化がＸ電圧として出力されるように移相器により調整しているため、品質の変化をＹ電圧として出力されるようにしている。

［基準試料による渦電流信号の測定］
まず、研削焼けが生じていない被検体を基準試料として用意し、ある１点におけるバランスにより、Ｙ電圧が０となるようにする。
次に、この基準試料を少なくとも１周させて測定、もしくはこの基準試料に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定すると、図１のような波形が得られる。図１は、焼入れ焼戻しを施した高炭素クロム軸受鋼の転がり軸受サンプルに対して渦電流装置を用いて軌道面中央を測定した結果を示している。測定は基準試料を少なくとも１周させて測定、もしくはこの基準試料に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定するため、横軸を測定開始位置からの回転角度とし、縦軸を測定電圧値とする。前述したように、基準試料と試験コイルとの距離（リフトオフ）による電圧変化をＸ軸上になるように調整したため、測定する電圧値はＹ電圧を採用する。図１のように、良品であれば、測定値はその１周においてほとんど変化なく測定される。なお、基準とした位置はＸ線測定にて良品であることを確認している。また、測定時の励磁周波数は、例えば２００ｋＨｚである。

＜判定ステップ＞
図２は、同条件にて製造した同形状の転がり軸受で、研削焼けの無い良品５０個の測定結果を示している。良品５０個は同一製造条件にもかかわらず、測定結果にはばらつきが生じている。本実施形態では、これらばらつきが生じている複数の良品を「複数の基準試料」として取り扱う。

一方、強い研削焼けが生じているサンプルＡ、および軽微な研削焼けが生じているサンプルＢの渦電流信号を測定する。上述の要領で、サンプルＡの渦電流信号を測定するために、試験コイルを、サンプルＡにおける研削焼けの発生位置上に近接させると、前述したように研削焼け部分の材質変化により、図３に示すように、Ｙ電圧が変化する。同様に、上述の要領で、サンプルＢの渦電流信号を測定するために、試験コイルを、サンプルＢにおける研削焼けの発生位置上に近接させると、前述したように研削焼け部分の材質変化により、図４に示すように、Ｙ電圧が変化する。

［第１の判定基準］
ここで、サンプルＡの測定結果をＮＧ（研削時の研削焼けが生じている）と判別するためには、前述のような良品のばらつきを考慮した判定基準を設定する必要がある。
そこで、図２に示すように、「複数の基準試料」として、良品５０個の測定電圧値の平均値ａ_１および測定電圧値の標準偏差σ_１を求め、平均値ａ_１を基準とした±４σ_１の範囲、すなわち、（ａ_１−４σ_１）〜（ａ_１＋４σ_１）の範囲を「第１の判定基準」として設定する。なお、図２では平均値ａ_１を示していない（平均値ａ_１については、図３および図４を参照）。そして、この「第１の判定基準」で規定された範囲内に測定対象の被検体の測定電圧値が入っていなければ、当該被検体に研削時の研削焼けが生じていると判定されることとなる。すなわち、図３に示すような、強い研削焼けが発生したサンプルＡの測定では、設定した「第１の判定基準」を超えた測定電圧値となることから、ＮＧと判別される。

［第２の判定基準］
次に、図４に示すようなサンプルＢの渦電流信号の測定結果に前述の第１の判定基準を用いた場合、サンプルＢはＮＧと判別することはできない。しかしながら、サンプルＢに生じた軽微な焼けにおいても、電圧変化は生じていることから、「第１の判定基準」とは別の判定基準を設定する必要がある。そこで、測定電圧値の変化幅に着目した第２の判定基準を規定する。ここでの変化幅とは、測定時に被検体から得られる測定電圧値の最大値と最小値の差である。例えば、図５に示すように、「複数の基準試料」として、良品５０個の測定電圧値の変化幅の平均値ａ_２および測定電圧値の変化幅の標準偏差σ_２を求め、変化幅の平均値ａ_２を基準とした＋４σ_２の範囲を「第２の判定基準」として設定する。この「第２の判定基準」で規定された範囲内に測定対象の被検体の測定電圧値が入っていなければ、当該被検体に研削時の研削焼けが生じていると判定されることとなる。すなわち、サンプルＢは、「第２の判定基準」よりも大きな変化幅となることからＮＧと判別される。

［第３の判定基準］
また、サンプルＢに生じた軽微な焼けの判別は図５に示すような「第２の判断基準」以外に、測定電圧の変化率にて判別する方法がある。ここでの変化率とは、ある特定の測定区間における測定電圧の変化（ΔＶ）である。また、ある特定の測定区間とは、図６に示すような測定開始から終了までの区間と比較し、十分に小さい区間（ΔＬ）である。例えば、図７に示すように、「複数の基準試料」として、良品５０個の測定区間ΔＬにおける測定電圧値の変化率ΔＶの最大値と最小値との差の平均値ａ_３および測定区間ΔＬにおける測定電圧値の変化率の最大値と最小値との差の標準偏差σ_３を求め、変化率ΔＶの最大値と最小値との差の平均値ａ_３を基準とした＋４σ_３の範囲を「第３の判断基準」として設定する。この「第３の判断基準」で規定された範囲内に測定対象の被検体の測定電圧の変化率ΔＶが入ってなければ、当該被検体に研削時の研削焼けが生じていると判断されることとなる。すなわち、サンプルＢは、「第３の判断基準」よりも大きな変化率となることからＮＧと判別される。

このように、「第２の判定基準」、および「第３の判定基準」によりわずかな熱影響であっても、判定が可能であるが、この「第２の判定基準値」、もしくは「第３の判定基準」のみの設定では研削焼けの判定には不十分であることがある。その理由は、測定面の全周に均一に研削焼けが発生していた場合、測定電圧値に変化がなく、研削焼けが発生していたとしても判定が不可能となるためである。

以上のことから、測定電圧値から規定される「第１の判定基準」および測定電圧値の変化幅から規定される「第２の判定基準」、ある特定の測定区間における電圧の変化から求めた変化率から規定される「第３の判定基準」の内、１つあるいは２つ以上の判定基準に基づいて被検体の渦電流信号を判定することで、研削焼けを確実に判定することが可能となる。

なお、本実施形態では、渦電流信号をＹ電圧としたが、Ｘ−Ｙ座標上の原点から被検体のプロット位置までの距離（ΔＶ）であっても差し支えない。また、渦電流法は熱影響以外にも測定電圧値に影響を及ぼす因子が多く、製品によって測定面の曲率が異なる点なども考慮しなくてはならない。様々な製品において精度良く測定するためにも、被検体の曲率などの形状因子に対する、測定電圧値の変化を予め取得しておくことが好ましい。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。

Claims (6)

1. 交流電流を流した試験コイルを有し、研削加工された被検体を前記試験コイルに接触、または近接させて、交流電流により誘導された磁界により、前記被検体に渦電流を発生させ、その発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する前記試験コイルにおけるインピーダンス変化を、前記被検体の渦電流信号として測定する渦電流信号測定手段と、
   前記被検体の渦電流信号と、予め得た複数の基準試料の渦電流信号とに基づいて研削時の研削焼けを判定する判定手段とを有することを特徽とする研削焼け判定装置。
2. 前記判定手段は、前記被検体を少なくとも１周させて測定、もしくは被検体に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定することにより得られる電圧差の波形の最大値と最小値、及び最大値と最小値との差から求めた電圧変化幅、さらにある特定の測定区間における電圧の変化から求めた電圧変化率の内、１つあるいは２つ以上の判定基準で判定することを特徴とする請求項１に記載の研削焼け判定装置。
3. 前記被検体は、転がり軸受を構成する内輪、外輪、ころ、または転動体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の研削焼け判定装置。
4. 研削加工された被検体を回転させ、前記被検体に接触、または近接させた試験コイルに交流電流を流し、交流電流により誘導された磁界により、被検体に渦電流を発生させる渦電流発生ステップと、発生した渦電流により誘導された磁界によって変化する前記試験コイルにおけるインピーダンス変化を前記被検体の渦電流信号として測定する渦電流信号測定ステップと、前記被検体の渦電流信号と、予め得た複数の基準試料の渦電流信号とに基づいて研削時の研削焼けを判定する判定ステップとを含むことを特徽とする研削焼け判定方法。
5. 前記判定ステップは、前記被検体を少なくとも１周させて測定、もしくは被検体に接触、または近接させた試験コイルを少なくとも１周させて測定することにより得られる電圧差の波形の最大値と最小値、及び最大値と最小値との差から求めた電圧変化幅、さらにある特定の測定区間における電圧の変化から求めた電圧変化率の内、１つあるいは２つ以上の判定基準で判定されることを特徴とする請求項４に記載の研削焼け判定方法。
6. 前記被検体は、転がり軸受を構成する内輪、外輪、ころ、または転動体であることを特徴とする請求項４又は５に記載の研削焼け判定方法。

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