JPS5824778Y2

JPS5824778Y2 - 硬化層深さの自動測定装置

Info

Publication number: JPS5824778Y2
Application number: JP8336778U
Authority: JP
Inventors: 克文伊藤; 徹雄橋本; 紘一川村
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1978-06-16
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1983-05-27
Also published as: JPS551744U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、例えば歯車の歯先部分の硬さを超音波硬さ計
を用いて自動的に測定し、歯先又は歯面から管理限界硬
度の位置までの距離を測定することにより、いわゆる焼
入硬化層深さを自動測定するようにした装置に関する。

従来より、上記の如き歯車の歯先部分の焼入硬化層深さ
等の測定には、マイクロビッカース硬さ試験機が汎用さ
れている。

ところで、マイクロビッカース硬さ試験機を用いた測定
では、試料表面に所定荷重でもって圧子を５〜３０秒間
押圧したのち、これにより生成された圧痕を付属の顕微
鏡下に移動して、圧痕の対角線長さを測定する必要があ
り、この−回の測定に約２分を要する。

したがって、例えば、歯車の歯先部分の焼入硬化層深さ
を測定する場合には、通常、歯先から約０．６ｍｍ離れ
た位置から、０．１ｍｍのピッチで歯先から１．２〜１
．３ｍｍ程度の深さまで、７〜８点の測定が必要であり
、１点当り２分としても約１５分程度の測定時間が必要
となる。

また、この作業は、顕微鏡をのぞきながら０．１μ単位
の長さを正確に測定しなければならないため、緊張によ
る疲労がはなはだしく、長時間の連続作業は極めて困難
であるといった測定上の問題があった。

この点、圧子を振動棒先端に取付け、励振コイルにより
振動棒を超音波振動させつつ、所定の荷重で圧子を試料
に押圧し、その際に生じる圧痕の大小に応じた振動棒の
共振周波数変化を検出して硬さを測定するようにした超
音波硬さ計では、圧子の押圧後、２〜３秒で硬さが検出
でき、顕微鏡測定も不要であるといった利点があり、そ
の有用性が注目されている。

この種の超音波硬さ計は、特公昭４５−１３５０１号公
報に原理的に開示されている。

即ち、この超音波硬さ計は、所定の超音波周波数で１由
振動させた振動棒の先端を試料に一定の大きな力で押圧
すると、試料にはその硬さに応じた圧痕ができ、その圧
痕と振動棒先端との接触面積が、一つの振動系を構成す
る振動棒と試料との結合度を直接的に規定し、振動棒の
共振周波数が、その結合度に応じて自由振動の周波数か
ら変化する現象を利用するものであって、振動棒を押圧
した状態での振動棒の共振周波数を測定することにより
、自由振動の周波数との差もしくは比を検出し、この検
出値から結合度の大小、換言すれば当該試料が有する硬
度を検出するようにしたもので゛ある。

なお、上記特公昭４５−１３５０１号公報の発明の応用
例として、実公昭５０−４０６３２号公報には、硬度に
応じた共振周波数の変化を、硬度とリニアな関係で取り
出すことができる周波数−電圧変換回路を備えた等間隔
目盛の超音波硬さ計が開示されている。

この種の超音波硬さ計としては、振動棒及びその励振部
をプローブとしてユニット化し、該プローブを測定すべ
き試料に所定の力で押圧することにより、そのときの硬
さをメータで表示するようにしたポータプル型式のもの
が実際には市販されている。

しかしながら、ポータプル型のものでは、プローブの押
圧操作がともすれば不安定となってプローブがブしたり
、前述した如き、０．１ｍｍ程度のピッチで測定する必
要がある場合には、手操作であるため、実際上このよう
な場合の測定は不可能であるといった問題があった。

本考案は、したがって、超音波硬さ計の特徴を生かしつ
・、硬さ測定を所望の微小ピッチで１動的に行い、管理
限界硬度の位置までの深さを自動的に検出することがで
きる焼入硬化層深さの自動測定装置を提供することを基
本的な目的としている。

このため、本考案においては、装置本体上部に超音波硬
さ計を組込む一方、測定すべき試料を保持するチャック
を少くとも一方向に所定のピッチで移動させる移動機構
を、上記装置本体上部に対向した装置本体下部に昇降可
能に支持した支持テーブル上に支持し、測定開始点から
所定のピッチで試料の硬さを測定していき、測定値が予
しめ設定した管理限界硬度以下に低下した位置を検出す
ることにより、焼入硬化層深さを検出しつるようにした
ことを特徴としている。

以下、図示の実施例について、本考案を具体的に説明す
る。

第１図及び第２図において、１は制御系２表示器等を組
込んだ上部装置本体１ａと下部基台１ｂとを、両者の間
に測定用空間１Ｃが形成されるように両者の背部を一体
に結合した略Ｃ型の装置本体、２は測定位置設定用の顕
微鏡、３は下部基台１ｂに相対して昇降可能に支承され
たテーブル、４は第１図に示すＸ方向にテーブル３上を
移動可能で、上記顕微鏡２の対物レンズ部２ａの直下位
置と、上部装置本体１ａから、垂直下向きに突設支持さ
れた先端に圧子５を有する振動棒６の直下位置とに位置
決めすることができる移動基台、７，８は移動基台４上
に二段重ねに支持され、夫々パルスモータ等の微動用モ
ータ９，１０によってＸ方向、Ｙ方向に設定ピッチだけ
移動可能となったＸ方向。

Ｙ方向微動台で、Ｙ方向微動台８上には、マグネットチ
ャック等の試料のチャック手段１１が取付けられている
。

また、第１図において、１２は測定点における硬さを表
示する表示器、１３は検出した硬さが予しめ設定した管
理限界硬度以下に低下したときに、その測定点の位置か
ら焼入硬化層深さを検出して表示する焼入深さ表示器、
１４ａ、１５ａは夫々Ｘ方向。

Ｙ方向の測定ピッチを設定するためのディジタルスイッ
チ、１４ｂ、１５ｂは夫々Ｘ方向、Ｙ方向の各測定スト
ロークを設定するためのテ゛イジタルスイッチ、１６は
自動測定スタート押釦スイッチ、３８は上記Ｘ方向、Ｙ
方向測定ピッチ設定用テ゛イジタルスイッチ１４ａ
、１５ａによって設定されたピッチを、例えば第４図
に示す如きジグザグ状の測定パターン、或いは、第９図
に示す如き基盤目状の測定パターンによって測定するた
めの測定パターン切換スイッチ、３９は測定開始点の位
置を設定するための測定位置設定用のディジタルスイッ
チで、これらは、図示の如く、上部装置本体１ａの前面
パネルに他の電源ランプ等とともに適当に配設される。

次に、第３図において、上記各部分の構成を説明する。

まず、上記昇降テーブル３は、下部基台１ｂに垂直に設
けた軸穴１７に嵌合した昇降軸１８の上端フランジ１８
Ｈに固定されており、昇降軸１８にはキー１９を取付
け、軸穴１７に設けたキイ溝２０によって、昇降軸１８
は回転せずに昇降しうるようにガイドされ、これに従っ
て昇降テーブル３は昇降しうるようになっている。

上記昇降軸１８の下部には、昇降軸１８と同軸にねし軸
２１に連結結合し、該ねじ軸２１に螺合する内ねじ２２
ａを切った傘歯車２２を、昇降用モータ２３の出力軸
に固定されたいま一つの傘歯車２４により正逆駆動する
ことにより、ねじ軸２１を昇降させ、これによって昇降
軸１８、したがって、昇降テーブル３を昇降させるよう
にしている。

なお、昇降用モータ２３に取付けた操作ハンドル２５は
、昇降ストローク設定用で、操作ハンドル２５の操作で
、必要なストロークを設定する。

一方、上記移動台４は、昇降テーブル３のＸ方向に支持
したガイドレール２６上を移動しうるようになっており
、Ｘ方向外側に突設した支持壁４ａに支持した固定用ブ
ラケッ１−４ｂには、Ｘ方向微動用モータ９が取付けら
れている。

このＸ方向微動用モータ９の出力軸９ａは軸継手２７を
介して、移動台４の相対向する垂直壁４Ｃ，４ｄ間に
Ｘ方向においてその両端部が夫々軸受されたねじ軸２８
に結合されている。

このねじ軸２８には、内ねし部材２９が噛み合っている
。

課内ねし部材はＸ方向微動台７から下向きに設けた垂直
壁７ａの貫通穴７ｂに内ねし部材２９のボス部２９ｂ
を嵌合しかつフランジ部２９ａを固定して取付けられ
ている。

したがって、ねじ軸２８の回転によって、Ｘ方向微動台
７をＸ方向に移動させることができるようにしている。

この場合のねじ軸２８シたがってＸ方向微動用モータ９
の１回当りの回転角は、第１図に説明したＸ方向測定ピ
ッチ設定ディジタルスイッチ１４ａにより設定される
。

また、上記チャック手段１１を上部に支持したＹ方向微
動台８は、Ｘ方向微動台７上に支持されたＹ方向微動用
モータ１０により、Ｘ方向微動台７の移動機構と全く同
様の移動機構によって駆動される。

そしてＹ方向の測定ピッチは、上記Ｙ方向測定ピッチ設
定ディジタルスイッチ１５ａによって設定することがで
きる。

なお、Ｘ方向、Ｙ方向微動用モータ９，１０に対して夫
々設けた操作ハンドル３０．３１は、顕微鏡２の下で接
眼レンズ２ｂの基線（後述する）と歯先とを合わせるた
めのものであって、Ｘ方向の測定開始位置は、前記測定
位置設定ディジタルスイッチ３９によってセットする。

次にプローブを第１０図にもとづき簡単に説明する。

プローブの振動棒６は、第１０図に示すように上部装置
本体１ａの支持壁１ｂを貫通した垂直孔３２によりガイ
ドされた支持筒３３内に同軸に支持され、顕微鏡２と軸
平行で、しかもＸ方向において同一直線上に位置する。

支持筒３３の上端は支持板３４に固定されている。

この支持筒３３の上部には、励振用コイル３５が取付け
られ、該コイル３５への給電により振動棒６に所定の超
音波振動を付与する。

上記支持板３４には、振動棒６に所定の設定荷重を付加
するための定荷重バネ３６．３６を上部装置本体１ａか
ら懸架し、振動棒６が上昇されてきた試料によって押上
げられたときに、定荷重バネ３６．３６の伸びによるバ
ネ力で振動棒６に一定荷重を付加することができるよう
にしている。

なお、図中３７は支持板３４が反力で一定量持上げられ
たときにオンし、振動棒６が試料に一定荷重で押圧され
たことを検出する近接スイッチで、この近接スイッチ３
７のオンで一回の硬さ測定が行なわれる。

この硬さ測定は、前述した如く、振動棒６を試料に定荷
重バネ３６．３６のバネ力で押圧した際における振動棒
６の共振周波数を図示しない周波数測定手段によって測
定することによって行ない、自由振動（押圧していない
状態）での共振周波数がらの変化度から、試料の硬さを
検出するようにしたものであって、かかる検出回路とし
ては、従来公知のもの、例えば実公昭５０−４０６２３
号公報に記載のものを採用することができる。

第１１図ａは顕微鏡２の概略を示し、第１１図すには顕
微鏡２の視野の平面図を示した。

接眼レンズ２ｂには直交する基準線Ｌ−Ｌ、Ｎ−Ｎが示
されている。

次に、上記装置により、例えば、歯車歯先の焼入硬化層
深さを、第４図に示す如き測定パターンにしたがって測
定する場合の操作を説明する。

いま、歯先部分を鏡面仕上げした測定すべき歯車Ａをチ
ャック手段１１上に支持したうえで、移動台４全体を第
３図左方に移動し、顕微鏡２の対物レンズ部２ａの直下
に位置させ、接眼レンズ部２ｂを覗きながら、基線Ｌ−
Ｌ、Ｎ−Ｎの交点に、歯車Ａの歯先を合致するように、
Ｘ方向、Ｙ方向微動操作ハンドル３０．３１により位置
を調節する。

測定開始点ａのＸ方向位置は、測定位置設定ディジタル
スイッチ３９によりセットする。

位置決めした後は移動台４をガイドレール２６に沿って
再び図示の位置まで復帰させたうえで、例えばＸ方向の
ピッチ０，１ｍｍ、Ｘ方向の最大ストローク５ｍｍ、Ｙ
方向のピッチをＱ、５ｍｍ、最大ストローク５ｍｍとす
るように、各設定テ゛イジタルスイッチ１４ａ、１
４ｂ、１５ａ、１５ｂをセットし、また測定
パターン切換スイッチ３８によって、第４図に示すジグ
ザグ状の測定パターンを選択する。

測定開始点ａの硬さ測定は、操作ハンドル２５によって
昇降ストロークを設定された昇降用モータ２３の駆動に
よる昇降テーブル３の上昇によって行う。

この昇降テーブル３の上昇により、歯車歯先の点ａはプ
ローブの振動棒６の先端の圧子５に当接し、一定荷重が
圧子５に付加されるまでさらに上昇される。

近接スイッチ３７がオンし、一定荷重が付加された時点
で、テーブル３の上昇は停止され、測定が開始され、振
動棒６の共振周波数の変動に応じた硬さが、硬さ表示器
１２によりディジタル表示される。

この表示値は、タイマ等により測定開始から２〜３秒経
過後の値を表示することが好ましい。

これは、この程度の時間経過後の値が経験上量も正確な
値を示すからである。

一回の硬さ測定が終ると、昇降用モータ２３は逆転駆動
され、テーブル３は一旦下降し、下降後例えば第４図の
如きジグザグ状の測定パターンであれば、Ｘ方向微動用
モータ９が駆動されＸ方向に００１ｍｍのピッチでＸ方
向微動台７を移動し、次にＹ方向微動用モータ１０の駆
動で、Ｑ、５ｍｍのピッチだけＹ軸の正方向に送り、次
の測定点すを設定する。

そして、二回目の測定が上記と同様に行なわれ、測定点
すの硬さが表示される。

以下、同様に測定点ｃ、ｄ・・・・・・ｇ・・・・・・
における硬さが順次に測定され、各測定点ａ・・・・・
・ｇ・・・・・・の硬さが、硬さ表示器１２に順次表示
され、また、各測定点のＸ方向位置は、焼入深さ表示器
１３により順次に表示される。

第４図に示す測定パターンにしたか゛つて種々のサンプ
ルについて測定した結果、第５図〜第８図に測定個所と
ともに示す。

図中、曲線Ｓは本装置による各点の測定値から求めた硬
さの変化曲線であり、曲線Ｍは市販のマイクロビッカー
ス硬さ試験機を用いて、第９図に示した測定パターンに
より測定した結果を表わす曲線である。

いま、焼入硬化層深さの管理限界硬度を必要な値例えば
、ＨＲＣ＝５０とすると、各測定点ａ・・・・・・ｇ
・・・・・・の硬さが、設定した管理限界硬度以下に低
下したときに、そのときの測定点のＸ方向位置を焼入深
さ表示器１３によって読み取ることにより、その試料の
焼入硬化層深さを直ちに検出することができる。

例えば、第５図の場合、ＨＲＣ＝５０を管理限界硬度
とすると、焼入硬化層深さは約１、３ｍｍである。

上記の場合には、Ｘ方向の測定位置から焼入硬化層深さ
を検出するようにしたが、管理限界硬度を設定するデジ
タルスイッチを、他のスイッチ類とともに設け、設定さ
れた管理限界硬度と検出した硬さ値とを順次に比較する
比較回路（図示せず。

）を設け、硬さ値が管理限界硬度以下に低下したときに
始めて、焼入深さ表示器１３にその測定点のＸ方向位置
を表示することにより、焼入硬化層深さを自動測定する
ようにしてもよい。

なお、サンプルによって、本装置による曲線Ｓとマイク
ロビッカース硬さ試験器による曲線Ｍとは多少ずれる部
分があるが、これは測定パターンの相異、測定に使用し
た装置の器差等によるものと考えられる。

また、第４図に示す測定パターンは、プローブの設定荷
重による圧痕の大きさを考慮して、圧痕が相互に悪影響
を及ぼさないように設定したものであるが、本装置によ
れば、圧痕の大きさを推定することにより、任意の測定
ピッチ及び測定パターンを設定することが可能となる。

以上のように、本考案は、超音波硬さ計の検出の容易な
点を利用して、硬さの測定を自動化するとともに、測定
試料を所要のピッチで移動させるようにして、歯車等の
歯先から順に硬さを測定し、予じめ設定した管理限界硬
度と各測定点における硬度とを比較し、測定した硬度が
管理限界硬度以上に低下したときに、その測定点の位置
から、歯車等の歯先の焼入硬化層深さを自動的に検出す
るようにした測定装置を提供するものであって、本考案
によれば、従来長時間を要し、しかも熟練が必要であっ
たこの種焼入硬化層深さを自動的にしかも短時間で行う
ことができ、測定作業の大巾な効率化と、測定精度の向
上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、夫々本考案の一実施例に係る焼入
硬化層深さの自動測定装置の正面図及び右側面図、第３
図は第１図及び第２図に示す装置の内部機構を示す要部
断面機構説明図、第４図は測定パターンの一例を示す平
面図、第５図、第６図、第７図及び第８図は夫々第４図
又は第９図に示す測定パターンにしたがって試料の硬さ
値を測定した結果を示すグラフ、第９図は従来のマイク
ロビッカース試験機による測定パターンの一例を示す平
面図、第１０図は第１図及び第２図に示す装置のプロー
ブ部を示す断面説明図、第１１図ａは第１図および第２
図に示す装置の顕微鏡を示す説明図、第１１図すは顕微
鏡の視野の平面図である。１・・・・・・装置本体、２・・・・・・顕微鏡３・・
・・・・支持テーブル、４・・・・・・移動台、５・・
・・・・圧子、６・・・・・・振動棒、７，８・・・・
・・Ｘ方向、Ｙ方向微動台、９，１０・・・・・・Ｘ方
向、Ｙ方向微動用モータ、１１・・・・・・チャック、
１２・・・・・・硬さ位表示器、１３・・・・・・焼入
深さ表示器、１４ａ、１５ａ・・・・・・Ｘ方向
、Ｙ方向測定ピッチ設定用スイッチ、３８・・・・・・
測定パターン切換スイッチ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

先端に圧子を設けた振動棒を試料表面に所定の荷重で押
圧し、その際の圧痕の大小に応じた振動棒の共振周波数
変化を検出する超音波硬さ計を装置本体上部に支持する
とともに、試料を保持するチャックを少なくとも水平の
一方向に所定のピッチで移動させる移動機構を、装置本
体下部から昇降可能に支持した支持テーブル上に設ける
一方、硬化層の管理限界硬度を各測定硬度と比較し、測
定硬度が、管理限界硬度以下に低下したときの測定位置
までの表面からの硬度深さを測定することを特徴とする
硬化層深さの自動測定装置。