KR20170125038A - 경화된 층 깊이 측정 장치 - Google Patents

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고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤
고꾸리쯔 다이가꾸 호진 오이타 다이가꾸
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Abstract

담금질된 공작물의 표층에 형성되는 경화된 층의 깊이를 측정하는 장치가 개시된다. 장치는 공작물을 자화시키기 위해 자기 플럭스를 생성하도록 구성되는 여기 코일 및 여기 코일에 의해 생성되는 자기 플럭스를 검출하도록 구성되는 검출 코일을 포함한다. 여기 코일은 U-형상의 여기 코어 부분 및 여기 코어 부분 상에 권선되는 여기 코일 부분을 갖는다. 여기 코어 부분은 여기 코어 부분의 자기 폴들의 원위 단들이 공작물을 대면하도록 배열된다. 검출 코일은 검출 코어 부분 및 검출 코어 부분 상에 권선되는 검출 코일을 갖는다. 검출 코어 부분은 여기 코어 부분의 자기 폴들 사이 및 공작물의 표면을 따라 배열된다.

Description

경화된 층 깊이 측정 장치
본 발명은 담금질된(quenched) 공작물의 표층에 형성되는 경화된 층의 깊이를 측정하는 경화된 층 깊이 측정 장치에 관한 것이다.
금속 강도를 개선하기 위해, 강철 공작물과 같은 공작물은 고주파 경화를 수행함으로써 경화된다. 고주파 경화는 공작물의 표면에서 경화된 층을 형성하는, 공작물의 담금질(quenching)을 수반한다. 기계적 특성은 경화된 층의 깊이에 따라 변화한다. 따라서, 담금질은 미리 설정된 조건들에서 수행되고, 품질 검사는 생산 후에 수행된다.
종래, 공작물은 담금질이 적절하게 수행중인 지를 검사하기 위해 무작위로 선택되고 절단된다. 그러나, 이 방법의 경우, 검사 작업이 시간이 걸릴 뿐만 아니라 또한 검사 작업을 위해 선택된 공작물이 제품으로써 나중에 사용될 수 없다.
종래 기술에 따르면, 장치는 공작물의 경화된 표층의 깊이를 측정하기 위해 제공된다. 장치는 공작물을 자화시키기 위한 자화기, 자화기에 의해 생성되는 유도 자기 필드를 검출하기 위한 검출 코일, 및 검출 코일의 출력 전압 값 및 공작물과 등가인 재료의 자기 특성에 관한 이미 공지된 정보(예를 들어, WO2012/057224A1 참조)로부터 공작물의 담금질 깊이를 도출하기 위한 담금질 깊이 결정 수단을 포함한다. 자화기는 U-형상 요크, 공작물을 대면하는 요크의 일 부분 상에 권선되는 여기 코일, 및 요크의 레그의 하부 부분에 설치되는 검출 코일을 갖는다.
이 종래 기술의 예에서, 요크는 한 쌍의 레그 부분들 및 레그 부분들을 서로 결합시키는 베이스 부분을 갖고, U-형상의 오픈 측이 공작물을 대면하도록 배열된다. 전류가 베이스 부분 상에 설치되는 여기 코일에 인가되는 경우, 자기 플럭스는 레그 부분 중 하나, 공작물, 다른 레그 부분 및 베이스 부분을 통해 이 순서로 흐르고, 이 자기 플럭스에 의해, 공간 자기 플럭스가 공작물의 표면 상에 생성된다. 검출 코일은 이 공간 자기 플럭스를 검출한다. 그러나, 검출 코일이 요크의 레그 부분 상에 설치되기 때문에, 공간 자기 플럭스뿐만 아니라 요크 내부에서 생성되는 자기 플럭스가 검출되므로, 측정 정확도가 충분하지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 개선된 측정 정확도를 갖는 경화된 층 깊이 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 경화된 층 깊이 측정 장치는 담금질된 공작물의 표층에 형성되는 경화된 층의 깊이를 측정하도록 구성된다. 경화된 층 깊이 측정 장치는 공작물을 자화시키기 위해 자기 플럭스를 생성하도록 구성되는 여기 코일 및 여기 코일에 의해 생성되는 자기 플럭스를 검출하도록 구성되는 검출 코일을 포함한다. 여기 코일은 U-형상의 여기 코어 부분 및 여기 코어 부분 상에 권선되는 여기 코일 부분을 갖는다. 여기 코어 부분은 여기 코어 부분의 자기 폴들의 원위 단들(distal ends)이 공작물을 대면하도록 배열된다. 검출 코일은 자기 시트들의 층들을 갖는 검출 코어 부분 및 검출 코어 부분 상에 권선되는 검출 코일을 갖는다. 검출 코어 부분은 여기 코어 부분의 자기 폴들 사이 및 공작물의 표면을 따라서 배열된다.
이 경화된 층 깊이 측정 장치에 따르면, 전류가 여기 코일 부분에 인가되는 경우, 자기 플럭스는 U-형상의 여기 코어 부분 및 공작물 내부에 흐르고, 이 자기 플럭스에 의해, 공간 자기 플럭스가 공작물의 표층 상에 생성된다. 검출 코일은 이 공간에 흐르는 누설 자기 플럭스를 검출한다. 검출 코일에 의해 검출되는 전압은 공작물의 표층에 형성되는 경화된 층의 깊이에 따라 변하고, 이 검출된 전압에 기초하여, 경화된 층의 깊이가 측정된다.
검출 코어 부분을 갖는 검출 코일이 여기 코일로부터 떨어져 분리된 위치에 배열되기 때문에, 경화된 층의 깊이의 측정은 종래 기술의 장치와 비교하여 U-형상의 여기 코어 부분 내부에 흐르는 자기 플럭스에 의해 영향을 덜 받게되므로, 측정 정확도는 개선된다.
경화된 층 깊이 측정 장치는 여기 코일 및 검출 코일을 함께 유지하는 유지 부재를 포함할 수 있다. 이 구성에 의해, 여기 코일 및 검출 코일은 유지 부재에 의해 위치된다. 따라서, 공작물 상의 여기 코일 및 검출 코일의 설정이 용이해진다.
유지 부재는 합성 수지로 구성될 수 있다. 이 구성에 의해, 여기 코일 및 검출 코일은 몰드로 주입되는 합성 수지가 경화되기 전에 몰드에 설정되고, 일단 합성 수지가 경화되면 함께 유지된다. 즉, 유지 부재는 용융된 합성 수지를 몰드 안으로 주입하기만 하면 용이하게 형성될 수 있다. 또한, 합성 수지는 사용 동안에 여기 코일 부분 및 검출 코일 부분의 단락 또는 단선을 방지한다.
유지 부재는 공작물에 대해 유지 부재의 위치를 결정하도록 구성되는 포지셔닝 부분(positioning portion)을 가질 수 있다. 이 구성에 의해, 유지 부재가 공작물의 일 부분과 결합되는 포지셔닝 부분과 이동되는 경우, 여기 코일 및 검출 코일은 그들의 상대 위치들을 유지하면서 유지 부재와 함께 이동한다. 즉, 여기 코일 및 검출 코일은 공작물에 대해 적절한 위치들을 유지하면서 이동한다. 따라서, 더 정확한 측정이 수행될 수 있다.
검출 코어 부분은 여기 코어 부분의 레그 부분들(자기 폴들) 사이의 중간 지점에 배열될 수 있다. 이 구성에 의해, 검출 코어 부분은 여기 코어 부분의 각각의 레그 부분들로부터 떨어져 동일한 거리에 있다. 따라서, 그것은 여기 코어 부분에서 생성되는 자기 플럭스에 의해 영향을 덜 받는다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 경화된 층 깊이 측정 장치의 정면도이다.
도 1b는 경화된 층 깊이 측정 장치의 측면도이다.
도 2a는 경화된 층이 공작물의 표면에 형성되는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 자기 플럭스의 흐름을 예시하는 다이어그램이다.
도 2b는 경화된 층이 공작물의 표층에 형성되지 않는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 자기 플럭스의 흐름을 예시하는 다이어그램이다.
도 3a는 경화된 층이 공작물의 표면에 형성되는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는, 자기 필드 강도 분포의 등고선 지도이다.
도 3b는 경화된 층이 공작물의 표층에 형성되지 않는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는, 자기 필드 강도 분포의 등고선 지도이다.
도 4a는 경화된 층이 공작물의 표면에 형성되는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는, 자기 플럭스 밀도 벡터 분포 지도이다.
도 4b는 경화된 층이 공작물의 표층에 형성되지 않는 경우에 경화된 층 깊이 측정 장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는, 자기 플럭스 밀도 벡터 분포 지도이다.
도 5는 일정한 전류에 의한 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 일정한 주파수에 의한 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 시험에서 사용되는 경화된 층 깊이 측정 장치의 개략도이다.
도 8은 시험 장치의 개략적인 다이어그램이다.
도 9는 시험을 통해 획득된 유효 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 10은 0.5 A 전류 및 20 Hz 주파수의 여기 조건에 의해 경화된 층 깊이와 검출된 전압 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예와 종래 기술 사이의 비교를 위한, 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
본 명세서에서, "담금질(quenching)"은 금속이 고온 상태로부터 급속 냉각되는 열처리이다. 좁은 의미에서, 그것은 강철이 그것의 금속 조직이 오스테나이트 조직이 되고 그 다음 마르텐사이트 조직을 획득하기 위해 급속 냉각될 때까지 최초로 가열되는 열 처리이다. 담금질의 목적은 재료를 경화시킴으로써 내마모성, 인장 강도 및 피로 강도를 개선하기 위한 것이다. 넓은 의미에서, 담금질은 강철에 제한되지 않는 금속이 고온 상태로부터 급속 냉각되는 처리이고, 오스테나이트 스테인리스강, 마레이징강 등에 적용되는 용체화 처리(solution treatment) 및 고 망간강에 적용되는 수인법 처리(water toughening treatment)와 같은 열 처리들을 포함한다. 따라서, 본 발명이 관련된 공작물의 예들은 탄소강, 오스테나이트 스테인리스강, 마레이징강, 고 망간강 등을 포함한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 경화된 층 깊이 측정 장치의 정면도이고, 도 1b는 경화된 층 깊이 측정 장치의 측면도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 경화된 층 깊이 측정 장치는 담금질된 공작물(W)의 표층에 형성되는 경화된 층(H)의 깊이를 측정하도록 구성되고, 자기 플럭스를 생성하도록 구성되는 여기 코일(1), 여기 코일(1)에 의해 생성되는 자기 플럭스를 검출하도록 구성되는 검출 코일(2), 및 여기 코일(1)과 검출 코일(2)을 함께 유지시키는 유지 부재(3)를 포함한다.
여기 코일(1)은 공작물(W)을 자화시키고, 정면도에서 U 형상을 갖는 여기 코어 부분(11) 및 여기 코어 부분(11) 상에 설치되는 여기 코일 부분(12)을 갖는다. 여기 코어 부분(11)은 한 쌍의 레그 부분들(111)(자기 폴들) 및 레그 부분들(111)의 베이스 단부들을 서로 결합시키는 베이스 부분(110)을 갖는다. 여기 코어 부분(11)은 레그 부분들(111)의 원위 단 페이스들이 공작물(W)을 대면하도록 배열된다. 여기 코어 부분(11)은 실리콘 강철 시트들과 같은 자기 금속 시트들의 층들로서 구성되며, 각각은 평면도에서 U-형상이다. 여기 코어 부분(11)은 정면도에서, 공작물(W)의 표면을 따라 길이 "l", 공작물(W)의 표면에 수직인 방향으로 높이 "m", 및 레그 폭 "n"(레그 부분(111)의 폭)을 갖는다. 여기 코일 부분(12)은 베이스 부분(110) 상에 권선되고, 비예시된 전원 장치에 연결된다.
검출 코일(2)은 여기 코어 부분(11)의 레그 부분들(111) 사이에 배치되는 검출 코어 부분(21) 및 검출 코어 부분(21) 상에 권선되는 검출 코일 부분(22)을 갖는다. 검출 코어 부분(21)은 실리콘 강철 시트들과 같은 자기 금속 시트들의 층들로서 구성되며, 각각은 평면도에서 직사각형이다. 검출 코어 부분(21)은 공작물(W)의 표면에 수직인 방향으로 치수 "a", 공작물(W)의 표면에 따른 방향으로 치수 "b", 및 검출 코일 부분(22)이 권선된 방향으로 치수 "c"를 갖는 직사각형의 평행 육면체 형상을 갖는다(a<c, b<c). 검출 코어 부분(21)은 검출 코어 부분(21)의 길이 방향이 베이스 부분(110)의 길이 방향을 따라 연장되도록 한 쌍의 레그 부분들(111) 사이의 중간 지점에서 공작물(W) 상에 배열된다. 검출 코일(2) 및 공작물(W)의 표면의 상대 위치들은 선택적이다. 검출 코일(2)이 공작물(W)의 표면을 접촉하는 것이 바람직하다. 검출 코일 부분(22)은 검출 코어 부분(21)의 길이 방향을 따라 권선되고, 비예시된 프로세서에 연결된다. 프로세서는 검출 코일 부분(22)으로부터 출력되는 전압(시그널)에 기초하여 공작물(W)의 경화된 층(H)의 깊이를 산출한다.
유지 부재(3)는 그것의 외주 표면의 일 부분이 공작물(W)의 단면 형상에 일치하도록 구성된다. 예를 들어, 본 실시예에서, 유지 부재(3)의 외주 표면의 일 부분은 반원형의 단면을 갖는 튜브 형상으로 형성된다. 여기 코일 부분(12)은 반원의 현을 형성하는 유지 부재(3)의 표면으로부터 부분적으로 노출된다. 검출 코일(2)은 유지 부재(3)의 원호 표면 상의 지점의 접선 라인와 동일 평면 상에 있도록 배열된다. 유지 부재(3)는 에폭시 수지와 같은 합성 수지로 구성된다. 본 실시예에서, 유지 부재(3)는 공작물(W)에 대해 유지 부재(3)의 위치를 결정하도록 구성되는 포지셔닝 부분(3A)을 갖는다. 포지셔닝 부분(3A)의 형상은 공작물(W)의 형상과 연관하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 포지셔닝 부분(3A)은 여기 코일 부분(12)의 축 방향을 따라 연장되는 돌출부로서 구성될 수 있다.
다음으로, 본 실시예에 따른 측정의 기본 아이디어는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명될 것이다. 도 2a 및 도 2b는 경화된 층 깊이 측정 장치에서 자기 플럭스의 흐름을 예시한다. 도 2a 및 도 2b에서, 유지 부재(3)의 예시는 생략된다.
도 2a는 경화된 층(H)이 공작물(W)의 표층에 형성되는 경우를 예시한다. 공작물(W)의 경화된 층(H)은 공작물(W)의 비경화된 층보다 낮은 투자율을 갖는다. 공작물(W)이 표면에서 경화된 층(H)을 가짐에 따라, 전류가 여기 코일 부분(12)에 인가되는 경우, 큰 자기 플럭스(M1)가 U-형상의 여기 코어 부분(11)을 따라 생성되고, 이 자기 플럭스(M1)에 의해, 폐 루프를 형성하는 자기 플럭스(M21)가 생성된다. 자기 플럭스(M21)는 낮은 투자율을 갖는 경화된 층(H)에서만 생성되고, 자기 플럭스(M1)보다 더 작다.
도 2b는 경화된 층이 공작물(W)의 표층에 형성되지 않은 경우를 예시한다. 공작물(W)의 표층을 포함하는 전체 공작물(W)의 투자율은 균일하다. 이 공작물(W)에 대해, 전류가 여기 코일 부분(12)에 인가되는 경우, 큰 자기 플럭스(M1)는 U-형상의 여기 코어 부분(11)을 따라 생성되고, 이 자기 플럭스(M1)와 함께, 폐 루프를 형성하는 자기 플럭스(M22)가 생성된다. 공작물(W)에서, 낮은 투자율을 갖는 경화된 층(H)이 없으므로, 자기 플럭스(M22)는 자기 플럭스(M21)보다 더 크다.
경화된 층(H)의 존재에 관계없이, 자기 플럭스(M1)에 의해, 공간 자기 플럭스(누설 자기 플럭스)(N1)가 공작물(W)의 표면을 따라 생성된다. 공간 자기 플럭스(N1)는 검출 코일(2)에 의해 검출된다. 공간 자기 플럭스(N1)는 표층에 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W)에 대해 크고, 표층에 경화된 층(H)을 갖지 않는 공작물(W)에 대해 작다. 즉, 공간 자기 플럭스(N1)의 크기는 경화된 층(H)의 깊이에 따라 변화하고, 검출 코일(2)에 의해 이를 검출함으로써, 경화된 층(H)의 깊이가 측정될 수 있다.
본 실시예의 경화된 층 깊이 측정 장치를 사용한 공작물(W)의 경화된 층(H)의 깊이의 측정은 시뮬레이션에 기초하여 설명될 것이다.
시뮬레이션 조건들
공작물(W):
상이한 깊이들의 경화된 층들(H)을 갖는 4개의 평탄 플레이트들이 공작물(W)로서 고려된다. 공작물(W)의 치수들은 폭이 230 mm이고 높이가 20 mm이다. 경화된 층들(H)의 깊이들은 각각 0 mm, 1 mm, 3 mm 및 5 mm이다.
여기 코일:
여기 코어 부분: 실리콘 강철 플레이트
30 mm (치수 "l") x 15 mm (치수 "m")
레그 폭 "n": 5 mm
여기 코일 부분: 165 권선수
검출 코일:
검출 코어 부분: 실리콘 강철 플레이트
치수 "c": 8 mm
치수 "a": 0.5 mm
검출 코일 부분: 100 권선수
여기 조건들: 표 1 참조
자기 특성들: 표 2 참조
각 모델의 자기 특성 분포: 표 3 참조
분석 방법: 자기 필드 분석 소프트웨어 - JMAG-Designer, 2D 주파수 응답 분석
Figure pct00001

재료		 탄소강 Intra-JMAG Data
자기 강철 시트
20HX1300
경화된 층 없음
(비단금질 됨)		 경화된 층 있음
(담금질 됨)
최대
상대 투자율
427
187
-
전도율(S/m) 3.79 ×106 4.95 ×106 1.85 ×106
Figure pct00002
상기 조건들 하에 수행된 시뮬레이션의 결과들은 3a 및 도 3b에서 등고선 지도들로써 도시된다. 도 3a 및 도 3b는 20 Hz의 주파수 및 0.25 A의 여기 전류로 수행된 시뮬레이션의 결과들을 도시한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 경화된 층(H)의 깊이가 5 mm인 공작물(W)에서, 큰 자기 필드의 자기 플럭스(G1)는 여기 코어 부분(11)의 레그 부분들(111) 주위 및 검출 코어 부분(21)의 양 단부들 주위에 생성된다. 자기 플럭스(G1)의 그것보다 더 작은 자기 필드의 자기 플럭스(G2)가 생성되고 자기 플럭스(G2)의 그것보다 더 작은 자기 필드의 자기 플럭스(G3)가 자기 플럭스(G1)를 둘러싸기 위해 생성된다.
대조적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 경화된 층이 없는 비담금질된(unquenched) 공작물(W)에서, 여기 코어 부분(11)의 레그 부분들(111)의 영역들주위는 도 3a에서와 동일하지만, 검출 코어 부분(21)의 양 단부들 주위에 생성되는 자기 플럭스는 자기 플럭스(G2)이며, 그것의 자기 필드는 자기 플럭스(G1)의 그것보다 더 작다.
즉, 검출 코어 부분(21)의 양 단부들 주위에 생성되는 자기 필드는 경화된 층이 없는 비담금질된 공작물(W)과 비교하여 경화된 층(H)을 갖는 담금질된 공작물(W)에서 크다.
도 4a 및 도 4b는 경화된 층 깊이 측정 장치의 시뮬레이션 결과들로부터의 자기 플럭스 밀도 벡터 분포들을 예시한다. 도 4a 및 도 4b는 20 Hz의 주파수 및 0.25 A의 여기 전류로 수행된 시뮬레이션의 결과들을 도시한다.
도 4a는 경화된 층이 공작물의 표층에서 형성되는 경우를 예시하고, 도 4b는 경화된 층이 공작물의 표층에서 형성되지 않은 경우를 예시한다. 도 4a 및 도 4b를 비교하면, 자기 플럭스들은 두 경우들에서 검출 코어 부분(21)의 양 단들 주위에 집중하는 반면에, 자기 플럭스 밀도는 경화된 층이 없는 공작물(W)에서보다 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W)에서 더 높다. 이는 더 많은 자기 플럭스가 경화된 층이 없는 비담금질된 공작물(W)로부터보다 경화된 층(H)을 갖는 담금질된 공작물(W)로부터 공기로 누설되기 때문이라고 고려된다.
위의 시뮬레이션 결과들은 본 실시예의 경화된 층 깊이 측정 장치가 검출 전압이 경화된 층의 깊이에 따라 변화함에 따라 경화된 층의 깊이를 측정할 수 있다는 점을 도시한다.
도 5는 일정한 전류에 의한 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시한다. 도 5에서, 변화율은 경화된 층을 갖지 않는 비담금질된 공작물에 관한 검출 전압의 비율이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 20 Hz의 주파수에서의 변화율(P1)은 경화된 층 깊이가 0 mm에서 3.0 mm까지 증가하는 경우 일정한 기울기로 거의 선형적으로 증가하고, 경화된 층 깊이가 기울기가 감소하더라도 더 증가하는 경우 여전히 증가한다. 대조적으로, 50 Hz의 주파수에서의 변화율(P2), 100 Hz의 주파수에서의 변화율(P3) 및 150 Hz의 주파수에서의 변화율(P4)과 관련하여, 기울기는 변화율(P1)과 비교하여 경화된 층 깊이가 3.0 mm가 되기 전에 감소하고, 경화된 층 깊이가 3.0 mm를 초과하는 경우, 기울기는 마이너스가 된다.
도 6은 일정한 주파수에서의 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시한다. 도 6에서, 전류가 0.25 A일 때의 변화율(Q1)은 변화율이 경화된 층 깊이가 0 내지 3.0 mm인 경우 동일하고 거의 선형적으로 증가하고 그 다음, 기울기가 감소하더라도 상승하는 그런 것이다. 반대로, 전류가 0.5 A인 경우의 변화율(Q2) 및 그것이 0.75 A일 때의 변화율(Q3)과 관련하여, 변화율(Q1)과 비교하여, 기울기는 경사 층 깊이가 3.0 mm가 되기 전에 감소한다.
일반적으로, 검출 정확도를 개선하기 위해, 검출 전압 및 경화된 층 깊이는 검출 전압이 경화된 층 깊이가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다는 점에서 비례 관계에 있는 것이 바람직하다. 검출 전압과 경화된 층 깊이 사이의 관계가 상술한 바와 같이 비례 관계를 포함하는 경우, 경화된 층 깊이는 검출 전압으로부터 분리될 수 있다. 반대로, 검출 전압이 경화된 층 깊이가 증가해도 변하지 않는 경우 및 검출 전압이 경화된 층 깊이가 증가하면 감소하는 경우, 경화된 층 깊이는 검출 전압으로부터 분리될 수 없다.
도 5 및 도 6으로부터, 여기 조건들 중에서, 20 Hz의 주파수 및 0.25 A의 전류가 경화된 층 깊이의 측정을 위해 가장 적절한 조건이라는 점이 발견된다.
본 실시예의 경화된 층 깊이 측정 장치를 사용한 공작물(W)의 경화된 층(H)의 깊이의 측정은 시험에 기초하여 설명될 것이다.
시험에서, 상이한 깊이들의 경화된 층들(H)을 갖는 복수의 공작물들(W)이 준비되었고, 이들 상에서, 검출 전압이 경화된 층 깊이 측정 장치에 의해 검출되었다.
도 7은 시험에 사용되는 경화된 층 깊이 측정 장치가 공작물(W)에 부착되는 상태를 도시한다. 도 7에서, 시험에 사용되는 공작물(W)은 홈이 있는 공작물이고, 그것의 단면 형상은 실질적으로 반원형의 내주면을 갖는다. 오목한 가이드 홈(WG)은 원 중심(O)을 통과하고 반원형의 내주면 상에서 현에 수직인 직선 라인(WL) 상에 설치된다. 본 시험에서, 원 중심(O) 및 가이드 홈(WG)을 연결하는 직선 라인(WL)으로부터 각도(α)(45°)만큼 서로 분리된 2개의 위치들(B 및 C)은 측정 위치들이다.
공작물(W)
공작물: 홈이 있는 공작물
재료: 탄소강
경도 한계: 446 HV
공작물 변형: 4개의 패턴들 - 경화된 층 없음(비담금질됨), 얕은 경화된 층(H), 일반-깊이 경화된 층(H), 및 깊은 경화된 층(H)
유효 경화된 층 깊이의 사양들:
얕은 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W) - 유효 경화된 층 깊이는 지점 B에서 3.15 mm이고 지점 C에서 2.71 mm이다
일반-깊이 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W) - 유효 경화된 층 깊이는 지점 B에서 3.25 mm이고 지점 C에서 3.04 mm이다
깊은 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W) - 유효 경화된 층 깊이는 지점 B에서 3.77 mm이고 지점 C에서 3.74 mm이다
유효 경화된 층 깊이는 표면에서 경도 한계의 지점까지의 깊이다.
경화된 층 깊이 측정 장치
여기 코어 부분(11)
단일 실리콘 강철 시트의 치수들: l=30 mm, m=15 mm, n=5 mm, 두께 t=0.2 mm
여기 코어 부분(11)을 형성하는 실리콘 강철 시트들의 25개의 층들(코어의 전체 두께는 5 mm이다)
여기 코일 부분(12): 0.45 mm 직경 와이어의 165 권선수
검출 코어 부분(21):
단일 실리콘 강철 시트의 치수들: c=7.5 mm, b=1.5 mm, 두께 t=0.2 mm
검출 코어 부분(21)을 형성하는 실리콘 강철 시트들의 4개의 층들(코어의 전체 두께(치수 "a")는 0.8 mm이다).
검출 코일 부분(22): 0.07 mm 직경 와이어의 100 권선수
유지 부재(3)
재료: 에폭시 수지
성형 방법: 실제 공작물(W)은 몰드로 사용된다. 에폭시 수지는 몰드 안으로 주입된다. 에폭시 수지가 경화되기 전에, 권선 후에 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)은 내장된다. 그 다음, 에폭시 수지는 경화된다.
시험 장치
도 8은 시험 장치의 개략적인 다이어그램이다. 도 8에서, 경화된 층 깊이 측정 장치의 유지 부재(3)는 생략된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 레지스터(4) 및 바이폴라 전원 장치(5)는 경화된 층 깊이 측정 장치의 여기 코일(1)에 연결되고, 주파수 발생기(6)는 바이폴라 전원 장치(5)에 연결된다. 신호 증폭기(7)는 경화된 층 깊이 측정 장치의 검출 코일(2)에 연결된다. 오실로스코프(8)는 레지스터(4) 및 신호 증폭기(7)에 연결된다.
레지스터(4): 1/4W 22Ω의 병렬 연결된 22개의 금속 필름 저항들에 의해 이루어진 1Ω 레지스터
바이폴러 전원 장치(5): Takasago Ltd.에 의해 제조된 4-상한 바이폴라 전원 장치(BWS40-7.5).
주파수 발생기(6): NF 코퍼레이션에 의해 제조된 함수 발생기 DF1906
신호 증폭기(7): NF 코퍼레이션에 의해 제조된 아이솔레이션 증폭기 5325
오실로스코프(8): Tektronix, Inc에 의해 제조된 오실로스코프 TDS3054B.
측정 방법
여기(excitation)는 표 4에 도시된 여기 조건들에 따라 수행되고, 검출 코일(2)로부터 출력되는 검출 전압 파형의 유효 값은 오실로스코프(8)에 의해 판독된다. 검출 전압 파형이 미세하였기 때문에, 신호 증폭기(7)에서의 증폭률은 200배 이었다.
Figure pct00003
시험 결과들
도 9는 시험에 의해 획득된 유효 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 9의 변화율은 경화된 층이 없는 비담금질된 공작물에 관한 검출 전압의 비율이다.
도 9에서, R1은 여기 전류가 0.25 A이고 주파수가 20 Hz인 경우의 변화율이고, R2는 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 20 Hz인 경우의 변화율이고, R3는 여기 전류가 0.75 A이고 주파수가 20 Hz인 경우의 변화율이고, R4는 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 50 Hz인 경우의 변화율이고, R5는 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 100 Hz인 경우의 변화율이다. 이들 변화율들(R1 내지 R5)로부터, 검출 전압은 유효 경화된 층 깊이가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다는 점이 발견된다.
유효 경화된 층 깊이와 검출 전압 사이의 상관을 나타내는 R2 값은 여기 전류가 0.25 A이고 주파수가 20 Hz인 경우 0.973이고, 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 20 Hz인 경우 0.9983이고, 여기 전류가 0.75 A이고 주파수가 20 Hz인 경우 0.9908이고, 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 50 Hz인 경우 0.9878이고, 여기 전류가 0.5 A이고 주파수가 100 Hz인 경우 0.9721이다. 이들 데이터의 피스들로부터, 유효 경화된 층 깊이와 검출 전압 사이의 상관을 나타내는 R2 값은 전류가 0.5 A이고 주파수가 20 Hz이 경우 가장 높다는 점이 발견되었다.
도 10은 여기 조건이 전류가 0.5 A이고 주파수가 20 Hz인 경우의 경화된 층 깊이와 검출 전압 사이의 관계를 도시하는 그래프이고, 측정 변화 오차(n=5)가 도시된다. 도 10에서, 라인(S1)은 시험 결과를 나타내고, 라인(S2)은 대략적인 직선 라인을 나타낸다.
본 시험의 측정에서, 최대 변화 폭(d)은 일반-깊이 경화된 층(H)을 갖는 공작물(W)의 위치(B))의 측정에서 대략 0.2 mm이었다.
위의 시험 결과들로부터, 정확한 검출 전압이 시뮬레이션에 의해 확인되는 적절한 여기 조건(전류는 0.25 A이고 주파수는 20 Hz임) 하에서 큰 잡음 성분 때문에 획득되지 않았지만, 유효 경화된 층 깊이는 전류가 0.5A이고 주파수가 20Hz인 여기 조건 하에서 대략 0.2 mm의 최대 변화 폭 "d"로 측정될 수 있었다는 점이 발견되었다.
본 발명의 상기 설명한 실시예는 다음의 측면들에서 장점이 있다:
(1) 검출 코일(2)은 공작물(W) 상에 및 여기 코어 부분(11)의 레그 부분들(111) 사이에 배열되는 검출 코어 부분(21) 및 검출 코어 부분(21) 상에 권선되는 검출 코일 부분(22)을 갖는다. 즉, 검출 코일(2)은 여기 코일(1)로부터 떨어져 분리되는 위치에 배열되고, 여기 코어 부분(11)을 통해 흐르는 자기 플럭스에 의해 덜 영향을 받을 것 같다. 따라서, 측정 정확도는 종래 기술의 예와 비교하여 개선된다.
도 11의 그래프는 본 실시예의 이 장점을 도시한다. 도 11은 본 실시예 및 WO2012/057224A1에 개시되는 종래 기술의 예에 따른, 경화된 층 깊이와 변화율 사이의 관계들을 도시한다. 도 11에서, 본 실시예의 변화율(V1)은 상술한 시험과 유사한 시험에 의해 획득된다. 본 실시예의 시뮬레이션 결과(VS1)는 시험 결과(VE1)에 근사한 위치에 있다. 종래 기술의 예의 변화율(V2)은 본 실시예의 시험과 유사한 시험에 의해 획득되는 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변화율(V1)은 종래 기술의 예의 변화율(V2)보다 더 높다. 높은 변화율은 높은 검출 정확도를 나타낸다.
(2) 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)은 유지 부재(3)에 의해 함께 접합된다. 즉, 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)은 유지 부재(3)에 의해 위치되므로, 공작물(W) 상에 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)을 설정하는 것이 용이하다. 또한, 측정은 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)이 위치된 상태에서 수행될 수 있으므로, 측정 정확도가 저하되는 것이 방지될 수 있다.
(3) 유지 부재(3)는 에폭시 수지와 같은 합성 수지로 구성된다. 따라서, 유지 부재(3)는 용융된 합성 수지를 몰드 안으로 주입하는 것만으로 용이하게 형성될 수 있다. 여기 코일 부분(12) 및 검출 코일 부분(22)은 이 유지 부재(3)에 고정되기 때문에, 사용 동안의 단락 또는 단선이 방지된다.
(4) 유지 부재(3)는 공작물(W)에 대해 유지 부재(3)의 위치를 결정하는 포지셔닝 부분(3A)을 갖는다. 따라서, 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)은 공작물(W)에 대해 적절한 위치를 유지하면서 이동하므로, 더 정확한 측정이 수행될 수 있다.
(5) 검출 코어 부분(21)은 여기 코어 부분(11)의 레그 부분들(111) 사이의 중간 지점에 배열된다. 즉, 검출 코어 부분(21)은 여기 코어 부분(11)의 한 쌍의 레그 부분들(111)로부터 떨어져 동일한 거리에 있다. 따라서, 그것은 여기 코어 부분(11)에 의해 생성되는 자기 플럭스에 의해 덜 영향을 받으므로, 측정 정확도가 더 개선된다.
본 발명은 그것의 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위는 상술한 실시예들에 제한되지 않고, 다양한 변경들 및 수정들이 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
예를 들어, 유지 부재(3)는 상술한 실시예에서 공작물(W)에 대해 유지 부재(3)의 위치를 결정하기 위한 포지셔닝 부분(3A)을 갖고 있지만, 포지셔닝 부분(3A)은 제공되지 않을 수 있다.
또한, 유지 부재(3) 자체는 본 발명을 구현하기 위해 제공되지 않을 수 있다. 유지 부재(3)가 제공되는 경우라도, 본 발명은 상술한 실시예의 구조에 제한되지 않는다. 예를 들어, 유지 부재(3)의 형상은 상술한 실시예의 형상에 제한되지 않고, 직사각형의 평행 육면체, 실린더, 삼각형 프리즘 등등일 수 있다. 유지 부재(3)는 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)이 베이스에 고정되도록 구성될 수 있다.
경화된 층 깊이 측정 장치를 조립 시에, 에폭시 수지와 같은 합성 수지는 상술한 공작물(W) 안으로 주입되고 그 다음 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)이 내장되지만, 합성 수지가 여기 코일(1) 및 검출 코일(2)이 공작물(W) 상에 설정된 후에 주입될 수 있거나, 합성 수지가 공작물(W) 대신에 별도로 준비된 몰드 안으로 주입될 수 있다.
본 출원은 2015년 3월 6일에 출원된 일본 특허 출원 번호 제2015-045307호 기초하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로 통합된다.

Claims (5)

  1. 담금질된 공작물의 표층에 형성되는 경화된 층의 깊이를 측정하도록 구성되는 경화된 층 깊이 측정 장치로서,
    상기 공작물을 자화시키기 위해 자기 플럭스를 생성하도록 구성되는 여기 코일; 및
    상기 여기 코일에 의해 생성되는 상기 자기 플럭스를 검출하도록 구성되는 검출 코일을 포함하며,
    상기 여기 코일은 U-형상의 여기 코어 부분 및 상기 여기 코어 부분 상에 권선되는 여기 코일 부분을 포함하고, 상기 여기 코어 부분은 상기 여기 코어 부분의 자기 폴들의 원위 단들이 공작물을 대면하도록 배열되고,
    상기 검출 코일은 자기 시트들의 층들을 갖는 검출 코어 부분 및 상기 검출 코어 부분 상에 권선되는 검출 코일을 포함하고, 상기 검출 코어 부분은 상기 여기 코어 부분의 상기 자기 폴들 사이 및 상기 공작물의 표면을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 경화된 층 깊이 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여기 코일 및 상기 검출 코일을 함께 유지하는 유지 부재를 더 포함하는 경화된 층 깊이 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유지 부재는 합성 수지로 구성되는 경화된 층 깊이 측정 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유지 부재는 상기 공작물에 대해 상기 유지 부재의 위치를 결정하도록구성되는 포지셔닝 부분을 포함하는 경화된 층 깊이 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 코어 부분은 상기 여기 코어 부분의 상기 자기 폴들 사이의 중간 지점에 배열되는 경화된 층 깊이 측정 장치.
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