JPH0120370B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は可動塊の作用下に探針を被験材と衝突
させるように構成した衝撃手段による硬度試験装
置に係わる。任意の幾何的条件を有し且つ任意の
材料から成り、衝突するまで動かされる可動塊は
以下の説明に於いて簡略に衝撃体と呼称する。衝
撃体と探針とは一体に構成してもよいし、相対運
動自在な別々の部分として構成してもよい。探針
は例えば球体、一部球状に形成したピンまたはボ
ルトまたはボルトと連結された球体などでよい。 材料の硬度測定にはブリネル、ビツカーズ及び
ロツクウエルの公知の静的な、いわゆる貫入法の
ほか、動的な試験法が利用される場合も少くな
い。これらの公知方法は衝突または衝撃作用下に
探針を被験材料と接触させ、それぞれの方法に応
じて、材料に残る変形、探針と材料との間の衝突
力、衝突持続時間、または材料からの反撥後探針
付き衝撃体に残留する位置エネルギーが硬度測定
値を形成するように構成したものである。しか
し、動的な試験法に於いては探針と材料との接触
が前記残留変形を伴なうように衝突または衝撃作
用のエネルギーを大きく選ぶのが常である。 本発明の目的は測定精度のよい小型の且つ極め
て簡単な試験装置で重力方向と無関係に迅速に硬
度試験を遂行する動的試験法による硬度試験の方
法及び装置を提供することにある。 本発明の硬度試験法は任意のエネルギー源によ
つて動かされる探針付き衝撃体の被験材との衝突
直前及び直後の速度を測定し、次いで両速度から
材料硬度の目安としての特性値を形成することを
特徴とする。 本発明では以下の説明でも同じであるが、静止
状態にある材料に対して相対運動する探針付き衝
撃体が衝突位置またはその直ぐ近傍に於いて示す
衝突前速度が衝突直前の速度である。これを理論
的に厳密に表現するなら、探針と材料とが接触す
る瞬間の衝撃体速度である。同様に、衝突直後の
速度とは材料の抵抗によつて反対方向へ運動させ
られる探針付き衝撃体が衝突位置またはその直ぐ
近傍に於いて示す反撥後の速度である。これを理
論的に厳密に表現するなら、探針が材料から再び
上動する瞬間の衝撃体速度である。 衝撃体に作用するエネルギーの持続時間及び大
きさに従つて、衝撃体は衝突位置の直ぐ近傍に於
いてだけでなく衝突位置からもつと遠い位置に於
いても測定量としての速度、即ち、衝突及び反撥
速度を示すことができる。例えば衝突速度につい
ては、衝撃体が衝突位置までではなくこの衝突位
置から所定の距離まで加速されてから、以後はそ
の他の力の影響を無視できるとして、一定の速
度、即ち、衝突速度で衝突位置まで運動する。 本発明の方法は公知のエネルギー方程式の分析
に基づくものであり、例えばばね式衝撃装置の場
合、衝突後の残留エネルギーは下記の方程式で表
わされる。 ｍ・v_R ²／２＝ｃ・s_R ²／２±mg・s_R＋E_R １） 但し ｍ＝衝撃体の質量。 v_R＝衝撃体の反撥速度。 ｃ ＝ばね定数。 s_R＝ばね作用に抗する衝撃体の反撥行程 （ばね行程の一部）。 ｇ ＝重力定数。 値ｍ・v_R ²／２は反撥開始時に於ける衝撃体の位置 エネルギーであり、反撥終了時に下記のエネルギ
ー成分に変換される。 ｃ・s_R ²／２＝ばね装置に残留する位置エネルギ ー。 mg・s_R＝残留する位置重力エネルギー。こ
のエネルギー成分は衝撃方向に応
じて正、負または０となる。 E_R ＝反撥行程s_Rに沿つた摩擦の影響によ
つて生ずるエネルギー。 反撥装置では硬度を表わす測定量として反撥行
程s_R、即ち、残留位置エネルギーの行程が測定さ
れる。この値は方程式１）で明らかなように衝撃
方向及び反撥行程に沿つた摩擦力の作用に影響さ
れる。これに対し、残留エネルギー測定量として
運動エネルギーの特性値、即ち、反撥速度を測定
すれば、上記二つの誤差要素は完全に消滅する。 しかし上記二つの誤差要素はすべての動的試験
法に於ける衝撃エネルギーの発生時に際しても現
われ、このことは衝突前に存在する衝突エネルギ
ーに関する同様なエネルギー方程式から明白であ
る。即ち、 ｃ・s²／２±mgs＋Ｅ＝ｍ・v_A ²／２ ２） 但し ｍ、ｃ及びｇ＝方程式１）と同じ。 ｓ ＝総行程。 v_A＝衝撃体の衝突速度。 Ｅ ＝総行程に沿つた摩擦作用によつて生ず
るエネルギー成分。 値ｍ・v_A ²／２は衝撃体の衝突直前の運動エネルギ ーであり、ばね装置の位置エネルギーｃ・s²／２を 変換することによつて形成され、ここでも位置重
力エネルギー及び行程沿いの摩擦力が誤差要素と
して現われる。動的な硬度試験法に使用されるば
ね式衝撃装置にあつては例外なくばね定数及びば
ね行程に相当する一定値あらかじめ与えることに
よつて初めて衝撃エネルギーを一定に維持できる
から、衝突位置に於いて現われる運動エネルギー
は上記二つの誤差要素の作用下で一定ではない。 ここでも運動エネルギーの測定量として衝突速
度v_Aを測定すれば反撥速度とは逆に、必らず上記
二つの誤差要素を伴なう。しかし本発明では速度
測定に関連して、二つの速度を互いに関連させ
る、即ち、硬度を表わす特性値として例えば二つ
の速度の商v_R／v_Aを形成させる。このように商を形 成することで衝突速度の誤差が著しく小さくな
る。なぜなら、衝突速度の変化が余り大きくなけ
れば反撥速度はほぼこれに比例して変化するから
である。測定された速度から例えば

【式】また は（v_R／v_A）を形成しこれを特性値として使用して もよく、後者は衝突による運動エネルギーの変化
に正比例する。 衝撃方向に起因する衝突速度に伴なう誤差要素
は衝突前に衝撃体中に存在する運動エネルギーが
衝撃体質量が重力作用下にある状態での正または
負のエネルギー成分よりも大きくなるように衝撃
体質量と、この質量が任意のエネルギー源によつ
て駆動される速度とを相対的に量定することによ
つてさらに縮小することができる。 以上述べた方法を実施するための本発明装置は
衝撃体が衝突位置の直ぐ近傍で示す速度をこれに
比例する電気的信号に変換する変成器の可動部に
衝撃体を固定連結したことを特徴とする。変成器
としては可動永久磁石を衝撃体に連結し、固設コ
イル部を衝撃体ガイドに固定して成るプランジヤ
ー・マグネツト式信号発生器または可動磁性部を
衝撃体に連結し、固設コイル・永久磁石部を衝撃
体ガイドに固定して成る他の電磁式信号発生器を
使用すればよい。 衝撃体ガイドに取付けた固設の変成器部分は発
生した速度比例信号を測定し且つ記憶する測定装
置に導電接続すればよく、この測定装置に前記信
号から形成された硬度特性値を確認する装置を含
ませればよい。 速度に比例する電気信号を発生させるのに上記
の変成器を利用すれば、事実上衝突位置の任意の
近傍に於ける衝撃体の瞬間速度を接触せずに測定
できる。信号は電子的に測定し、さらに処理を加
えることができるから、測定結果は高い精度のほ
かに、測定直後にデジタル化されるという利点を
具える。 以下添付図面に従つて本発明の好ましい実施例
を説明する。 第１図に図示の硬度試験装置は硬度試験時に開
口前端が被験材料の表面１５に垂直に載置される
管状の前部匡体４を具備する。内面がガイドを構
成している匡体４内に衝撃体２及びコイル圧縮ば
ね５を長手方向へ移動自在に取付ける。円柱状に
形成された衝撃体２はその前端が探針１と固定接
続されている一方、軸方向に極３ａ及び３ｂを具
える円柱状永久磁石３が内部に固設されている。
図示の実施例では探針１が被験材料に貫入できる
硬化鋼またはその他の適当な硬い材料から成る球
体である。 衝撃体はその後端にクランプ・ジヨー・チツプ
８を受容するための軸方向円筒孔２ａを具備し、
前記クランプ・ジヨー・チツプはオバーラン円錐
面２ｂに沿つてこの円筒孔２ａへ嵌入させること
ができる。第１図に弛緩状態で示してある圧縮ば
ね５は探針１が被験材料に貫入した後、該材料に
変形が残る程度に大きい衝撃エネルギーを発生さ
せる。衝撃体へのばね力伝達は衝撃体の後端面２
ｃを介して行われる。匡体４はその後端が内孔に
クランプ・ジヨー７を長手方向へ移動自在に設け
てあるガイド・スリーブ６に連結されている。ク
ランプ・ジヨー７の後端はキヤツプ１０を介して
後部管状匡体１１に固定連結され、匡体１１は前
記匡体４上を長手方向へ移動自在に取付けてあ
る。十字形に形成された長手方向のスロツトによ
り半径方向に弾性を与えられたクランプ・ジヨー
の前端は特殊な装置としてクランプ・ジヨー・チ
ツプ８及びリリース装置９を具備する。 クランプ・ジヨー・チツプ８は前方にむかつて
円錐状を呈する４個のオバーラン肩部８ａから成
り、これらの肩部はクランプ・ジヨー・チツプが
円筒孔２ａ内へ嵌入すると衝撃体のための接手と
して作用する。リリース装置９はオバーラン円錐
体９ａ及び末端制止部９ｂから成る。オバーラン
円錐体の目的はクランプ・ジヨーを引抜く際に該
クランプ・ジヨーの弾性アームを充分に圧縮させ
ることによりクランプ・ジヨー・チツプが係合し
ていた衝撃体を再びリリースすることにある。ク
ランプ・ジヨーの復帰行程はガイド・スリーブ６
の面６ａと衝合する末端制止部９ｂによつて制限
される。後部匡体１１には常態で蓄勢下にある別
のコイル圧縮ばね１２を設け、その両端をガイ
ド・スリーブ６及びキヤツプ１０にそれぞれ衝合
させ、キヤツプと連結されているクランプ・ジヨ
ーを常態で末端制止部９ｂ上に載置されるように
後方へ付勢する。ばね１２の蓄勢は少くともオバ
ーラン円錐体９ａに生ずる抵抗を含めて前部ばね
５のばね力と同等である。 さらに、前記匡体４の外側に、衝撃体が衝突す
る時点でコイル軸心ｘ―ｘが永久磁石の前端３ａ
とほぼ一致するようにホルダー１３に収納された
コイル１４を配置する。永久磁石前端に対してコ
イル軸心を精密調整するには、二つの部分から成
るホルダー１３を例えば前記匡体４上に設けた螺
条に沿つて移動させればよい。コイル１４は導線
１６ａ，１６ｂを介して測定及び表示装置１７と
接続されている。 第２図は衝撃体内にあつてこれと共に運動する
永久磁石がコイル範囲に進入し、再び退出するの
に伴なつて変成器３，１４に現われる電圧Ｕの代
表的な動向を示す。この電圧動向は時間ｔとの関
連で簡略に示されており、時間区分t₁は衝突位置
へ衝撃体が接近する過程に対応し、時間区分t₂は
反撥過程に対応する。衝突から反撥までの時間が
真の衝突時間であり、時間区分t₁及びt₂に比較し
て極めて短かいから、第２図では同時に起こると
してＡ、Ｒで示してある。最大値＋U_nax、−U_nax
はコイル軸心ｘ―ｘと磁石端３ａが一定の相対位
置を占めた時に現われ、磁石と固定連結されてい
る衝撃体のこの位置での速度に正比例する。第２
図ではこの最大値が衝突直前及び反撥直後に現わ
れる。即ち、衝撃体の速度がこれに比例する電気
信号に変換される時点で衝撃体は衝突位置の直ぐ
近傍に位置する。しかし、匡体４上を移動自在の
コイルは最大値が第２図に示す衝突Ａ、Ｒと一致
するように、つまり、衝突及び反撥の時点で衝撃
体速度が測定されるように調整することもでき
る。 第３図に図示の測定及び表示装置の回路構成図
は増幅器１７′、二つのピーク・メモリ１８，１
８′を含み、前記メモリの記憶値は制御部１９′の
制御下にあるダブル・ランプ式Ａ／Ｄ変成器１９
へ入力量として送られ、該変成器に於いて反撥速
度及び衝突速度からデジタル商が形成され、カウ
ンタ２０及び表示器２１によつて表示される。 以下に本発明の硬度試験装置の作動態様を説明
する。 試料の硬度測定に際しては、匡体４の前端を被
験材料の表面１５上に垂直に載置し、片手でホル
ダー１３を固定しながらもう一方の手で後部匡体
１１及びこれとキヤツプ１０を介して固定連結さ
れたクランプ・ジヨー７を衝撃体内孔２ａへクラ
ンプ・ジヨー・チツプ８が嵌入するまで材料にむ
かつて押圧する（第５図）。後部匡体１１に対す
る押圧を解くだけで蓄勢ばね１２の作用下にクラ
ンプ・ジヨー７が復帰すると、衝撃体２も共に復
帰し、これによつてばね５が蓄勢させられる（第
６図）。さらに復帰動作が続くとオバーラン円錐
体９ａの円錐面部がガイド・スリーブ６の孔へ嵌
入するのに伴なつてクランプ・ジヨー・チツプ８
が圧縮され、その結果、衝撃体２が解放され（第
７図）、蓄勢状態のばね５により被験材料に衝突
させられる（第８図）。衝突の直前及び直後に於
ける衝撃体の速度は上述のようにこれに比例する
電圧に変換され、第３図に図示の測定及び表示装
置によつて測定され、処理される。 硬度を表わす目安として形成される二つの速度
の商は常に１よりも小さく、探針の種類及び衝撃
エネルギーの組合わせが一定なら一連の鋼材につ
いて0.300乃至0.800の値を取る。 本発明の方法を実施するための装置が上記実施
例に限定されないことは云うまでもない。 衝撃体の実施例としては衝撃体と探針とが一体
を構成するものが好ましいが、衝撃体と探針とが
別々の部分を構成し、衝撃体だけを動かし、探針
を被験材料上に載置するように衝撃装置を構成す
ることももちろん可能である。この場合、速度測
定による硬度試験法は二つの異なる態様で実施で
きる。第１態様の方法は衝突直前及び材料上の探
針からの反撥直後の衝撃体速度を測定することを
特徴とする。第２態様の方法は衝撃体の衝突直後
に於いて、即ち、被験材料への貫入開始時に探針
に現われる最大速度を測定することと、被験材料
からの反撥後に於ける最大速度を測定することを
特徴とする。第１態様に於ける衝撃体速度測定と
異なり、第２態様で測定される最大速度は極めて
短かい行程に亘つて生ずる探針の加速によつて現
われるものである。 第４図に図示の実施例は探針２２の最大速度を
測定するため衝撃体２４と探針２２とを別々に構
成したものであり、この実施例では衝撃体とは別
体の試験体２２ａに探針２２とに永久磁石２３が
組込まれている。この実施例では探針２２は前端
を球状に研削した硬化鋼製のボルトから成る。衝
撃体２４も例えば円柱状の断面を具え、探針２２
同様に管状匡体２５内に長手方向へ移動自在に設
けてある。衝撃体２４の質量は探針２２と同じ
か、またはこれより大きければよい。第４図には
図示していないが衝撃体２４の後端は第１図で図
示したように衝撃エネルギー発生装置と同様に構
成すればよい。第１図の場合と同様に第４図でも
ホルダー２７に収納されたコイル２６は導線２８
ａ及び２８ｂを介して測定及び表示装置２９に接
続してある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である硬度試験装置の
縦断面図であり、第２図は変成器からの典型的な
出力信号が画く特性図であり、第３図は変成器信
号の評価との連携で使用される測定及び表示装置
の回路構成図であり、第４図は衝撃体と探針とを
別々に構成した硬度試験装置の前部を示す縦断面
図、第５〜８図は本発明の硬度試験装置の作動順
序を示す図である。 １…探針、２…衝撃体、３…永久磁石、４…直
線状案内部材、５…駆動ばね、６ａ…解除装置、
７，８，１２…復帰装置、８ａ…捕獲用チヤツ
ク、１４…電磁コイル、１７…測定・記憶装置、
１８，１８′…ピーク値メモリ、１９，１９′…商
形成回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 衝撃装置によつて材料の硬度を試験する装置
   であつて、衝撃体と一体的に形成した探針１を有
   する衝撃体２と、被検材料の表面に向けて上記衝
   撃体を案内する直線状案内部材４と、上記衝撃体
   ２を被検材料の表面に向けて駆動する圧縮可能な
   駆動ばね５とを備えた装置において、上記衝撃体
   ２は該衝撃体の内部に固着した第１変成器部分３
   を備え、上記案内部材４の前端には上記被検材料
   の表面に対して静止状の第２変成器部分１４を備
   え、上記第１及び第２変成器部分３，１４は被検
   材料の表面に衝突する直前及び直後の上記衝撃体
   ２の瞬間的速度に比例した電磁的信号を直接的に
   発生する電磁的変成器を協働して形成するもので
   あり、上記電磁的変成器３，１４に測定・記憶回
   路１７を接続して上記衝撃体２が被検材料の表面
   に衝突する直前及び直後の電磁的信号の最大値を
   測定・記憶して上記両最大値の商を上記材料の硬
   度の目安としたことを特徴とする材料の硬度試験
   装置。 ２ 第１変成器部分が、上記衝撃体２に固着した
   永久磁石３で形成され、第２変成器部分が、上記
   直線状案内部材４の前端に取付けた電磁コイル１
   ４で形成され、該電磁コイル１４が上記測定・記
   憶回路１７に接続された特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３ 変成器部分３，１４がプランジヤ・ソレノイ
   ド型であり、そのソレノイドの部分で上記直線状
   案内部材４の前端を取囲んだ特許請求の範囲第２
   項記載の装置。 ４ 衝撃体２の永久磁石３と直線状案内部材４の
   電磁コイル１４とを互に調節して、上記衝撃体が
   被検材料の表面に衝突する直前及び直後に電磁的
   信号の最大値が発生するようにした特許請求の範
   囲第２項又は第３項記載の装置。 ５ 衝撃体２の復帰装置７，８，１２を備え、該
   復帰装置は案内部材４の前端に向けて作用する復
   帰ばね１２の付勢力に抗して該案内部材４内を移
   動可能に形成されると共に衝撃体２を捕獲する捕
   獲装置を備え、毎回の測定後に衝撃体を捕獲して
   上記復帰ばね１２の力によつて衝撃体を初期位置
   に復帰させ、また上記衝撃体が復帰した時に上記
   駆動ばね５が圧縮された特許請求の範囲第１項か
   ら第４項までのいずれか１項記載の装置。 ６ 衝撃体を捕獲する捕獲装置が捕獲用チヤツク
   ８ａと解除用装置６ａとを備え、初期位置に復帰
   した時に上記解除用装置６ａによつて捕獲用チヤ
   ツク８ａが衝撃体２を解放するように作動した特
   許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 衝撃体２の前端に探針１を備え、該探針は球
   面を有すると共に上記衝撃体２に固着された特許
   請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項
   記載の装置。 ８ 測定・表示回路１７は衝撃体２が被検材料の
   表面に衝突する直前及び直後の電磁的信号の最大
   値を記憶するピーク値メモリ１８，１８′と、電
   磁的信号の上記最大値の商を計算する商形成回路
   １９，１９′を備えた特許請求の範囲第１項から
   第７項までのいずれか１項記載の装置。