ダクタイル鋳鉄鋳物の球状性を検証するための超音波試験

May 06, 2023

図 1: 典型的なダクタイル鋳鉄自動車用鋳物

図 2: 鋳鉄の音速値

図 3: 超音波検査装置と適合ソフトウェア

図 4: 浸漬タンクでのテストセットアップ

図5: 音速測定原理

図 6: リファレンス キャストからのエコーが解決され、ゲート位置が設定されます。

図 7: テストする鋳物の速度と厚さの制限が計算され、超音波テスト設定ダイアログに入力されます。

図 8: 基準鋳造品のシリアル番号、厚さ、速度が校正ダイアログに入力されます。

図 9: TOF 1 は、治具に鋳物を入れずに測定されます (水のみ)。

図 9: TOF 1 は、治具に鋳物を入れずに測定されます (水のみ)。

図 10: TOF 2 は、鋳物を治具内の所定の位置に置いて測定されます。

図 10: TOF 2 は、鋳物を治具内の所定の位置に置いて測定されます。

図 11: 調整が成功すると、測定値が表示され、システムに「校正 OK」と表示されます。

図 11: 調整が成功すると、測定値が表示され、システムに「校正 OK」と表示されます。

図 12: オペレーターが手動で鋳物を積み込む。

図 13: ピックアンドプレースユニットによる鋳物の自動アンロード。

図 14: トレンド チャート、結果カウンター、測定値、およびテスト シーケンス LED を表示するオペレーター インターフェイス。

図 15: 4 つのアクティブなチャネルを示すマルチチャネル ユーザー インターフェイス。

図 16: ラミネート テストのセットアップを示す欠陥インターフェイス。

図 17: インターフェイス テストのセットアップを示す欠陥インターフェイス。

ダクタイル鋳鉄は、マトリックスに球状黒鉛粒子の形態の炭素が含まれる鉄-炭素鋳造材料です。 ダクタイル鋳鉄マトリックスの丸い黒鉛小塊は、黒鉛片（ねずみ鋳鉄など）と比較して応力集中に対する耐性が大きいため、亀裂の発生を抑制します。

ダクタイル鋳鉄から鋳造された安全性が重要な自動車部品は、これらの部品のいずれかの致命的な故障が損傷、怪我、さらには人命の損失につながる可能性があるため、正しい割合の塊状性が含まれていることを確認するためにテストする必要があります。 メーカーは、サンプル部品の正しい結節性を検証するために、破壊的試験方法である微細構造分析を日常的に採用しています。 微細構造分析は通常、冶金研究室で行われ、せいぜい全生産量のうちのほんの一部に過ぎません。

自動車の鋳造部品はブレーキやステアリング システムなどの安全性が重要な用途に使用されるため、すべての鋳造部品について球状性を検証する必要があります。 微細構造解析は破壊的な方法であるため、この方法ではテストされたコンポーネントが使用できなくなります。 したがって、生産バッチ内のコンポーネントの 100% をテストできる非破壊テスト方法が推奨されます。

ダクタイル鋳鉄における球状化率と音速との関係はよく知られています。 一般に、小結節率が減少すると音速は減少します。 ダクタイル鋳鉄鋳物を製造する鋳造工場は、鋳物に必要なダクタイル性があることを保証するために、音速の許容/拒否制限を設定します。

純鉄、ダクタイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄の間には音速に一貫した差があります。 通常、純粋な単体鉄の速度は約 0.232 インチ/マイクロ秒 (in/μs)、球状鉄の速度は約 0.222 インチ/μs、ねずみ鉄の速度は約 0.192 インチ/μs です。 特定の用途の正確な速度は、合金組成、粒子構造、およびその他のプロセス変数によって異なります。

音速とノジュラリティの間には関係があるため、非破壊超音波検査は鋳造部品のノジュラリティを測定するための理想的なツールです。 超音波システムは、既知の結節性値を持つ代表的な「基準」鋳物を使用して調整されます。 参照に使用される参照鋳造の形状は、テストされる製造部品の寸法を代表するものでなければなりません。

超音波による音速の正確な測定には、マイクロメーターまたはノギスを使用して、測定点における基準鋳物の厚さを正確に測定する必要があります。 この値は測定ソフトウェアに入力され、音速の計算に使用されます。 テストポイントの厚さが不明な場合、正確な速度測定はできません。

単結晶パルスエコートランスデューサを備えた超音波厚さ計および探傷器を使用して、音速を手動で測定できます。 手動テストは、クイック仕分けモードで部品のスポットチェックや仕分けを行うのに役立ちますが、この技術は比較的時間がかかり、専用の自動検査システムと比較するとオペレータのばらつきが大きくなります。 手動テストは、鋳造加工ラインにおける大量の鋳物検査には望ましいものでも現実的でもありません。

生産ラインでの自動鋳造検査には、超音波検査装置、特別に適合したソフトウェア、超音波トランスデューサー、デジタル入出力 (IO) バスで構成されるシステムが必要です。

超音波ハードウェアとソフトウェアに加えて、システムは浸漬タンク、精密部品番号固有のテスト治具、部品のロードとアンロードの手段を利用します (ロードとアンロードは手動またはロボットまたはピックアンドアンロードによって自動で行うことができます)。配置ユニット）、およびテストシーケンスを管理し、テスト結果に基づいて鋳物を分離するための制御システム。

精密部品番号固有のテスト治具は浸漬タンクに取り付けられ、超音波トランスデューサーに対して鋳物を位置決めするために使用されます。 2 つの対向する超音波トランスデューサーはピッチキャッチ (または送信を通じて) モードで構成されます。 結果として生じる超音波エコー間の飛行時間が測定され、音速が計算されます。

試験場所は、鋳物上の 2 つの隣接する平坦な平行な表面が位置する領域でなければなりません。 測定精度は、再現可能な鋳造形状と、トランスデューサに対する鋳物の再現可能な位置に依存します。 正確なテスト結果を維持するには、機械的精度と治具の清浄度が重要です。 磨耗した治具は、最終的には再加工または交換する必要があります。

測定の基本原理を図 5 に示します。送信トランスデューサーと受信トランスデューサー間の超音波飛行時間 (TOF) は、固定具に鋳物がない水路を通じて測定されます (図 5、TOF 1)。 次に、鋳物の両側の水路を表す飛行時間と、音が鋳物内を 1 往復するのに必要な時間を加えたもの (図 5、TOF 2) が測定されます。 音速は、部品の厚さと 2 つの測定された TOF 値に基づいて計算されます。

温度は音速に影響を与えるため、浸漬タンクの水温が変化すると、それに対応して音速測定の精度も変化する可能性があります。 この影響を最小限に抑えるために、システムは各鋳造のテスト後に水速度を測定し、この情報を使用して鋳造速度の測定値を補正し、水温の変化に関係なく正確な結果を提供します。 鋳物の温度の変動も測定精度に影響を及ぼし、変動が激しい場合にはシステムの再調整が必要になります。

音速測定システムは迅速かつ簡単に調整できます (図 6 ～ 11)。 部品番号固有のテスト設定を作成、保存し、後で使用するために呼び出すことができます。 安定性と精度を維持するには、定期的なシステムのキャリブレーションが必要です。 校正は、正しい結節性が確認された基準鋳造品を使用してシステムを調整することと、システムが不適切な結節性を有する 2 番目の基準鋳造品を拒否することを確認することから構成されます。

調整が完了すると、システムはテストモードに切り替わり、量産鋳造品をテストできるようになります。 デジタル IO バス上の Ready for Test 信号は、最初の鋳物をロードできることをオペレータまたは機械システムに示します。 ユーザーは、鋳物の積み下ろしを主な制約として、毎分 15 ～ 30 個の鋳物を検査することができます。

鋳物は 1 つずつタンク内の固定具に積み込まれます。 ソフトウェアは、鋳物がロードされたときに生成される超音波エコーに基づいて鋳物の存在を認識し、各測定を自動的にトリガーします。 測定値は事前に設定された速度および厚さの制限値と比較され、システムは画面上の表示と制御システムへの出力信号の両方として合格または拒否の決定を生成します。 テスト後、鋳物は治具からアンロードされ、合格グループと不合格グループに分けられます。

生産テスト中は、インターフェイス上の LED を介してテスト シーケンスを観察できます。 部品の準備ができていること、部品が所定の位置にあること、およびソートの受け入れ/拒否の決定が LED に表示されるだけでなく、デジタル IO バスにも信号が送られます。 テストされた各鋳造品の速度、厚さ、および水流速度の測定値が表示されます。 鋳物ごとの測定値を傾向グラフにプロットします。 合格部品と不合格部品、およびテストされた部品の総数がカウントされ、オペレータ インターフェイス上の部品カウンターに表示されます。 テスト結果は、オフラインでの文書化や分析のために CSV ファイルにエクスポートできます。

マルチチャンネルシステムにより、同じ鋳物に対する複数の測定が可能になるだけでなく、独立した処理ラインでの同時測定も可能になります。 独立したチャネル操作により、オペレータは 1 つのチャネルを停止して調整しながら、他のチャネルでテストを続けることができます。

音速と厚さの測定に加えて、選択したチャンネルを音速測定と並行してパルスエコー探傷試験を実行する専用にすることも可能です。 一般に、鋳物に適用される欠陥検査には 2 種類があります。

ラミネート検出は、鋳造品の前壁と後壁からの超音波エコーの間に配置されたリジェクト ゲートを使用して、部品の断面の層状欠陥を検出するために使用されます。 前壁または後壁のエコーの損失、または欠陥ゲート レベルを超えるプラスの信号を示す鋳物は、欠陥品としてラベル付けされ、その鋳物は不合格になる可能性があります。

鋳造特徴確認では、プリセット ゲート内の正面壁エコーの位置を監視し、ショート ポア (特定の鋳造位置での材料の不足) やねじれ (部品の機械的歪み) などの鋳造欠陥を監視します。 前壁エコーの損失を示す鋳物は欠陥品として分類され、その鋳物は不合格になる可能性があります。

超音波試験は、音速を測定し、ダクタイル鋳鉄部品の球状性を検証するための信頼できる方法を提供します。 鋳造生産ラインの自動検査システムに超音波測定を統合することで、鋳造生産部品の 100% を迅速かつ信頼性の高い検査が可能になります。 超音波トランスデューサーに対する鋳物の位置を一貫して確保するには、精密な機械的固定具が必要です。 アプリケーション ソフトウェアを使用すると、ユーザーはシステムを簡単に調整でき、安定した正確なテスト結果が得られます。 音速測定に加えて、専用のトランスデューサーと専用の欠陥チャンネルを使用して特定の鋳造欠陥を検出することもできます。

Ronald B. Peoples は、Olympus Corp. of the Americas のシステムおよび統合のシニア アプリケーション エンジニアです。 詳細については、(814) 470-0169 に電話するか、[email protected] に電子メールを送信するか、www.olympus-ims.com にアクセスしてください。