軽 量
高 剛 性 材 料
削 加 工 技 術
開 発
ネ ウ 合 金 等 軽 量 素 材 福 祉 機 器 部 品 適 用
橋 口 智 和* 水 江 宏* 川 田 義 浩**
*
機 械 金 属 担 当 ** (株) ッ
Development of Cutting Technology for the Lightweight and High stiffness Metals
Application on Welfare Device of Lightweight Metals (Magnesium Alloys )Tomokazu HASHIGUCHI* Hiroshi MIZUE* Yoshihiro KAWATA** *Mechanical and Metallurgical Engineering Gr. **Teoric Cooperation.
要 旨
立 ち 困 難 人 を タ ッ 車 い や 等 立 ち を サ 介 助 人 負 担 軽 減 ニ ウ
合 金 製 器 具 を 開 発 た 当 セ ン タ 試 作 機 器 CAE解 析 強 評 価 を 行 い 評 価 結 果 を 基 形 状 を 最 適 化 支 柱 部 品 を 軽 量 高 剛 性 材 料 作 成 重 量 30%軽 減 を 目 指 た 強 評 価 屈 曲 時 全 体 重 負 荷 時 支 柱 部 品 応 力 布 を 求 た 結 果 回 転 中 心 部 を 除 破 損 や 変 形 可 能 性 い 推 察 さ た
た 強 評 価 結 果 を 基 形 状 を 再 検 討 材 料 を ネ ウ 合 金 AZ31 変 更 た 改 良 品 を 作 成 た 改 良 品 重 量 80g 前 試 作 品220g 比 63.7%削 減 た
1. め に
病 気 や 老 化 機 能 衰 え 生 た 場 合 福 祉
施 設 各 種 立 ち 歩 行 関 機 器 や 器 具 使
用 さ い 介 助 人 や 大 器 具 専 門 的
知 識 必 要 あ 多 使 用 者 独 力 装 着
器 具 少 い そ う 中 立 ち 困 難 人 をタ
ッ 車 い や 等 立 ち をサ 介 助 人
負 担 軽 減 器 具 を 開 発 ば 既 存 福 祉 器 具
対 優 性 あ 考 え そ (株) ッ
大 大 学 湯 布 院 厚 生 金 病 院 連 携 介
護 福 祉 現 場 た 宅 生 活 い 機 能 衰 え
立 ち 動 作 時 介 護 人 や 本 人 負 担 を 軽 減
高 機 能 取 扱 い 容 易 膝 用 サ 器 具 開 発 を
目 指 た
本 報 (株) ッ 試 作 た ニ ウ 合 金 製 サ 器 具 対 30% 重 量 削 減 を 目 標 試 作 器 具 強 評 価 ネ ウ 合 金 削 加 工 改 良
品 作 成 を試 た 結 果 を 報 告
2. サポー ト 器 具 構 成
試 作 た サ 器 具 装 着 時 様 子 をFig.1 示 器 具 膝 置 固 定 さ い 渦 巻 ネ 反 発 力 を
利 用 足 屈 曲 運 動 を サ 組 っ い
脱 着 容 易 う 筒 状 ン 脹 太 股 2 ヶ所 を固 定 う っ い 器 具 部 品 構 成 をFig.2
示 試 作 器 具 支 柱 部 品 ネ 固 定 部 品 渦 巻
ネ 筐 体 部 品 成 っ い セ ン タ 支 柱 部 品
軽 量 化 を 目 指 た 目 標 値 試 作 支 柱 部 品 重 量 対 30%削 減 定 た
Fig.1 装 着 時 様 子
3. 強 度 評 価
支 柱 部 品 形 状 最 適 化 を 図 た Fig.3 う 通 常 使 用 動 作 姿 勢 あ (1)屈 曲 時 器 具 最 負 荷
予 想 さ (2)全 体 重 負 荷 時 計 2 姿 勢 を 基 準
CAE 応 力 解 析 応 力 測 定 を
行 った
Fig.3 屈 曲 時 全 体 重 負 荷 時 姿 勢
3.1 CAEに よ る 応 力 解 析
解 析 使 用 た ソ ANSYS ver11.0 あ 境 界 条 件 設 定 た 解 析 図 を Fig.4 示 屈 曲 時 太 股 部 い ネ を伝 え ン 穴 12Nm タ 値 相 当 力305.34Nを え 脹 太 股 裏 接 触 ン 締 結 ネ 穴 3 ヶ 所 を 筒 支 持 た 脹 部
ネ 固 定 部 品 接 触 部 最 大 ネ 12Nm タ 値 を え 太 股 同 様 締 結 ネ 穴 3 ヶ
所 ネ固 定 部 品 摺 動 部 を 筒 支 持 た 全 体 重
負 荷 時 太 股 部 い ン 穴 部 305.34N ン 締 結 ネ 穴3ヶ所 980Nを え 回 転 防 ン を 固 定 た 脹 部 過 回 転 防 ン 穴 100kgf(980N) 力 を え 屈 曲 時 同 様 部 を固 定 筒 支 持 た
(a) 屈 曲 時
(b) 全 体 重 負 荷 時 Fig.4 境 界 条 件 設 定
3.2 解 析 結 果
部 品 太 股 部 脹 部 最 大 主 応 力σmax ン タ
図 をFig.5 示 試 作 部 品 材 質Al合 金 5052 番 引 張 強 さ 170～215MPa 耐 力 65MPa以 あ 1)
屈 曲 時 太 股 部 い 回 転 中 心 部 面
面 ネ 穴 5～20MPa 値 を示 た 一 方 脹 部 回 転 中 心 部 約 40～100MPa 値 を示 た そ 以 外 20MPa以 値 った
次 全 体 重 負 荷 時 太 股 部 い 回 転 中 心
部 約30～330MPa 過 回 転 防 ン 部 周 辺 面 ネ 穴 中 抜 部 四 隅 約 100～130MPa 大 値 を 示 た 脹 部 回 転 中 心 部 約 50～ 90MPa 加 え 面 ネ 穴 や 中 抜 部 20～ 60MPa 値 を示 た
以 結 果 脹 太 股 部 方 大 負 荷
部 別 見 回 転 中 心 周 辺 面 ネ 穴 中
(a) 屈 曲 時
(b) 全 体 重 負 荷 時 Fig.5応 力 布 図
3.3 ひ ず み ゲ ー ジ に よ る 応 力 測 定
解 析 結 果 比 較 的 応 力 高 っ た 太 股 部 を 中 心 ネ
穴 中 抜 四 隅 周 辺 を取 付 た 測 定
ヶ所 Fig.6 通 あ 最 負 荷 大 い回 転 中 心 周 辺 貼 付 可 あ っ た た 測 定 を 見 送 っ た
単 軸 3 軸 い (株)東 京 測 器 研 究 所 製 を 使 用 た ッ ッ (株)東 京 測 器
研 究 所 製 を 介 タ ン ン 製
を 読 取 っ た 得 た 線 補
を行 い 記 1),2)式 を 用 い 応 力 を求 た
単 軸
E
1)3軸
23 2 2 3 1 2
1
max
2
1
1
1
2
E
2)
ニ ウ 合 金 5052 番 ン 率 E =71GPa ソ ン 比 =0.33 あ
Fig.6 取 付 箇 所
3.4 測 定 結 果
Fig.7 屈 曲 時 全 体 重 負 荷 時 応 力 測 定 結 果 を 示
屈 曲 時 太 股 部 締 結 ネ 穴 周 辺 最 高
い応 力 28MPa った 脹 部 含 部 ,
～ ⑰ そ 半 以 あっ た 全 体 重 負 荷 時 太
股 部 屈 曲 時 同 様 箇 所 約48MPa 四 隅 屈 曲 時 大 値 を 示 た 30MPa以 あった た 脹 太 股 裏 側 側 面 ⑦ ～ ⑨ , 応 力
縮 応 力 っ い 解 析 結 果 同 様 曲 発
生 い わ った
以 結 果 Al合 金 加 え Mg合 金 AZ31引 張 強 さ ≧220MPa 耐 力 ≧105MPa 2) 機 械 的 特 性 を 考 慮 回 転 中 心 部 を 除 ば 屈 曲 や 全 体 重 負 荷 破
損 や 変 形 可 能 性 少 い 考 え 全 体 重 負
荷 時 解 析 結 果 Fig.5(b) 最 大 予 想 さ た 箇 所 応 力 い 本 来 全 体 重 を 過 回 転 防 ン
限 界 回 転 置 達 ン 近 傍 体 重 を 支 え 実
際 太 股 脹 ン 同 士 渉 限 界 回 転 置
a 屈 曲 時
(b) 全 体 重 負 荷 時 Fig.7 応 力 測 定 結 果
4. 改 良 た 支 柱 部 品
前 節 強 評 価 得 た 結 果 を 基 形 状 を 改 良
た 支 柱 部 品 図 面 をFig.8 示 負 荷 い部 を 削 強 評 価 結 果 曲 応 力 支 配 的 あ
わ っ た 曲 剛 性 向 を 目 的 中 抜 部
傾 斜 を 設 た た 支 柱 過 回 転 を 防 ン 摺
動 部 極 大 い 応 力 生 予 想 さ た た
肉 厚 を 大 力 を 支 え 面 積 を 広 た 材 料 ネ
ウ 合 金 延 材AZ31 厚 さ6mm板 材 を使 用 た 薄
肉 化 肉 抜 加 工 ニ ン セ ン タ 安 田 工 業 社 を
用 いた 削 加 工 条 件 Table 1 通 あ ネ
穴 加 工 汎 用 を用 い 推 奨
条 件 2-3割 減 条 件 た 輪 郭 ワ 放 電 加 工 機 菱 電 機 製 を 用 い た 放 電 加 工 ワ 径 0.2mm
ン Al厚 さ ５ ｍ ｍ 放 電 条 件 1st ッ 行 った
Fig.8改 良 部 品 図 面
Table 1 ニン セ ン タ 加 工 条 件
ニン セ ン タ YBM850V
薄 肉 化
6mm→5mm 肉 抜
使 用 工 具
エ ン OSG製
CC-EMSφ20mm
エ ン OSG製
CC-EMSφ5mm
Z方 向 込
(mm) 1 1.25
半 径 方 向 込
(mm) 17 全 面
回 転 数(rpm) 800 3150 XY方 向 送
(mm/min) 150 100
Z送
(mm/min) 50
加 工 液 Dry(吸 塵 機 使 用) Dry(吸 塵 機 使 用)
4.1 強 度 評 価
Fig.9 改 良 品 を 取 付 た サ 器 具 を 装 着
使 用 を 試 た 直 立 や 屈 曲 全 体 重 負 荷 様 子 を 示 全
体 重 を 幾 加 え 変 形 や 破 壊 生 問 題 い
を確 認 た 加 え 屈 曲 時 全 体 重 負 荷 時
予 想 さ ７ ヶ 所 を 測 っ た 東 京 測
器 研 究 所 製 単 軸 を 使 用 ッ ッ
タ を読 取 った
Fig.11 測 定 結 果 を示 太 股 部 脹 部 い
い AZ31 耐 力 限105MPa以 ネ 穴 や 中 抜 部 破 壊 や 変 形 可 能 性 い わ っ
た 測 定 っ た 回 転 部 中 心 部 変 形
や 破 壊 考 え た 更 を重 必 要 あ
試 作 改 良 た 支 柱 部 品 重 量 を タ 計 (エ ン 製) 測 定 た 結 果 前 試 作 部 品 220g 対 改 良 品 80g 63.7%削 減 た
Fig.9 改 良 た 器 具 使 用 時 様 子
Fig.10 測 定 ヶ所
Fig.11 測 定 結 果
5. まと め に
試 作 器 具 支 柱 部 品 強 評 価 を 行 い 評 価 結 果 を
基 形 状 最 適 化 ネ ウ 合 金 改 良 品 作 成 を
試 以 結 論 を 得 た
(1) CAE 解 析 応 力 測 定 を行 っ
た 結 果 屈 曲 全 体 重 負 荷 時 い い 回
転 中 心 部 を除 変 形 や 破 損 可 能 性 い
示 唆 さ た
(2) 形 状 を最 適 化 Mg 合 金 加 工 改 良 品 を作 成
た そ 結 果 改 良 品 重 量 80g 前 試 作 品 対 63.7%削 減 た
追 記
本 研 究 成 ２ ５ 中 小 企 業 小 規 模 事
業 者 試 作 開 発 等 支 援 補 助 金 事 業 実 施 た
参 考 文 献
1) 日 本 工 業 規 格 JIS H 4000(2006) ニ ウ 及
ニ ウ 合 金 板 及 条
2) 日 本 工 業 規 格 JIS H 4201(2011) ネ ウ 合 金
