接触面積拘束工具 による単板切削現象 の一考察

単 板 剥ぎ取 り機 械 に 関 す る研 究 ( ⅩⅩⅤ) *

接触面積拘束工具 による単板切削現象 の一考察

杉 山 滋

長崎大学教育学部技術教育講座

(平成15年3月14日受理)

S t ud i e so nVe ne e rCut t i n gMa c hi ne( XXV) *

SomeConsiderationonⅥ∋neerCu仕ingPhenomena

by

ToolwithRestrictedTool‑ChipContactLe ngth

Shi ge r uSu

GⅣAMA

DepartmentofTechnologyEducation,FacultyofEducation, NagasakiUniversity,Nagasaki852‑8521

(ReceivedMarch14,2003)

Abstract

Intheveneercuttingprocess,thestressconcentrationsnearthetooledgeandthehictionalcoeffi‑ cientsonthetoolthattakespartinthemechanism oftheveneerformationandtheveneerquality becomeaseriousproblemofutmostimportance,butfewstudieshavedeltawiththisproblem.

TYlemainpurposeofthispaperistoobtainseveralbasicfactsontheabove‑mentionedproblem.

Inthisstudy,thenormalandfrictionaltoolforcecomponentsweremeasuredintheveneercutting w

ithoutapressurebar,usingthetoolwi ththereshictedtool‑chipcontactlength,mentionedinthe previousreportl).TYlefactorsaffectingtheveneerqualitywerediscussedonthebasisoftheexperi‑

mentalresultsobtainedandtheresultsfromthepreviousreports2)･3).

′

nleresultsobtainedaresummarizedasfollows:

(1)As thetool‑chipcontactlength (Ar)oftheresbictedtooldecreases,whencuttingwater‑ saturat占dworkpieces

,

thehictionalforce(F)actingonthetooldecreasesexponentially,butthe normalforce(N)doesnotchangeremarkably.Wh encuttingair‑driedworkpieces,neitherFnorN decreaseevenifA,decreases(Fig.1).

(2)Onthebasisoftheabove‑mendonedresults,thefric也onalcoef丘cients(LL)ontheinterface betweentheresbictedtoolandthechipdecreaseasArdecreases.n edecreasingtendencyoflLis moreremarkablewhencuthgwater‑saturatedworkpiecesthan whencuttingair‑driedones.′nleSe phenomenacan beexplainedqualitativelyonthebasisofthestressdisbibutionsovertherakeface oftheres廿ictedtool(Fig.2).

(3)As^Ardecreases,thedegreeofthestressconcentrationsnearthetooledgeincreases remarkably.1meincreasingtendencyofthenormalstressconcentrationismoreremarkablethan t

hatofthe血ictionalstressconcentradon(Figs.2‑4).

1 .緒

昌

単板切削 にお いては,一般 に,単板 の表面粗 さ,轡曲,割れ,厚 さむ らな どの単板性状 に加 えて,工具摩耗,切削能率な どが重要な問題 となる｡ とくに,単板の性状 に影響 を与 える要因 として,プ レッシャバーの形状およびセ ッティングな どの主要因子 のほか,被削

'前報 ｢単板 剥ぎ取 り機械 に関す る研究 (ⅩⅩIV) StudiesonVeneerCuttingMachine(XXIV)｣は,長崎大学教育学部紀要 ‑自然科 学 一 第68号 39‑44(2003.3)に掲載｡

46 _杉

山 滋

材質,工具形状 (切削条件を含む),工具刃先の摩耗の程度,切削速度,刃先の剛性な ど が考え られる｡ しか し, これ らは,いずれ も与え られた外的条件によるとみな し得るもの であ り, これ らの条件のもとで,単板の性状 に直接左右する要因に,充分な検討が加え ら れるべきであろう｡

本研究では,人為的に,単板接触面積を拘束 した工具 (即ち,接触面積拘束工具) を用 い,その工具の単板性状に対する性能を確認するとともに,単板の諸現象の観察 を通 じて, 単板の切削現象を決定する直接的な要因を探 し出す ことを主な 目的 とした｡

2.実 験 方 法

前報1'で測定方法な どを種々検討 した分割工具を用 い,切れ刃 となるT2ナイフをTlナ イフよ り大きく突出させ,分割工具を一種の接触面積拘束工具 (前報¹'のFig.4(C)参照) として用いた｡同工具 を切削実験装置 に,逃 げ角αを一定 (即ち,α‑lo一定) に保ち 得 るように固定 し,所定の切込量 tを与えたのち,切削実験装置の送 り台に固定 された試 験片 を,同工具 に送 り込む ことによ り (この ときの試験片送 り速度

/

‑ 144.9

m m/mi n )

, 切削が行われる (その詳細は,文献1'･2'参照)ヰlo

3. 実 験 結 果 お よ び 考 察

.接触面積拘束工具のT2ナイ フす くい面長 さ

R

rを種々変化 させた場合 に,T2に加わる切 削抵抗 の測定値 を基準 として,求め られた垂直力Nおよび摩擦力Fの測定結果 の一例 を Fig.1に示す｡同図では,飽水材の切削において,板 目面の横切削 (便宜上,本報では, つぎのような記号 を用 いて表す｡即ち,T⊥方向切削)および柾 目面の横切削 (R⊥方向切 削) ともに

,A r

の減少 に伴 ってFは若干指数関数的に減少 しているが,Nは,仇の減少 と は関係な くほぼ一定 となっている｡また,気乾材の切削では,N,Fともに

,A r

の影響 を 受けずほぼ一定 となっている. このように

,A r

の減少に伴いNまたはFの減少の程度が少 ないか,または殆 ど変化 しないことは,刃先先端付近の応力集中の程度が大きくなること, およびナイフす くい面の摩擦係数が減少すること,を意味す る｡

ここで,Fig.1の結果 に基づいて,摩擦係数 〟の減少する現象について考えてみる｡ま ず,接触面積拘束工具のす くい面上に働 く応力分布 の推定図をFig.2に図解する (図は,

*1 供試材 には, フィ リピン産 レッ ドラワン (Shoyeanegrosensis)が用 い られ,その同一原木か ら,辺材部 を除いた心材部よ り,二 万柾の角材が木取 りされ 単板切削 を対象 とした横切削が行 い得るよ うに,その角材か ら70(切削長)×60×8‑10mm(切削幅)の寸 法の試験片が採取 された｡それ らは,気乾状態 (平均気乾比重 0.51,平均含水率 12.0%)と飽水状態 (4‑ 6カ月間水中に浸潰 し, 水中に沈んだ状態) に調整後,それぞれ供試 された｡

切削方向は,切削面が板 目面 (木表側 を切削)の横切削 と,切削面が柾 目面 (木表側 よ り切削)の横切削の 2方向である｡

実験方法 は,分割工具 による切削抵抗 の測定1)･2'と同様であ り,一切込量あた り約 20回の繰 り返 し切削 を行 い,T2ナイ フに加わ る切削抵抗 の垂直力Nおよび摩擦力F(Fig.1のNおよびF)の測定 を主 として行 った｡本実験で採用 したT2ナイ フ (材質 は高速 度工具鋼 SKH2)の刃先角 βは 210,T2のす くい面接触長 さ A,は最小 0.2mmか ら,最大は通常工具 による設定 された切込量 におけ る実際の切屑接触長 さ Akまでの範囲であ り,その間で数段階 に変化 させた｡なお,切込量tは 0.8‑ 7.0mmであ り,それぞれのtに おける Akは前報の結果 1'よ り求めた｡ ここで,Ar≧Akとなれば,接触面積拘束工具は,通常工具 と同 じ働きとなる｡

この実験のよ うに,人為的に切屑接触面積 を拘束 して切削 を行 うと,す くい面に加わる垂直応 力の増大が期待 され その結果,磨 擦係数 LLの減少が予想 される 1'･4'｡ このよ うな 〟の変化 による切削現象の変化 を考 える場合 に,切屑の琴曲現象,割れの状態および 切削面の良否 を観察 し,切削現象の変化の判定の補助 とした｡なお,切屑の轡 曲現象の測定は,切削直後の切屑の側面 (木 口面)に スタンプイ ンクを塗 り,台紙 に転写後,その曲率半径 を測定 した｡その際,切削の始め と終 りの琴曲状態の不安定期 を除き,切削長 さの中央部 を測定 した｡割れの測定 は,切屑裏面 にスタンプイ ンクを含浸 させ,乾燥後,切屑の木 口面 を切断 し,同面を万能投影機 で拡大観察 した｡切屑の切削面の良否は,被削材 (母材)の凹凸によって評価 した｡

TJ..WAt●r一組turatOd

0

(∈uJ/Bq)3

2 4 6 Lr(mrn)

CuttJrlqdlrecliort

0 2 4 6 Lr(rnm) yrAter̲Satur&ted

0 1 2 3 4 Ir(mm)

(uuJJBq)N

0.5

0 2 4 lr(mm) W▲tor‑BAtUrAt●d

R▲ .t与7

■ . ●t45

●

▲r ‑ト3

50.へEE＼BnL (uJEヽ6q)N

0

0.5

R▲.Air‑

d r i . a

T▲.Aiトdried

●

_‑

●

.t'3

0 2 4

tr(mm)

F t ▲ . A i r ‑ d d o d

.0一日HL

(亡∈ヽ

g

)N

0.5

+‑ t L

｣ ● ‑ t 主

0 1_L,(mm)^{2 3 0} _L1_r(mm)2 3

0 1

_Ir(^{2 3}_mm)

Fig.1.Chan geofnormalforce

( N)

an dfricdonalforce

( F)

with changeoft001‑chipcontactlength (A.).

i:depthofcut(mm).

(b)

Fig.2, Estimateofstressdistributionoverrakefaceoftoolwith restrictedtool‑chipcontactlength.

o(A,):nOrmalstressonresbictedtoolrakeface(Ar);A,:refertoFig.1;N/Rk:nOrmalforceperunitcontactareaon res廿ictedtoolrakeface(A,);Ak:aCtual chipcontactlength onconventionaltoolrake血ceか;ouo:actual norm al stressonconvendonalt

o

olrakeface2';S'A,I‑N'B,'‑5:'o'A,'dA,.

R

r上 に働 く垂直応力 Oの場合 についての図解 を示 している)｡ Fig.2(b)では,す くい面 長 さ

A

,1

,

Ar2の拘束工具す くい面上の応力分布 を示 しているが,刃先か らす くい面に垂直な 軸 とす くい面 と応力分布曲線 とに囲まれた面積 をそれぞれS(A,I),S(A,,)とす ると, これ ら は

D

r.または

A

r2上に加わるN (またはF)に相当する1'｡ したがって,S(A.1)< S(Ar2)となるた めには,Fig.2(b)のように, Ar.す くい面上の応力が, Ar2す くい面上の応力とほぼ同じ程 度の大 きさになっていると考 え られる｡一方,Fig.2(C)では,S(Art)≒ S(Ar,)の場合 を示 しているが, この場合 においては,

A

,1す くい面上の応力が

,A

,

2

す くい面上の応力よ り大き くなると考え られる｡ Fig.1における飽水材の板 目面および柾 目面の横切削の場合のFが

Fig.2(b)に相 当 し,その他 の場合が同図 (C)に相 当 している｡ここで,前報3'よ り誘導 した摩擦係数 LLi(添字のiは,ナイフす くい面の着 目位置 を示すが,本文では,添字 を除 いて示す｡ TおよびOは,それぞれす くい面に働 く摩擦応力および垂直応力とする)は,

LL,･‑ TJ a,. (1)

で表 され るが, この LL.･を拘束工具 に適用 して考 えてみる｡飽水材の切削においては,A.

が減少す るにつれてFは減少するが

,

Rr上の実際の摩擦応力 Tには大きな変化 を生 じさせ ない｡一方,

N

は

A

rの減少 とほぼ関係な く一定 となっているか ら,A,上の実際の垂直応力

48

5･oo･5(tE∈ヽg)‑l＼j

2 4 6

IT(rnrn)

0(zuJE

ヽ

g)Jl

ヽ

N 0LC)

杉 山 滋

(Z∈uJJgV上ヽL .5.0

A i r ̲ d r i e d

0

^{2 4}

lr(mm)

(.LuE

ヽ

雷).l

ヽ

N

6

0

^{2 4}

⁰

^{2 4}

I.(mrn) Ir(rnm) Fig.3.Relationbetweentool‑chipcontactlength (Ar)andcuttingforce(F/A,,N

/Rr )

perunit

contactarea.

Cuttingdirection:TlinFig.1;N,Fandi:refertoFig.1,

0.8 0.6

■ゝ 10.4

0.2童::lib

‑

^̲

‑ 0

^{2 4 6}

lr(mm)

(a)

T1‑A^lトdrI'ed R▲.watq ‑saturated R▲.Aiトdried tB3

t

さS

0 . 6

t だ

7

0 2 4

'

l L o . 4

0.2

̲ ̲t ‑‑ t . i 3 s

tす1 0 1 2 3 0 2 4 I,(rnm) Lr(mm) Ir(mrn)

(

b) (

C)

( 也)

Fig.4.Relationbetweentool‑chipcontactlength (A,)an dratio(LL,′)ofF/ArtoN

/ A , .

F/

A

,,N/A.:refertoFig.1‑3;cuttingdirectionT⊥andRl:refertoFig.1;i:depthofcut(mm).

両

ま

^Prの減少 に伴 い大 き くなる｡ したが って, (1)式か ら求め られるJlは,Arの減少 に伴 い著 しく減少す ると考 え られる｡なお,気乾材の切削 においては,拘束工具す くい面上の 応力分布の詳細な解明を待たなければ正 しく判断できないが,おおよそつぎのように推察 され る｡即 ち

,

仇が減少 して もNおよび ダは殆 ど変化 を示 さないか ら,

A

,の減少 に伴 い, す くい面上で oおよび でが ともに増加す ることになる｡ したがって,

L

Lの変化 は, これ ら 両応力の増加 の程度 によって決定 されることになる｡前報の結果3'によれば,分割工具 の T2ナイ フに加わるN または Fと,同工具 と同 じす くい面長 さをもつ拘束工具のT2ナイ フ に加わ るNまたはFとの比率は,気乾材では,Nが1.6‑ 2.1倍,Fが1.0‑1.4倍で拘 束工具 の方が大 き くなって いる｡ したが って,比率 の大 きいNの方がFよ りも応 力の増 加割合が大 きい と言 えるか ら,

上

目

ま9

^,の減少 に伴 い,若干漸減す る筈である｡ しか し, 飽水材よ りも〟の減少割合は少ないと考 え られる｡

このよ うに

,A r

が減少す ることによって,す くい面の摩擦係数LLは減少す るが, さらに は刃先先端付近 に加わる応力が増大す ることも判 る｡拘束工具す くい面上の切削応力分布 の傾向は,Fig.

2( b)

,Fig.

2

(C)で定性的 に説明 し得 るが,その応 力の値 は未知である｡

そ こで,刃先先端付近の応 力集 中の程度 を究明す るために,Fig.2(a)のよ うに,Rr上の 平均的な応 力で推定 を試みた｡ Fig.2(a)では

,A

,す くい面長 さあた りのN,即ち,N/

R r

(す くい面 と単板 の単位接触面積 あた りの平均垂直応力に相 当す る)の分布 を示 している｡

N/ R

^rまたは

^F/ A

^,では,刃先先端付近の応 力集 中を正確 に推定できないが,刃先先端付近 の平均的な応力集 中の程度は判 る筈である｡ このような主旨で,刃先先端付近の応力集 中

の程度 を推定 してみる｡

分割工具 によるす くい面上の切削応 力分布 の結果2'を参照す ると,Fig.2(a)に示 した よ うに,実際 には刃先先端付近では,平均的な応 力

N/

A,よ りもさ らに大 き く,刃先 に向 うにつれ指数関数的な増加 を示す切削応力分布 をしていると考 え られる｡ このよ うな傾向 を考慮 に入れて,いま一例 として,板 目面の横切削 にお ける

R

^rと,

F/

Ar,

N/ R

^{rとの関係}

をFig.3に示す｡図のよ うに

,A

,が減少す るにつれ,刃先付近では,

F/

A,,

N/ R

^{rが著 し}

く増加 している｡既 に述べたように,実際には,拘束工具す くい面上の切削応力 0, 7は, この値N/

A

,,F/

A r

よ り極めて大 き くなる｡即ち,拘束長 さ

A r

が短 いほ ど応 力集 中の程度 は大 き くなる｡ これ らの結果 は,切削状態 を光弾性学的に解析 した大越 らの研究 5',およ びアル ミニ ウムの拘束工具 による二次元切削の研究4'にお ける結果 と同様 の結果 を得て いるO ここで,両応 力

N/

A,,

F/ A

^rの集 中 の程 度 お よ び摩 擦 係 数

L

Lの変 化 を検 討 す る た め,F/

R r

,N/

R r

の比,即 ち,

F/ A

r̲

F

仏′ = W ,育

⁽²⁾

を求めた｡そ の結果 をFig.4に示す｡Fig.4(a)およびFig.4(C)か ら明 らかなよ うに, 飽水材 では,

A

^{,の減少 に伴 い}LL,,の減 少傾 向がみ られ るが,Fig.4(b)お よびFig.4(d) か ら明 らかなよ うに,気乾材では一定 となっている｡ これ らの結果 は,Fig.2(a)のよ う に,

A

^{r上での平均的な応 力}N/Rr,F/

A r

に基づ くものであるが,前述 したよ うに,拘束工 具す くい面上の実際の切削応力分布 を考慮 に入れ ると,刃先先端付近では,応 力集 中が極 めて大 き くな り,そ の結果 として,FLは

,A

,が小 さくなるにつれ減少す ると考 え られ る｡

この場合 に,Fig.4(a)およびFig.4(C)よ うに,飽水材での 〝の減少は,主 として垂直 応 力 αの応 力集 中の増大 に起 因す るが,Fig.4(b)およびFig.4(d)のよ うに,気乾材で は,摩擦応 力 Tおよび垂直応 力o (Tよ り増加割合が大 きい)の応力集 中が ともに増大す るか ら,飽水材よ り,

上

目ま,著 しい減少傾向を示 さない｡

このよ うに拘束工具では, 〟の減少の原因 となる刃先先端付近の応 力集 中の程度 に影響 を及ぼ し,その結果,ナイ フ刃先の摩耗,刃先の剛性 にも,重大な影響 をもた らす と考 え られ る｡

4. 結

^論

プ レッシャバー を作用 させないで,人為的 に単板接触面積 を拘束 した工具 (いわゆる, 接触面積拘束工具) を用 いて単板切削を行 い,同工具の単板性状 (轡 曲,単板表 ･裏面の 粗 さ,割れ) に対す る性能 を確認す るとともに,切削抵抗 の測定な どを通 じて,単板 の切 削現象 を決定す る直接的な要因を推定 した｡得 られた結果 を要約す ると,

1)接触面積拘束工具のす くい面長 さ

R

^rが減少す ると,飽水材の横切削 にお いては,す くい面 に加わる摩擦 力Fは,指数関数的に減少す るが,垂直力 Nは

,A

.の減少 とはほぼ関 係な く一定 となった｡気乾材の横切削 にお いては,N,Fともに 仇の変化 とは無関係 のよ

うである (Fig.1)

2)1 )

項 の結果 に基づ き

,A

,の長 さをもつ拘束工具す くい面上の切削応 力分布 を推定 し (Fig.2)

,A r

の減少 に伴 うす くい面の摩擦係数lLの減少傾向を定性的に説明 し得た｡ これ

50

杉 山 滋

によれば

,A

,の減少 について,飽水材の切削では,気乾材の切削よ り

L

Lが顕著 に減少す る｡

3)

接触面積拘束工具 を用 いる ことによ り,刃先付近 の応 力集 中の程度が増加す る｡ と くに

,R r

が小 さくなるな ど,そ の傾向が顕著 にな る.刃先付近 の応 力集 中の程度 は,垂直 応 力 αの方が一層大 きい (Fig.4)0

文 献

1)杉 山 滋 :木材学会誌,23,472(1977). 2)杉 山 滋 :木材学会誌,23,480(1977). 3)杉 山 滋 :木材学会誌,23,534(1977). 4)中沢 弘,三瓶直樹 :精密機械,43,463(1977). 5)大越 辞,福井伸二 :精密機械,1,598(1935).