プ レッシャバ ーによる木材 内部 の圧縮変形挙動

単板切削現象 の変化 に及 ぼす プ レッシャバ ー ーナイ フー 被 削材相互 の位置 関係 の影響 ( 解析 と実験) ( ⅤⅠ Ⅰ Ⅰ ) *

プ レッシャバ ーによる木材 内部 の圧縮変形挙動

杉 山 滋

長崎大学教育学部技術教育講座 (平成14年3月15日受理)

Effectsof Shape and Settlng Ofthe Pressure Bar upon the Cutting Phenomena in the OrthogonalCutting of Veneer (VIII)*

BehaviorofDeflectionCausedinWoodbyPressureBarCompression

Shigeru SuGIYAMA

DepartmentofTechnology,FacultyofEducatlOn,

NagasakiUnlVerSlty,Nagasak1852‑8521 (ReceivedMarch15,2002)

Abstract

lntheveneercuttlngprocess,pressurebarforceand thecompressivedeflections caused in wood play importantroles,butfew studieshavedealtwith the exact measurementsofthedeflections,andso,themainobjectiveofthisreportistoob‑

tainquantitativeinformationonthem.

Theclearspecimensfrom Red‑lauan(Shoreasp･)towhichwereappliedthinsensi‑ tivefilmsprintedgridpatternswithpitchesof0.280mm to theend‑grain surface, wereprepared.Afterbeingsousedinwateruptosaturatedcondition,theywereset ontheexpe戸mentalapparatusequlppedwithtwo‑axisdynamometersmounted on a feedingcarrlage(Fig･1)･Thenthesetestspecimenswerecompressedorrolledoutby varioustypesofpressurebarsinbothstatlOnaryandfeedingstateofthecarriage.

Thedeflection distributionsin thespecimensweredetermined from the distortion patternofgridlines(Figs.2‑ 9).

1 .緒

昌

切削現象 の理論 的解析 で は, まず被削材 や単板 (切屑)のひずみ分布, ない し変形挙動 の詳 細 な観察 がその基礎 とな る｡ したが って,単板切削 につ いての研究 にお いて も, はや くか ら 切削過程 にお ける被削材 の内部挙動 の写真観察が行 われ,単板 の裏割 れ発生機構 や これ に対 す るプ レッシャバ ーの圧縮力 の影響が論 じられて きた1)･2)｡ と くに, 格 子 法 に よ る被 削 材 内 部 のひずみ分布 な どにつ いて研究3)が行 われた｡ しか し,単板切削 で は,異 方性 材 料 と して の木材 の力学 的特性 に加 え, ナイ フによる切削抵抗 の はか, プ レッシャバーの圧縮力お よび これ らの両者 が相互 に複雑 に関係 す るため,単板生成 におけ る諸現象,例 えば,単板の割れ,

■本報 を ｢単板切削条件 に関す る研究 (第12報) StudleSOnVeneerCuttlngConditions(XH)｣ とす る｡前報 ｢単 板切削現象の変化 に及ぼす プ レッシャバー ーナ イ フー 被削材相互の位置関係の影響 (解析 と実験 )(VH)｣ は, 良 崎大学教育学部紀要 一自然科学 ‑ 第66号 41‑46 (2002.3)に掲載｡

54 杉 山 滋

琴曲,厚 さむ ら, な どの発生機構 につ いて は, なお研究すべ き多 くの課題が残 されている｡

本報 で は,上記 のよ うな単板切削 にお ける披削材の内部挙動 に関連 した諸課題 の うち,被 削材 の圧縮変位量分布 を格子法 を用 いて測定 し, プ レッシャバ ーの先端 の形状 の相異 による 影響 を明 らかに しよ うと試 みた｡

2.実 験 方 法

単板切削で は, プ レッシャバ ーが作用す ると被削材 内部 に圧縮変形 が起 こる｡ この圧縮変 形 の分布 の仕方 が単板切削時 におけるプ レッシャバ ーの作用 の程度 を示 していると考 え られ るか ら, プ レッシャバ ーの先端形状や最適 な取 り付 け位置を決定す るための基礎 と して重要 である｡ これ らに関す る必要 デー タを得 るため, プ レッシャバーを木材内 に圧入 した ときの 圧縮力および木材内部 の圧縮変形量 の大 きさとその範囲 (以下 で は,"圧縮 変位量 分 布 "と い う)を測定 した■1｡

'l供託材およびその調整 :供試材 には, レッ ドラワン(Shoreasp., 気乾比重0.51)を用 い,角材か ら辺 材部 を除 き, 木口断面が60× 60mm2,厚 さ20‑ 25mmでその1側が正板 目面 となるよ うに,試験片を採取 した｡ この試 験片 を恒 温恒湿室(20±2℃,RH 60‑65%)で平衡含水率 に一定せ しめたのち,木 口断面の片面 に,木下 の方 法3)に準 じて グ リッ ド細線 を転写 した｡即 ち,木 口断面 を平滑 にサ ンデ ィング仕上 げ し, その面 に速乾性 白色塗料 を スプ レー塗 布 し,乾燥後,表面 の塗膜が極 めて薄 くな るまでサ ンデ ィングを繰返す｡つ ぎに, グ リッ ド細 線 を焼 付 け した ネガ テ ィブフィルムを反転 した後, そのポジテ ィブフィルムを常温硬化型 シアノアク リレー ト系接 着剤 で試験 片 に予備 圧縮 し,硬化後 ホ ッ トプ レス(70℃,30kgf/cm2)で5mln熱圧 し, フィルムのキ ャリヤのみを剥 ぎ取 り, グ リッ ド細 線の写 った膜面 のみを材面 に残 した｡ この操作で は,接着剤 およびグ リッドの コン トラス トを よ くす るための 白色 塗料が ごく微層であ り, しか も写真膜面の厚 さも極めて薄 いため,材の変形が著 しく大 きくな り材面 に凹 凸 あ るい は亀裂を発生す るに到 るまでは, グ リッ ド細線 は材の内部挙動 に正確 に追従す ると考え られ る｡ グ リッ ド転写後 の 試験片 は,一定期間水中に浸潰 し,飽水状態で供試 した｡飽水状態での グ リッ ドの ピッチは0.280± 0.004mmであ っ た｡

供託プ レッシャパー :プ レッシャバーには, ローラバーrOllerbarとフィクス トバー fixed barを供 試 したo ロー ラバーには, ボールベア リング入 り,回転 自由の ローラで, その直径が10.00mm,19.10mm,30.00mmの3種を,フィ クス トバーには, シャ‑プバー Sharpbar(接触角12030′)とダブルフェイスバーdoublefacebar(接触角18030′, 逃げ角23030′,逃げ面の ラン ド長 さ3mm)の両種を用いた｡

荷重方法 :プ レッシャバーによる試験片への荷重装置 は, Fig.1に示すように,昇降 自由なテーブル⑧, テーブル台 上を走行す るネジ送 り方式の送 り台⑦,送 り台上 に装備 された圧力測定装置③,④,およびテ ー ブル上方 で別個 の 定盤 に固定 されたプ レッシャバー固定台⑨ よ り構成 され る｡実験で は,試験片(塾を固定 し, プ レッシ ャバ ‑① を圧 入す る "静的圧入実験 "(プ レッシャバーの平均圧入速度 は0.01mm/sec),および試験片を移動 させつつプ レッシ ャ バーを圧入す る "動的圧入実験 "(試験片送 り速度 は2.94m/min)の2種頬の実験を行 った｡ "静的圧入実験 "では, まず,圧力測定装置の試験片固定枠⑩ に試験片(卦を板 目面(木表側)を上 に してセ ッ トし, プ レッシ ャバ ーの中心 軸 とロー ドセル③ の軸心 を正 しく‑致 させて送 り台を固定 し,つぎに,その高 さを ダイアルゲ ー ジで測定 しっ っ テ ー ブルを上昇 させて,試験片 にバーの一定圧入量(d)を与え るO"動的圧入実験 ''では,試験片をバ ー位 置 か ら外 して おき, ダイアルゲージでテーブルの高 さを調整 して一定圧入量を与える高 さを決め,そのの ち に送 り装 置 を駆動 さ せてバーの下面 に試験片を送 り込 む｡静的圧入実験,動的圧入実験 のいずれにおいて も, プ レッシャバ ーの圧縮 力 の垂直方向分力(Pv)は,試験片固定枠 の下部 に装着 させたワイヤース トレイ ンゲージ式荷重変換器 (ロー ドセ ル)③ によ り測定 され る｡

圧縮力分力の測定 :静的圧入実験では,前記5種のプ レッシャバーを用 い,バーの圧入量 を0.03mmか ら2.32mtnまで の約0.07mtn間隔 におきに増加 させて,各圧入量 におけるオシログラフの圧力緩和曲線が はば安定 した3分 後 に, 垂 直分力(Pv)を測定す るとともに,後述す るよ うな試験片表面か らの グ リッ ド細線の変形状態を近接撮影 した｡ また, 動的圧入実験で は,前記5種のプ レッシャバーを用い,バーの圧入量を0.05mmか ら1.50Tnmに変化 させて, 走 行 中 の 材 に加わ る圧縮力の2分力,即 ち,水平分力(PH)および垂直分力(Pv)を測定す るとともに, グ リッ ド細線 の変形状 態を, カメラを用 いて近接撮影 した｡

試験片内部への圧縮変位量の測定 :プ レッシャバーの圧入による試験片内部の各位置における圧縮 変位量 杏, つ ぎ のよ うに して測定 した.即 ち,各実験条件 ごとの グ リッ ド細線の撮影 フイルムを実寸の約10倍 に拡大 し, バ ーの圧 入前 の試験片の同倍率 に拡大 した グ リッ ド細線の交点の位置 と圧入後のそれぞれの差を10倍 の スケールル ーペで測 定 し, その値を もって "圧栢変位量(♂)"と した｡ この場合, グ リッ ド細線 の格子 は, バーの荷重方向に平行 およ び 垂直であるが,測定 は荷重方向のみについて行 った｡即 ち,本測定で得 られた変位量(♂)は, バ ーの圧入方 向 の圧 縮変位量 を表 している｡ なお, ローラバーによる圧縮 を例にとり,本実験で用 いた記号 をFig.2に示 した｡

Fig.1.Sideview ofapparatusformeasurlng barforce.

① :Pressurebar(rouerbar); ②.Testspecimen;

③ ,④･IJ)aLdcell;⑤ ,⑥.Attachmentforlnltlal loadlng;⑦･Feedcarrlage, ⑧.Lifttable,

⑨:Bracketforpressurebar;⑲:Holderforspec卜 men･.d.Depthofbarlndentat10n(mm)

0000OO1OQ6543(Eu＼aq)^d

10.0

0

5 000432

0.5 1.0 1.52.02.5

♂ (mm)

246802461日itHHLHU

t

ー

■ V

●

● LrlmIJ,

'Y

lヽ ′ ll‑▲● ●.‑

l Or leCe

t ヽ tlllllllll ●

Flg.2. Simplifled schematicdlagram Ofgrid distortlOn On the end一grain surface ofworkpeice.

PH,Pv.HorlZOntaland vertlCalcomponentofbar force(kgf/cm)

h,i,･.HorizontalandvertlCaldlStanCe(mm) 6^.ii)eflect10nOfgr･ldlineCausedbybarcompres‑

sionatthepointOfh,u(mm)

60･U,(re6ss)1｡nDzftle誌leOnp.OLtgr.lfdtln=euC?uBe=d｡bFmnb)arcom‑

tDIStanCefrom woodsurfaceto measurlng POlnt of6 (mTn)

d :RefertoFig1,

Tablel.Valuesofexponentand coefficientE,C,a and β ln Eqs.(1), (3)and (4).

EXponent&

Coefficient

P ressurebar .[mm10‑C】kgf‑E‑1l] E (I β

Fixed Sharp bar 19.45 0.81 0.60 0.06 bar Doublfacebare 22̲77 0.81 0.49 0.ll

Rolbarler 11didi0.9.ameamet0010mmmmterer 27.33.9153 0.0.6678 0.0.4031 0.0.0150 30.di00amemmter 39.56 0̲71 0.27 0.16

Fig.3. Relation between depth of bar in‑

dentatlOn(d)and vertical compo‑

nentofbarforce(Pv).

A ISharpbar;BIDoublefacebar.C.Rouerbar (10.00mm mdlameter),D Rollerbar(19.10mmln dlameter),E.Rollerbar(30.00Tnmm diameter).

3 .実 験 結 果 お よ び 考 察

3.1 プ レッシャパーの圧入深 さと圧縮力の関係

プ レッシャバ ーの静的圧入実験 における圧入深 さd(mm)と圧縮力の垂直分力Pv(kgf/ mm) の関係 を両対数 グラフにプロッ トし, その結果 をFig.3に示 した｡同図のよ うに, シ ャー プ

5 6

杉 山

Fig.4. Distribution pattern of isodeflective llnein woodby sharp bar.

Symbols(A,Pv,dand6):RefertoFigs.1‑3:

Bar:A,d‑0.76mm;Pv‑ 15.1kgf/cm.

＼ 8‑0.81(rn m) /

一 一L t

. 0 0 . 0 l 0 . l 0 2 .

0 .5 1.?ifll

. 3 1 4 1 1

‑‑‑ ｣‑^一‑^■̲̲一一

滋

＼ .e=..,1(m ,/ ｣

､ ､‑‑LNi...字̲I 一■ ー ■1.00mr■■̲■‑n■ 0.31

0.21

Flg.5. Distribution pattern of isodeflective linein wood by doublefacebar. Symbols(B,Pv, dand6):RefertoFigs.1‑3, Bar:B;d‑0.80mm;Pv‑17.5kgf/cn.

Fig.6. Distribution pattern of isodeflective line in Fig.7.Distribution pattern ofisodeflectlVelinein woodbyrollerbar(30.00mmindiameter). wood by doublefacebarduring feeding.

symbols(C,Pv,dand6):RefertoFlgS.1‑3;Bar:C; P:ResultantforceofPHandPv ;p‑25.8kgf/ctn;I:Fee‑

d‑0.83mTn;Pv‑23.8kgf/cTn. dlngSPeedofworkpleCe;

Symbols(B,Pv.Pv,dand6) :RefertoFIGS.1‑3;

Bar:B;d‑0.78mm;Pv‑22.0kg/cm ;PH‑13.5kgf/cm ,

バ ーでは0.8mm以下 の圧入深 さの範囲で,他 のバ ーで は約2mm以下 の圧 入深 さの範 囲 で,Pv とdの両者 の間 に,次式 の指数関係が成立す る(rは相関係数)｡

Pv‑C

･ dE (

r

≧0. 9 9)

(1

)

上式 の係数Cおよびべ き指数 EをTablelに示す｡ 同表 において,係数Cは圧入深 さ1mmに対 す るバーの圧縮力 を表 し, バ ーの形状 によ り

1 9 . 5‑ 3 9. 6

kgf/cmの範囲 に変化 し,圧入体積 の大 きいほど大 きい値 を示す｡即 ち, シャープバ ー, ダブル フェイスバ ーで は比較的圧入体 積 が小 さいため

1 9. 5 ,2 2 . 8

kgf/cm, ロー ラバ ーで は

2 7. 5‑ 3 9. 6

kgf/cmの範 囲 で, その大 きさはロー ラ径 の大 きい場合 に大 き くな る｡ また, Eはバ ー と材の接触表面 にお ける努断変 形 に依存 し, シャープバ ーおよび ダブル フェイスバ ーでは努断変形が大 き くな るか ら0.81と 大 き く, ロー ラバーで は努断変形 が小 さいため

0. 7

の小 さい値 とな った｡

3.2 プ レッシャバーによる材 内部 の等変位曲線

3. 2 .

1 静的圧入 による変形挙動

バ ー圧入前 におけるグ リッ ドの位置を基準 として,各格子交点 の位置 の垂 直方 向 (負 荷方

＼ 6‑,0.81(m )/∠ 2TW m

0.31 0.21

0.0.ll06

0.01 1.00mm

530.0.

(ujE)e ;打･現刑耕

1.0 1.5 2.0

巾詣9

d(mm)

Flg.8.Distr･ibution patter.n of isodefiective line in Flg.9. Relationbetweendepthofbarindentation wood by roller bar(10.00mn ln diameter) (d)and defユection by bar compressi()n durlng feedlng. (♂).

Symbols(C,Pt,PfZ,I',d,6 andi)･ftefertoFlgS1‑3and Symbols(E,handt).RefertoFI芭S2and3,Bar 上二:h 7.Bar C;d‑ 085mm,Pv‑293kgf/cm,P f.‑89kgf/cm, ‑Omn

P‑30.6kgf/cm

向)の変位量∂(mm)を写真か ら求 めてお き,変位量 の等 しい点 を通 る曲線 ("垂 直方 向圧 縮 等 変位 曲線 ")を描 くと,Fig.4‑ Fig.6が得 られ る｡ 等変位 曲線 は, フ ィクス トバ ー と ロー ラバ ーの形状 の相異か ら, ロー ラバーで は左右対称 となるが, シャープバーおよびダブルフェ イスバ ーで は, そのバ ーの接触角 と逃 げ角 の影響か ら左右非対称 とな る｡一般 に,一定圧入 深 さで は, シ ャープバ ーで は ダブル フェイ スバ ーよ り, また,小径 の ロー ラバ ーで は大径 の

ロー ラバ ーよ りも,等変位 曲線 は広 い分布 を もっ｡

3.2.2 動 的圧入 による変形挙動

静 的圧入実験 の場合 とほぼ同 じ圧 入 量 にお け る動 的圧 入 時 の等 変 位 曲線 をFig.7お よ び Fig.8に示 す｡ 同図 に示 す よ うに,動 的圧入 の場合 には,等変位曲線 は材送 りに伴 う接 触 抵 抗 のため, もはや前記 の よ うな対称性 は失 われ, バ ーの接触面側 に偏 って送 り方向に流れ る｡

ダブル フェイスバー(Fig.7), ロー ラバ ー(Fig.8)の等変位 曲線 を比較 す ると, 材 の接 触 表 面 にお ける勇断変形 の大 きい(即 ち,(1)式 の Eの大 きい)フ ィクス トバ ーの方 が, 送 り方 向 に おける材 内部 の変形回復速度 が遅 くな ることが判明 した｡

この よ うに, バ ーの圧縮力 によ る材 内部 の垂 直方 向変位 は, バーの形状,圧入深 さおよび 材 の送 り速度 に影響 され る｡送 り速度 につ いて は, 今後,検討 を要 す るところで はあ るが, 送 り速度 が大 き くなれば, バ ーの接触面側 にお ける "変形余効 "の及ぶ範囲が広 くな ると考

え られ る｡

3.3 プ レッシャパ ーの圧入深 さと材 内部 の圧縮変位圭 の関係

前項 の実験結果 か ら, バ ーの圧入 による材 内部 の垂直方向の等変位曲線 の形状 は,材 の送 り速度 によ り大 きな影響 を受 ける｡ 即 ち,材表面か ら一定深 さの線上 で最大変位 を示す部位 は,材 が固定 されて いる場合 はバ ーの先端 を通過す る垂 直線上 に近 い位置で あ ったが,材 が 送 られて いるときはその位置が送 り方向 にずれて いる｡送 り速度 が材 内部 の変位量 お よび最 大変位量 を示 す位置 の変化 に及 ぼす影響 は,今後検討 すべ き課題 で はあ るが, ここで は,材 を固定 した場合 のバ ーの垂直線上 の変位量 にはぼ相 当す ると考 え,以下 で は, この位置での

58 _杉 山 滋

変位量6｡.

U( Fi g. 2

参照)を測定す ることと した｡

供試5種 のプ レッシャバーについて,バー先端の圧入深 さと上記 の6｡.U(以下では,簡単 に

∂と略記す る)の測定結果 を両対数 グラフ上 にプロッ トす ると, その1例をFig.9に示 す よ う に, 6とdの間 には直線関係が成立す るか ら, 6は,統計的に有意 な相関係数 を もっ次式 で 表 し得 る｡

6‑Aeー at･dB+Bt (2)

(rl≧ 0.98;r2

‑‑

1.00;r3≧ 0.81)

ここに, 6はプ レッシャバーの先端を通過す る垂直線上 における圧縮変位量

( m m )

;60.U‑ 6

( Fi g.2

参照);tは材表面か ら被削材内部の 6の測定点 までの距離

( m m )( Fi g.2

参照);rlは

6

とdの問の相関係数 ;r26ま6とdの回帰係数 とtの間の相関係数 ;r3は 6とdのべ き指数 とtと の間の相関係数｡

(2)式 の係数4 月は,理論的にはいずれ も 1に等 しい値であるが,測定結果 に基づいて, こ れを最小 自乗法で求 めると,0.98

<

A

<

1.07,1.07

<

B

<

1.18とな り,A,Bはいずれ も近 似的に1とみな し得 る^｡ したが って, ∂は,

6 ≒eJW ･dl'βt (3)

が得 られ る

｡( 3 )

式 の係数α,βを供試 プ レッシャバー

5

種 につ いて求 め, それ らをTablel に示 した｡同表か ら, プ レッシャバーによる材内部の任意深 さの位置における最大変位量 を 知 ることが出来 る｡ また, (3)式 に(1)式 を代入す ることによ り, バ ーの圧縮 力 の垂 直分力Pv

と変位量 ∂の関係 を次式で表 し得 る｡

6‑e‑at

･( 吾) 芋

⁽⁴⁾

4. 結 論

単板切削 を対象 として, プ レッシャバーの圧入が被削材内の圧縮変位量分布 におよぼす影 響 を格子法 によって測定 し,つ ぎの結果 を得た｡

(1) プ レッシャバーの圧縮 による垂直分力(Pv)とバーの圧入深 さ(d)の間 に は,Pv‑ C･

deの関係が成立 し

,

Cは圧入深 さ1

m m

に対す るバーの圧入体積の大なるほど, また, Eは接 触表面 におけるせん断変形 の大 なるほど高 い値 を示す(Tablel)｡

(2) dと材表面か ら一定深 さの位置(i)における披削材の沈下量 (圧縮変位量6)の間 には, 6≒ e^‑

a

^t･d^{l+ βt}

の関係が成立 し,係数α,βはバーの形状 に依存す る(Tablel)0

(3) 被削材が静止 している場合 の ∂の等変位分布曲線 は,バーの先端を通 る垂直軸に対 し, シャープバーおよびダブルフェイスバーは非対称, ローラバーは対称図形を描 く｡ 被削材 に 送 りを与 え ると, この分布 の形 は送 り方向(移動方向)に流れ る^｡

文 献

1) C.W.McMillin.･For.Prod.Jour.,8(1),23 (1958). 2) L Leney:ibid.,10(3),133(1960).

3) Y.Kinoshita:Presented at19th AnnualMeeting ofJapan Wood Research Society,127 (1969).