木 材 切 削 工 具 の 切 れ 味 測 定 と切 れ 味 評 価 ( ⅩⅩⅠ Ⅹ) *

木 材 切 削 工 具 の 切 れ 味 測 定 と切 れ 味 評 価 ( ⅩⅩⅠ Ⅹ) *

木材 の三次元縦切 削における切削力 の変化 に及 ぼすバイアス角の影響

杉 山 滋

長崎大学教育学部技術教育教室 ( 平成

17

年

3

月

15

日受理)

St udi e sp nQua nt i f i c a t i o nofSe ns uo usSha r pne s sa nd Me c ha nl C a lSha r pne s sofWoodCut t l ngTool s ･ ⅩⅩⅠ Ⅹ･ *

Ef f e c tofTooII nc l i na t i on‑Angl eonCut t l ngFor c ei n t heObl i queCut t l ngOfWoodPa r a l l e lt ot heGr a i n

Shi ge nlSUGI YA MA

DepartmentofTechnologyEducation,FacultyofEducation, NagasakiUniverslty,Nagasaki852‑8521

(ReceivedMarch15,2005)

Abstract

ThisreportclarifiestheeffectsoftheInclinationangleofthetool(i)andthegrainangleofthe workpiece

( q ) 1 )

upon the components,the resultantsofthe cutting force,and the 血･ictional coefficientintheobliquecuttlng Ofwoodparalleltothegrain.Air‑dried specimensofsugl (CDPtOme

T l

bjapom'caD.Don),hinoki

( (

冶amaecJPan'sobtusa),andAmericanwestem hemlock (TsugaheteTOPLy

l

laSarg.)wereusedinthisstudy.Theywerecutbythefeedingofatoolwhich were set on the experimental apparatus equlPPed with a three‑dimensional elastic‑rlng dynamometer(Figs.1‑4).Thelateral

( Fx )

,main

( Fy )

,andthrust

( Fz )

componentsofthecutting forceactlngOnthetoolweremeasured･Inadditiontothemeasurementsofthesethreecomponents, Severalcuttlngphenomenawereobservedandmeasured.UsingthemeasuredcomponentsglVen above,theresultantforces

( R

and

R

c)andthefrictionalcoefficientonthetoolrake‑face

( F L )

were calculated,andtheeffectsofthecuttingconditions(i,q)"anddepthofcut(tn))andtheeffectsof thewoodspeciesuponthem arediscussed.

1 .緒 看

切 削方 向 (あ るい は,被 削材 の送 り方 向) に垂 直 な方 向 を基 準 として,工具 の切 れ 刃 線 をあ る角度 i(

O o <

i

<

900) だ け傾斜 させ て切 削す る方式 を三次元切 削 といい,iを バ イ ア ス角 (ま た は, 工 具 傾 斜 角 ) と呼 ん で い る (i‑Ooの場 合 は,二 次 元 切 削 とな る)｡ この よ うな三次元切 削方式 は,木材切 削 に関係す る各種 の機械や道具 に採用 され て い る｡例 えば,長 尺 の木材 (板 ･角材 や フ リッチ) をひ ら削 り方式 で縦 切 削す る機 械 に 限定 して考 えた場 合 ,材 表面 を平 滑 に仕 上 げ るた めの飽 削加 工 を行 う超 仕 上飽盤 (ス‑

本研究は ,研究課題 [木材切削工具の切れ味評価法 (感覚切れ味 と機械切れ味の定量化 )に関す る研究]の続報 である｡なお ,本研究 を

｢学校教育における木材加工 (木工 ･工作を含む)学習指導のための技術的基礎研究 (第33報)TechnlCalandFundamentalStudleSOn EducatlOn ofWoodWorkingTechnlCalEducat10mLessonsofSchool,XXXIIl.｣ とす る｡

上記の研究 (第32報)お よび標記の研究 (xxvlll)は ,長崎大学教育学部紀要 一自然科学 ‑ 第71号 23‑ 28 (2004.6) に掲載o

36

杉 山 滋

パ ーサー フェイサ)や厚単板 か ら化粧薄単板 に至 るまでの広範 囲の切込量 の単板切 削 を 行 う縦突ス ライサな どの機械 を,その例 として挙 げることがで きる｡

上記 の機械 では,いずれ の場合 もバイ アス角 打が設定 され,切 削方 向 と木材 の繊維走向 のなす角 (繊維傾斜角) plをほぼ平行 (q)1≒ Oo)に して比較 的低速切 削が行われ るが, 長 い材長 の切 削 においては, Plが種 々異 なって くるか ら, q)1が比較 的小 さい順 目 (q?1>

Oo),逆 目 (q31<Oo)の切 削 を中心 にiの影響 を明確 にす る必 要 が あ る｡言 うまで もな く,上 記 の機 械 には, iの設 定 の ほか に,裏 刃 (チ ップ プ レイ カ)や 刃 口の押 え (プ レッシャバ ー) も装備 され るか ら, これ らの機械 を対象 とした三次元切 削 にお け る切 削 現象 を明確 にす るため には,是非 とも,裏 刃,刃 口の押 えお よびバ イ アス角 iの相互 の 関係 で検討す る必 要 が あ る｡ この研 究 で は, まず最初 に,裏 刃,刃 口の押 えは装備 させ ず に,バ イ アス角 iのみ を と りあげ, iの広 い範 囲 にわ た り,主 として,切 削力 の変動 に及 ぼすiや q)1の影響 についての検討 を行 い,超仕 上鈍盤 による木材切 削や縦 突ス ライ サ に よる単板切 削の ための基礎 資料 を

得 よ うとした｡

2. 実 験 方 法

2.1 実験装置 と切削力の測定方法

切 削 実 験 は

, Fig.1

に示 す よ うに , 実 験 装 置 本 体 に 片 持 梁 を 介 し て 固 定 され た 試 験 片 (被 削 材 ) に 向 っ て , 工 具 を 移 動 させ る こ と に よ っ て 行 わ れ る

｡

工 具 は , 実 験 装 置 の 送 り台 上 に 取 付 け ら れ た

3

分 力 測 定 用 八 角 形 弾 性 リ ン グ荷

Fig.1.Experimentalapparatusforthisstudy.

①:tool;②:testspecimen(workpiece);③ :elastic‑ ringdynamometer;@ :camageforfeeding dynamometer@ ;@ :bracketforfixingworkpiece@

direction

Longitudinaldirect10n OfeLastic‑rlng

( a)

(b)

Fig12･Methodsforsettingtheinclinationangle

( i )

toatool fixedontheelastic‑ringdynamomete

r .

①=tool;②‥workpiece;③:elastic‑rlngdynamometer;④ : Carriageforfeedingdynamometer@ ;X andY :thedirections perpendicularandparallel,resecptlVely,tothecuttingdirectionon thecuttlngSurfaceoftheworkpiece;Z:thedlreCtlOnPerpendicularto thecuttingsurfaceoftheworkpiece;X'and(y):thedirections parallelandperpendicular,resecptively,tothecuttlngedgeonthe cuttlngSurfaceoftheworkpiece.

Wheatstone bridge CirCuTt

Fig.3.Three‑dimensionalelastic‑ringdynamometerfわr measuring components

( Fx,F"

,andFz)ofthe cuttlng force actlng ln the directionsofX', (y), andZ,respectively.

symbols:refertoFigure2,

Fig.4.Thetool‑workgeometry.

Y,Iandye:normaland effectiverake‑angles;77e:angle betweenthedirectionofchipflow (thedirectionofZe)andthe dlreCtionperpendiculartothecuttlngedgeonthetoolrake‑face (thedirectionofZ′)(chip‑nowangle),tn:depthofcut;Y': t

hedirectlOnperPendiculartothetoolrake‑face;b :wldthof workpiece;

良

.･actualcuttingwidthoftool;91･'angleofthe grainorientationtothecuttingsurface(grainangle);theother sym bols:refertoFigure2.

､ ‡ ∴ .

･

∴ ＼･

( a) ( b)

Fig.5.VariatlOnOftheanglebetweenacuttingedgeand the graln Orientation on the cuttlng Surface (q)′)withtheinclinationan gle

( i ) .

(a)and(b):orthogonalcuttingandobliquecutting.,Parallelto thegrain ;q ?2 :anglebetween thecuttlng directlOn and the grainorientationonthecuttingSurface.

重 装 置 1) (以 下 で は , 八 角 形 リ ン グ と 呼 ぶ ｡) 上 に 固 定 さ れ て い る か ら , バ イ ア ス 角 iの 設 定 は , Fig.2に 示 す よ う に , 送 り台 上 ‑ の 八 角 形 リ ン グ の 固 定 の 方 法 (工 具 切 れ 刃 線 と 八 角 形 リ ン グ の 長 軸 方 向 と が 垂 直 と な る よ う に 工 具 を 八 角 形 リ ン グ 上 に 固 定 し , 八 角 形 リ ン グ の 長 軸 方 向 を 送 り台 の 移 動 方 向 , 即 ち , 切 削 方 向 に iだ け 傾 斜 さ せ て 切 削 す る 方 法 ), あ る い は 八 角 形 リ ン グ 上 ‑ の 工 具 の 取 り付 け 方 法 (工 具 切 れ 刃 線 と 八 角 形 リ ン グ の 長 軸 方 向 と が 直 交 す る 位 置 か ら , 工 具 を iだ け 傾 斜 さ せ て 八 角 形 リ ン グ 上 に 固 定 し , 送 り台 の 移 動 方 向 と 八 角 形 リ ン グ の 長 軸 方 向 を 平 行 に し て 切 削 す る 方 法 ｡) に よ っ て , 行 う こ と が で き る ｡ こ の 研 究 で は , 前 記 の 方 法 を 採 っ た ｡

し た が っ て, Fig,3に 示 す よ う に , 八 角 形 リ ン グ か ら は , 工 具 切 れ 刃 線 と平 行 (Ⅹ′)な 方 向 , 切 削 面 に 垂 直

( Z)

な 方 向 お よ び 切 削 面 上 に お い て 切 れ 刃 線 に 垂 直 ((y))な 方 向 (切 削 方 向 と平 行

( Y)

な 方 向 と iだ け 傾 斜 し て い る O) の 切 削 力 の3分 力 が , そ れ ぞ れ 測 定 さ れ る *1.

*1 この研究では,切削力の各分力は,いずれも被削材や切屑に加えられる力 として表示する｡負の値であるが,卜)を付して正の値 とした 分力 (例えば,(‑)F:>0,即ち,Fx'<0),および負の値 となる分力 (例えば,Fx<0)は,添字に示 した軸の方向(Fig.4)と反対方向 に作用することを意味するO

一般に,三次元切削における切削力の3分力を表す場合,Fig.4に示すように,被削材の切削面を基準として,その面内にあって切削 方向に垂直(x),平行 (Y)な方向および切削面に垂直(Z)な方向に作用する3分力 Fx(横分力),Fy (主分力)および

Fz(

背分力) で表す場合 と,工具のす くい面を基準として,その面内にあって切れ刃線に平行 (Ⅹ′),垂直(Z′)な方向およびす くい面に垂直 (Y′)な 方向に作用する3分力 Fx',FY'ぉよび Fz

'

で表す場合 とが考えられるDこれ らの分力の関係は,次式で表される｡

ここに,ynを垂直す くい角 とすると, bbb

a

aa 潤 (1

a,‑cosl b1‑ ‑Slnl C1‑CI

a 2

^{=COSYnsini b2‑CO SYncost c}

2

^‑SinYn

この研究の場合,Ⅹ',(y)およびZ方向の3分力

F

:,F,,および Fzが測定されるから,次式を用いて,切削面やす くい面を基準とした それぞれの3分力が算出される｡

八LL.Ithy

(3)

切削力の大きさを表す場合,単位幅あた りの分力 として表すのが一般的であるが,被削材幅bあるいは切れ刃線切削幅bcのいずれを 用いるかによって,切削力の大きさが異なるOここでは,とくに断 りのない限 り,bで除して切削力の3分力やそれ らの合力Rを求めたD なお,b(とbとの間には(4)式の関係が,Rとそれぞれの3分力 との間には, (5)式の関係がそれぞれ成立する.

bc‑ b/cost

R‑ (Fx2+F,2･Fz2)施‑ (((‑)Fx')2十(F;)2十((‑)F/)2),ti‑ ((卜)Fx')2+(Fv,)2･Fz2)姥

38

(uJu/l6u

tn

=

0･2mm‑yl=200

杉

･‑.･･･Sugl 二〇一Hinoki

‑‑X‑‑Hemlock

二三=こ こ 二vx.‑:;

o･60･30(uJ∈＼‑6uZj

I lJ 0 30 60 90‑0.3

1(degrees)

0 30 60 90 1 (degrees) Fig.

6.

Variationoflateral

( F x )

,main

( F Y )

,andthrust

( 1

u componentsofthecuttingforceactingin thedirectionsofX,Y,andZwithi

i

nvarious species.

F x,F,

,andf;:valuesdividedbyb ;symbols:referto FlgureS2and4,

2.2 切 削実験 条件

概 要 を 脚 注 * 2に 示 し た ｡

963000(EE＼lg)yj

0

?0.9

il≡l 石lo.6

｣ビ uニ0.3

0

滋

Sug

l ' 一 yl=‑

200

‑A‑‑tn=1.0mm

‑●‑ 0.6 10‑ 0.2

｡一 〇一一 一 0‑ 0'LLNo･3

0 30 60 90 0 30 60 90 1 (degrees) 1 (degrees) Fig･7･variationofcutting‑forcecomponents

( F x,

F,

and

l

u with

i

atvariousdepthsofcut(tn) symbols.refertoFigures2,4,and6.

3. 実 験 結 果 お よ び 考 察

切 削力 3分 カ , 即 ち,Fig.4に お け る Ⅹ 方 向 の 分 力 Fx (横 分 力 ),Y 方 向 の 分 力

F y

(主分力) お よびZ方 向の分力 Fz (背分力 ) とバイ アス角 iとの関係 を,Fig.6(種 々の樹 種 の場 合 ),Fig.7(種 々 の切 込 量

t

nの場 合 ) お よびFig.8(種 々 の繊 維 傾 斜 角 Plの場 合 ) に示 す ｡ いず れ の樹 種 にお い て も, また,tn,甲 のいずれ の場合 にお い て も, iの 増 加 に伴 い

F

xは指 数 関数 的 な増 加 傾 向 を, FYお よび E,は ミニ マ ム カー ブ を描 く傾 向 を, そ れ ぞ れ 示 し た ｡ た だ し,tⁿ の 小 さい 場 合 に は , A (q21き Ooの 各 場 合 ) や 1;i (甲<Ooの場 合 ) は, iの極 めて大 きい範 囲 を除 い て, iの影 響 が 明確 に現 れず ほ ぼ一定 とな る傾 向 とな る よ うで あ る｡ なお, iが900近 くまで増加 す る と,分力 ,合力 の いずれ もが急 増 して い るの は, iの著 しい増加 に伴 う切 れ 刃線 切 削幅 bcの増加 が主原 因 と考 え られ る｡

この研 究 で は,板 目の木 表側 を切 削面 としてい るか ら, 晩材 層 の切 削性 な らび に先 割 れ の侵 入 方 向 の相 異 が原 因 して,分力 の大 き さや 作 用 方 向 が異 な る場 合 が あ る｡即 ち, 先割 れ の侵 入方 向が,P,>Ooで は切 屑側 , q?I<Ooで は被 削母材 側 で あ るか ら,tnの小 さ い場 合 で iの小 さい範 囲 で は,Fz の作 用 方 向 は,^Pl>Ooで F7<Oo, q?I<Ooで F7,>0

とな る｡ また,樹 種 に よ り FzやF,の大 き さに相 異 が現 れ るの は,主 に, 晩材 層 の切 削

*2 垂直刃先角 を250一定 に研 ぎあげた工具 (材質は高速度鋼SKH2)を用 い,垂直逃 げ角 を 10,即 ち ,垂直す くい角 Yrlを640‑定 となるよ うに,表刃方式 で八角形 リング上 に取 り付 けて切 削実験 を行 った｡バイ アス角 lを00‑820の範囲 で100‑150間隔お きに7段階 に, また, 切込

畳

tnを02,0.6,10mmの3段階 に,それ ぞれ変化 させ たDなお,工具 の移動速度 (切 削速度) は1387mm/mlnとしたO

供試材 には,高知産スギ(C" tt⁾melJaJaPOnlCa),熊本産 ヒノキ (CAamaecJPWISObtuSa),お よびベ イツガ (TsugaheleropAyvIla)の3樹 種 を用 いたDいずれの樹種 も同一角材 か ら,ま さ目または若干追 ま さ目木取 りの板材 (板厚10‑15mm)に製材 し,それ ら板材 の板 目の木 表側 を切削面 (年輪接触 角 は00‑250の範囲) とし,繊維傾斜角 甲が Oo,±100,±200の5段階 (g).>Ooは順 目角度,q<Ooは逆 目角度) に異なる試験片 を作成 した｡試験片 において測定 したスギ, ヒノキおよびベイツガの容積重は037,OA5お よび0.44g/cm3,含水率は171, 129お よび138%,平均年輪幅 は23,19お よび06mm,晩材率 は98,126お よび280%であった｡

この研究 で と りあげる縦切 削では,切 削面 にお ける繊維走 向 と切 削方向のなす角 (木理斜交角)や̲･が Ooであるが,Fig.5か ら判 断出来 るよ うに,切削面 における繊維走向 と切れ刃線のなす角 (便宜上,切れ刃線傾斜角 と呼ぶO) q)'は,バイアス角を tとす ると,縦切削 (甲｡‑

Ooの場合)では900‑iに,横切 削 (q)汗 900の場合) では lに,それ ぞれ等 しくなるO即 ち,90Oに漸近す る極 めて大 きい t'による三次元 縦切 削 (または,横切 削) における￠′は,Ooに漸近す る極 めて小 さい tによる三次元横切 削 (または,縦切削) におけるや′に近づ くこと になる｡

2961.00

(

∈∈＼‑Bこ

Xj

Hem lock‑ t｡=0.6m m

07ム｢211(∈∈＼‑ど)

..+..

‑

.

:FA化勺的

,;{^{･'･･'./ 0･}

3

､ ▲

一一▲‑1 A一^一A/

0

3

⁰ 60 90

i

⁽

^d

egrees)

0 30 60 90 0 30 60 90 0 30 60 90

i(degrees) i (degrees) i(d

e

g

r e

es)

Fig.8.Variationofcuttingl orcecomponents(F

"

F,andFz)andtheirresultantforces(RandRc)with

i

atvarious grainangles

( q 7 1 ) .

R andRc :valuesdividedbybandb｡,respectively;symbols:refertoFigures2,4,and6.

o･

4

00･8

4 (∈

∈＼

喜 )

X

j

(

U, UJ

/%

三

Aj

Sugi. i=45

0

仁

. t =

^･:rI'

‑ _‑ I _● A ‑ _･ ‑ ‑ t

^n=0.1.

⁰

^{6m m}

一 一

^0.

2

■ ' ･ ･ ̲ ̲ ● ̲ 一 一 ●

汁‑〇､oJ ̲ノ0‑

㌔.丁､ /♂

＼^{1 g= 一三･二}

.

^..･.

I L l I l

‑ 2 0 0

20 ‑20

0

20 ‑20

0

20 ‑20

0

20

yl(degrees) yl(degrees)

y l (

^{degrees) yl(degrees)}

Fig.9.Variationofcutting‑forcecomponents(F

" i

:,andFJ andtheirresultantforces(RandRc)withq?.atvarious depthsofcut(J訂

symbolsrefertoFigures2,4,6,and8.

性 の相異 に よる｡

切 削力 の合 力

R (

被 削材 幅 bで 除 した値 ) を算 出 した例 を,Fig.8に示 した｡ 同 図 に は,比較 の ため に,切 れ 刃線切 削幅 bcで除 した合力 Rc も図示 した. 図 よ り明 らか な よ うに, tの増加 に伴 いRは ミニマムカー ブを描 く傾 向 を, また,Rc はほぼ直線 的 な減 少 傾 向 を, それ ぞれ示 した｡即 ち,三 次元切 削 (O

o <

i

<

9⁰0の切 削 で,bcとbとは (4) 式 の 関係 にあ る｡) にお け る合 力 は, 二 次 元切 削 (i‑Ooの切 削 で bc‑ bの 関係 にあ

る｡) にお け る合力 よ りも,bを基 準 として考 えれ ば, iの比較 的小 さい範 囲 で は小 さ く 作用 す るが, iの大 きい範 囲 で は大 き く作 用す る｡ しか し, be を基 準 として考 えれ ば, 三 次元切 削 にお け る合力 は,二 次元切 削 にお け る合力 よ りも, iが増加 す れ ばす るほ ど 小 さ く作用す る｡

上記 の切 削力 の3分力 (Fx,F,,FZ)お よび合力 (R,Rc) を繊維傾斜 角 甲 との関

40

杉 山 滋

係 で と りま とめた.その一例

( Fi g. 9 )

よ り明 らかな よ うに,q)1

<

Ooか らp l>00‑変化 す るに伴 い,いずれ の

t

nの場合 も分力や合力 はいずれ も ミニマムカー ブを描 く傾 向を示 した｡ とくに,

J

nの大 きい場合 には,￠】の変化 に伴 う分力や合力 の大 きさの変動が著 し いが,tnの′小さい場合 には,それ らの大 き さの変動 が極 めて小 さくなる｡ なお,種 々の iの場合 で上記 の傾 向 を確 かめたが, とくに, iが比較 的大 きい場合 に,⁹1の変化 に伴 う分力や合力 の大 きさの変動 が小 さくな る傾 向 を示 した (tnの小 さい場合 に, この傾 向 が著 しい)｡ この よ うに,￠1の変化 に伴 う切 削力 の大 きさの変動が少 ない ことは,安定 し た切 削が行 われてい ることを意味 し,長 い材長 の切削 を行 う超仕上飽盤や縦突 ス ライサ な どの切削機械 には,好都合の結果 である｡

4. 結 論

繊維傾斜角￠1やバイ アス角 iを変化 させ て,気乾材3樹種 を用 いた三次元切 削実験 を 行い (切込量

t

nを3段階に変化 させ た),切 削力 の大 きさや それ らの変動 を調べ,つ ぎの 結果 を得 た｡

(1) iの増加 に伴 い,切 削力 の 3分力 (被 削材幅 bで除 した値),即 ち,横分力

F

xは 指数 関数 的な増加傾 向,主分力

F

Yお よび背分力 Fzは ミニマムカー ブを描 く傾 向を,そ れぞれ示 した (Fig.6‑8)｡

(2) iの増加 に伴 い,切 削力 の合力R

(b

で除 した値 ) は ミニマムカー ブを描 く傾 向 を, また,合力Rc (切れ刃線切 削幅 beで除 した値) はほぼ直線的な減少傾 向を,それぞ れ示 した (Fig.8)0

(3) plが甲,<Oo (逆 目角度)か らq)1>Oo (順 目角度)‑変化す るに伴い,分力

(

Fx, 薫 ,Fz)や合力 (R,Rc) は,いずれ も ミニマムカーブを描 く傾 向を示 した. とくに,

￠1の変化 に伴 う分力や合力 の大 きさの変動 は,tnの大 きい場合 には著 しいが, tnの小 さ い場合 には極 めて少 な くなる (Fig.9). これ らの傾 向は, iの増加 とともに, よ り顕著 と なる｡

文 献

1)杉 山 滋 :木材学会誌,29,670‑ 678 (1983).