木 材 切 削工 具 の切 れ 味 測 定 と切 れ 味評 価

長崎大学教育学部紀要 一 自然科学‑ N0.70,25‑ 30 (2004.3)

木 材 切 削工 具 の切 れ 味 測 定 と切 れ 味評 価 ( ⅩⅩⅤ)*

木材切 削 にお ける切 削現象の変化 に及 ぼす切 削速度 の影響

杉 山 滋

長崎大学教育学部技術教育教室 (平成15年10月31日受理)

St udi e sonQua nt i f i c a t i onofSe ns uo usSha r pne s sa nd Me c ha ni c a lSha r pne s so fWoodCut t i ngTool s .XXV. *

Ef f e c t sofCut t i ngVe l oc i t yuponCut t i ngPhe nome na i nOr t ho gonalCut t i ngofWood

Shi ge r u SUGI Y

^AMA

DepartmentofTechnologyEducation,FacultyofEducation, NagasakiUniversity,Nagasaki852‑8521

(ReceivedOct.31,2003)

Abstract

Cuttingtestsofwoodwiththegrainweremadetoobtainfundamentaldataontheeffects ofcuttingvelocityonchipformation,cuttingforce,andfrictionalcoefficientbytheuseofan experimentalapparatusdesignedforcuttingtests(Fig.1).Therangeofcuttingvelocity(Ⅴ) employedin thesetestswerefrom0.0023to52.53m/see.Thedepthofcut(feedoftoolper revolutionofasteeldisk)wasvaridfrom0.3to0.7m byvaringthespeedofthefeedcarriage incombinationwithtwovariable‑speedmotorsandsomepulleys(Fig.1).

Themainresultsobtainedwere:

(1) Thetypeofchipformation,thecurvatureofthechip(〟),andthechecksoccurringin thechip,changewithV(Figs.5‑9).

(2) Althoughthecutting‑forcecomponentschangeremarkablywith l′,thedegreeof theirchangesdependsnotonlyonthecuttingconditionsbutalsoontheworkpiececonditions. Forinstance,intherangeofvery‑lowcutting‑velocity,below about10m/see,thehorizontal component(FH)andthefrictionalforce(F)ofthecuttingforce,whencuttingwithair‑dried workpieces,decreaseremarkablywithincreasesinl′.IntherangeofVofabout^{10‑ 30}m/set, thesecomponentsarenotaffectedbyV. IntherangeofVofabout30‑ 53m/sec,these componentsdecreasegraduallywithincreasesinl′.Comparedwiththese,thevertical component(Fv)andthenormalforce(N)ofthecuttingforcechangeslightlyorvarylittle withV(Figs.8and9).

(3) Thefrictionalcoefficient(〟),whencuttingwithwater‑saturatedworkpieces,islower incomparisonwiththatwhencuttingwithair‑driedworkpieces,andp,whencuttingnotonly with water‑saturated workpiecesbutalso with air‑dried workpieces,decreaseswith i

ncreasesinV(Fig.10).

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o 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29報)TechnicalandFundamentalStudieson EducationofWoodWorkingTechnicalEducationLessonsofSchool,XXIX.｣ とす る｡上記 の研究 (第28報)お よび標記 の研究 (XXIV)は,長崎大学教育学部紀要 一 自然科学一 第69号 33‑ 38(2003.6) に掲載｡

1 .緒

昌

本研究では,新たに試作 した高速木材切削実験装置1)を用いて,低速度域か ら高速度域 ま での比較的広い切削速度の範囲で,木材の二次元切削実験 を行い,切削現象および切削抵 抗の変化 に及ぼす切削速度の影響 を究明 し, これ らに関す る基礎的知見 を得 ようとした｡

さらに,切削現象 とナイフす くい面の摩擦係数 との関係 についてを,な らびに,す くい面 の摩擦係数の切削速度依存性 とそれに及ぼす水分の作用 についてを,摩擦理論 な どか らの 検討 をも試みた｡

2 .実 験

これ までの研究で検討 して きた切削方法 を用いて

( Fi g .1 ‑Fi g . 4)

,切削抵抗の各分力 の測定,摩擦係数の算出,および採取 した切層か ら曲率 (曲率半径の逆数)の測定,生成 形態の変化 な らびに先割れの侵入の程度の観察 ･測定 な どを行 った*1｡

Fig.1. Experimentalapparatusfororthogonalwood cutting test (sideview).

① :steeldisk;②二teStspecimen;③ :tool;④ :baseforholdillgtool③ ;⑤: octagonalelastic‑ringdynamometerformeasuringcutting‑forcecomponents,

⑥ :feedcarriage;⑦ :leadscrew ;㊨ :Circuitbreakertoshutoffelectricpower

;⑨ :equipmentforinterruptingrevolutionofleadscrew⑦ ;⑩and⑪ :handles forcross‑feedoftool③andtraverse‑feedoffeedcarriage⑥ ;⑫and⑬: variablespeedmotors;@ and@:V‑belts.

Fig.2.Shapeoftestspecimen.

Pl:grainangle(refertoFig.4);P2:inclinationof diagonalgraillin machilled surface to cutting direction;93:angleofannualringstomachined surface;j'':cuttinglengthformeasuringcutting force;Cs:partoftestspecimenfixedinsteeldisk.

事1 この実験 に用いた工具 は, その材質が高速度工具鋼SKH2で,刃先角βは250であ り,逃 げ角 叫ま10O‑定 となるように保 った｡切込 量Jは0.3,0.5,0.7mmの3段階 とし,裏刃 を装備 させないで,二次元切 削 を行 った｡いずれの Jの切 削において も,試験片の繊維傾斜 角 軌 を‑loo(順 目),木理斜交角 92を OD,年輪接触角 p3を00‑10Dの範囲 に入 るような, いわ ゆる切 削面が板 目 (木表側 を切削)の 日 切れ材 に試験片 を調整 した｡

供試材 には,切 削速度依存性 に関す る実験結果 を的確 に把握 す るた め,同程度 の比 重 を もつ次 の3樹 種 を用 いた｡即 ち, ヒノキ

〔Chamaecharisobtusa,気乾比重 (平均値)ru‑0.40,含水率 (平均値)u‑13.0%,平均年輪幅A‑2,76mm,晩材率 (平均値)ra‑13.8

%〕,ベ イ ツガ 〔TsugaheteroPhylla,ru‑0.38,u‑14.3%,A‑0.98mm,ra‑49.5%〕お よび レッ ドメ ラ ンチ [Shoreasp.,ru‑ 0.38,〟‑13.0%]の気乾材 を用いた｡ また,比較 のために,上記の ヒノキ材 を飽水状態 (〟‑83±5%)に調湿 した もの も用 いた｡

切 削抵抗波形 の測定では,オ シログラフに描かれた切 削初 回か ら切 削終了 までの約30回の切削繰返 しによる切 削抵抗波形の中か ら,吹 の もの を測定 した｡スチールデ ィスクの回転軸か ら切 削面 までの距離か/2を予め決定 してお き,それに対応 す る一 つの切 削抵抗波形 を 基準 とし,その前後三 つの波形,即 ち,‑試験片 につ き7回の切 削抵抗波形 を測定の対象 とした｡ これ を3個 の試験片 による繰返 し(切 削回数 は合計21回), その平均値 をもって表 した｡ なお,切削抵抗波形 には,先割れの発生 に伴 う "付着 (stick)‑ すべ り(slip)"現象 が現れているが,"付着"の最大値 を測定 の対象 とした｡

切削速度Vは,0.0023m/secの極低速度か ら52.53m/secの高速度 までの約9‑ 14段階 に変化 させた｡なお,荷重装置の追従性 による 切 削抵抗 の誤差 を10%以下 にす るため, Vの最大限度 を52.53m/secとしたQ

木材切削工具の切れ味測定 と切れ味評価(ⅩⅩⅤ)木材切削における切削現象の変化に及ぼす切削速度の影響 27

3.実 験 結 果 お よ び 考 察

3.1 切削現象の変化 に及ぼす切削速度の影響

採取 した切屑か ら,切屑の変形様相の観察 と,切屑の曲率 β,先割れの侵入の程度 (本 実験では,先割れの侵入長 さ jc,侵入角Ocおよび侵入間隔 D｡)の測定 を行 った｡

切屑の生成形態 は,折れ型の変形形態,流れ型および両者の中間の形態が観察 された*2｡

それ らの結果 を Fig.5に示す｡切屑の生成形態 は,切削速度 V の増加 に伴 い,折れ型か ら 流れ型へ変化す る傾向を示す ようである｡ この傾向は,気乾材の各樹種 において顕著 に現 れるが, ヒノキ飽水材では,Vの広い範囲 (ただ し,極低速度域 を除 く)にわたって流れ 型の様相 を呈 した｡ また,いずれの被削材 において も,切込量 Jの小 さい場合 には,一般 に,切層 は,Vの変化 に伴 う切屑の生成形態の変化 に関連 して,切屑の曲率 βおよび先割 れの侵入程度 にも変化 をもた らす｡最初 に, Pと

V

との関係の一例 (i‑0.7mmの場合)を Fig.6に示す｡同図か ら明 らかなように,いずれの被削材 において も,

V

の増加 に伴いβ は低速度で急激 に減少 し,中 ･高速度域で比較的緩やかに減少す る傾向を示 した｡ ヒノキ 飽水材 において も同様 の傾向を示 し,pは気乾材の1/2弱であった｡

つ ぎに,先割 れの侵入 の程度 と V との関係 の一例 (i‑0.7mmの場合) を Fig.7に示 す｡気乾材の場合,いずれの樹種 において もカ｡は Vの増加 に伴 い漸増の傾向を

,

基 は漸増 の傾向 (低速度か ら中速度域の範囲)か,あるいはほぼ一定の傾向 (中速度か ら高速度域 の蔀囲)を,また,ヒノキ飽水材の場合

,D

｡お よびPcは

V

の変化 には殆 ど無関係で一定の 傾向をそれぞれ示 した (ヒノキ気乾材 t‑0.7mmの場合,Pcは高速度域で漸減の傾向を示 し ているが,他の 才の場合 においては,中 ･高速度域でほぼ一定の傾向を示 している｡ 本文 では,とくに特記 しない限 り,すべての 打についての一般的傾向を述べ ることとす る)｡一 方,￠｡はいずれの 才の場合で も,Vの増加 に伴い漸減の傾向を示 した｡とくに低速度域で

Fig.4.Grain orientation oftestspecimen in relation to cuttingdirection.

Figl3･Close‑up view ofexperimentalapparatus p l :angleofgrainorientationtomachinedsurface(grainangle);D/2:

and method for measuring cutting‑force radiusfrom axisofrotationofsteeldisk tomachinedsurfaceof components･ workpiece;P:cutting length;h:distancebetweentooledgeand FHandFv:horizontalandverticalcomponentsofcutting centerlineofsteeldisk;αandβ:clearanceandsharpnessanglesof

‑force;Rrandtl:radiusandthicknessofelastic‑ring. tool,I:depthofcut.

*2この研究 では,便宜上,つ ぎの ように切屑 の生成形態 を分類 した｡即 ち,切屑 の裏面 (工具切 れ刃す くい面 と接触 す る側) と側面 とに, 折れ型特有 の破折 された跡が肉眼で観察 され, しか も切屑 の側面か らは先細 りとなった一節一節の切屑の小片が明瞭 に観察 され る場 合 を"順 目切 削にお ける折れ型 の変形形態",上記 の様相が全 く観察 されない場合 を"流れ型", お よび上記 の様相 の判定が不明瞭な場合 を

"両者の中間の形態" とした｡

Hinoki(Air‑dried)

(EE)I o00(

Eu

))

0

10 20 30 40 SO V (nlsec)

̲ーLr753

Redmeranti(Air‑dried)

0 10 20 30 40 50

Y (m/see)

Hinoki(Water‑Saturated) Westernherntock(Air‑dried)

.I0.7 ど〔0.5

‑ 0.3

● ● ● ● ● ● ●●000

0

0

●●000 0 0 0 0 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

V (rn/see) V (m/see) Fig.5.Effectsofcuttingvelocity(Ⅴ)ontypesofchipformation.

o:familiartypetocontinuousflowtypeofchipformation;

● :

^{splittypeofchipformationincuttingwiththegrain;}

① :intermediatetypebetweencontinuousflowtypeandsplittype;

〜:depthofcut.

20 30 40 50

▲一一■/

10 20 30 40 50

10 20 30

V (∩/sec)

40 50

Figl71Variationsoflength(Pc),pitch(Dc)andangle(￠C) ofchecksoccuredinchipwithcuttingvelocity(Ⅴ).

Iandpl:refertoFig.4,

言1･0

〔 tD

.^X

h>0.5 Liz

0

^{10 20 30}

V (m/see) ^{40 50} Fig.6.Relationbetweencuttingvelocity(Ⅴ)

andcurvatureofchip(p).

〜:depthofcut.

10 20 30

V (rrtlsec) ^{40 50} Fig.8.Variationsofhorizontalcomponent(FH)and

verticalcomponent(Fv)ofcutting forcewith cuttingvelocity(Ⅴ).

〜:depthofcut.

は,Qcは被削材の繊維傾斜角 pl(この研究では,順 目の100⁾ より大 きい角度であるが,V の増加 に伴いOcは,P1‑110Oに漸近する｡これは先割れの二次的発達の変化 を意味する と考 えられ る｡即 ち,低速度域では,切れ刃の前進 により刃先前方の被削材 に生 じた先割 れは,Plにほぼ平行 して生 じるが,その後,切層が切れ刃す くい面 を擦過する過程で,切 屑がす くい面 により上方へ押 し曲げられ る｡その結果,Plとほぼ平行 して侵入 した先割れ の二次的発達 を促 し,91‑‑1⁰0より傾斜の大 きい角度で割れの侵入 を促す｡しか し,この ような割れの二次的発達 は,

V

の増加 に伴い次第 に減少 して くる｡

以上のような

V

の変化 に伴 う切削現象の変化 は,切屑の腰 の強 さの変化 を意味すると考 えられ る｡即 ち,Vの増加 に伴い, よ り腰 の強い切屑が生成 され る｡

3.2 切削抵抗の変化 に及ぼす切削速度の影響

切削速度

V

の変化 に伴 う工具切れ刃面 に加わ る切削抵抗 の水平分力

F

Hお よび垂直分 力

F

vの測定例 を Fig.8に示す｡同図か ら明 らかなように,低速度域では,気乾材の場合,

Vの増加 に伴 い

F

Hは漸減傾向を示すが,ヒノキ飽水材の場合,む しろ若干漸増の傾向を示 す｡しか し,いずれの被削材 において も,中速度域では,FHは,Vの変化 には殆 ど無関係 で一定の傾向を示すが,高速度域では,Vの増加 に伴い,気乾材では漸減の傾向を,ヒノ キ飽水材では漸増 の傾向を,それぞれ示 した｡

木材切削工具の切れ味測定 と切れ味評価 (ⅩⅩⅤ)木材切削における切削現象の変化に及ぼす切削速度の影響

2 9

‑万,

F

vは,いずれの実験条件下 において も正の方向 (工具が材 を上方へ引張 る方向) に作用す る

｡F

vの変化 に及ぼす

V

の影響 は,低速度 を除 けば,いずれの被削材 において も 比較的類似 した傾向を示 した｡即 ち,低速度域では,Vの増加 に伴い Fvは漸減の傾向 (気 乾材の各樹種で比較的切込量 才の大 きい場合)か, あるいはほぼ一定の傾向 (気乾材の各 樹種で

J‑0 . 3m m

の場合お よびヒノキ飽水材の場合)を示すが,いずれの条件下で も,中速 度域ではほぼ一定の傾向を, また,高速度域では漸増の傾 向を, それぞれ示 した｡

次項では,す くい面の摩擦係数FLについて検討す る.そのために,FHおよびFvを用い て,次式 によりFLの成分である摩擦力

F

および垂直力

N

を求めた｡

F‑ FHCOSO‑FvsinO

N‑ FHSinO

+

FvcosO)

( 1 )

ここで, βは工具切れ刃の切削角である｡

(1)式か ら求 め られ る

F

お よび

N

の

V

の変化 に伴 う変化 の一例 を

Fi g . 9

に示 す｡F は,気乾材の場合, γ の増加 に伴い,低速度域では漸減の傾向を,中速度域ではほぼ一定 の傾向を, また,高速度域では漸減の傾向を, それぞれ示 したが, ヒノキ飽水材の場合,

V

の増加 に伴 い,低 ･中速度域では緩やかに漸増す る傾 向 (比較的 Jの大 きい場合) を, また,高速度域では漸減す る傾向を, それぞれ示 した｡

一方,Ⅳ は,気乾材の場合,Vの増加 に伴 い,低速度域では漸減の傾向を,中･高速度 域では緩やかに漸増す る傾向 (比較的

t

の大 きい場合)か,あるいはほぼ一定の傾向 (t‑

0 . 3m m

の場合) を,それぞれ示 したが, ヒノキ飽水材の場合,Vの増加 に伴い,低 ･中速 度域では漸増の傾 向を, また,高速度域で も漸増の傾向を,それぞれ示 した｡

3.3 す くい面の摩擦係数の変化 に及ぼす切削速度の影響

前項で求めた摩擦力

F

および垂直力

N

を用い,次式か らす くい面の摩擦係数FLを算出 し た*3｡

IL‑F/N (2)

( 2 )

式か ら求 め られ る 〃の計算例 を

Fi g . 10

に示す｡気乾材 の場合,〃は,低速度域 では,

*3 一般 のすべ り摩擦 の実験 と異 な り,切削にお ける工具す くい面 と切屑 との摩擦 では,Fお よびN が同時 に変化する｡したがって,FLは, N の増加 (または,減少)に対する F の増加 (または,減少)の割合 を意味す ることになる｡Fig.9か ら明 らかなように,例 えば,気 乾材 の各樹種 の場合,低速度域 で FLがVにはほぼ無関係で一定の傾向 とな るのは,Fお よびNが ともに漸減の傾 向 を示 し, しか もそ の減少割合 (即 ち,FのNに対 す る割合)がほぼ等 しい ことを意味 し, 中速度域 で pがほぼ一定 の傾向か, あるいはVの増加 に伴 い 緩 やか に漸減 す る傾 向 となるのは,FがVにはほぼ無関係 で一定の傾向 を意味 し,またNがほぼ一定か,あるいは緩やか に漸増す る傾 向 を示すか ら,F の N に対する割合が小 さくなることを意味 し, また,高速度域で FLが減少傾向 を示すのは,V の増加 に伴 いF は漸 減,逆 に,N は漸増の傾向をそれぞれ示すか ら,F の N に対する割合 は極 めて小 さ くなることを意味する｡

この ように,Vの増加 に伴 いFのNに対す る割合が次第 に小 さ くなる と,これが原因の‑つ となって切削現象 に変化 を もた らす.那 ち,F のNに対 す る割合が小 さ くなると,N の割 には比較的小 さいFが働 くことを意味す るか ら,切屑 は工具す くい面上 を比較的滑 らかに擦過 し (工具す くい面への切屑 の くいつ きが小 さい),小 さい曲率 βと低 い割 れの侵入 角度 ￠｡を もつ に至 る (Fig.5‑7)｡即 ち,〃の減少 は,よ り腰 の強 い切屑 を形成 す ることになる｡なお,この ような 〃の低下 と切 削現象 との関係 は,既往の結果2卜 5)ともよ く 類似 している｡

つ ぎに,摩擦係数の切 削速度依存性 とそれ に及 ぼす含有水分 の作用 については,摩擦 の凝着 と潤滑の両作用 に基づ き,つ ぎの ように考 察 し得 る｡繊維飽和点以上の,いわ ゆる自由水がある程度以上 に存在 す る高含水率領域では,水分付与 による凝着効果6)･7)と,この 自由 水 による潤滑効果が現れ る｡極低速度 においては,後者 の作用が極 めて小 さ く, もっぱ ら前者の効果のために,飽水材 の 〃は気乾材 の それ よ り大 き くなること8)もあ り得 る｡しか し一般 には,低速度域で も速度の増加 に伴 い潤滑効果が次第 に現れ るようにな り,この効 果 のために,飽水材 の 〃は,気乾材のそれ よ りも小 さ くなる｡ さらに高速度域 になれば,潤滑効果が よ り顕著 に現れ るようにな り,多量 の 自由水 による "境界潤滑的作用''をよ り促 し, その結果,〃は次第 に減少 して くる, と推察 され る｡

本実験条件下では,前記 した ように,切削時 に先割れの発生 を伴 うか ら,切削抵抗波形 には "付着 ‑ すべ り"が現れ る｡ この うちの

"付着"の最大値 を測定 したか ら,"付着"の速度依存性 も考 える必要がある｡"付着 ‑ すべ り" を起 す摩擦 の場合,"付着''に基づ く摩 擦係数FLsと "すべ り"に基づ く摩擦係数FLkとがあ り, その速度依存性がそれぞれ異 なる｡FLkは,速度 には影響 されず, ほぼ一定の傾 向 を示すが,FLsは, FLkよ り大 き く, しか も速度 の増加 に伴 い減少 し,ついには FLkに漸近 す る傾 向 を示 す ことが報 じられ てい る9)｡即 ち,速度の増加 に伴 い ̀̀付着"は次第 に小 さ くな り "すべ り"に近 づ き,摩擦係数の減少 を もた らす0本実験 では,気乾材,飽水材 いず れの場合 も速度 の増加 に伴 い 〃は減少 し,前記 した ような切 削現象 の変化 を もた らした｡ この ことは,速度の増加 に伴 い工具す くい面

と切屑 との "付着"が減少 し,"すべ り" に接近 した ことを意味 す る, と考 えられ る｡

10 20 30

V (m /see)

40 50 0 10 20 30

V (m Jsec)

40 50

Fig.9,Variationsoffrictionalforce(F)andnormal Fig.10.Variationsoffrictionalcoefficient(FL)with force(N)wi thcuttingvelocity(V). cuttingvelocity(V).

∫:depthofcut. J:depthofcut.

切 削速度 Vの変化 にはほぼ無関係で一定の傾 向を,中速度域では, ほぼ一定の傾 向 (比較 的切込量 tの小 さい場合)か, あるいは

V

の増加 に伴 い緩やかに漸減す る傾 向(i‑0.7mm の場合) を, また,高速度域 で は,Vの増加 に伴 い漸減 の傾 向 を, それ ぞれ示 した｡一 方, ヒノキ飽水材 の場合,♪‖ま,低 ･中速度域では,Vの変化 にはほぼ無関係で一定の傾 向 (比較的 tの小 さい場合)か, あるいは

V

の増加 に伴 い緩やかに増加 し, のちに減少す る傾 向 (即 ち,低 ･中速度域で,緩やかなマキシマムカープを描 く傾 向)(t‑0.7mmの場合) を, また,高速度域では漸減す る傾 向 を, それぞれ示 した｡ なお, ヒノキ飽水材 の場合, 気乾材の各樹種 と比較 して,〃は, いずれの速度域 において も一般 に低 い値 を示 した (前 頁 の脚注*3参照)｡

4 .摘 要

高速木材切 削実験装置 を用いて,木材 の二次元切 削実験 を行 い,切 削現象,切削抵抗お よびす くい面の摩擦係数 pの変化 に及 ぼす切 削速度 Vの影響 について検討 した｡ その結 果,Vの増加 は,切 削現象 な らびに切 削抵抗,お よび 〃に変化 を もた らす ことが判明 し た｡pの変化 に及 ぼす

V

の影響,お よび切 削現象の変化 とFLとの関係 について,切 削抵抗 や摩擦 の理論 な どか ら論 じた｡

文 献

1)杉山 滋 :長崎大学教育学部紀要 一 自然科学‑,第68号,29‑ 34 (2003).

2)杉 山 滋 :木材学会誌,24,19 (1978). 3)杉 山 滋 :木材学会誌,25,719 (1979). 4)杉山 滋 :木材学会誌,26,783 (1980).

5)P.Koch :"WoodMachiningProcesses",N.Y.RonaldPressCo.,p.35‑ 110 (1960). 6)村瀬安英 :木材学会誌,24,865 (1978).

7)村瀬安英 :木材学会誌,26,61 (1980). 8)杉山 滋 :木材学会誌,23,534 (1977).

9) 日本潤滑学会編 :"潤滑ハ ン ドブ ック",養賢堂,p.2‑ 57 (1980).