木材切 削工 具 の切 れ 味 測 定 と切 れ 味評 価 ( ⅩⅩⅤⅠ )*

木材切 削工 具 の切 れ 味 測 定 と切 れ 味評 価 ( ⅩⅩⅤⅠ )*

木材切 削 にお ける工具す くい面 の切 削応力分布 お よび摩擦係数 の 変化 に及 ぼす被 削材気乾容積重 の影響

(1)

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 u d i e s . o nQu a n t i f i c a t i o no fSe n s u o u sSh a r p n e s sa n d Me c h a n l C a lSh a r p n e s so fWo o dCu t t i n gTo o l s .XXV I . *

Ef f e c t so fWo r k p i e c eS p e c i f i c ‑ Gr a v i t yi nAi rDr yCo n d i t i o nu p o nS t r e s sDi s t r i b u t i o n a n dFr i c t i o n a lCo e f f i c i e n to nTo o lRa k e ‑ Fa c ei nWo o dCu t t i n g

(1)

Shigeru SUGIYAMA

DepartmentofTechnologyEducation,FacultyofEducation

,

NagasakiUniversity,Nagasaki852‑8521

(ReceivedOct.31,2003) Abstract

lnthewoodcuttingprocess,itisimportanttoobtaintheactualstressdistributiononthe rakefaceduringcuttingandtoinvestigatethechangesinstressdistributionandfrictional coefficientwithworkpiececondition.Inordertoobtainquantitativeinformationonthem,the basicorthogonalcuttingtestswereperformedusingthesameconventionalandcomposite toolsasusedinthepreviousreports3)･4).Thedistributionsofthefrictionalstress

( r)

andthe normal stress(o')OntherakefacecanbeexpressedbyEq.(7).

1 .緒

^昌

この研究では,多数の樹種 を供試材 として用い,切削抵抗,工具す くい面 に働 く切削応 力分布およびす くい面の摩擦係数 な どを測定 し,木材の材質, とくにその中で も,最 も重 要 と考 えられ る気乾容積重 と上記の要因 との一般的な関係 について,検討 を行 った｡

2.実 験 方 法

木材切削における工具切れ刃面 (す くい面,逃 げ面,および これ ら両面の交わ る刃先先 端部) に働 く切削応力分布の うち,す くい面 に限定 して,同面 に働 く切削応力分布の測定 を分割工具 を用いて行 った (分割工具の構造,同工具 による切削応力分布の測定原理 と方 法,切 削実験装置な らびに同装置 による実験方法 な どは,既報^3),4)と同様である｡次頁の脚 注*1に も概要 を示 した)｡

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30報)TechnicalandFundamentalStudiesoll EducationofWoodWorkingTechnicalEducationLessonsofSchool,XXX.｣とす る｡上記 の研究 (第29報)お よび標記 の研究(XXV) は,長崎大学教育学部紀要 ‑ 自然科学一 第70号 25‑ 30 (2004.3)に掲載｡

32

杉 山

滋

Table 1. Testmaterialsused in wood cutting.

Species(ru) Species(ru) Species(γu) Species(ru) Machinedsurface:(a) MeBunrasawa(0.61()0.61) EzChoomasentgoysuo(0.(405).41) SNahibrerraiak(0.a97)ramatsu(0.79)

Westernredcedar(0.31) Blatkwalnut(0ー62) Mahogany(0.47) Machinedsu｢face:(C) Kiri(0.36) Kapur(0.64) Hinoki(0.48)

Spruce(0.39) Ramin(0.66) Tochinoki(0.51) Sugi(0.33) Lightredmeranti(0.43) Yachidamo(0ー67) Hoonoki(0.51) Todomatsu(0.37) Agathis(0.46) Sepetirpaya(0.70) Karamatsu(0.57) Hiba(0.43) Kamerere(0.48) Apitong(0.84) Keyaki(0.58) Katsura(0.47) Whitemeranti(0.49) Shirakaski(1.01) Yellowmeranti(0.58) Westernhemlock(0.48) Tsuga(0.52) Machinedsurface:(b) Jongkong(0.58) Sen(0.49)

Radiatapine(0.56) Darkredmeranti(0.62) Taiwanhinoki(0.49) Nyatoh(0.56) Balsa(0.19) Makanba(0.64) Kuri(0.52) Bagtikan(0.58) Shinanoki(0.40) Rosewood(0.73) Matoa(0.61) Akamatsu(0.59) Douglasfir(0.40) Teak(0.73) Mizunara(0.71) ru :specificgravityattests(g/cm3);machinedsurface(a),(b)and(C):refertoFig.1.

3 .実 験 結 果 お よ び 考 察

3.1 切削現象の変化

観察 された切屑生成形態 は,いずれの材,いずれの切込量 tの切削において も,折れ型 切屑 を呈 した｡本研究の実験範囲では,(a) 切削線上 に沿い刃先斜めの上方 に開 き破壊が 生 じる場合

^{,( b)}

切削線上 に沿 って開 き破壊生 じる場合,および(C) 刃先前方の切削線上 に先割れが発生する場合,が観察 されたが,(a)は Jの小 さい場合 に,(C)は 才の大 きい場合 に,それぞれ多 く観察 された｡とくに,tの小 さい場合の切削では,流れ型 に近 い切屑形態 を呈 したが,いずれの材の切削において も,折れ型特有の破折 された跡が観察 された｡ こ れ ら先割れ,あるいは開 き破壊 の様相 は,材 の比重 ruと密接 な関係 をもつ, と考 えられ る｡ この研究では,Tab一elに示 した ように,供試材50種 には,早材 ･晩材の差が顕著な 材 と,そうでない材 とがあ り,しか も年輪接触触角 p3が一定でない｡したがって,p3の変 化 に伴 う早材 ･晩材の被削性 の相異か ら,先割れあるいは開 き破壊 の形成 と ruとの関係

は,明確 に把握 し得なかった｡

このような折れ型形態 において,す くい面の切削応力分布およびす くい面の摩擦係数の

*l 切削実験 は,す くい面切削応力分布 を測定す るための分割工具,および切削現象の変化の測定 と観察 を行 うための通常工具の両者 を用 いて行 った｡前者による実験では,切れ刃 となるナイフ (T2)のす くい面長 さ(ec)を,実測 された工具 一切屑接触長 さ (A)の範囲内 で種々変化 させ,それぞれの T2に加わる切削抵抗の摩擦力 (F)および垂直力(N)を測定 したO また,後者 による実験では,A ,切 屑の曲率半径 (p)および切削抵抗の水平分力 (FH),垂直分力 (Fv)の測定,および切屑生成形態の変化の観察 を行 った (測定方法の 詳細 は,既報4)･5)参照)｡

分割工具,通常工具いずれ も材質はSKH2で,切れ刃 となる刃先角 は250で,逃 げ角 は100‑定 としたQ切込量 (t)は0.3,0.5 0.7mmの3段階 とし,二次元低速切削 (被削材の送 り速度 は144.9mm/min)を行 った｡切削は,Fig.1に示すように,切削面がそれぞれ 板 目,追 まさ目お よびまさ目の3種の縦切削を対象 とした｡いずれの縦切削において も,繊維傾斜角 (木材の繊維走向 と切削方向の交差 角度,Fig lのP･)をで き得 る限 りOoに, また,木理斜交角 (切削面 において繊維走向 と切削方向の交差角度,Fig.1の92)を Ooに

して切削を行 い得 るように,試験片 を調整 した｡

供試材 には,Tablelに示す ように,本邦産材21種,外国産材29種 を用いた｡それ らの材の気乾容積重 (以下,比重 という)の範囲 は,0.19(バ ルサ)〜1.01(シラカシ)であった｡ また,含水率 は8.9‑12.7%(平均11.4%)であった｡切削面の板 目,追 まさ目, まさ目の識別 は,試験片の木 口断面の年輪 (南洋材では,同心円状 に配列する軸方向細胞間道)によ り決定 した｡即 ち,年輪接触角 (木 口断面の年輪 と切削面 との交差角度,Fig.1のP3)により,本報では便宜上Oo≦P3<250を板 目,250≦P3<650を追 まさ目,650≦93≦ 900をまさ目とした｡なお,切削面が板 目および追 まさ目の材 は,木表側か ら切削 し,また,plキOoの僅かな日切れ材 は,順 目切削 とな るように注意 を払 った｡同一材 において も,93は毎回の切削で異 な り,その都度 p3を測定 し,93の変化 に伴 う切削抵抗変化な どに及ぼ す影響 をも調べ るよう配慮 した｡

分割工具 による切削では,T2のセ ッティングな らびに各種す くい面長 さ Pc[この研究では,0 ll (mm)≦^{cc≦17kの範囲で11段階にL7C}

を変化 させた]をもつ T2刃先の鋭利性な どを一定の状態に保 って切削することは極めて難 しい｡この研究で も既報3卜 6)と同様 に,八角 形弾性 リング荷重装置によって検出され る切削力 (FH,Fv)を,通常工具 による切削実験で測定 され る切削抵抗 (FH,Fv)と比較検 定 を行 って,一定の測定精度のF,N (分割工具による測定値)のみをとり出 し,データ として採用 した｡なお,試験片の切削幅 (b) は,切削中の T2ナイフの刃先の剛性 を保持 し得 るbとして,既報 4)と同様 に,b‑6mm(高比重材)〜10mm (低比重材)の範囲を採用 した｡

Grain orientation (a)

AnnuaLring

(b) (C)

Fig.1.Shapeoftestspecimens.

Machinedsurfaceofwood:(a)flatgrainface;(b)fastard grainface;(C)edgegrainface;甲 ):angleofgrainorienta‑

tionofwoodbeingcuttomachinedsurface;92:inclination ofdiagonalgraininmachinedsurfacetocuttingdirection;

93:angleofannualringsoftestspecimentomachined surface.

86420000(∈∈＼

旦

)NrL 0

t=0･3(mm)

L . p . ̲‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ･ 一 ' ‑ i‑

N=0.63ACD

Ak(max):2.16(mm)

2.5

∈

∈1.5

ここ;J■

0.3 0.5 0.7

ru (I/cm')

0.9 1.1

Fig.2.Variationoftool‑chipcontactlength (jk)withspecificgravity(ru).

∫:depthofcut(mm).

642000(ギL･UJUJ･g)jp

′̲3

(｢一三0.86) F=0.48

A ｡

^{0 ,30}

(r▲=0.81) MaterlaLI

Apitong(ru=0.84)

0 1.0 2.0

.Pc (mm)

Fig.3.An exampleoffrictionalforce(F)and normalforce(N)wi thrakefacelength(17C) ruandi:refertoFig.2;r':correlationcoefficient;Pk(max): maximumvalueoftool‑chipcontactlengthmeasured(mm).

(Nu IL･

∈∈･B三"ち

t=0

. 3( m m )

₀

㌔ . ｡

.

̲ I ̲ ̲ /: ‑ 1 京 ‑ : ‥ I / ^●

二 一 了 a(F,:=0:,8,:u

0.

1

0.3 0.5 0.7 0.9 ru (g/cm3)

ili Fig.4.Relationbetweenvaluesofcoefficients

(aF,aN)in

E

q

.

(5)andspecificgravity(ru) Marksand〜:refertoFig.2;γ′:refertoFig.3.

測定 を行 うためには,す くい面 と切屑 との接触長 さ 孔 が比較的大 き く,しか も切削中の

且

の変動が少ない ことが必要である｡ そこで, この ような意味 あいか ら,先割れあるいは開 き破壊発生直前の切 削抵抗が極大 を示す部位 に限定 し, この限 られた部位 におけるす くい 面の切削応力分布 な どを測定す ることとした｡まず,T2ナイフす くい面長 さ 脇 の範囲 を明 確 にす る必要か ら

,A

の測定 を行 った｡この結果の一例 を Fig.2に示す.図は,切削中の

& の平均値 を,切削面の相異 ごとにruとの関係で示 した ものである｡切削面の相異 による

& の変化 は顕著 には現れず,しか も且とruとの相関 は認 められなかった｡この傾向は,い ずれの tにおいて も同様の傾 向を示 した｡ この結果か ら

,i ‑0 . 3m

mでは,Fig.2のように, いずれの切削面,いずれの材 において も平均的な&‑

1 . 3 8

mmを切屑接触長 さとし,この^且 を滋 のおお よその限界値 とした｡なお

,〜 ‑

0

.

5お よび0.7mmでは

,

& ‑2.14,2.78mmであっ た｡これ らの

1

7kの測定の際,切層の曲率半径 pも測定 した｡その結果

,

両 まruの変化 に伴 い著 しい変動 を示 し,tが大 になるにつれ,当然

,

pは大 になるが,いずれの tにおいて も, pと ruとの相関 は認 め られなかった｡

つぎに,先割れあるいは開 き破壊発生直前の切削抵抗の水平分力 FHおよび垂直分力 Fv を,通常工具 によ り測定 した｡FHおよびFvは,いずれの切削面,いずれの t場合 も,檀 めて高い相関で ruと比例的な関係が成立 し,(1)式のように表現で きる^｡

FH

‑

^{a FH･ ru}

F

v

‑

^{a Fv･ru (1)}

3 4

0.6

eLLo.4 0.2

杉 山

t=0 .3(m

m) R F : 0

^.

4 1

‑‑‑‑

｣

‑

鼻

^:

^{: ･}

^‑

^･

^{:.FT 一}

^{二 ‑ ̲ ̲}

乞.O ｡ ●

｡ .

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

r u

(g/cm3)

. rlN=0･40

鰯

: ' ･ p S◎.

^{｣ ㌻}

0.1 0.3 0.5 0,7 0.9 ru (g/cm3 )

滋

Ob.'C(kg/mm2) ru=0.73(g/cm3)

Teak Oで =0.‑=O.07ー2yD.4札 8263

A.(mu);1.ー3 Rosewood0‑で=0.:0.1197}JlO.‑OL6562

Fig.5.Relationbetweenvaluesofexponents(β F, Fig.6.Anexampleofstressdistributionsontoolrakeface.

βN)inEq.(5)andspecificgravity(ru). T,6:frictionalandnormalstresses;edistanceon,akefacefrom Marksandi:refertoFig.2. tooledge,irk(max):refertoFig.3,ruandI:refertoFig.2.

( 1 )

^{式の係数の}

α

FH (また は,a Fv) の値 を比較す る と,いずれのtにおいて も切 削面の相異 は顕著 に現れず,統計的 に同一 とみな し得た｡したが って この研究で は,切 削面の相異

( 即

ち,p3)の影響 を無視 し,すべて同一 の切 削面 とみな し,

F

^H,

F

vとruとの関係 をそれぞ れ求 めた｡ その結果 も(1)式の ように表現で き, その ときの(1)式 の係数

α

^{FH (}また はa Fv)

は,tが0.3,0.5お よび0.7mmの とき,それぞれ1.02(または,0.36),1.31(または,0.52) お よび1.59(また は,0.67)の値 を とる｡

分割工具 による切 削実験 の妥当性 を調べ るため,次報で明 らか にす るが,刃先先端付近 に占める切削抵抗 の割合,お よび工具切れ刃す くい面 の摩擦係数〃1を求 めるために,(1)式 のFH,Fvを用いて,摩擦力Fお よび垂直力Nを求 めた｡F,Nは,工具の切 削角 を 0と す ると

,( 2 )

式で表 され る｡

F

‑

F^HCOSOIFvsinO

N‑ FHSin

O+

FvcosO)

( 2 )

F,Nは,当然,予想 され るように,いずれ の tの場合 も,ruと比例 的 な関係 が成立 し た

｡即

ち,

F ‑ (

^{a FH}COS

O‑

^{a Fv}SinO^{) ru}

N

‑ (a ,HSinO+a FvCOSO) ru

(3)式が得 られ る｡ したが って

, 〃

1は(3)式 を用いて,

F αF H‑

αF

v t a

^{n O}

P

^l= t , =

N

^a

F H t a n

O

+

^{a F}v

(3)

(4)

( 4 )

式で表 され る｡平均的 に考 えれ ば,plはruとは無関係 な

( 4 )

式で表 され ることにな る｡

このFLlは,切削加工 におけるクーロン法則 と呼 ばれ るもので,木材切 削では,切屑生成 形態の変化 に関係す ることが報 じられている1)が,〃1の性格 お よび適用範囲 について は, 論 じられていない｡

3.2 す くい面 に働 く切削応 力分布の変化

分割工具 による切 削実験 によ り,T2ナイフに加 わ る摩擦力Fお よび垂直力Nを測定 し た｡測定結果の一例 を Fig.3に示す｡いずれの条件下 において も,Fig.3の ように,

F

,

Ⅳ は,す くい面長 さ

脇

の指数関数 として,次式の ように表現で きる｡

F

‑ a

, ･ A

^{P r}

N‑ aN･Pcβ^r⁾

( 5 )

ここで

,( 5 )

式 のa F,aNは,それぞれ

e c ‑1

mmの ときのF,Nを表 す係数である｡これ らの 係数 と ruとの関係 の一例 を Fig.4 に示す｡通常工具 によるF,Nのruの変化 に伴 う変化 と同様 に,a F,UNは, それ ぞれ ruと比例 的 な関係 が成 立 す る｡一 方

,( 5 )

式 のべ き指 数 β,,βNの一例 を Fig.5 に示す｡同図 によれ ば

,

β , , β N は, ruとはほぼ無関係 で, しか も β,≒βNと考 え られ る｡以上 の結果か ら,(5)式 は,ru,Pcの関数 として,(6)式で表現 で きる｡

チエ 0.3mm

i‑ 0.5mm

チエ 0.7mm

f‑ 0.3mm

〜‑ 0.5mm

i‑ 0.7mm (

(

(

(

( (

F‑ 0.48ru･PcO･4

1

N‑ 0.67ru･PcO･40

F‑ 0.57ru･&0138

N‑ 0.90ru

･

^{& 0･35}

F

‑ 0.62ru･PcO･38

N‑1.05ru･&0･36

T‑

0.19ru･2‑0･59

6

‑ 0.26ru･20･60

T ‑ 0.22ru･210･62

6

‑ 0.32ru･♂10･65

T ‑ 0.24ru･20･62

6‑ 0.37ru･2‑0･64

(6)

( 7 )

切 削応 力 分 布 の測 定 原 理3)に基 づ い て,(5)式 を脇について微分 す る と,す く い面 に働 く切 削応 力 の摩 擦 応 力 Tお よ び垂直応力 Oが求 め られ る

｡

T

,

6は,そ れぞれ刃先 か ら切屑離脱点 にいた るす く い面 の距 離

♂(

… &)お よびruの関数 と して,(7)式 で表 し得 た｡得 られた切 削応 力分布 の うち,一例 として ru‑0.73(こ のruに相 当す る樹種 は,チー ク とローズ ウ ッ ドである) の場合 を考 えてみ る｡(7) 式 を用 いて,計算 された切 削応力分布 の 一例 を Fig.6 に示す｡同図 にみ られ るよ うに,切屑離脱点付近 か ら刃先先端付近 に向 うす くい面上 で,r,♂ともに指数関数的 に増 加 す る傾 向 を示 した｡(7)式 の T, Oは,ruとの関係 で求 めた平均 的 な実験式 で あ るか ら, 特殊 な樹種特性 を示す材 を除いて は, この

( 7 )

式 によ り,平均的な切 削応力分布,即 ち,㍗ お よび Jの分布 を推定 で きる と考 え られ る｡

この ようなす くい面 の切 削応力分布 (即 ち,rお よび ♂の分布)の測定結果 に基づ き,〃1 が木材切 削で どの ような意味 を もつか については,次報 で検討 を行 う｡

4 .結 論

木材 の縦切 削 にお ける工具 す くい面 に働 く切 削応力分布 を,分割工具 を用 いて測定 した｡

気乾容積重 ruの比較 的広 い範 囲 にわた る主要樹種50種 を切 削 し,切 削応力分布 (摩擦応力 Tお よび垂直応力 Oの分布)の一般的傾 向, お よびそれ らと ruとの関係 な ど, を明 らか に した｡即 ち,Tお よび 6は,工具 す くい面上 の刃先か ら距離 2お よび ruの関数 として

,( 7 )

式 の ように表 す ことがで きた｡ これ によ り,す くい面上 の P と ruを与 えれ ば

,

Tお よび

O

のおお よその値 を計算す ることがで きる｡

文 献

1)Koch, P :"W oodMachiningProcesses",p.35,N.Y.RonaldPress.Co.(1960). 2)例 えば,中村源一,青山経雄 :林試研報,No.93,69 (1957).

3)杉 山 滋 :木材学会誌,23,472(1977).

4)杉 山 滋,菅 都子 :木材学会誌,24,698 (1978). 5)杉 山 滋 :木材学会誌,23,480 (1977).

6)杉 山 滋,徳 山祐治 :木材学会誌,24,612 (1978).

7

)杉 山 滋 :木材学会誌,23,534 (1977).