(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片刃形式の刃物に超音波振動を与えながら平板状の複合材料を垂直に裁断する裁断方法において、前記複合材料に対して前記刃物を垂直に設定し、前記刃物の刃裏面を裁断する製品側とし、裁断方向の前側の刃先を裁断線上に位置させるとともに、前記刃物の裁断方向の後ろ端を裁断線よりも製品寄りに変位させて、前記裁断線と前記刃裏面との間に開き角を設定しておき、裁断時に、前記複合材料と前記刃物とを前記裁断線にそって相対的に移動させる過程で、前記刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを等しくないしほぼ等しくし、前記刃物の刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを相殺することにより、前記刃物工具の支え部分の保持力を可能な限り小さくする、ことを特徴とする複合材料の裁断方法。
【請求項２】
前記刃物を移動方向に前傾させて、前記複合材料に作用する前記前側の刃先の刃先角を前記刃物の中心線に対する垂直な断面の刃先角よりも鋭角化する、ことを特徴とする請求項１記載の複合材料の裁断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片刃形式の刃物に超音波振動を与えながら刃物を裁断方向に移動させて複合材料を裁断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料、例えば炭素繊維の組織に樹脂を含浸させた平板状の材料は、軽量で充分な強度を有することから、航空機などの機体材料などとして活用されている。その複合材料の裁断は、特許文献１や特許文献２に開示されているように、ゴム製品や光ファイバーなどと同様に、刃物に超音波振動を与えながら、刃物を裁断方向に移動させることによって良好な裁断面のもとに切断される。
【０００３】
通常、刃物は、多軸制御可能な加工機の加工ヘッドに取り付けられ、複合材料に対して裁断線に沿って相対的に移動するように制御される。複合材料の裁断工程において、複合材料に対する刃物の姿勢から、垂直な裁断面となる垂直裁断と、斜めの裁断面となる斜め裁断とがある。作業の能率の観点から、刃物の交換をしないまま、それらの垂直裁断と斜め裁断とを行うとき、斜め裁断は片刃でしか対応できないことから、刃物は、共用可能な片刃を採用する。
【０００４】
ところが、片刃の刃物を使用するときに、垂直裁断の過程において、刃物の刃付け面が複合材料の裁断面から刃付け面の裏すなわち刃裏面の方向の力を受けるため、刃物が裁断負荷に負けてしまい、刃物が曲がって、裁断寸法が裁断後の製品の狙いの寸法よりも小さくなり、狙いの寸法が確保できなくなる。このような現象は、多軸制御可能な工作機械を用い、加工ヘッドで刃物工具を支えながら刃物を裁断方向に移動させるときにも同様に起きる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１７１９３公報
【０００６】
【特許文献２】特開２００３−４８１９１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の課題は、刃物工具に超音波振動を与えながら片刃形式の刃物により複合材料を垂直に裁断するときに、裁断寸法を狙いの寸法に正確に裁断できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題のもとに、本発明は、片刃形式の刃物に超音波振動を与えながら平板状の複合材料を垂直に裁断する裁断方法において、前記複合材料に対して前記刃物を垂直に設定し、前記刃物の刃裏面を裁断する製品側とし、裁断方向の前側の刃先を裁断線上に位置させるとともに、前記刃物の裁断方向の後ろ端を裁断線よりも製品寄りに変位させて、前記裁断線と前記刃裏面との間に開き角を設定しておき、裁断時に、前記複合材料と前記刃物とを前記裁断線にそって相対的に移動させる過程で、前記刃物の刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを相殺するようにしている（請求項１）。
【０００９】
特に、本発明は、上記複合材料の裁断方法において、裁断時に、前記複合材料と前記刃物とを前記裁断線にそって相対的に移動させる過程で、前記刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを等しくないしほぼ等しくし、前記刃物の刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを相殺することにより、前記刃物工具の支え部分の保持力を可能な限り小さくしている（請求項１）。
【００１０】
さらに、本発明は、上記複合材料の裁断方法において、前記刃物を移動方向に前傾させて、前記複合材料に作用する前記前側の刃先の刃先角を前記刃物の中心線に対する垂直な断面の刃先角よりも鋭角化している（請求項２）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る複合材料の裁断方法によると、片刃形式の刃物が刃裏面で製品の裁断面に対向するから、垂直な裁断面となる垂直裁断のほかに、斜めの裁断面となる斜め裁断にも刃物の交換をしないまま対応可能であり、しかも、刃物の超音波振動によって、裁断後に良好な裁断面が得られ、また、前記刃物の裁断方向の後ろ端を裁断線よりも製品寄りに変位させて、前記裁断線と前記刃裏面との間に開き角を設定しておき、裁断時に、前記刃物の刃付け面に作用する力と前記刃裏面に作用する力とを相殺するようにしているため、裁断過程で刃物が製品側に曲がることを抑えられ、裁断寸法が狙いの寸法に裁断でき、裁断の精度が向上し、しかも刃物工具の支え部分に大きな力が作用せず、刃物の移動制御が容易となるほか、刃物工具への負担が軽減され、その寿命が従来よりも延長させられることにもなる（請求項１）。
【００１２】
特に、上記複合材料の裁断方法において、刃付け面に作用する力と刃裏面に作用する力とが等しくないしほぼ等しくなっておれば、刃物工具の支え部分の保持力を可能な限り小さくでき、刃物移動抵抗が小さくなり、その移動制御が一層容易となる（請求項１）。
【００１３】
さらに、上記複合材料の裁断方法において、前記刃物の適当な前傾によって、複合材料に作用する刃先角が実質的に鋭角化するから、前記刃物の裁断能力が一層高められる（請求項２）。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の前提となる刃物工具であり、（１）はその側面図、（２）はその垂直断面図、（３）は刃物工具の水平断面図である。
【図２】５軸制御の工作機械の加工ヘッドに刃物工具を取り付けた状態のスケルトン側面図である。
【図３】本発明に係る複合材料の裁断方法にもとづいて刃物工具により複合材料を裁断するときの平面図である。
【図４】本発明に係る複合材料の裁断方法にもとづいて刃物工具により複合材料を裁断するときの垂直断面図である。
【図５】本発明に係る複合材料の裁断方法にもとづいて刃物工具により複合材料を裁断するときに、刃物工具に作用する力の説明図である。
【図６】本発明に係る複合材料の裁断方法にもとづいて刃物工具により複合材料を裁断するときに刃物工具を前傾させた状態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の前提となる刃物工具１を示している。この図１において、刃物工具１は、刃物２と、この刃物２を保持する保持具３とからなる。刃物２は、全体として断面台形であり、刃表面４の前後の端縁で刃付け面５を有している。このように、刃物２は、前後の刃付け面５の先端で刃先７を形成しているが、刃表面４の裏側の刃裏面６で刃付け面５を有していないため、片刃形式の刃物となっている。
【００１６】
刃物２は、ホーン８によって保持具３の内部に組み込まれている超音波振動子９に連結されている。超音波振動子９は、裁断時に、図示しない発振器からの超音波電力により駆動され、ホーン８を介して、刃物２に２０〜４０ｋＨｚの振動を与える。このとき刃物２は、その長手方向において１０〜７０μｍの振幅で振動をする。
【００１７】
図２は、刃物工具１を多軸制御、例えば６軸制御可能な加工機の加工ヘッド１０に取り付けた状態を示している。図２において、加工機は、その運動機能によって、加工ヘッド１０をＸＹＺ座標の直行３軸としてのＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動させるとともに、加工ヘッド１０を回転３軸としてのＺ軸方向に平行なＣ軸の周り、Ｚ軸方向に対して４５度のＡ軸の周り、およびＣ軸上のＢ軸の周りに回転させ、加工ヘッド１０および刃物工具１を裁断に適切な姿勢に設定し、刃物工具１と裁断対象の平板状の複合材料１１との間で、刃物２を裁断方向に相対的に移動させて、複合材料１１から製品１３を裁断する。例示の加工ヘッド１０は、一点指向型の加工ヘッドであるが、Ｂ軸（Ｃ軸）の中心線上から偏心した位置においてオフセット型の加工ヘッドとして構成することもできる。
【００１８】
なお、複合材料１１は、通常、樹脂またはアルミニューム製の裁断型１４の上の図示しないカッテングボードの上に載置され、図示しないフイルムで覆い、空気引き（真空吸引）によって裁断型１４の上に固定される。裁断時に、刃物２は、フイルムとともに複合材料１１を裁断することになる。
【００１９】
図３および図４は、垂直裁断に際して、平板状の複合材料１１に対する刃物工具１の刃物２の姿勢を例示している。図３および図４において、刃物２は、複合材料１１の裁断面を複合材料１１の上下面に対して垂直（直角）とするために、Ｚ軸方向に立て、ＸＹ平面上の複合材料１１に対して刃物２の刃裏面６を垂直に設定される。
【００２０】
そして、本発明に係る複合材料の裁断方法は、片刃形式の刃物２に超音波振動を与えながら複合材料１１に対して刃物２を垂直に設定し、刃物２の刃裏面６を裁断しようとする製品１３側とし、裁断方向の前側の刃先７を裁断線１２上に位置させるとともに、刃物２の裁断方向の後ろ端を裁断線１２よりも製品１３寄りに変位させて、裁断線１２と刃裏面６との間に開き角θを設定しておき、裁断時に、複合材料１１と刃物２とを裁断線１２にそって相対的に移動させる過程で、刃物２の刃付け面５に作用する力と刃裏面６に作用する力とを相殺するようにしている。裁断の前から終了までの期間において、製品１３は、真空吸引によって裁断型１４の上に固定されているが、刃表面４側の複合材料１１すなわち破材１５は、裁断と同時に吸引解除の状態となり、裁断方向の前側の刃付け面５にそって切り離される。
【００２１】
図５は、裁断時に、刃付け面５に作用する力と刃裏面６に作用する力との関係を示している。裁断線１２と刃裏面６との間に開き角θが設定されており、複合材料１１と刃物２とを裁断線１２にそって相対的に移動させたとき、そのときの移動抵抗として移動方向の前側の刃付け面５に加わる力Ｆ１とし、刃裏面６に加わる力Ｆ２とする。
【００２２】
刃付け面５に加わる力Ｆ１によって、刃付け面５に垂直な分力のＸ方向の分力Ｆ１ｘが作用し、裁断時に刃付け面５に複合材料１１が接触する面積Ａ１とすると、刃付け面５にかかる力ρ１は、ρ１＝Ｆ１ｘ×Ａ１となる。また、刃裏面６に加わる力Ｆ２によって、刃裏面６に垂直な分力のＸ方向の分力Ｆ２ｘが作用し、刃裏面６に複合材料１１が接触する面積Ａ２とすると、刃裏面６にかかる力ρ２は、ρ２＝Ｆ２ｘ×Ａ２となる。
【００２３】
ここで、一般に、Ｆ１ｘ＞Ｆ２ｘ、Ａ１＜Ａ２であるが、ρ１＝ρ２であれば、それらの力は完全に相殺されるため、刃物２は、Ｘ方向の力を殆ど受けず、裁断線１２に沿って移動することになり、刃物工具１の支え部分の保持力も可能な限り小さくできる。この結果、裁断寸法を狙いの寸法に裁断でき、裁断の精度が向上し、しかも刃物工具１の支え部分に大きな力が作用せず、刃物移動制御が容易となるほか、刃物工具１への負担が軽減でき、その寿命が延長できる。しかも、刃物２の超音波振動によって、製品１３に良好な裁断面が得られる。
【００２４】
それらの力ρ１、ρ２が完全に等しくならなくても、相殺の結果、Ｘ方向の力が打ち消し合って小さくなり、その小さな力に抗して刃物２が支持されるならば、刃物２は、裁断線１２から大きく反れることはなくなる。
【００２５】
実際には、複合材料１１の切れ易さ、複合材料１１の固定方法、裁断位置での複合材料１１の弾性変形あるいは塑性変形のときの逃げ方、システム全体の剛性などによって、力の加わり方が変わり、開き角θも変化するため、単純に計算だけで、開き角θを求めることは困難である。このため、開き角θは、刃物２を用いて複合材料１１を実際に裁断しながら調整し、最も有効な角度値として設定される。一般に、開き角θは、刃物工具１や複合材料１０、裁断条件によるが、通常２〜６度の範囲に設定される。
【００２６】
さらに図６に例示するように、刃物２を移動方向に前傾させ、前傾角αを設定すれば、図６の（１）のように、複合材料１１に作用する前側の刃先７の刃先角β（複合材料１１の平面での刃先７の断面角度）は、図６の（２）のような刃物２の中心線に対する垂直面での刃先７の断面角度）よりも実質的に鋭角化する。この結果、刃物２の裁断能力は一層高められる。
【００２７】
なお、既述のように、刃物工具１は、垂直裁断のほかに、斜め裁断にも、工具交換をしないまま利用できる。斜め裁断のときに、刃物２は、斜め裁断の角度で傾斜状態に設定され、その角度を保ちながら複合材料１１を裁断することになる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、炭素繊維の組織に樹脂を含浸させた平板状の複合材料のほかに、同種の複合材料にも利用でき、開き角θは、既に記載したように、その複合材料や裁断条件毎に設定される。
【符号の説明】
【００２９】
１  刃物工具
２  刃物
３  保持具
４  刃表面
５  刃付け面
６  刃裏面
７  刃先
８  ホーン
９  超音波振動子
１０  加工ヘッド
１１  複合材料
１２  裁断線
１３  製品
１４  裁断型
１５  破材
θ  開き角
α  前傾角
β  刃先角
Ｆ１、Ｆ２  力
Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘ  分力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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