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愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研 究 ノート

高速スピンドルを用いた木工用多軸穿孔加工機の試作とその可能性
福 田 聡 史 ＊ 1、 柴 田 美 代 子 ＊ 1、 太 田 幸 伸 ＊ 1

Trial Production and Feasibility Study of High-Speed
Multi-Spindle Drilling Machine for Wood
Satoshi FUKUTA *1 , Miyoko SHIBATA *1 and Yukinobu OHTA *1
Industrial Technology Division, AITEC * 1
木 材 へ 穿 孔 を 施 す た め に 、 高 速 ス ピ ン ド ル を 用 い た 多 軸 穿 孔 加 工 機 を 試 作 し た 。 本 機 は 既 製 の NC ボ ーリングマシンの加工ヘッドに、相互の間隔を可変できるスピンドルを 5 本備え、穿孔パターンに自由度を持 た せ る こ と を 特 徴 と し た 加 工 機 で あ る 。ス ギ 板 目 材 へ 深 さ 42mm の 加 工 を 検 討 し た 結 果 、木 目 の 影 響 によるドリルの折損が問題となったが、加工条件を適切に選択することによりドリルの耐久性は向上した。
加 工 能 率 は ス ピ ン ド ル 軸 数 に 依 存 す る が 、 ス ピ ン ド ル 軸 数 30 個 を 想 定 し た 場 合 、 12mm ピ ッ チ の 穿 孔 を
幅 120mm の 材 料 に 、 概 ね 1000mm/min 加 工 で き る こ と が 予 測 さ れ た 。

１．はじめに
著者らは、木材の圧密加工や含浸処理に関する一連の２．実験方法
2.1 加工機の主要諸元研究において、試料へ穿孔加工を施すことを特徴とする試作した加工機を図１に示す。ベースになった NC ボ

新たな加工プロセスが、圧密加工の生産性向上、含浸処ーリングマシンはシンクス製 SNCB-25Z、特注のヘッド理における薬液注入量を増大させることを報告した 1) 2)。

部に取り付けたスピンドルはスギノマシン製 SSV2-CM

このような熱プレス加工および含浸処理を前提とした上である。スピンドル軸数は最大 5 軸とし、穿孔パターンで、試料に穿孔加工を施す手段として、高速スピンドルの自由度を得るためスピンドル軸はヘッドのレールにホを用いた多軸穿孔加工機を試作した。

ルダーを介して取り付け、間隔・軸数は任意に調整可能木材に対して同様の加工を施す手段としては、ウォーとした。また試作機は、アームの昇降によって、取り付タージェット、レーザインサイジング 3) 等が挙げられる

けられたスピンドル全部が Z 軸方向に駆動する機構となが、ウォータージェットは、ドリルによる穿孔加工に比っている。主要な諸元を以下に記す。

べ生産性や加工精度（制御）、設備コストのいずれの面に（テーブル寸法）X: 2,000mm, Y: 500mm

おいても劣っていると考えられる。レーザインサイジン（最高移動速度）X,Y: 25000mm/min, Z: 60000mm/min

グは、加工効率に優れるが、設備が高価なこと、穿孔深（回転数）2,000 ~ 15,000rpm, max 20,000rpm

さ・径の精密な制御が困難なこと等が挙げられる。それ（モータトルク）600N･mm (2,000 ~ 15,000rpm)

に対しドリルを用いる方法は、比較的安価で穿孔深さ・2.2 穿孔加工条件径等の制御ができる。その中で、多軸ドリルヘッドを用被削材は、主にスギ気乾材の板目材（L:2000, R:45,いる場合は、ドリル回転速度が遅く高速加工が困難で穿T:120mm）とし、厚さ 45mm に対して深さ 42mm の穿孔パターンも限定されるのに対し、高速スピンドルを連装する機構を適用することにより、高速回転が可能で穿孔パターンの自由度が向上する。
そこで本研究では、既製の NC ボーリングマシンをベースに高速スピンドルを複数軸設けて制御する加工機を試作した。本報では、加工機の特徴、木材への加工特性、ドリル欠損に対する検討および実用化の可能性について報告する。
図１＊

1 工業技術部

応用技術室

試作加工機（右はスピンドル部分）●65───────────────────────────────────────────────
孔加工を施した。ドリル径は 1.2 ~ 1.8mm、工具突出し長 さ は 55mm 、 回 転 数 は 10,000rpm 、 Z 軸 送 り は3.2 高速化、生産性向上の検討
生産性向上のためにはスピンドルの多軸化、高速化が4000mm/min とした。

求められる。そこで Z 軸送り速度の増大を検討したとこ

2.3 ドリルの耐久性評価

ろ、アームを含めたスピンドルの慣性質量の影響によりドリルの耐久性評価は、1.2, 1.4, 1.6, 1.8mm のドリル4m/min 以上の速度の増大は不可能であった。従って、を各スピンドルに取り付け、上述の穿孔加工条件のもとさらにスピンドル軸数が増えた場合、試料側の駆動ある無節の材料を加工し、ドリルが折損する穿孔数を求めた。

いは、各軸ごとの独立駆動等の改良が必要である。送り速度の増加を目的にドリルの高回転化を検討したところ、

３．実験結果工具突出し長さが長いため回転数の上昇とともに工具先

3.1 加工特性

端部に振れが発生して穿孔位置が正確に定まらず加工が加工トルクは、被削材の加工部位によって著しく変動困難であった。例えば直径 1.8mm のドリルではおよそした。ドリル径 1.8mm で節の部分以外を加工した場合、14,000rpm が限界であった。これらの結果に基づき、実加工トルクは 12 ~ 28N･mm、節部では 60 ~ 108N･mm用化を考慮した加工機の素案を図４に示す。スピンドルであった。この様に節部の所要トルクは極めて高かったは１軸毎に Z 軸駆動できる機構とし、死節はテーブルへが、生節の部位においてドリルの折損は生じなかった。の搬入の段階で位置を検知し、その部位のみ加工をキャ

図２に加工時の模式図、図３にドリルの耐久性を示す。

ンセルできる機構・加工プログラムが適当と考えられる。

図２の様にスギ材やカラマツ材等の早・晩材部の密度差

現状の加工条件ではスピンドル軸数 30 を想定した場合、が大きい被削材では、年輪傾斜の影響によってドリルは12mm ピッチの穿孔を幅 120mm の材料に、概ね毎分屈曲し（図２(a)）、その変形が繰り返された後ドリルは1000mm 加工できることが予測された。

折損した。これは曲げ疲労の蓄積によるものと推察され切屑吸引る。そこで、ドリルの突出し長さをドリル径に応じて適（ＸＹテーブル）
試料

スピンドル軸宜長くしたところ（図２(b 右)）、ドリルの曲率は大きくなり折損の頻度は減少した。従って、図３のとおり一定

欠点（死節等）検知モニタ・センサ

３軸(x,y,z)ＮＣ制御加工機

試料
試料
ローダ

アンローダの突出し長さにおいて小径のドリルほど耐久性が高かっ
切屑吸引

た理由は、ドリルの変形に対してたわみ量が大きく影響

スピンドル軸（取付け位置可変）

欠点（死節等）検知モニタ・センサ

スピンドル取り付けアーム
Ｚ軸駆動機構（各軸単独）したためであると考えられる。
死節の部位ではドリルは折損した。これは、ドリルに（ＸＹテーブル）
アンローダ

試料
３軸(x,y,z)ＮＣ制御加工機

ローダ

極端な曲げ変形が生じ最大曲げ応力を超えたためと考え
図４られる。
ドリル

年輪

加工機素案

４．結び
折損

×

穿孔加工は木材中の気体や液体の透過性を向上させ、圧密加工や含浸処理を効率的に行う手段として有効であ

(a)

(b)
加工時の模式図

32速スピンドルを用いた多軸穿孔加工機を試作した。実用化のための課題として、ドリルの折損対策と加工速度（生4n=3（平均穿孔数）
6850 回1.8mmドリルの平均穿孔数に対する比

図２る。ここでは、木材に穿孔加工を施すことを目的に、高産性）の向上が挙げられ、今後はその改善が望まれる。

文献
1) Fukuta, S., Asada, F., Sasaki, Y.: Forest

Products Journal, 58(7/8), 82 (2008)

12) Fukuta, S., Asada, F., Sasaki, Y.: Journal of Wood
01.8 1.6

1.4

1.2

ドリル径 (mm)

図３

ドリルの耐久性（突出し長さ：55mm）

Science, 54, 100 (2008)3) Md. Nazrul Islam, Ando, K., Yamauchi, H.,
Kobayashi, Y., Hattori, N.: Journal of Wood

Science, 53, 436 (2007)