平成10年度 研究朝告 大分県産業科学技術センター

振動特性を応用した木材の裁断技術の開発研究
石井信義＊。大内成司＊。鬼鞍宏猷＊＊診栗山保士梱＊材料開発部−＊＊九州大学・＊＊＊（有）栗山機工作所

わevelopment of腎00d Ripping㍍ethod Using Vibration Charact紺Nobuyoshi‡SHII㍉JohjiOUCHI＊−冒iromichiONIKURA＊＊・YasushiKURIYAMA＊柚＊MaterialDevelopment Division・事＊Kyuushu University・榊Kuriyama Machine ManeuveringInc。
要旨
本県地場産業の一山つである木材加工工場にはプ木材を切断分割する際に発生する切り屑と騒音の問題があり，作業者の健康を阻害している状況がある。これらを解決するため、新しい木材の切断分割システムを開発することとし，平成8年度から開発研究を実施した．1）2）これは，アサリのない工具刃物を外力（低周波）によって振動させ9 その振動で木材を切断分割（以下切断）する方法である。
今年度は，平成9年に開発した裁断機（以下実験機）の問題点を改修し，切断加工実験を実施して新しい切断装置のモデル化のためのデータを収集した，
その結果，（1）これまでの切断方法は，往復上下振動のため木目の影響を受ける難点があったが，今回採用した回転振動（振幅5mm
振動回転数6，000rpm。100HZ）は，刃物の切断軌跡が木目（繊維）の影響を受けず，ほぼ直線で切断でき，且つ切り屑や振動音の発生が押さえられる工法であることを確認した．
（2）被加工材の繊維方向に平行の送り速度と切断抵抗の関係は，垂直刃の場合，0．4f／F［mm／cycle］のときは0．5［kgf］であり0．6f／F［mm／cycie］では3．3［kgf］，0．9f／F［mm／cycle］では3．7［kgf］の数値を把握し，送り速度が増加するにしたがい切断抵抗も増加の傾向を示した。
（3）回転振動切断メカニズムについては，木材の切断における刃物要素（ナイフ状の水平刃と垂直刃）の寸温切断条件
および切断面積の関係から，工作物に相対的な水平刃コーナの運動軌跡（トロコイド曲線）と切断領域を導きだした．
方法の研究に平成8年度より着手して，様々な実験の結果

1．緒言
物を切るという行為は人類の有史以来，欠くことのできから，切り屑と騒音を押さえた木材の切断方法としてタアない普遍的行為である。野菜や果物を，そして，木材や竹サリのないナイフ状工具刃物を外力（低周波）により上を切るなど日頃よく見かける光景である．野菜や果物を切下往復運動（振動）させ，木材を切断する加工方法を採用

る場合はナイフ状の工具刃物が多く，木材や竹を切る（切した実験機を設計製作（平成9年度）した，2）断分割）時は鋸や鉱を使い凋jって形を創る時などはナイ

今年度は，工具刃物の上F往復振動から回転板動機構へフを使用するのが日常的である．これらの中で主に木材をメカニズムを変更するとともに，無段階自動送り装置の装−一定の寸法に切断する場合，工業的な手法として，回転切着や切断抵抗測定用ロードセルの装着等，実験機の改修を削機構を採用したアサリのあるチップソーや帯鋸による行い加工実験を実施してぎデータの整備を進めた．

加工が普及しており一般的である。しかし，この方法ではこの研究の目的は，木材加工工場において，木材を切断鋸屑や回転音が発生しク作業者の健康を阻害（気管障害，分割する際に，切り屑の発生と騒音を押さえた，加工方法聴力障害等）しているのが現状である．と振動切断機構を備えた木材の切断装置の開発にある．

近年においては，木材を切断する方法として上記以外にレーザーや高圧水流加工，振動切削加工等があり 各方面

2．研究方法で応用が図られている．主に振動切削については，金属部

2．7 実験方法

品加工分野での利用が多く，木材加工分野では，有効性が2。1．1実験機言われるものの実験的研究報告の域であった．

本研究を進めるための実験機は，動力源は汎用モーター（60HZ，2，200Wタ1，800rpm）を使用し，工具刃物の動作

そこで，本研究ではこの振動を使用した木材の切断加工−ユ09−

平成10年度 研究軸告 大分県産業科学技術センタ岬を偏心力ムにより星亘j転振動に変換して，切断加二l二機能を備した．今回の実験では，刃物の振幅は南町「振動回転数はえた機構とした．廊1二村の送り方法は，手動からチェーン6，000叩瀾・柑俳Zとした。
ドig，3に別断加二l二の状況を表す。

斬動による無断変速装置を備えた−∫∃勤送りとした。振動巨ラi数と送り速度の変換は，インバータによる周波数制御とした．実験に使用した実験機をドig。iに表す．

F壷g．3切断状況
2．2 切断抵抗
切断抵抗は，実験棟にロードセルを取りつけ固定し，切F皇g．一 案験機（正面図）

断時の負荷状態を自動平衡記録計にて測定した．

2．呈．2ユニ具刃物

切断加工実験用としてアサリのない階段状の刃物を製

2．3 切断面積と相対運動軌跡の解析

作した。様々な予備実験（H8，9年度実施）の結果を参考

二L作物に対する刃物の和対運動軌跡と切断領域の解析
は，木材の切断における∴軒先要素（ナイフ状の水平刃とにして使用した素材は，炭素工具鋼SK！卜2である．−）2）
刃物言，長音，†言すの3種類である．それぞれ♂）刃は，ピッチが垂直刃）の1i 法，矧析条件および切断面礪などを考慮して異なる．ピッチとは，垂直刃の長さまたは水さ拝刃の良さを行った．その時の被加工物と刃物の切断角度は′呈5度，水、Ⅰた指す．刃量はi．25，呈冨は2．5，揖は5（mm）のピッチである．

刃と垂直刃の良さは5mを想定した。

この値はピッチが振幅（5mm）のり4，1／2，と倍になるよう2．4 切断装置の開発にした．各刃の刃先角は30度，刃厚はi．25mm，刃先釦の長さ

新しい切断装置のモデル化については，外力（低周波）は70mで共通である。Fig。2は今回の実験に使用した刃物により工具刃物を回転板働させる機構と階段状のアサリの形状であり，3種類の申から2種類を表す．のない工具刃物で，木材や木質系材料の切断加Lを行う際に，切り屑の発生が少なく，振動音を押さえた機構を備えていることを特徴とした．
具体的内容として，F記の条件を加味した装置を想定した．

刃先の㌍大国 甘ヤ

装置の寸法は1−50（川．）×700（W〉×旦，20佃亘）（m）でと二盤iOIの高さを700mmとし，素材は鋼材を使用した．被加⊥材の寸法は，500（W）×50（T）×i，800（L）（m）が割断吋能とした．
振動源並びに被加工材の送り動作等には，汎用モーター
刀完の抜穴竃 く∫㌧（60㌻！z，2，20珊，1，800rpm）を使用した．
階段状の■ユニ具刃物の回転板動機瀾は，モーターからベルトFig．2 エ具刃物によって回転偏心カムに伝わり∴1二島刃物（：与00（1ノ）×2．i。3 供試朋

25（w）×呈，25（L）（mm））を装着したカッターホルダーが回切断実験に使用したワークは，スギ板‖紺で試験片の転振動を繰り返す機能とした．被加L材と刃物の切断角度

Ti■法をiOO（T）×300（且．）×30（R）mとした，試験片の含水率は，30〜60度の範囲で自ぎ如こ選択可能な機能とした．

は10〜15％，密度は0．37〜0．41（g／cm3）を使用した．

振動回数は最大6，000rpmハ0（Ⅲz，坂矧ま0．i〜5．Ommの範囲

2．1パ実験方法としインバーターによる周波数制御を採用した．被力l】r∴

切断加工方向は∴ 霧紬軋射句と平石とした。試験片の送材の送り速度は，0．5〜こ与．Om／minの範囲を選択可能とした．

り速度は1．5m／miど−とし9 試験片の送り方向に対して刃物カッターホルダーは，着脱可能で刃物交換や用途に応じての取り付け角度を45度に設定した。入力電力は200vの複数の刃物が装着可能とした．

60！竜zとして，インバ山タにて自決に変換可能な方法を採相ー110−平成10年度 研究斬告 大分県産業科学技術センターf￠rl◆●■√【l■

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3．結果および考察

r 即断のト丁点・ブラフの蝶軸・轡1鞘良書こ．℡中の露■さl■qがく／】♭■∃こ村石

尊真数の饗艶敢疎略空っ蔓￡援用刀打曝たFl さ■E■に象丁数■芋・Fl（鳥のきの買験￠書に村石

3．†切断抵抗騙￠5

ドig．4には，実験機での木材切断時の切断蘭抗変化の…−一例を表した．
測定は，被力＝1二材の送り機構が動き始めると，送りチェーンとスライドテーブルの間に挟まれたロードセルにほ緒の力がかかり，瞬間的に計測ノ酎旨針が振れるがすぐに安定する．この安定したところを切断抵抗の零点とした．
切断開始時に刃が被加工材に切り込み始めると，グラフの基準線を境に指針は，プラス方向かマイナス方挿＝こ振れだ
す．被加コニ材の切断中には，被加］二村が送り方向に引きFig．5切断抵抗込まれる場合があり，その時にマイナスの値が表示された．

ziIくeIIPトnlr−j 冒lイヱj Fトーm／s r／F05（；95∩︶3−・・▲q0﹁′︵UnUO3n︶■H一JにJだUOO︶

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メrタと結果を表した一︷Uた廃の切断抵抗計測の一例を表した．Fig．6には実験パラ︵Uこれらの結果から次ぎのことが言える．

2 ︐Y①切断抵抗を減少するためには，刃物のピッチは振幅の1／2以Fが良好な結果を示した．

②割裂長さは，刃物のピッチが振幅の呈／4より，け2が短く0．28￠．＄

0▲41綴勘当たりの送り風声／F〔mm／cycl8】

Fig．7 ピッチと割裂長さなった。

1振動当たりの送り畳と切断抵抗の関係（縦方向）23−25 与︶動当りの送り塵と上l乙均切断抵抗の関係を表した．

5盲Jig．7にはピッチと割裂長さの関係を表し，琶；ig．8には−一振

3い・・・、こ‥・jl−写己遠東撃雲霞に大きくなる傾向を示した．

′d﹁③切断抵抗はタ送り速度0∴i（mm／ryc呈e）を越えると急激

5■U︵U00．20．ヰ

0．60．8

1振動当たりの送り豊f／F〔mm／cycle】

Fig．4切断抵抗の変動パターン

Fig．8送り盈と平均切断抵抗−ユ1ユー

18UnU0り乙︻U▼㌢¶O月︶

7∩︶︻U直方向咤実施した．ドig．5には，階段状の刃を国転振動させ符U

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カリ・171−︻ロ1韓動当たりの送り最と割れ長さの関係（音員方向）∩﹀7E︼U﹂袖噂東岸長さである．切断方向は木目に平行と比較するために，垂一■ 2 0︶ 5 7−9 − 5 R︶
3 8 9−ト︐ト・上 軋 − ト コn︶ コ▲▼
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Fig．6実験パラメータとその値

パ．真U ︻U d︒点U 5 ↓− ︼J 8 曹．
﹁／ t．2 −−T − 5 一− dU︻∠﹁︻︶

735 ！7．129391・一り︵∠・れq︶■U︻5O︶

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552O8n︶3752一−．■．．

nリにJ

752−・に必要な切断槙抗を示している．また，L。（mm）は実際の割裂

5︷∠2−均切断抵抗R（kが）とした．Rは，単位良さ当りを切断する時67L

イ−・（kgiソmm）というグラフの縦軸変換憤を掛けたものを平830を算出して，それらを合計して∧（mm2）とした．
A（mm2）を各実験の切断長さLa（m）で割り，それに4パ559 ー0 ▲I・1−2
しい ．−−

同様にc間における高さdの軌跡を四辺形に近似し各面積＝〇準線上a開における高さbの軌跡で臓まれた，形状を三角形，

この実験では，切断抵抗が大きく変動することを計測しO

8t 7（；2ヰ2 Z1G79 3臥33

亨58田75157．2∩︶

0．511了．3

たので，平均切断抵抗値Rを算出してデータを比較した．基∩︶22t O〇32
口238

237（）82．5 6（；52．5 （；6．566725 805

785沌OG

この点をCとした．この時測定値は，寄に近くなった．

︵Ui42 7イ．3

nU

0 2t6．3

5113 73．3

0．f78

20 216．3

1ト72

被加」二材の最後の段階に至る前に，被加工材が割裂する。

パ1＝．7Z O2イ625 6G−570 71■0 7 ハリ n︶一作 n︶ R＝一フ穴︶一∠ − つり 人﹁ q︑・− 525 ヰ7．5

71 イ83150 り1￠15ロ373︻U一り！77コ

72−5 175

82 55．3

t51†7．39901＝1n︶3

プラス側に振れた．このような状態で切断加Lを進めると

0930
093D

−−

221

OU・−・22亨

5 2コ．75

蓼︒り25 2375

2﹂Hlローe1dUる考えである．引き続き切断加工を実行すると，指針が5

この現象については，今後実験を繰り返すLいで解析を進め∧佃明し［MJL抽明 Lb［叫ド川正 しc【∩仰］】 〔Mr†−／cyclejトJo平成10年度 研究朝告 大分県産業科学技術センター
ドig．7に実験結果としてホしたように，刃！が刃揖より：∋．2．2被加1二物に対する刃物の相対運動軌頗と切断触城割れ良さが大きくなりやすいのは，垂直刃の作用の遠いに（1）刃物コーナの相対運動軌跡よるものと考えられる．また，垂直九水う1乙刃を有する階段

回転振動する刃物に▲W一▲定速度で被加工物が送られる運状の刃を回転振動させて切断する方法では，・【一回転当りの動系（rig．3）を回転運動と送り運動を行う系に置き換えて送り量が水平刃の長さを越えると強制的に重厚刃によっ考えた．この時の刃物上二の点の運動はトロコイド曲線となて切断作川が行われると考えられるが，実験では，−−一【星1転る．すなわち，コーナの初期位眉と番号をドjg。10のように当りの送り量が永平刃の良さに等しくなる以前に切断抵定めると，次ぎの計算式によって表される．

抗の急激な増加が見られた．具体的には水、ド刃の長さがノ．1真巨Xl＝l。川丁けa sin2冗rL2．5mmにもかかわらず，実験において切断抵抗の増大を測

yl＝a（cos27てi、L−り定したポイントは，−一一l珂転当りの送り故が0．3を越えたと

点2：X2＝Ll＋ドいa sin27てrt
y2＝i．2＋a（cos27Trt−1）

ころからであった．このことについては，今後考察を進め

点：う：X3＝2L川7けa sin27てf、もたいと考えている．
全体の考察としては，次ぎのことが言える．20K！‡zの振動y3ニ1」2＋a（cos27こrt−1）

この計算例をドjg。‖に表す。

数を用いた木材の振動切断では，刃物角減少効果を利川し切断抵抗を減らすことで，ほぼ満足できる切断加工が可能であった．さらに振動音は無坂〜引こ近かった．t）

今回の実験からも切断する場合，刃物角の減少を利用し切断抵抗を減らすことで切断効果が有効であり，さらに振動勘こついてもチップソーなどに比べて低く知覚し，低音レベルでの拝響が期待できそうである．これからは，切断に関する理論的解析や振勤評などの周波数分析を進めF壷g．柑刃物コーナの初期位置と番号データの整備を行う考えである．また，木材の振動切断に適した，切断効果が発揮されやすい刃の形軋刃の軌きを追求したいと考えている．
3．2 切断面積と相対運動軌跡：蓋．2」解析モデル
刃物は，階段状をしており等しい良さの水平刃と垂直刃の組み合わせである．Fig。9には，解析に使用した刃物の形状を表した，また，解析に使った記けを示した．
F：送り速度（m／s）

喜一：振動周波数（Hz）

a：振動の片振幅（m）

Fig．11運動軌跡（トロコイド曲線）と切断領域

b：振動1周期当りの送り鼓（扉，b＝ド′／r
L上水平刃の良さ（m）

l．2：垂踵刃の長さ（m）（Lま＝5m恥王J2＝5mm，F＝20m汀l／s，a＝5mm，ー＝10（）！室z）

A：全切断面禎（mコ）（2）切断領域と切断面積

A日永平刃による切断面積（m2）水平子」と垂直刃による切断領域の面餞を数値計算に

A2：垂直刃による切断面欄（m2）

よって，それぞれの射線割合り刷／∧およびr。＝A2／Aを振幅

rl：水平刃による切断面頗割合，rl＝Al／A比（a／い＝aぎ一2＝a／ま．）に対してプロットすると，ドjg．12のようr。：垂直刃による切断面積割合，r2＝A2／Aになる．

この幽から，振幅比が増大すると水、iリ」による切断血相L 川鞘毒j（s）が増大し，振幅比が1以上ですべての傾城を水中刃が切断することになる．また，駁敷津毒期当りの送り妄貪（h＝けりを増加させると水平刃の卯断面庸がやや増大する．水ヤ刃は，コーナから振動1サイクル当りの級に相当する長さのFチ†け〉だけが切断作用を行うのに対し，重商二刃の作用長さは振幅の増加に伴って減少する．振幅aが垂直刃の良さ乙．2の1／2の場合には，コーナから振幅に等しい長さの部分が切断に閲

Fig．9解析した刃物の形状−112−

平成10年度 研究部告 大分県産業科学技術センター与する．水平刃と垂直刃の切断面積割合を考慮して，切断効率牒J断抵抗および切断精度の点から，刃物の寸法，振動振幅および送り速度を決定することが望まれる・Fig．12には，振幅比に対する水平刃と垂直刃による切断面積の傾向を表す．

冨﹂町ぎ8⊃0−00葛∝亀裂）

送リローラー回転駆動用モーター

F壷g．13切断装置（正面囲）
5．謝辞

rt 国
80．1

8き

8j010さ○￠OI O909

本研究の遂行にあたり，鋳藍なご意見助言を頂きました1

九州大学工学部知能機械工学科一小林正和氏に心より感R白t；00f8mP枇ude き／L

謝の意を表します．

Fig．12切断面構の傾向

参考文献（Ll＝5m，L2＝5mm．F−20mm／s，r＝1001tz．a＝1．25〜5mm）
3．3 切断装置の開発
切断装置の開発は，前項2．4で述べた内容を検討しながl）．石井信義，山本幸雄：平成8年度研究報告大分県産業らデザイン設計を行った。詳細については，今後仕様を決

1）．石井信義，山本幸雄：平成9隼度研究報告大分県産業

科学技術センター，126−129

科学技術センター，」椅0−L63

定して装置試作のための設計図を整備し，同時に機械装置の名称についても検討課歴として，取り組む考えである．
Fig．13，描こモデル化のためのイメージ平面図と正面図を表す．
ヰ。おわりに今回の実験は，低周波領域での工具刃物の振動によるスギ材の切断分割加工であった．この結果から切り屑の発生を押さえた切断加工の可能性への期待を高めることができたものと考える。
次年度には，分割力（抵抗値）の計測法の確立，工具刃物の設計製取扱動切断装置の開発等，加工実験で資料の整備を図る計画である。また，切断時における機械（工具刃物等）の振動音を測定して，作業環境への影響度を把握する考えである．

F烏g．−3切断装置（平面図）

ー113−