平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

振動工具を採用した自動切断加工棟の開発研究
イ川二倍義・斎藤雅樹一鬼鞍宏献＊・栗山保圭柵
材料開発部さ九州大学蝦・（有）栗山機工作所＊ヰ

Develop王コent OfÅutoma七ic Cut七まng賊achine Using Vibra七ion Blade
NobuyoshiiSiflいMasakiSjuTO・1iiromichiONIKUR＾＊FYasushiKしJRIY＾M＾押MaterialL）evelopmentl）ivision■Kyushu University＊・Kuriyama Machine Mar−euVeringInc．＊＊
要旨
本研究の切断加工は，被加工物の切断送り方向に対してダウン方向に低周波領域の回転鹿働を付加して行うものである．
本報巷においては，回転振動切断加工時の切断メカニズムの理論解析（力学的要因，幾何学的要因）について解説すると共に，当センターの技術シーズを基に（有）栗山機工作所にて切断加工機（プロトタイプという）と階段状工具刃物（ノンセッ
ティングソウニNSSという）の開発製作を行った．
その結果，

け）理論的解析については，NSSとして最適と考える「ブ〕先がナイフ状で，階段状の切刃」を用いて回転振動切断を行うときの①NSSの材質・形状についての検討②有効刃物角の解析③切断抵抗の理論解析を行った。このことによって潤転振動切断の技術展開を容易に進めることが可能となった。

（2）プrコトタイプの開発刃はセンターの実験データやデザイン設計に基ずいて行った．プロトタイプはほぼ設計図どおりに完成した．NSSについては2品種（∧，l王タイプという）を開発製作した。プロトタイプを開発製作したことによって振動切断の実用化に㌻；う】けた加工実験が可能となった．
（ニー）回転振動切断加工についての実験値と理論値の検討を今後進めることが可能となった．

1． はじめに

2．研究方法本県地場産業の一つである木材加二L工場では，木材を切2．1理論断分割する際に発生する切り屑と騒音の問題があり，これ2、ト1NSSの材質・形状についての検討らの問題を解決するために取り組んだ研究開発であナイフ状の刃先が木材の中に進入して切断できるため

る．＝か封には，被削材である木材がナイフ状の刃物の体積に等しい

これはバSSを低周波によって回転振動させ，その振動で体積を吸収する必要がある．すなわち木材が竣収するか，木材を切断分割（以ド切断という）する方法である．この碓々の方向に変化ことが必要となる．これは大きな変形抵

研究開発は，切断メカニズムの理論的解析（力学的要凶，抗を要するので幾何学的要乱材料学的要因）∴工具刃物の開発（形状，耐℡できるだけナイフ状の刃物の体積が小さいこと，すなわ久性耐費則斐，耐摩耗性等）を進め技術の蓄積を図ること

ち刃物の厚さが薄いこと。ただし，薄くすると刃物の剛と，開発技術は木材のみならず軟質材等の切断にも利月］の性が下がるので，大きな張力をかけて切断する必要があ可能′性を拡大することにある，る．

永咋度は，理論的解析を進めるために①NSSの材質・形・刃物と木材の摩擦係数を減少できる材料を選定するこ状についての検討②有効刃物角の解析③切断抵抗の理論と∴刃物本体材料には高速度工具鋼を用い，ダイヤモン解析を行った．また，プロトタイプのデザイン設計とNSSのド。ライク■カーボン（Di」C）をコーティングすることが開発製作を行った．本報告は12年度に実施した研究内容に望ましいと思われる．金属切削の場合は超硬合金，TiN，ついて述べる．

ダイヤンモンドなどの材質に比べ摩擦係数が約半分

この研究の目的は，木村加了二工場において，木材を切（0∴1→0，2）になることが推奨される．また、耐摩耗性を断分割するi汽ミに，切り屑の発生と騒音を押さえ快適作業環高め長寿命化するためには，刃物表面にダイヤモンド境を提供することを目標とした∀ 木材の切断加工機の開コーティングするか，微粒ダイヤモンドを電着すること発にある．

が良いと思われる．ただし，いずれの場合も摩擦係数はー70−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
0〇 に変化することがわかる．

ほとんど減少しないと思われる．
2．1．2有効刃物角の解析
F主g．ヱに示すNSSによる木材の切断について，切断抵抗に大きな影響を与える因子である有効刃物角の時間的な変化を調べた．切刃は，等しい長さの水平刃と垂直刃からなるとし，傾斜づ引ま450 であると仮定した．被削材に相対的に切刃が回転運動と送り運動を行う（トロコイド曲線を播くと）仮定し解析を進めたズおよびyをそれぞれの切刃上の点の水平および垂直方向変位，Fを振動周波数（盲izニ1／s），aを切断箇所における切刃の回転半径（m），Fを送り速度（m／s），tを時間（s）とすると，切刃上のある局所領域内の点の速度は（a）垂直刃の場合

x＝F＋2冗盛cos2がt y＝−2冗arSin2がtで表される．ここで，LhおよびL一Ⅴをそれぞれ水平刃および垂直刃の長さ（m），￠hおよび￠vをそれぞれ水平刃および垂直刃の刃直角刃物角（r∂d），￠heおよび￠，eをそれぞれ水平刃および垂直刃の有効刃物角（rad〉，8hおよび8vをそれぞれ水平刃および垂直刃の切断方向角（rad〉と仮定すると，水平刃および垂直刃の有効刃物角￠heおよび￠v。は次式で表される．

点A：回転運動
喜㈲水平刃の場合
Fjg．2刃直角刃物角と有効刃物角との関係
25

地名20nV

寧昏R森障

15

ぞJ0．080

Fig．1切断状況

0．002

0．00ヰ

Q．006

0．00召

0，0】0時間 s

Fまg．2には刃直角刃物角の有効刃物角との関係を示す，㍍＝5mm，し＝5mm，F＝20mmね，ぎ＝100宣iz，a＝5mm′t＼′ ＼tan（￠Ⅴノ2）＝もan（￠ノ2：いcos軋

く ︑′．y． Xtan（￠he／2）＝tan（￠h／2トcos∂hFig．3有効刃物角の回転1周期の変化の例
0の場合のみ存在）

2．1．3切断抵抗の理論解析

0の場合のみ存在）

切刃のj回転周期における切断領域は，水平刃と垂直刃の長さ盲人Lvと切断領域での回転半径aの大きさの関係に

ここで

t絆∂h＝一左／を（をく0の場合のみ存在）

より異なる。F主g．4には，（a）回転半径∂＝2．5mmの場合，（b）垣i
転半径a＝5mmの時の水平刃と垂直刃により切断される領域

tan∂∨＝ゞ／妄（完＞0の場合のみ存在）をそれぞれ青色と赤色で示す．これらの属から，aの値にの関係が存在する．

よって，水平刃と垂直刃により切断される領域および面積それぞれの刃の有効刃物角の回転i周期の変化の計算例をが異なり，時間の経過とともに変化することがわかる．

Fig。3に示す．これは水平刃と垂直刃の長さがともに5mmで‡！Bをブリネル硬さ（Pa＝N／mヱ），Tを刃厚の最大値（m），￠ を振幅が5mmの場合である．そのとき，水平刃のみが切断に作

刃のテーパ部の幅（m），Kvを刃に作用する垂直分九籠hを刃用し，0。0025〜0．005sの間において有効刃物角が200 →に作用する水平分九甚を摩擦係数，mを同時作用刃の枚数

一71−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センターとする．切刃の背部はFig．2のように逃げを有するため，切＋sirl（￠ノ2））

刃と木材との接触は楔部（ナイフ状の部分）のみで発生垂直分力Kvv≒2・m・rlB・Bv・8・〃・SinβYするものとする．
10亡．Ⅰ−ユ1G・ー3＿＿二＿／⊥グお 匂．4

国．5

Ffg．5刃の断面と作用力

え−6Feed direction mm（a）回転半径a＝2．5mmの場合】
2‡∈○1 l I．I【＝Fig．6刃と木材の接触領域■占 くJ

ここで，回転板軌1周期中に木材と接触する垂直刃の幅・2はbであるが，その背後の切刃から8幅の部分も接触して3いることに注意する必要がある，Fig．6には刃と木材の接4

触領域を示した．
・5・ こ8 同メ∴Kh＝K仙＋K，h

ヒ 0 之

Kv＝Khv＋Kv，Feeddir￠Ction mm巾）回転半径a＝5mmの場合（揖）（n＋け4）／r≦t≦（11り／2）／r

水平刃：作用幅Bム＝b（一定）Fjg．4水平刃と垂直刃により切断される領域

水平分力Kh≒2・m用B・b・α・〃・Sinβh

いま，各振動サイクルの開始からt。秒後において切断を垂直分力Kv≒2・m・旧いb・8・（メJ・COS8h開始すると，t。は次式を滴たす．
a（sir12冗Ft。−り岬（t（j＋3／（4r）‡＝0＋sin（￠h／2）1

ここで（昆）の場合と同様，回転振動のり苛期中に木材とここで，nを整数とし，回転振動半径aの二つの場合について，切断抵抗の解析を行う．

接触する垂直刃の幅はbであるがその背後の切刃からαの（1）a＝2．5mmの場合幅の部分（平行四辺形）も木材と接触していることに注意する必要がある．

（i）n／r≦t≦n／r十tひにおいて水平刃は作用しないし，垂直刃も作用しない。

垂直刃：作用しない（最）n／fり竹≦l二≦（rl＋り4）／rにおいて（iv）（n＋り2）／F≦t≦（n＋l）／Fにおいてt ＝t−n／F（t。≦t ≦1／（4／f））とし，Fig．5の刃の水平刃も垂直刃も作用しない
Fig．7に示す計算結果によると，0．0018s〜0，005sの時間断面形状を考慮すると帯のみ切断抵抗を発生するように見えるが，実際の加工に水平刃：作用幅Bh＝a（sin27こrt −1）岬（tおいてはそれ以外の時間帯においても切刃側面と木材と＋3ノ（4fH

水平分力Khh≒m・澗・Bh2・〃・sin8hの間の摩擦抵抗や振動切断による抵抗の平均化の効果の垂直分力Kh，≒m・tlB・Bh2・（〃・COS8h＋stn（￠h／2）‡ため，計算とは異なる結果になるものと推測される．
（2）aニ5mmの場合

垂直刃：Bv＝a（卜cos2花Fり（i）n／r≦t≦rl／r＋t。において水平分力K．ゎ≒2・m・＝8・B、．・8・‡J′・COSDy−72−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
水平刃も垂適：刃も作用しない

た，しかし，幾何学的な関係で軌断の状況がかなり異なる．
この解析により，切断抵抗が小さくなるよ・うな条件を選定することが可能になるものと思われる．

2．2プロトタイプのデザイン設計
2、2．†デザイン
プロトタイプの実用化を図るには，部品で構成した仕上り形状が必要である，仕上り形状の色や形が購買者に与え
時間 sるイメーージは，購入動機を左右する．プロトタイプのデザ

a＝2．5mm、㍉＝5mm、L＝6mm、g＝2mm、F＝20mmノs、g＝100Hz

インコンセプトは新しい機能を備えた，鉄の塊ではなく優

m＝5、HB＝20MPa、〃＝＝0．4、￠ニ200

しいイメージとした．同時に操作性が簡便であることや安F書g。7回転板勤1周期における凍平分カと全性が高いことなどを考慮した。Fig．9にはプロトタイプ

垂直分力の変化（計算結果〉の完成した製品イメージを示した．

（滋〉 n／f＋t。≦t≦（旦1＋i／4）／ぎにおいて
水平刀：作用幅Bh＝b（−−。定）
水平分加h≒2申mprまB bや立 》封・sinβト・￣ ．・−．√ ●ごこ．・−・ニー 、、 ∫ 、・＋sin（￠ゎ／2〉）

垂直刃：作用しない（揖）（n＋呈′′4）作≦t≦（n＋り2）／でにおいて水平刃も垂直刃も作用しない（iv）（n＋け2）雄≦t≦（l亘り／Fにおいて水平刃も垂直刃も作用しない
Fig．7．8の結果の比較から，回転振動振幅aを刃の長さLh＝Lv＝51祖mに一致させると垂直刃が切断に関与しなくなる

F主g．9デザイン

ため，抵抗の顕著な減少が見られる．

2．2．2設貫十

Fig．8には振幅5和泊のときの計算結果を示した．

プロトタイプの仕上り寸法は幅は700×奥行きは土200×高さは1，100（mm）とした．部材は碗尉とした．
仕様はり製作には回転振動切断技術シーズを使用すること．2描2〉切断するときの加工材の寸法は帽は300×厚さ100（mm）の木材が切断可能なこと．
3）加工材の送り速度は5〜15m／minの範儲とし，加工材の寸時間 s法に合わせて制御可能なこと，

a＝5mm，h＝5mm，し＝5mm，g＝2mm，F＝20mm／白，r＝100Hz
m＝5，HB＝20MPa．〟＝0．4．￠＝2004）NSSの切刃の振動回転数は最高7，000叩mとし，加工材の寸法や材質に合わせて制御可能なこと．

Fig−8回転振動l周期における水平分力と5）振動回転片振幅は2．5mmとすること。

垂直分力の変化（計算結果）

6）NSSの形状は技術シ｝ズを基に開発製作すること．2川

ただし，抑折抵抗の計算に関しては，次のようないくつか

7）構成部材の加工精度を高めプロトタイプにゆがみや振の問題が存在する。

動などが生じないこと．

・木材のプリネル硬さは文献に示されてはいるが，押し込Fig．iOには設計図を示した．

む領域の面積だけでなく押し込み深さにも関係があると2．2．3NSSの開発推測される．

プロトタイプに取り付け使用するNSSの素材は，高速度・切刃綾に作用する力を推測することが現在のところで工具銅とした．形状の寸法は長さは440×幅は30（mm〉としきない．

た．厚さは0．4，0．6，ま．2（mm〉の3種類とした．刃先と刃先問・摩擦係数の正確な値が不明である．のピッチは3．5，8（和m）とし∴甘先の形状はA，日夕イプの2種−・宜の切断抵抗の解析を行うことができることを示し類とした．

−73−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

奥行きは上，200×高さはi，100（mm）である．盈盈は約＝、ンFig。川こは設計したNSSを示した．

である．被加工材の送り速度は5〜15（mm／min）の間で変換速度調整■可能とした，NSSの振動回転は最高数で7，0001・【）mとした．振動匝i転の片振幅は2．5mmとした，送り適度及び匿】
転数の調整はインバータ制御を採用した．このプロトタイ
プでの切断実験は平成13年度に実施する計画である．
Fig。i2にはプロトタイプの内部梢遷を示した．ドig．13には全体の姿を示した．

平面画①刃物②刃物駆動モータ→急送りロ｛ラ④ペ蜘スフレーム⑤刃物主軸

Fig．12内部構造
仙臓囲Fig．10設計図

2 0．6 lO 署 ◎ 毒 ◎3 】，2 − ○ −・ ◎t†lピッチ如順‡■▲3ら扶0．5改83捜0．ら1＄5徴l￠さ杖宅蓋．2l3I5扶1まtきら農l．2さ徴担董糾
Fig．13全体の姿
3．2，2NSSの開発製作
ⅣSSの素材は高速度工具鋼を使用した．寸法は長さは4購

Fig．11NSS×幅は30（mm）である．厚さは0．4，0．6，且．2（mm）の3碓を試作した．刃部の形状はAタイプとBタイプとした．

3．結果及び考察

Fig．14には試作したAタイプの・一一部を示した・

3．1理論
回転振動切断技術の理論解析については，前項2〜1で述べた通りである．この解析を基に今後は，実証実験を行い技術資料の整備を図る。
3．2プロトタイプの開発
3．2、1プロトタイプ
プロトタイプはデザイン設計にもとずいて，県内K工作所にて開発製作した。ほぼ設計や仕様に沿ったプロトタイ

F毒g。14日SS（Aタイプ）

プが完成した．プロトタイプの仕上り寸法は，幅は700×ok

ー74−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

4．おわりに
今回は，回転振動切断技術の理論的解析と加工機の開発製作を進めた．この結果から理論を基礎とした実験デー
タとの整合性等技術ノートの作成が可能となった．また， ヽプロトタイプを開発製作したことで技術シーズを採用した切断加工の実用化が一歩前進したと考える，次年度には，理論解析と切断抵抗との関連性の検討，プロトタイプを使った切断実験を行い，回転振動切断技術の確立を図る計画である．
5．謝辞
本研究の遂行にあたり，工具刃物の開発試作に関して貴重なご意見アドバイス頂きょしち，天龍製鋸（株）竹村増吉取締り技術部長に射し感謝の意を表します．
参考文献1）．石井信義，山本幸雄：平成9年度研究＃告大分県産業科学技術センター，160−1632、）．石井悟義，大内成司：平成10年度研究報告大分県産業科学技術センター，109−1133）。石井信義，斎藤雅樹：平成‖年度研究報告大分県産業科学技術センター．93−964）．木材加工機械の騒音測定方法：日本観格賂会．HS B6521

5）．切削加工：海曹社，106−112
6）．チップソー：横書店，2−9上【75−