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倉 田 久 敬
3．工具寿命
3. 1 工具摩耗の特徴
工具が寿命に達したということは，工具の切刃が摩
耗したことであり，寿命のとり方により種々の段階の
摩耗が存在する。寿命の判定項目には，3. 3 の項で述
べるように 3通りの項目があるが，工具の摩耗がもっ
とも基本になるもので，ほかは工具が摩耗したために
発生する2次的な現象と考えられる。
木材切削での工具の摩耗は極めて復雑な現象で，こ
の問題を摩耗の機構にまでたちいって研究した報告は
皆無にひとしい。しかし金属切削の分野においては相
当数の報告がみられ，これらによると工具摩耗の特徴
として
1） 工具と被削材の接触圧力が非常に高い
2） 接触部分は切削熱によって非常に高温になる
3） 接触面はたえず新しい面が成生されるので，
工具は酸化されていない被削面と接する
の3項目が一般的に考えられている18）。
接触圧加こついては竹山19）は, 工具すくい面上の接
線応力は，ほぼ被削材の降伏応力に等しく，法線応力
も降伏応力またはそれ以上の値であるとしている。木
材の場割こは降伏応力が朋確でなく，また異方性であ
るため切削方向によって接触圧力が変化することにな
るが，相当に高いものと考えられる。
切削熱による工具の温度上昇については，金属切削
では 1000℃に達するとの報告20）もあり，木材切削に
おいても数100℃以上になる21）と考えられている。
工具と被削材の接触面が処女面であるということに
ついては，金属切削の場合には工具と被削材が互に拡
散，合金化をおこすことが考えられ，また切屑と工具
が溶着することが考えられるため重要な事項となるが
木材切削に関してはさして重要な問題とはならないよ
うに考えられる。
以上 3項目のうち，木材切削について比較的重要と
考えられる工具温度の上昇については，温度上昇のた
めに工具金属が変質することが考えられ，これが 2次
的に工具の摩耗に関係しているだろうと推察される。
3. 2 工具摩耗の原因
木材切削における工具摩耗の原因として杉原4）は
1） 切屑および被削材面との摩擦による摩減
2） 切削抵抗による切刃先の微少な欠損
3） 切削および摩擦の結果生じた熱による，切刃先
の温度上昇による工具材質の変化
4） 摩擦による帯電と樹液中に存在する酸およびア
ルカリによる電気化学的な腐食
をあげている。
木材のように軟かい被削材（ブリネル硬度 1～10）
を，たとえば高速度鋼のように硬い金属（ロックウェ
ル C硬度約60)で切削して,あんがいに早く寿命には達
するのはなぜかという疑問が一般にあるが，これには
3つの理由があげられると思う。第 1 は木材は軟かい
というが，木材組織の中にはシリカ，チロース，樹脂
の硬化したものなど硬度の高い含有物が存在し，これ
が機械的に工具を摩耗させる。第 2は木材切削は一般
に高速切削であるために時間的には短時間で摩耗して
いるが，実際の切削距離は非常に大となり，1 例によ
ると実切削長は20kmに達している13）。第 3は木材切
削では非常に鋭利な切刃先が要求され，工具のわずか
な摩耗でも実際の切削作業に耐えられなくなる。この
ことは一般に許容される摩耗量のちがいとなって現れ
る。木材切削と金属切削では工具摩耗の形態が異なる
ため，同一の方法で摩耗量を測定することはできない
が，概略の比較として木材切削では 3. 4の項で述べる
ｌの大きさにして約0.02mm22）（被削材，工具材質に
よって多少異なる）が限度であるのに対して，金属切
削ではクレーター摩耗深さにして約 0.1mm 23）に達す
るまで許容されている。
切削抵抗によって切刃先に微少な欠損が生じること
については，詳細な報告がないが納得されることであ
ると思う。
工具刃先の温度上昇については，木材切削が高速切
木材の被削性 （1）は北林産試月報又は木材の研究と普及，9月号，16頁（1968）に掲載。
木 材 の 被 削 性 （2）
削であるため測定が困難であり，わずかな報告24）をみ
るにすぎないが，最近赤外輻射顕微鏡の利用による測
定 25）26）が試みられ成果が期待されている。ただ温度
上昇により，実際の作業中に工具や被削材が工具摩耗
に関してどのような変化を示すかについては，いまだ
充分な研究がなされていない。
樹液による電気化学的な腐食に関しては, E．KIv－
IMMA による興味ある報告 27）があり, また大迫28）は食
塩水による各種工具鋼の腐食について試験を行なって
いる。
3. 3 工具寿命の判定法
工具寿命とは使用状態に仕上っている工具で，一定
の被削材を一定の切削条件で切削した場合，切削開始
から切削できなくなるまでの時間，またはその間に切
削した被削材の量をいう。しかし工具が切削不能にな
ったかどうかの判定の難易は，工具材質，被削材質,
切削法のちがいによって差がある。たとえば帯鋸によ
る切削では，ある時点で急に挽曲りを生じるようにな
り，この時点で寿命に達したと考えると判定は容易で
ある。他方，高速度鋼鉋刃によるプレーナー切削では
いつのまにか切れなくなっており，切削不能におちい
った時点を明確につかまえることが困難である。
また工具が完全に切削不能になってからでは，その
再研磨に時間と費用がかかりすぎることになる。そこ
で経済的な工具寿命の概念が生じる。これについては
3. 6の項で述べる。
工具寿命の判定には次のような項目が考えられる。
1） 切削工具の摩耗量
2） 切削抵抗の変化
3） 被削材の寸法精度の低下または被削材面の性状
の劣化
工具の摩耗量は寿命に 1次的な関係を有するもので
あり，その他の判定項目はすべて工具摩耗から派生す
る 2次的な現象と考えられる。金属切削の場合はフラ
ンク摩耗（にげ面摩耗）またはクレーター摩耗（すく
い面摩耗）が一定値に達した場合に寿命に達したとす
る方法が多く採用されているが，木材切削の場合では
鋸の摩耗に関して以外はあまり用いられない。特に平
面切削の場合は，後述するように，摩耗量の測定自体
に困難さが伴なうためにあまり採用されない。また工
具にチッピングまたは破損等が発生したときをもって
寿命に達したとする方法もあるが，実際の切削作業で
は被削面に残る欠跡の許容限度が明確でなかったりす
るため採用されず，切削試験においてもチッピング等
は偶発的に発生することが多いため用いられない。
切削抵抗の変化については，金属切削の場合，工具
鋼、高速度鋼の工具で切削を継続してゆくと，ある時
点で急に切削抵抗が増加するといわれる。これは主分
力よりも背分力，横分力において顕著である。木材切
削においても同様の傾向が認められるとの説もある
が，まだ充分な研究がなされていない。切削抵抗を直
接に測定する方法ではないが，一定送り力で切削をお
こない、一定材長の被削材を切削するのに要する時間
を測定する方法がある29）。いずれにしてもこれらの方
法は実験室で精密な切削試験をおこなう場合にはよい
が，工場での作業には不向きである。
工具が摩耗してくると刃先が所定の切込量だけ切込
まなくなり，切削後の寸法にバラツキが発生し，同時
に被削面の性状が悪化してくる。寸法精度または被削
面性状の低下は，木材の平面切削での寿命判定に一般
に用いられているが，被削面性状の変化は普通漸進的
であるため，寿命判定の精度がにぶいという欠点があ
る。しかし現場での作業ではもっとも採用しやすい方
法である｡ また帯鋸による切削では，先にも述べたよ
うに挽曲りが発生した時点を寿命としている。これは
鋸の摩耗により切削抵抗が増大し，この抵抗のため鋸
歯が挫屈を起して挽曲がりを生じるものである。
3. 4 工具摩耗の経過
工具寿命と 1次的関係にある工具摩耗について詳述
する。木材切削における工具摩耗の測定法は次のよう
な方法がある。
1） 刃先後退量の測定30）
2） 摩耗巾の測定31）
3） 刃先形状の変化の測定32）33）
摩耗による刃先の後退量の測定は，一般に第8図の
ように工具刃先からある距離だけはなれた場所に印
をつけておき，この距離の減少量をもって刃先の後退
量とする｡ 印をつける面によってすくい面後退量とに
木 材 の 被 削 性 （2）
第8図 摩粍した鉋刃先の模式図
げ面後退量があり，両者は一般に異なった値を示す。
通常は測定方法の難易によって，すくい面後退量を測
定することが多い。後退量の測定はこのような方法だ
けでなく，このあとに述べる刃先断面のプロフィルを
得る方法によっても測定しうる。また鋸の場合は，歯
背側からセロハン紙を押しつけて歯形をとることによ
って，後退量を推定する方法が用いられている。
摩耗巾の測定は，金属切削では一般に用いられてい
る方法であり，普通フランク摩耗巾を測定している。
木材切削では，第8図 のように摩耗の形態が金属切削
と異なるため一般には採用されていないが，測定した
報告も多少ある。
刃先形状の変化には，刃先線の真直度の変化と断面
プロフィルの変化がある。刃先線の変化－すなわち刃
先線の乱れ－については，あまり報告 31）14）がないの
で詳細にはわからないが，切削開始後はじめは乱れが
除々に大きくなり，ある時点で最大となり，それをす
ぎると反対に小さくなってゆき，ついには一定値にお
ちつくように思われる。
刃先断面の変化の測定－すなわち断面プロフィルの
変化の測定－は，もっとも基本的な方法で，ほかの方
法で得られる情報のほとんどは，断面プロフィルを得
ることによって手にいれることができる。断面プロフ
イルを得る方法には，工具をはじめから 2つに割って
おき，これを特殊な治具に納めて使用し，のちそれを
治具からとりだして側面から観察する方法31），断面の
形状を合成樹脂，低温溶融合金等で型取りし，これか
らプロフィルを得る方法 33）34）35），光切断によってプ
ロフィルを得る方法36）等がある。しかしいずれの方法
によるにしても，摩耗量がわずかであるために，正確
に測定するには相当の困難さが伴なう。
そのほか，鋸の場合には，一般にアサリ巾の減少量
をマイクロメーターによって測定する方法がとられて
いる37）。
工具の摩耗に関しては従来から多くの研究がなされ
ており, 鉋削にかぎっても相当数 30）31）32）33）35）38）39）42）43）
にのぼる。第 9 図 33）はプレーナ鉋刃の摩耗によるプ
ロフィルの変化を示したものである。これをみても
わかるように木材切削の場合，摩耗による刃先の丸
第10図 切削材長に伴なう摩粍刃先の後退量
木 材 の 被 削 性 （2）
身の変化については，単純に刃先の丸身の曲率半径が
増加しているわけではない。磨耗の経過については,
切削開始後しばらくは初期摩耗と呼ばれる急激な摩耗
示すが，それ以後はゆるやかに経過し寿命に達する。
第10図33）はこの状態を示している。切削法，工具材質
によっては，ある時点で突然に明らかな変化を示し,
切削不能におちいる場合があるといわれる40）が，鉋刃
の摩耗についてはそのような例はみられない。第9図
に示す摩耗経過についての刃先点の後退は，摩耗の解
析方法が確立されていないため一概には断定できない
が，一般に刃先角の 2等分線よりもすくい面側にかた
よった位置に存在することは明らかであり，したがっ
て鉋刃の寿命を決定するのは，にげ面の摩耗である
と思われる。
3. 5 工具寿命に影響する因子
1） 被削材の材質
一般に比重の大きい材または硬い材を切削するほど
工具が早く摩耗するといえる。しかし被削面の性状で
寿命を決定するならば，かならずしも硬材の方が早く
寿命に達するとはいえず，むしろ寿命が長い場合もあ
りうる35）。そのほか，シリカ等を含んだ材は工具を早
く摩耗させることが知られているが，統一的な研究に
とぼしく，被削材と工具寿命の関係は明らかでない。
2） 工具条件
工具材質が寿命に 1次的な関係を有することは明ら
かであり，一般に工具材質の硬度が大きいほど，また
高温での硬度低下が少ないほど寿命が長い。第3表 33）
は工具鋼，高速度鋼，超硬合金による寿命の差を示し
た1例である。
また工具材質の 2次的な影響として，各工具材質の
工具を研磨した場合の刃先の状態によっても寿命がこ
となる。また同一材質の工具でも研磨方法が寿命に影
響することが認められている41）。
3）切削条件
切削角を一定にした場合の刃先角の影響については
刃先角が大きいほど欠損，摩耗に対する抵抗が大とな
るが，あまり大きくなると切削機構が変化して，切削
抵抗が大となって早く摩耗することになる。結局，寿
命に対する刃先角の影響はこの両者の総合されたもの
となる。1 例をあげれば 第11図 42）のようになり，25°
第11図 刃先角と工具の摩耗量
第12図 切削角が鉋刃の寿命におよぼす影響
から30℃までは急激に変化するが，
それ以後はほとんど変化しない。
刃先角を一定にした場合の切削角
の影響については切削角を大きくす
ると切削機構の変化のため切削抵抗
が増大して摩耗を早め，またあまり
木 材 の 被 削 性 （2）
少さくするとにげ角の減少をもたらし，にげ面摩耗が
早くなる。第12図43）はその例で,切削角40～45°の間
にもっとも寿命の長い点があることを示している。
切削速度が早くなると，それだけ単位時間あたりの
仕事量が増大し，また工具の発熱も大きくなり，寿命
が短かくなることは明らかである。金属切削では，切
削速度と寿命の間の関係式が求められているが，木材
切削に関しては研究がなされていない。
切込量の影響については，切込量がある限度より小
さい場合は比切削抵抗が大きく，また工具が所定量だ
けすぐに切込むことができずに材を圧するため，早く
摩耗する。切込量がある程度厚くなると，切削機構が
変化し摩耗が減少するが，さらに厚くなると切削抵抗
が増大してふたたび摩耗が大きくなる｡第13図43）はこ
の状態を示している。
第13図 切込量が鉋刃の寿命に及ぼす影響
木材は異方性の材料であるため，被削材に対する切
削方向が異なると寿命にちがいが生じることは推察さ
れるが，研究した例は少ない。
3. 6 工具の経済寿命の決定
金属切削の分野で使われる工具の経済寿命 44）45）に
ついて簡単に述べる。
いま，単位切削量あたりの加工費をKとすると，こ
れは
で表される。
また
Yは機械の単位時間あたりの工場経費（工具関係
を除く） （円／min）
Xは 1 回の再研磨あたりの工具費（工具購入費と
再研磨費） （円／回）
t は工具交換時間 （min）
Aは切削断面積 （mm2）
Tは工具寿命 （min）
Vは切削速度 （mm／min）
を表わす。
工具寿命 T と切削速度 V の間には
V T n ＝c‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（3）
の関係があり，n，c は定数で，n は通常 5～10 の値
をとる。
ここで (1) 式から，単位切削量あたりの加工費Kを
最少にする切削速度 V min k が得られ,またそのときの
寿命 T min k が得られる。
すなわち (1) 式を V で微分し，それを 0 とおくと
が得られる。
同様にして，(2) 式から加工費に重点をおかないと
きの，最大生産量を与えるための切削速度 Ⅴmax prod
とそのときの工具寿命 T max prod が得られ
となる。
木材切削では，(3) 式が決定されていないため，以
上のような経済寿命の計算ができない状態にあり, 今
後この方面の研究を進める必要がある。
3. 7 木材切削での工具寿命の値
鉋削について第4表35），第5表22）に工具寿命の例を示
した。
木 材 の 被 削 性 （2）
工具寿命に関する研究は，一般に膨大な量
の試験材と多大な時間を必要とし，また試験
が長期間にわたることが多いためその管理が
重要な問題となる。したがってなかなか実施
しがたく，木材切削においては統一的な研究
がみあたらない。しかし木材切削の分野への
自動化機械，高能率機械の導入のためには，
解決しなけれはならない問題である。
－林産試 加工科－
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