BW HSS And Carbide Cutting Too: 2008年8月18日

2008年8月18日星期一

Al-Si 合金www.tool-tool.com

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Al-Si 合金

在这类合金中 Si 是主要合金化元素 , Si 改善合金的流动性 , 降低热裂倾向 , 减少疏松 , 提高气密性。这类合金具有好的耐腐蚀性能和中等的机加工性能 , 具有中等的强度和硬度 , 但塑性较低。按合金中的 Si 含量多少 , 该系合金可分为共晶铝硅合金 ( ZL102 、 YL102 、 ZL108 、 YL108 和 ZL109) 、过共晶铝硅合金 (ZL1l7 和 YL1l7) 和亚共晶铝硅合金 ( 其余合金 ) 。

ZLI02 是典型的二元共晶铝硅合金 , 合金中 Si 的质量分数为 10%-13% , 该合金具有优良的铸造性能 , 但力学性能和切削加工性能较差。为了改善 ZL102 合金的室温和高温力学性能 , 加入一定量的 Mg, Cu 和 Mn, 成为 ZL108 合金 , 使热膨胀系数小 , 耐磨性能提高。 ZL109 也是共晶铝硅合金 , 与 ZL108 合金相比 , 降低了 Cu 含量 , 提高了 Mg 含量 ,并且用 Ni 代替 Mn, 合金具有更好的耐热性。 ZL108 和 ZL109 合金广泛地用做内燃机的活塞。 YL102 和 YL108 主要用作压铸合金。

亚共晶铝硅合金中属 Al-Si-Mg 系的合金有 ZL101 、 ZL101 A 、 ZL104 、 YL104 、 ZL114A 、 ZLl15 和 ZL1l6 。这类合金在成分上的主要区别是 : ZL104 合金加入了 Mn, ZL115 合金加入了 Zn 和他 , ZL1l6 合金加入了 Ti 和 Be, ZL101A 和 ZL114A 合金是用高纯度的精铝作原材料 , 减少杂质含量。这类合金具有良好的铸造性能 , 中等的力学性能和良好的抗腐蚀性能 , 在工业中应用广泛。属于 Al-Si-Cu 系的合金有 ZL105 、 ZL105A 、 ZL106 、 ZL11O 、 ZL111 、 ZL107 、 YL112 和 YL113 。前五个合金含有 Mg, 后三个合金无 Mg, 但 Cu 含量偏高。此外在 ZLI06 和 ZL111 合金中还加入了少量的 Mn 和 Tic ZL110 合金的 Cu 含量高 , Mg 含量低。 Al-Si- Cu 系合金具有良好的铸造性能 , 中等的力学性能 , 抗腐蚀性能与 Al-Si-Mg 系合金相比较差 , YL112 和 YL113 合金主要用作压铸合金 , 其他合金用于砂型铸造、金属型铸造和精密铸造等。

过共晶铝硅合金中 Si 的质量分数一般超过 15% 。美国的 390. 0 合金、德国的 KS281 合金和我国的 YL117 合金中 Si 的质量分数为 18% 左右 ; 我国的 ZL117 合金、德国的 KS280 合金中 Si 的质量分数为 21% 左右 ; 德国的 KS282 合金中 Si 的质量分数为 24% 左右。这类合金随着 Si 含量的增加 , 密度减小 , 热膨胀系数降低 , 硬度、耐磨性和体积稳定性相应提高 , 主要用作活塞材料 , 其主要缺点是难于机加工 , 对刀具的要求严格。

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切削表面性状に及ぼすすくい角の影響www.tool-tool.com

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春山繁之^1　松山拓郎^1

Improvement of Cutting Surface of Wood by Rake Angle of Router Bit

Shigeyuki HARUYAMA，Takurou MATUYAMA

　本研究では，木質材料の特徴である異方性や材質のばらつき等を考慮せずに良好な切削加工面性状を得るため，研削加工に用いられる研削砥粒形状のように負の刃先すくい角を有するルータービットを用い，被削面を摩擦し切り取る従来と異なる切削加工法を適用した。その結果，切削あらさと表面光沢度の向上がみられ良好な切削面を得ることができた。

1　はじめに
　家具などに使用される木材や木質材料の切削加工では，木質材料の特徴である異方性や材質のばらつきなどが，加工面性状に大きく影響を与えている。同一条件で切削加工を行っても，各々の被削材で加工面性状が異なる状況がある。そのため，切削加工を行う場合,それぞれの繊維方向に対する切削条件等を変化させ加工を行うことが必要となり，これらに関する研究もこれまでに多くみられる^1-4）。
通常の切削では，切削面に繊維のささくれや微少な凹凸などの発生がある。このため，滑らかな表面品質が得られにくくなり，後工程の研磨作業が必要となっている。また研磨作業は，自動化が遅れ人手による作業がほとんどのため作業者の熟練度により仕上がり状況が変化し品質のばらつきの問題が発生している。
そこで，切削加工後の被削面性状を良好にするため，従来から，工具のすくい角を大きくし（被削面に対して刃面が水平に近い状態），刃先形状を薄く鋭角にして鋭く切る方法や切削刃数を増やすなどの方法が取られてきた。しかし，刃先を鋭くしても切削時の刃先による先割れ等の発生があり十分な表面性状を得ることができないことや刃先の欠け，刃先研磨回数の増加などの問題がある。
これらの問題を解決するため，研削加工に用いられる研削砥粒形状のように負の刃先すくい角を有したルータービットにより，被削面を摩擦し切り取る状態で切削加工を行い，良好な切削面の可能性を検討した。

図-1 特殊ルータビット形状

2 実験
2-1 供試工具と被削材
　供試工具には，切削円直径21mmの市販三面ルータービット(通常の加工方法)と特殊ルータービットを用いた。図-1に特殊ルータービット形状，表-1に供試工具の寸法を示す。

表-1 供試工具寸法
NO	すくい角	逃げ角	リード角	刃数	工具長	備考
1	0°	23°	3°	2	90	市販ルータ
2	-15°	10°	0°	2	75	特殊ルータ
3	-30°	10°	0°	2	75	特殊ルータ
4	-45°	10°	0°	2	75	特殊ルータ
5	-65°	10°	0°	2	75	特殊ルータ

被削材には，比重0.79g/cm³のＭＤＦ（medium density fiberboard）及び平均年輪幅1.77mm，比重0.49g/cm³のカツラ（Cercidiphyllum Japonium）の乾燥材を用いた。なお，カツラは供試材の違いによる影響を少なくするため，厚さ80mm×幅150mm×長さ350mmの柾目取りしたブロック材を厚さ15mmの平板へ切り出して使用した（図-2）。

図-２　カツラ供試材

2-2　切削試験
　切削試験装置には，平安コーポレーション社製５軸制御工作機械　NCFF-151MC-1508用いた。切削条件は，主軸回転数15000rpm，送り速度300mm/min，１刃当たりの切削量を0.01mm，切り込み深さ0.2mmとし，カツラのみ各繊維方向に対する表面あらさを評価するため，繊維と平行な方向を基準とし0゜，30゜，60゜，90゜，120゜，150゜，180゜の７方向について切削試験を行った。
2-3　測定方法
2-3-1 切削表面あらさ
　表面あらさ測定には，東京精密社製サーフコム1400Ａ－3ＤＦ－12触針式測定器（図－3）を用い，工具の進行方向とあらさの測定方向を同一にし，加工溝の端面より1.0mmの部分を測定位置とし，算術平均あらさＲa⁵⁾で評価した(図－4)。

図－3　表面あらさ測定装置

図－4 表面あらさ測定方法

2-3-2　切削面光沢度
　光沢度測定には，堀場製作所製グロスチェッカIG-320を用いた。ＭＤＦについては，工具送り方向と測定方向を同一にした。カツラについては，繊維と平行な方向で切削試験を行い，工具進行方向及び垂直方向についてそれぞれ測定を行った。
2-3-3　切削抵抗
　カツラを用いて，２次元切削実験を行い切削抵抗の測定を行った。実験では，切り込み量を0.2mmとし工具を固定した状態で被削材を送り込み，切削した。

3　結果および考察
3-1 すくい角と表面あらさ
　各すくい角における表面あらさの変化を図－5，繊維方向の違いによる変化を図－6に示す。すくい角0゜を基準とすると，-15゜，-30°の範囲では表面あらさが小さくなる傾向が認められた。一方，-45°以下では徐々に表面あらさが大きくなった。なお，表面粗さはｕp-cut，down-cutで大きな差異は認められなかった。
各繊維方向に対する表面あらさの変化については，すくい角0゜，-45°では，繊維方向の変化による影響が大きくみられたが，-15゜，-30°では影響が小さくなっていた。以上のことから，負すくい角に表面あらさを小さくする範囲があると推定される。

図－5 すくい角と表面あらさの関係（ＭＤＦ）

図－6　すくい角と表面あらさの関係（カツラ）

3-2 すくい角と表面光沢度
　ＭＤＦによる，各すくい角の表面光沢度の変化を図－７に示す。ＭＤＦにおける表面光沢の変化は，すくい角0゜，-30゜，-45゜では，ほとんどみられなかったが，-15゜のみ高くなっていた。また，up-cut，down-cutによる明確な差は認められなかった。
　カツラによる，各すくい角の表面光沢度の変化を図－8，9に示す。
　カツラにおいては，繊維と直角方向，繊維と平行方向ともにすくい角0゜より全て光沢度が高くなっていた。これは，切削時に刃先表面が切削面を押しつけながら切削する状態になっていることに起因すると推測される。
3-3 すくい角と切削抵抗
　各すくい角における切削抵抗の変化を図―10，図－11に示す。主分力は，-15゜と-30゜を境に切削抵抗が増加した。一方，背分力は，0゜と -15゜を境にマイナスからプラスへ力の変化が起こった。これは，すくい角の変化に伴い被削面を圧縮する方向へ切削力が発生しているためである。この切削力の違いが，表面あらさや光沢度に影響を与えている一因と推測される。

図－7　すくい角と表面光沢度の関係（MDF）

図－8すくい角と表面光沢の関係1（カツラ）

図－9すくい角と表面光沢の関係2（カツラ）

図－10　すくい角と切削抵抗の関係（主分力）

図－11　すくい角と切削抵抗の関係（背分力）

4 結言
　本研究では，負の刃先すくい角を有したルータービットによる被削面性状を調べることを目的に，各すくい角による表面あらさなどの項目について検討し，以下の結論を得た。
１）　表面あらさは，すくい角0゜を基準とすると，-15゜，-30°の範囲では表面あらさが小さくなる傾向がある。一方，-45°以下では徐々に表面あらさが大きくなる。なお，up-cut，down-cutで大きな差異は認められない。
２）　各繊維方向に対する表面あらさの変化は，すくい角0゜，-45°では，繊維方向の変化による影響が大きくなるが，-15゜，-30°では，繊維方向の変化による表面あらさの差が小さくなる。
３）　ＭＤＦにおける表面光沢の変化はあまりみられないが，カツラにおいては，繊維と直角方向，平行方向ともにすくい角0゜より光沢度が高くなる。
４）　各すくい角における切削抵抗の変化は，-15゜と-30゜を境に主分力の切削抵抗が増加する。背分力は，0゜と-15゜を境にマイナス方向であった抵抗がプラス方向へ変化していることから，切削面に対して刃先を引っ張る方向から押す方向へ切削抵抗の変化が起こる。
　以上のように，負の刃先すくい角を有したルータービットでは，良好な被削面性状を得ることができるすくい角の範囲が存在することが分かった。

５　参考文献
１）吉松孝夫，木下直治：木材のＮＣルータ切削に関する研究（第１報）　加工条件の設定方法の相違による加工的欠陥，木材学会誌，27(7)，572-578(1981)。
２）小松正行：ルータービットにおける外周切刃の刃角条件と切削性能（第１報）　切削力と加工面粗さに及ぼす半径方向すくい角の影響，木材学会誌，39(6)，628-635(1993)。
３）小松正行：ルータービットにおける外周切刃の刃角条件と切削性能（第２報）　切削力と加工面粗さに及ぼすねじれ角の影響，木材学会誌，40(2)，134-141(1994)。
４）清水：家具の３次元設計／加工システムの開発－木材加工面粗さに及ぼす切削方向と速度の影響－，平成８年度福岡県工業技術センター研究報告，pp.117-121(1997)。
５）日本規格協会：JIS　B0601(1994改正)