JP2004243425A - 超音波振動切断工具による木材、木質系材料及びプラスチック等の切断分割装置 - Google Patents

Abstract

【課題】「あさり」をもつ鋸の使用に起因する鋸くずの発生による被加工材の歩留まりの下と作業場の環境の悪化、およびチップソーや帯鋸による切断時の振動・騒音の発生。
【解決手段】切断工具を極薄のナイフ状にすることで鋸くずの発生を理論的にゼロとして歩留まりの低下と作業場の環境の悪化を解決するとともに、人間の耳には聞こえない２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波振動を切断工具に長手方向に付加することにより切断抵抗を低下させて振動・騒音の低減を実現する切断分割装置を提供する。一方、切断工具の摩擦抵抗の低減のため、極薄・平滑で低摩擦材のコーティングを施す。また、切断工具の剛性の維持のため、超音波振動の節（ふし）の部分、すなわち振幅ゼロの点、２箇所で切断工具を高剛性保持する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木材、木質系材料及びプラスチック等の切断分割装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来行われている木材や木質系の材料の分断（分割）方法としては、手鋸による挽き材加工やチップソーあるいは帯鋸等による挽き材加工方法が一般的である。特殊な方法としては、鉈やナイフで木材の軸方向の繊維に沿って分割する方法等があるが、これは一般的でない。但し、前者の場合は、鋸の刃先は「あさり」という特殊な加工が施されており、この採用によって鋸の刃先の摩耗と焼けを緩和しながら木材を切断する。最大の欠点は「あさり」の幅だけ鋸くずが発生することである。この鋸くずが作業場の環境を悪化させ、従事者の健康阻害の要因にもなっている。また、部材の歩留まりの低下を進めるとともに、鋸くずの処理に悩まされているのが現状である。さらには、チップソーや帯鋸は回転機構のため、回転時において独特の音を発生し、これが騒音となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点、すなわち「あさり」をもつ鋸の使用に起因する鋸くずの発生による被加工材の歩留まりの低下と作業場の環境の悪化、およびチップソーや帯鋸による切断時の振動・騒音の発生、を解決しようとするものである。さらに、従来のチップソーや帯鋸による、木材、木質系材料及びプラスチック製品の品質を高め、付加価値の高い製品を効率良く、経済的に生産可能な木材、木質系材料及びプラスチックの切断分割装置を提供することを課題とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に関して、切断工具を極薄のナイフ状にすることで鋸くずの発生を理論的にゼロとして歩留まりの低下と作業場の環境の悪化を解決するとともに、人間の耳には聞こえない２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波振動を切断工具に長手方向に付加することにより切断抵抗を低下させて振動・騒音の低減を実現する切断分割装置を提供するものである。一方では、切断工具がナイフ状であるために切断時の摩擦抵抗の増大が懸念されるが、切断工具を極薄とすること、その表面を極めて滑らかに仕上げること、及びその表面にＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）や特殊マグネシウム合金等の摩擦を大幅に減らす材料の被覆処理を施すことにより解決する。また、切断工具は長くて極薄であるため剛性の低下が懸念されるが、切断工具中を伝播する超音波振動の節（ふし）の部分、すなわち振幅ゼロの点、２箇所で高剛性保持することにより解決できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の構成要件の第一として、切断分割用装置１（図１、２）について説明する。
本装置１の切断機構部は、次の構成部品からなっている。超音波振動子２は、超音波振動発振器からの高周波電気信号を軸方向の機械的変位信号に変える圧電素子をボルトで固定したボルト締めランジュバン型振動子である。この超音波振動を最大振幅の部分で振動ホーン３に伝え、振幅を増幅する。振動ホーン３の下端において「あさり」のないナイフ状の切断工具４（図３）をねじ止めして超音波振動を切断工具に伝える。このとき、切断工具４は「節（ふし）」の部分、すなわち軸方向変位が常にゼロの部分Ａ及びＢで装置本体に固定する。一方、切断工具の超音波振動の最大振幅（数μｍ〜数十μｍ）を発生する「腹（はら）」の部分を被加工材を通過させることによって低抵抗での切断を行うものである。他方、被加工材６である木材等は、送りテーブル５にしっかりと固定し、送りテーブル用モータ７の駆動力によって送りテーブル５を被加工材６とともに送って切断分割する。
切りくずの発生と振動音を抑える機構について説明する。「あさり」のないナイフ状の切断工具４は、被加工材６を切断する際、「あさり」がないため被加工材を切りくずを発生せず、被加工材に圧縮変形を伴いながら押し分けて２つに分割する。このとき切断工具４の切れ刃にはかなり高い圧力が働き、摩擦力も大きくなることが予測されるが、切断工具には長手方向の超音波振動を付加していることと切れ刃の厚さをきわめて薄くしており、その表面に低摩擦材をコーティングしているので、摩擦力は大幅に低減できる。また、超音波振動を援用した切断であるので、切断工具の振動音は人間には聞こえず、木材の切断の音もきわめて小さくなり、騒音の問題はない。したがって、作業者の聴覚への障害は解消され、人体への悪影響がなくなり、快適な作業場の環境が形成される。
また、切断工具の両持ち支持、及び切れ刃表面の平滑化等により、切断面の平滑化および寸法精度の向上も可能となる。
【０００６】
【実施例１】
以下図を基に本発明の一実施例を説明する。図１は超音波振動発生機構を備えた切断分割装置１の正面図、図２は同装置１の側面図、図３は切断工具（鋸刃）４の正面図と断面の拡大図である。
切断は、まず幅１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの板状の杉材６を切断分割装置１の送りテーブル５にしっかりと固定する。次に、スイッチＳをＯＮにして、切断工具４に超音波振動を付加する。次いで、スイッチＴをＯＮにして、送り駆動用モータを回転させて送りテーブルを一定速度で送り、杉材６を切断し、ストロークエンドで自動的にスイッチＳおよびＴはＯＦＦとなり、切断は終了する。超音波振動の周波数は２０ｋＨｚ、切断工具の最大振幅の箇所での振幅は１２μｍ（ｐ−ｐ）である。
本例において、切断分割のために設定した切断工具４の寸法は、長さ２２０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍでナイフ状で材質は焼入鋼である。杉材の送り速度は、毎分０．１〜２．０ｍである。
【０００７】
上記した実施例は、振動発生源として圧電素子を用いた例について説明したが、本発明において使用できる振動発生源はこれに限ることはなく、超磁歪素子も使用できる。
【０００８】
上記した実施例は、切断工具（鋸刃）の材料として焼入鋼を使用したが、炭素鋼、合金鋼等の非熱処理鋼材及び熱処理鋼材のいずれも使用可能であり、その表面に低摩擦材又は耐摩耗材のコーティングを施した材料も使用可能である。
【０００９】
上記した実施例は被加工材６として杉材を使用したものである。木材には、針葉樹と広葉樹があるが、本発明にあたってはすべての木材やラワン合板等に代表される木質系材料、ならびにプラスチックの切断分割にも活用可能である。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は、上記した手段を用いて上記した作用を活用するので、迅速・的確に作業性、生産性、経済性及び安全衛生性に優れた、木材、木質系材料及びプラスチック等の切断分割加工処理が実施でき、しかも最高の付加価値を付与した加工材を安定して計画生産可能とする全自動連続処理により、省力化、作業環境の快適性を可能とする等、この種の分野にもたらす効果は大きく、関連分野にもたらす波及効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に使用した切断分割装置１の正面図。
【図２】実施例に使用した切断分割装置１の側面図。
【図３】実施例に使用した切断分割装置１に取り付け使用した切断工具４の形状と断面拡大図。
【符号の説明】
１：切断分割装置
２：超音波振動子
３：振動ホーン
４：切断工具（ナイフ状鋸刃）
５：送りテーブル
６：被加工材（木材等）
７：送りテーブル用モータ

Claims (4)

1. 超音波振動を発生させる振動子２およびその振幅を増幅する振動ホーン３を備え、その増幅した超音波振動を「あさり」のない切断工具（ナイフ状）４の長手方向に付加することによって、切断工具に対してある角度・速度で送りテーブル５に固定して送られる被加工材６の切断における切断抵抗及び振動・騒音を低減させ、切りくずの発生を極少化することを特徴とする、木材、木質系材料及びプラスチック等を切断分割する装置１。
2. 超音波振動を付加する切断工具４が被加工材６から受ける送り方向の切断抵抗及び摩擦抵抗を最小化するため、極薄のナイフ状で、場合によっては切断工具表面を極めて滑らかに仕上げるとともにＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）コーティング、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）コーティングや特殊マグネシウム合金コーティング等の摩擦を減らす処理を施し、しかも縦振動以外の振動を誘起しないように切断工具の断面形状及び切断工具の保持部は送りの前後方向及び左右方向に関してほぼ対称な形状の切断工具４を使用することを特徴としている切断分割装置１。
3. 超音波振動を付加する切断工具４は、被加工材６から受ける送り方向の切断抵抗及び摩擦抵抗に対する剛性確保の点から、被加工材６の両側の超音波振動の節の部分において切断分割装置１本体にしっかりと固定される（両持ち支持）ことを特徴とした切断分割装置１。
4. 切断において、被加工材が切断工具に押し込まれるのに伴って、左右に分かれた被加工材が切断工具の両側にきわめてわずかに変位できる構造（たとえば、ころがり球面によるクランプや硬質ゴムなどによるクランプ）をもつことを特徴とする切断分割装置１。

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