旋盤は、主に旋削工具を用いて回転するワークを旋削加工する工作機械です。ドリル、リーマドリル、リーマ、タップ、ダイス、ローレット工具なども旋盤で加工できます。旋盤は主に、シャフト、ディスク、スリーブなど、回転面を持つワークの加工に用いられます。機械製造工場や修理工場で最も広く使用されている工作機械です。
古代エジプト時代から、人々は木材を軸を中心に回転させながら道具で旋盤加工する技術を発明していました。当初は、2本の直立した木を支柱として木材を支え、枝の弾力を利用してロープを木材に巻き付け、手や足でロープを引っ張って木材を回転させ、手に持った道具で木材を切断していました。
この古来の製法は徐々に進化し、滑車にロープを2～3周巻き付け、そのロープを弓形に曲げた弾性棒にかけ、弓形を前後に押し引きすることで加工物を回転させ、旋削する方法へと発展しました。これが「弓形旋盤」です。
中世には、ペダルを使ってクランクシャフトを回転させ、フライホイールを駆動し、それをメインシャフトに伝達して回転させる「ペダル旋盤」が設計されました。16世紀半ばには、ベッソンというフランスの設計者が、ねじ棒を使って工具をスライドさせるねじ回し旋盤を設計しました。残念ながら、この旋盤は普及せず、使用されることもありませんでした。
18世紀には、ペダルとコネクティングロッドを使ってクランクシャフトを回転させ、回転運動エネルギーをフライホイールに蓄えることができる旋盤が設計され、工作物を直接回転させる方式から、工作物を挟むチャックであるヘッドストックを回転させる方式へと発展しました。
この旋盤には精密な送りねじと交換可能なギアが付いています。
モーズリーは1771年に生まれました。18歳で発明家ブラマーの右腕となり、農作業に従事していたと言われています。16歳の時、事故で右足首を負傷し、運動能力の低い大工仕事に転向せざるを得なくなりました。彼の最初の発明は1778年、水洗トイレでした。モーズリーはブラマーの油圧プレス機などの機械設計を手伝うようになりましたが、モーズリーが週給30シリング以上の増額を要求した際にブラマーがそれを断ったため、26歳でブラマーを去りました。
モーズリーがブラマー社を去った同じ年に、彼は最初のねじ旋盤を製作しました。これは、2本の平行なガイドレールに沿って移動できるツールホルダーとテールストックを備えた全金属製の旋盤でした。ガイドレールのガイド面は三角形で、主軸が回転すると、リードスクリューがツールホルダーを水平方向に駆動します。これが現代の旋盤の主要機構であり、この旋盤はあらゆるピッチの精密金属ねじを旋削することができます。
3年後、モーズリーは自身の工房でより完成度の高い旋盤を製作しました。この旋盤は、歯車を交換可能にすることで送り速度と加工するねじのピッチを変更できる構造でした。1817年には、別のイギリス人であるロバーツが、主軸速度を変えるために4段プーリーと後輪機構を採用しました。その後まもなく、より大型の旋盤が登場し、蒸気機関などの機械の発明に大きく貢献しました。
機械化と自動化の度合いを高めるため、1845年にアメリカのフィッチはタレット旋盤を発明し、1848年にはアメリカでリターンホイール旋盤が登場しました。1873年にはアメリカのスペンサーが単軸自動旋盤を製作し、その後すぐに三軸自動旋盤も製作しました。20世紀初頭には、単一のモーターで駆動する歯車伝動装置を備えた旋盤が登場しました。高速度工具鋼の発明と電動モーターの応用により、旋盤は継続的に改良され、ついに現代の高速・高精度レベルに到達しました。
第一次世界大戦後、軍需産業、自動車産業、その他機械産業のニーズにより、様々な高効率自動旋盤や特殊旋盤が急速に発展しました。小ロットワークの生産性向上のため、1940年代後半には油圧プロファイリング装置を備えた旋盤が普及し、同時に多工具旋盤も開発されました。1950年代半ばには、パンチカード、ラッチプレート、ダイヤルを備えたプログラム制御旋盤が開発されました。CNC技術は1960年代に旋盤に採用され始め、1970年代以降急速に発展しました。
通常の旋盤は加工対象が広く、主軸回転速度と送り速度の調整範囲が広く、ワークの内外面、端面、内外ねじなどを加工できます。このタイプの旋盤は主に作業員が手作業で操作するため、生産効率は低く、単品小ロット生産や修理工場に適しています。タレット旋盤とロータリー旋盤には、複数の工具を保持できるタレットツールホルダーまたはリターンホイールツールホルダーがあります。作業員は異なる工具を順番に使用して、ワークを一度クランプするだけで複数の工程を完了できるため、バッチ生産に適しています。
自動旋盤は、一定の手順に従って中小型のワークの多工程加工を自動的に完了することができ、材料のロードとアンロードを自動的に行うことができ、同じワークをバッチで繰り返し加工することができるため、大規模大量生産に適しています。
多軸半自動旋盤は、単軸型、多軸型、横型、縦型の3種類に分けられます。単軸横型旋盤のレイアウトは一般的な旋盤と似ていますが、2組の工具ホルダーが主軸の前後または上下に設置されており、ディスク、リング、シャフトなどの加工に使用されます。生産性は通常の旋盤の3～5倍です。
倣い旋盤は、テンプレートやサンプルの形状やサイズに応じて、ワークの加工サイクルを自動的に完了します。小ロット生産や複雑な形状のワークの大量生産に適しています。生産性は一般的な旋盤の10～15倍です。複数のツールホルダー、複数の軸、チャック式、垂直型など、様々なタイプがあります。
立旋盤の主軸は水平面に対して垂直で、ワークは水平な回転テーブルに固定され、工具ホルダーはビームまたはコラム上を移動します。通常の旋盤では取り付けが難しい、大型で重いワークの加工に適しています。一般的に、単柱式と二柱式の2種類に分けられます。
歯逃げ旋盤の工具ホルダーは、旋削中に定期的に放射状に往復運動し、フォークリフトのフライスカッターやホブなどの歯面を形成するために使用されます。通常、歯逃げ研削アタッチメントが装備されており、別のモーターで駆動される小さな研削ホイールによって歯面が逃げられます。
特殊旋盤は、クランクシャフト旋盤、カムシャフト旋盤、ホイール旋盤、アクスル旋盤、ロール旋盤、インゴット旋盤など、特定の種類のワークピースの特定の表面を加工するために使用される旋盤です。
複合旋盤は主に旋削加工に使用されますが、特殊な部品や付属品を追加することで、ボーリング、フライス加工、穴あけ、インサート加工、研削加工などの加工にも使用できます。「一台で多機能」という特徴を持ち、建設車両、船舶、移動式修理ステーションなどの修理作業に適しています。
工場の手工芸は比較的遅れているものの、多くの技術者を育成・育成してきました。彼らは機械製造の専門家ではありませんが、ナイフ、のこぎり、針、ドリル、コーン、グラインダー、シャフト、スリーブ、ギア、ベッドフレームなど、様々な手工具を作ることができます。実際、機械はこれらの部品から組み立てられています。
ボーリングマシンといえば、まずレオナルド・ダ・ヴィンチについて語らなければなりません。この伝説的な人物は、金属加工に使用された最古のボーリングマシンの設計者かもしれません。彼が設計したボーリングマシンは、油圧またはフットペダルで駆動します。ボーリングツールはワークピースの近くで回転し、ワークピースはクレーンで駆動される移動テーブルに固定されます。1540年、別の画家が「花火」という絵画を描きましたが、そこにもボーリングマシンが描かれています。当時、ボーリングマシンは中空鋳物の仕上げに特に使用されていました。
17 世紀には軍事上の必要性から大砲製造業が急速に発展し、大砲の砲身の製造方法が人々が早急に解決しなければならない大きな問題となりました。
世界初の本格的なボーリングマシンは、1775年にウィルキンソンによって発明されました。正確に言うと、ウィルキンソンのボーリングマシンは、大砲を正確に加工できる掘削機です。両端にベアリングが取り付けられた中空の円筒形のボーリングバーです。
ウィルキンソンは1728年にアメリカ合衆国で生まれました。20歳の時、スタッフォードシャーに移り住み、ビルストンに最初の製鉄炉を建設しました。そのため、ウィルキンソンは「スタッフォードシャーの鍛冶屋の名匠」と呼ばれました。1775年、父の工場でたゆまぬ努力を重ねた結果、47歳になったウィルキンソンはついに、並外れた精度で大砲の砲身を穴あけできる新型機械を開発しました。興味深いことに、ウィルキンソンは1808年に亡くなった後、自ら設計した鋳鉄製の棺に埋葬されました。
蒸気機関がなければ、産業革命の第一波は当時は起こり得なかったでしょう。必要な社会的機会に加えて、蒸気機関自体の開発と応用にも無視できない技術的な前提条件が必要です。蒸気機関部品の製造は、大工が木を切るほど簡単ではないからです。金属を特殊な形状に加工し、加工精度を高めるには、対応する技術設備がなければ不可能です。たとえば、蒸気機関のシリンダーとピストンの製造において、ピストン製造工程で求められる外径の精度は、切削中に外側から測定できますが、シリンダーの内径の精度要件を満たすには、一般的な加工方法を使用することは容易ではありません。
スミスンは18世紀最高の機械技術者で、43基もの水車と風車を設計しました。蒸気機関を作る際に、スミスンが最も難しいと感じていたのはシリンダーの加工でした。大きなシリンダーの内円を真円に加工するのは非常に困難です。そのため、スミトンはカレン鉄工所にシリンダーの内円を切削するための特別な工作機械を製作しました。水車で駆動するこのボーリングマシンは、長いシャフトの先端に工具が取り付けられています。この工具はシリンダー内で回転し、内円を加工することができます。長いシャフトの先端に工具が取り付けられているため、シャフトのたわみなどの問題が発生し、真に真円のシリンダーを加工するのは非常に困難です。このため、スミトンは加工のためにシリンダーの位置を何度も変更しなければなりませんでした。
この問題に対して、1774年にウィルキンソンが発明したボーリングマシンが大きな役割を果たしました。このボーリングマシンは水車を利用して材料の円筒を回転させ、中央に固定された工具と位置合わせを行います。工具と材料の相対的な動きにより、材料は高精度に円筒形の穴に掘削されます。当時のボーリングマシンは直径72インチの円筒を製造しており、誤差は6ペンス硬貨の厚さを超えませんでした。これは現代の技術で測定すると大きな誤差ですが、当時の状況ではこのレベルを達成するのは容易ではありませんでした。
しかし、ウィルキンソンの発明は特許を取得していなかったため、人々はそれを模倣して導入しました。1802年、ワットも著書でウィルキンソンの発明について語り、ソーホー鉄工所にそれを模倣しました。後にワットは蒸気機関のシリンダーとピストンを製造する際にもウィルキンソンの魔法の機械を使用しました。ピストンの場合は、切断しながら外側からサイズを測定できますが、シリンダーの場合はそれほど簡単ではなく、ボーリングマシンを使用する必要があることがわかりました。当時、ワットは水車を使用して金属シリンダーを回転させ、中央に固定されたツールを前進させてシリンダーの内側を切削しました。その結果、直径75インチのシリンダーの誤差はコインの厚さよりも小さくなり、これは当時としては非常に先進的でした。
ウィルキンソンの掘削機はその後も改良が重ねられ、1885年にはイギリスのハットンが昇降テーブル付きの掘削機を製造しました。これが現代の掘削機の原型となりました。 掘削機.
19世紀、イギリスは蒸気機関などの産業革命のニーズに応えるため、ボーリングマシンやプレーナーを発明しました。一方、アメリカ人は大量の武器を生産するためにフライス盤の発明に注力しました。フライス盤とは、様々な形状のフライスカッターを備えた機械で、螺旋溝や歯車形状などの特殊な形状のワークを切削することができます。1664年には、イギリスの科学者フックが円形のカッターを回転させて切削する機械を製作しました。これは原始的なフライス盤と言えますが、当時の社会は熱狂的に反応しませんでした。1840年代には、プラットがいわゆるリンカーンフライス盤を設計しました。もちろん、機械製造におけるフライス盤の地位を真に確立したのは、アメリカのホイットニーでした。
ホイットニーは1818年に世界初の通常のフライス盤を製作しましたが、そのフライス盤の特許は1839年にイギリス人のボドマー（工具送り装置付きガントリープレーナーの発明者）によって取得されました。フライス盤は高価すぎたため、当時は興味を持つ人はほとんどいませんでした。
しばらく沈黙していた時期を経て、フライス盤はアメリカで再び活躍するようになった。対照的に、ホイットニーとプラットは、フライス盤の発明と応用における基礎的な研究を行ったと言えるだろう。 フライス盤工場のさまざまな作業に応用できるフライス盤を発明した真の功績は、アメリカの技術者ジョセフ・ブラウンに帰せられるべきでしょう。
1862年、アメリカのブラウンは世界初の万能フライス盤を製造しました。これは、万能割出盤と包括的なフライスカッターを備えた画期的なイノベーションでした。万能フライス盤の作業台は水平方向に一定角度回転でき、垂直フライスヘッドなどの付属品が装備されています。彼が設計した「万能フライス盤」は、1867年のパリ万国博覧会に出展され、大成功を収めました。同時に、ブラウンは研削後に変形しない成形フライスカッターも設計し、さらにフライスカッターを研削するためのグラインダーを製造し、フライス盤を現在のレベルにまで引き上げました。
発明の過程において、多くのものが互いに補完し合い、連動し合うことがよくあります。例えば、蒸気機関の製造にはボーリングマシンが必要であり、蒸気機関の発明後には、工程上の要件からプレーナーが必要になりました。蒸気機関の発明が、ボーリングマシンや旋盤からプレーナーへと「工作機械」の設計と発展を導いたと言えるでしょう。実際、プレーナーは金属を削るための「かんな」です。
1. 大型のかんなを加工するためのかんな盤（1839年）
蒸気機関のバルブシートのかんな加工は19世紀初頭から始まっていたため、リチャード・ロバート、リチャード・プラット、ジェームズ・フォックス、ジョセフ・クレメントなど多くの技術者がこの分野の研究に着手し、1814年から25年かけてそれぞれ独自にかんな盤を製造しました。このガントリーかんな盤は、ワークを往復運動する台に固定し、かんな盤がワークの片面を切削する構造でした。しかし、このかんな盤には工具送り装置がなく、「工具」から「機械」への転換の途上にありました。1839年、イギリス人のボドマーがついに刃物送り装置を備えたかんな盤を設計しました。
2. 小型鉋を加工するためのシェーパー
もう一人のイギリス人、ネスミスは、1831年から40年かけて小型の鉋を加工するためのプレーナーを発明・製造しました。この鉋は加工対象物をベッドに固定し、工具が前後に移動するものでした。その後、工具の改良と電動モーターの登場により、プレーナーは高速切削と高精度化の方向へ、そして大型化の方向へ発展しました。
研削は、人類が太古の昔から知る技術です。旧石器時代には、この技術は石器の研磨に用いられていました。その後、金属工具の普及に伴い、研削技術の発展が促進されました。しかし、真の研削機械の設計は近代になってから始まりました。19世紀初頭でさえ、人々は天然の砥石を回転させ、加工対象物に接触させることで研削を行っていました。
1864年、アメリカは世界初の研削盤を開発しました。これは、旋盤のスライドツールホルダーに研削ホイールを取り付け、自動変速機を備えた装置です。12年後、アメリカのブラウンは現代の研削盤に近い万能研削盤を発明しました。
人工砥石の需要も高まりました。天然砥石よりも耐摩耗性に優れた砥石を開発するにはどうすればよいでしょうか。1892年、アメリカのアチソンはコークスと砂を原料とした炭化ケイ素の試作に成功しました。これはC砥石と呼ばれる人工砥石です。2年後には、酸化アルミニウムを主成分とするA砥石の試作に成功し、研削盤の普及が進みました。
その後、ベアリングやガイドレールのさらなる改良により、研削盤の精度はますます高くなり、また特化の方向に発展し、内面研削盤、平面研削盤、ローラー研削盤、歯車研削盤、万能研削盤などが登場しました。
考古学者たちは、人類が紀元前4000年に穴を掘るための装置を発明したことを発見しました。古代人は2本の柱に梁を立て、そこから回転する円錐を吊り下げ、弓弦で円錐を回転させることで、木や石に穴を開けていました。その後まもなく、人々は「ウィンドラス」と呼ばれる掘削器具も考案しました。これも弾性のある弓弦を使って円錐を回転させました。
1850年頃、ドイツのマルティノーニ社が金属穴あけ用のツイストドリルを初めて製作し、1862年にイギリスのロンドンで開催された万国博覧会では、イギリスのホイットワース社が動力駆動の鋳鉄製キャビネット穴あけ機を出展し、これが現代の穴あけ機の原型となりました。
その後、ラジアル掘削機をはじめ、さまざまな掘削機が次々と登場しました。 掘削機 自動送り機構を備えたものや、複数の穴を同時にあけることができる多軸ボール盤などが登場し、工具材質やドリルビットの改良、電動モーターの採用などにより、大型で高性能なボール盤が製造されるようになりました。
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