工作機械
金属旋盤は工作機械の一例です。

工作機械は、金属やその他の硬質材料を加工するための機械であり、通常は切断、穴あけ、研削、せん断、その他の変形加工によって加工します。工作機械は、切断や成形を行うための何らかの工具を使用します。すべての工作機械は、工作物を拘束し、機械部品のガイドされた動きを提供する何らかの手段を備えています。したがって、工作物と切削工具間の相対的な動き（ツールパスと呼ばれる）は、完全に「手作業」または「フリーハンド」ではなく、少なくともある程度は機械によって制御または拘束されます。工作機械は、切削工具と工作物との間の必要な相対的な動きを管理し、工作物のサイズと形状を変更するのに役立つ動力駆動の金属切削機械です。[ 1 ]

工作機械という用語の正確な定義はユーザーによって異なります。すべての工作機械は「人が物を作るのを助ける機械」ですが、工場の機械はすべて工作機械であるとは限りません。

今日の工作機械は、通常、人間の筋肉以外の動力（例えば、電気、油圧、またはラインシャフト経由）で駆動され、切断や他の特定の種類の変形を含むさまざまな方法で製造部品（コンポーネント）を作成するために使用されます。

工作機械は、その固有の精度により、交換可能な部品の経済的な生産を可能にしました。

命名法と主要概念の相互関係

多くの技術史家は、真の工作機械が誕生したのは、工具経路が何らかの形で、少なくともある程度は機械自体によって誘導されるようになった時だと考えています。つまり、切削や成形工程において、人間が工具経路を直接、フリーハンドで（手、足、口などで）誘導する以外に、もはや唯一の誘導手段ではなくなったのです。この定義の見方では、それまですべての工具が手工具であった時代に生まれたこの用語は、「手工具ではなく機械である工具」を指す単なるラベルでした。初期の旋盤、中世後期以前の旋盤、そして現代の木工旋盤や陶芸用のろくろは、主軸台自体の見方によって、この定義に該当する場合と該当しない場合がありますが、切削工具の経路を直接機械的に制御する旋盤に関する最も古い歴史的記録は、1483年頃のねじ切り旋盤です[ 2 ]。この旋盤は「木材からねじ山を加工し、真の複合スライドレストを採用していました」[ 2 ] 。

1930年代、米国全米経済研究所（NBER）は工作機械の定義を「人力以外の力で作動し、工具を用いて金属を加工する機械」としました。[ 3 ]

この用語の最も狭い口語的な意味は、金属切削を行う機械、つまりさまざまな種類の従来の機械加工や研削のみを指します。これらのプロセスは、削りくずを生成する変形の一種です。ただし、経済学者は、圧延、金型での打ち抜き、せん断、スウェージング、リベット留めなど、削りくずを切断せずに金属を成形する他の種類の金属変形も含む、もう少し広い意味を使用します。したがって、プレス機は通常、工作機械の経済的定義に含まれます。たとえば、これはマックス・ホランドがバーグマスターとフーダイルの歴史で使用した定義の幅であり[ 4 ]、これは1940年代から1980年代までの工作機械業界全般の歴史でもあります。彼はフーダイル自身と業界の他の企業が使用する用語の意味を反映していました。工作機械の輸出入や同様の経済トピックに関する多くのレポートでは、このより広い定義が使用されています。

従来の金属切削を意味する口語的な意味も、数十年にわたる技術の変化により、時代遅れになりつつあります。放電加工、電気化学加工、電子ビーム加工、光化学加工、超音波加工、さらにはプラズマ切断やウォータージェット切断など、近年開発された「機械加工」と呼ばれる多くのプロセスは、論理的には工作機械と呼ぶことができる機械によって行われることが多いです。さらに、材料を削り取るのではなく、材料を付加する新しく開発された積層造形プロセスの一部は、場合によっては工作機械と呼ばれることになる機械によって行われます。実際、工作機械メーカーはすでに、一つの作業領域に切削と積層の両方を備えた機械を開発しており[ 5 ]、既存機械の改造も進行中です[ 6 ] 。

歴史

イーライ・ホイットニー製粉機、 1818年頃
パーカー製造会社のせん断工具

工作機械の前身には、紀元前2500年より前の古代エジプトに存在していた弓ドリルやろくろ、および少なくとも紀元前1000年から500年の間にヨーロッパの複数の地域に存在していたことが知られている旋盤などがありました。[ 7 ]しかし、金属部品の製造でツールとして使用され、機械誘導のツールパスを組み込んだ機械のクラスである工作機械の現代的な概念が進化し始めたのは、中世後期と啓蒙時代になってからでした。中世の時計職人やレオナルド・ダ・ヴィンチなどのルネサンス人は、人間の技術的環境を産業用工作機械の前提条件へと拡張することに貢献しました。18世紀から19世紀にかけて、そして多くの場合20世紀でも、工作機械の製造者は、最終製品（工業製品）を生産するためにそれらを使用する人々と同じ傾向がありました。しかし、こうしたルーツから、今日私たちが定義する機械工具製造業者、つまり他者に販売するための機械工具の製造を専門とする人々の業界も発展しました。

工作機械の歴史家は、工作機械の発展に最も影響を与えたいくつかの主要産業に注目することが多い。歴史的に出現した順に並べると、銃器（小火器と大砲）、時計、繊維機械、蒸気機関（据置型、船舶用、鉄道用、その他）（ワットの高精度なシリンダーの必要性がボルトンのボーリングマシンの発明につながったという話は、ロー[ 8 ]で論じられている）、ミシン、自転車、自動車、航空機である。このリストには他の産業も含めることができるが、それらはすでに挙げた根本原因と関連している傾向がある。たとえば、転がり軸受はそれ自体が独立した産業だが、この産業の発展を主に推進したのは、すでに挙げた電車、自転車、自動車、航空機といった乗り物であり、トラクター、農機具、戦車などの他の産業も、これらの同じ親産業から多くの影響を受けている。

工作機械は、1700年代中期から後半にかけてイギリスで起こった産業革命で繊維機械によって生じた需要を満たした。 [ 8 ] それまで、機械は主に木で作られており、歯車や軸も木で作られることが多かった。機械化が進むにつれて金属部品が必要となり、通常は鋳鉄や錬鉄で作られた。鋳鉄は、エンジンのシリンダーや歯車などの大きな部品の型で鋳造できたが、やすりで加工するのが難しく、叩くこともできなかった。赤熱した錬鉄は、叩いて形を作ることができた。常温の錬鉄はやすりとノミで加工し、歯車やその他の複雑な部品を作ることができたが、手作業では精度が低く、時間がかかり、費用もかかるプロセスであった。

ジェームズ・ワットは最初の蒸気機関用のシリンダーを正確に掘削することができず、ジョン・ウィルキンソンが1774年に適切な掘削機を発明するまで何年も試み、1776年にボルトン・アンド・ワットの最初の商用エンジンを掘削しました。[ 8 ] [ 9 ]

工作機械の精度向上はヘンリー・モーズレイに遡り、ジョセフ・ウィットワースによってさらに発展しました。モーズレイが1809年頃、ロンドンのテムズ川南岸、ウェストミンスター・ロードに所在する彼の工房（モーズレイ・アンド・フィールド）でマスタープレーンゲージの製造と使用を開始したことは、1829年にモーズレイに雇われたジェームズ・ナスミス[ 10 ]によって証明されており、ナスミスは自伝の中でその使用について記述しています。

マスタープレーンゲージの製造工程は古代にまで遡りますが、モーズレイ工房では前例のないほど洗練されました。工程は、それぞれに識別番号（例：1、2、3）が付けられた3枚の正方形のプレートから始まります。最初の工程は、プレート1と2をマーキング剤（今日ではブルーイングと呼ばれます）で擦り合わせ、凹凸を浮かび上がらせます。この凹凸は、鋼製のスクレーパーで手作業で削り取り、凹凸が見えなくなるまで削り取ります。この方法では真の平面は得られず、「ボールとソケット」のような凹凸と凸凹のはめあいが実現します。この機械的なはめあいは、2つの完璧な平面のように互いに滑ることができ、凹凸は現れないからです。この擦り合わせとマーキングは、プレート2をプレート1に対して90度回転させた後、繰り返されます。これにより、凹凸の「ポテトチップ」のような曲率をなくします。次に、プレート3を比較し、同じ2回の試行でプレート1と一致するように削り取ります。このようにして、プレート2とプレート3は同一のものになります。次に、2枚目と3枚目のプレートを互いに比較し、どちらの状態であるかを判断します。両方のプレートが「ボール」なのか、「ソケット」なのか、「チップ」なのか、あるいはその両方なのかを判断します。次に、プレートを削って凸部がなくなるまで削り、1枚目のプレートと比較します。この3枚のプレートの比較と削り取りのプロセスを繰り返すことで、100万分の1インチ（マーキング媒体の厚さ）以内の精度で平面を作成できます。

表面ゲージの伝統的な製造方法では、プレートの間に研磨剤をこすりつけて凸部を除去していましたが、この研磨を手作業による削り取りに置き換える改良を行ったのはホイットワースでした。1825年以降、ホイットワースはモーズレイのもとで働き、そこでマスター表面ゲージの手作業による削り取り技術を完成させました。1840年にグラスゴーで開催された英国科学振興協会で発表した論文の中で、ホイットワースは、研磨材がプレート間に制御されずに不均一に分散し、プレートから材料が不均一に除去されることで、研磨の精度が本質的に低下することを指摘しました。

このような高精度のマスタープレーンゲージが作られることで、工作機械の重要な部品（機械の案内面など）はすべて、それと比較され、所望の精度になるまで削られるようになりました。[ 8 ] 販売用に提供された（つまり、市販されている）最初の工作機械は、1800年頃にイギリスでマシュー・マレーによって作られました。 [ 11 ]ヘンリー・モーズレイ、ジェームズ・ナスミス、ジョセフ・ウィットワースなどの他の人々も、すぐに最終製品の製造や製粉業者の仕事から、販売用の工作機械の製造の分野へ と起業家精神を拡大する道をたどりました。

初期の重要な工作機械には、スライドレスト旋盤、ねじ切り旋盤、タレット旋盤、フライス盤、パターントレーシング旋盤、シェーバー、金属プレーナーなどがあり、いずれも1840年以前に使用されていました。[ 12 ]これらの工作機械により、互換性のある部品を製造するという数十年来の目標がようやく実現しました。今では当然のことと考えられていることの重要な初期の例は、ナットやボルトなどのねじ留め具の標準化でした。19世紀初頭までは、これらはペアで使用され、同じ機械のねじであっても一般的に互換性がありませんでした。[ 13 ]使用中の旋盤の送りねじよりも高い精度でねじを切る方法が開発されました。これが、19世紀から20世紀初頭の 棒の長さの標準につながりました。

アメリカにおける工作機械の生産は、第二次世界大戦における連合国の勝利に決定的な要因となった。戦争中、アメリカの工作機械の生産量は3倍に増加した。第二次世界大戦ほど工業化された戦争はなく、機関銃だけでなく機械工場も戦争の勝利を決定づけたとさえ言われている。[ 14 ] [ 15 ]

工作機械の生産は、中国、日本、ドイツ、イタリア、韓国、台湾、スイス、米国、オーストリア、スペインなど、世界で約10か国に集中しています。世界中の多くの公的および民間の研究センターでは、工作機械の革新が継続しているだけでなく、その精度も向上し続けています。[ 16 ]

駆動電源

スレーター氏が製造した綿織機械用の鉄の旋削加工はすべて、手持ちのノミか、手力でクランクを回す旋盤の工具で行われました。

— デビッド・ウィルキンソン[ 17 ]

工作機械は様々な動力源から動力を得られます。かつては、人力や動物力（クランク、踏み車、トレッドミル、またはトレッドホイール）が、また水力（水車）も利用されていました。しかし、19世紀半ばに高圧蒸気機関が開発されると、工場では蒸気動力の利用が拡大しました。また、工場では油圧や空気圧も利用されました。多くの小規模な工場では、 1900年以降に電化されるまで、水力、人力、動物力による作業が続けられました。[ 18 ]

今日では、ほとんどの工作機械は電気で駆動されており、油圧や空気圧が使用されることもありますが、これは一般的ではありません。

自動制御

工作機械は手動で操作することも、自動制御で操作することもできます。[ 19 ] 初期の機械は動きを安定させるためにフライホイールを使用し、機械と加工対象物を制御するためにギアとレバーの複雑なシステムを備えていました。第二次世界大戦後まもなく、数値制御（NC）マシンが開発されました。NCマシンは、紙テープまたはパンチカードに打ち込まれた一連の数字を使用して動作を制御しました。1960年代には、プロセスの柔軟性をさらに高めるためにコンピュータが追加されました。このような機械はコンピュータ数値制御（CNC）マシンとして知られるようになりました。NCマシンとCNCマシンはシーケンスを何度も正確に繰り返すことができ、最も熟練したツールオペレーターでさえはるかに複雑な部品を生産することができました。[ 20 ]

やがて、機械は使用する特定の切削工具や成形工具を自動的に交換できるようになりました。例えば、ドリルマシンには、様々なサイズの穴を開けるための様々なドリルビットが入ったマガジンが搭載されていました。以前は、これらの異なる作業を行うには、通常、機械オペレーターが手動でビットを交換するか、ワークピースを別のステーションに移動する必要がありました。次の論理的なステップは、複数の異なる工作機械をすべてコンピュータ制御で組み合わせることでした。これらはマシニングセンターと呼ばれ、部品の製造方法を劇的に変えました。

例

工作機械の例は次のとおりです。

部品の製造や成形を行う際には、不要な金属を除去するためにいくつかの技術が用いられます。その中には以下のようなものがあります。

必要な材料を添加するために他の技術も用いられます。材料を選択的に添加することで部品を製造する装置は、ラピッドプロトタイピングマシンと呼ばれます。

工作機械製造業

市場調査会社ガードナー・リサーチの調査によると、2014年の世界の工作機械市場の生産額は約810億ドルでした。[ 21 ]工作機械の最大の生産国は中国で、生産額は238億ドルでした。これにドイツと日本がそれぞれ129億ドルと128.8億ドルで僅差で続いています。[ 21 ]韓国とイタリアがそれぞれ56億ドルと50億ドルの収益でトップ5の生産国となりました。[ 21 ]

参照

参考文献

  1. ^金属切削の定義、mechanicalsite.com、2019年5月4日閲覧。
  2. ^ a b Moore 1970、p.137、図213。
  3. ^ジェローム 1934、178ページ、第4章、注75。
  4. ^ホランド 1989 .
  5. ^ Zelinski, Peter (2013-11-08) 「Hybrid machine combines milling and additive manufacturing」、Modern Machine Shop、2014-05-23時点のオリジナルからアーカイブ、 2016-07-13取得。
  6. ^ Zelinski, Peter (2014-02-21) 「3D金属フォームを構築する能力は、減算型CNC工作機械の改造可能なオプションです」、Modern Machine Shop Additive Manufacturing Supplement、2014年3月22日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2016年7月13日閲覧。
  7. ^ウッドベリー 1972a、18～35ページ。
  8. ^ a b c dロー 1916
  9. ^ Harford, Tim (2019年10月9日). 「交換可能な部品の驚くべき力」 . 2019年10月9日閲覧。
  10. ^ 「ジェームズ・ナスミス」 www.nationalgalleries.org . 2022年11月1日閲覧。
  11. ^ムーア 1970 .
  12. ^トムソン 2009、p. .
  13. ^リブチンスキー著『 One Good Turn』、2000年、 ISBN 0-684-86729-X
  14. ^ハーマン、アーサー『自由の鍛冶場：アメリカ企業はいかにして第二次世界大戦で勝利をもたらしたか』 87、112、121、146-150、161ページ、ランダムハウス、ニューヨーク、ニューヨーク州、 ISBN 978-1-4000-6964-4。
  15. ^パーカー、ダナ・T. 『勝利を築く：第二次世界大戦中のロサンゼルス地域における航空機製造』 pp.5、7-8、カリフォルニア州サイプレス、2013年。ISBN 978-0-9897906-0-4。
  16. ^ Chen Qidi、Hu Xiaolong、Lin Min、Zhang Tao、Zhou Zhixiong (2025年6月22日). 「超精密加工工作機械の開発状況と動向」 . C-YCNC .
  17. ^トムソン 2009、24ページ。
  18. ^ハンター、ルイス・C.; ブライアント、リンウッド（1991年）『アメリカ合衆国の産業力史 1730-1930』第3巻：動力伝達、マサチューセッツ州ケンブリッジ、ロンドン：MITプレス、ISBN 0-262-08198-9
  19. ^ 「天然石用CNCマシンとは？」ティボー2020年1月23日 2020年7月29日閲覧。
  20. ^ Sonic Young (2023年7月1日). 「CNCマシンの歴史」 . Capablemaching .
  21. ^ a b c「2015年世界工作機械生産高・消費量調査」（PDF）。ガードナー・ビジネス・メディア社。2015年9月21日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。

参考文献

  • ホランド、マックス（1989年）『機械が止まったとき：産業アメリカからの警告物語』ボストン：ハーバード・ビジネス・スクール・プレス、ISBN 978-0-87584-208-0、OCLC  246343673。本書はタレットドリルを専門とするバーグマスター社の歴史に特化しているが、バーグマスター社とその買収者であるフーデイル社の歴史を語る中で、ホランドは第二次世界大戦から1980年代までの工作機械産業全般の歴史を概説しており、ノーブル社による同時代の歴史研究（ノーブル 1984）と並ぶ、画期的な歴史書となっている。後に『産業から錬金術へ：工作機械会社バーグマスター』というタイトルで再出版された。
  • ジェローム、ハリー（1934）、「産業の機械化」、NBER、マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国：米国国立経済研究所。
  • ムーア、ウェイン・R.（1970年）、『機械精度の基礎』（第1版）、ブリッジポート、コネチカット州、米国：ムーア・スペシャル・ツール社、LCCN  73127307ムーア家が経営するムーア・スペシャル・ツール社は、ジグボーラーを独自に発明しました（スイスでの発明と同時期に） 。ムーアのモノグラフは、工作機械において最高の精度と精密さ（計測機械に次ぐ）を実現する工作機械の設計・構築原理に関する、画期的な古典となっています。ムーア社は、工具・金型メーカーの技術と科学の粋を体現した企業でした。
  • ロー、ジョセフ・ウィッカム（1916年）、イギリスとアメリカの工具製造業者、ニューヘイブン、コネチカット：エール大学出版局、LCCN  160117531926年にMcGraw-Hill社（ニューヨークとロンドン）で再版（LCCN  27-24075）;およびLindsay Publications, Inc.（イリノイ州ブラッドリー）で再版（ISBN 978-0-917914-73-7工作機械史における重要な古典的著作。後世の著作にも広く引用されている。
  • トムソン、ロス（2009）『機械化時代の変化の構造：アメリカ合衆国における技術発明1790-1865』、メリーランド州ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局、ISBN 978-0-8018-9141-0
  • ウッドベリー、ロバート・S. (1972a). 「1850年までの旋盤の歴史：産業経済における技術的要素の発展に関する研究」ウッドベリー (1972)所収。
  • ウッドベリー、ロバートS.（1972）[1961]、工作機械の歴史研究、マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国および英国ロンドン：MITプレス、ISBN 978-0-262-73033-4、LCCN  72006354過去に出版されたモノグラフを1冊にまとめたコレクション。工作機械の歴史における重要な古典的著作集。

さらに読む

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