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旋盤とは、最も多く使われている工作機械の一つである。簡単に言うと、「硬い物を削れるろくろ」である。その歴史は古く、紀元前まで遡る。
概要
材料をチャックに取り付け旋回させバイトと呼ばれる刃物をあてて切削する機械であり、主軸台、往復台、心押台、機械送り及びねじ切り機構、ベッド及び脚の五つの主要部分からなっている
主軸台
工作物を支持し回転を与える主軸とこれを支える軸受及びモータから動力を使えるベルトやギヤボックス並びにこれらを格納するフレームからなる。
- 大きな力を常に受けるので、良質の合金鋼や炭素鋼に熱処理が加えられている。
- 中は中空でセンターの抜き取りや長い棒材などの取り付けに都合が良いようになっている。その前端部はチャック、回し板、センタなどが取付可能である。
- 穴の形はモールステーパ形で、以前はネジ式があったが逆回転時に抜ける恐れがあるため現代ではこの形式は事実上消滅した。その他カムロック式なる方式もあった。
- 軸受は低速から高速まで対応する転がり軸受が使われ、小型の旋盤は二点支持大型では三点支持でベアリングにはテーパーローラベアリングやスラストベアリングが組み合わされている。その組み合わせはメーカそれぞれのこだわりがあり各社それぞれ工夫を凝らしている。
- 主軸の回転数は歯車の組み合わせで決定され、通常６～１２段ぐらいが多いが、大型の旋盤は３２段を超えるものやベルト式無段変速機を採用したもの、インバータにより変速を行うもの、モーターの極数とギアを組み合わせたものなどがある。変速は、レバーやボタン ハンドルやボリュームを任意に設定し回転数を決める。
往復台
往復台はバイトに送りや位置決めを行う部分でサドル 横送り台 旋回台 上部送り台 刃物台 エプロンからなる。
- サドルはベットの上を移動しこれを縦送りといい、横送り台はこれに対し直角方向に動きこれを横送りと言う。
- 横送り台及び上部送り台のハンドルの部分にはマイクロメーターカラーが搭載され精密な位置決めができるようになっている。なお移動ネジが古くなって磨耗すると遊びが大きくなるので各自旋盤のくせをつかんでいること。
- 刃物台は多くは四角い形をしており４本のバイトを取り付けられる。高さ調節は金属板を間に挟んで調整するものや、ネジで微調整が出来る物がある。
- エプロンの内部に縦・横の自動送りやネジ切り装置が内蔵されている。縦横同時には動かず、どちらか片方を選択して自動送りをかけることが出来る。操作レバーは前面の部分に付いている。
心押台
心押台は長い工作物を削る時にセンターを取り付け工作物を支えたり、穴開けやリーマ仕上げするときにこれらを取り付けて案内したり、ベットの任意の位置に固定出来る。
- 心押軸はハンドルによって出し入れ出来る。ドリルやリーマに送りを与える際しっくり来るように二段変速が可能なものがある。なおセンタやドリルはモールステーパ型で、抜き取るときは全て心押軸を引っこめると外せる。
- 心押台のセンタ位置は直角方向に調整出来るため、角度の小さいテーパ加工が一応可能である。
機械送り及びねじ切り機構
主軸を原動軸として往復台や横送り台に正確な運動を与える親ネジ 送り軸 によって伝えられる。
- 旋盤を買ったときのいくつかの歯車がついてくることがあるがこれらを組み合わせて任意のネジのピッチに対応している。
- 最近はかえ歯車が付属しない物もあるがこれはすでに内蔵されている場合である。なお銃身内部の螺旋のように極端なピッチには対応できない。こればかりは専用機が必要である。あくまで良く使われているピッチに対応しているということである。
- 送り方向の切り替えや送りとねじ切りの切り替えは前面のレバーによって変更するが、かえ歯車やレバーの位置は機械の目立つ部分に貼り付けられている。この鉄板だが消えることのないように、刻印にて表示されていることが多い。当然正確かつ慎重な動作が要求され、正確な読み取り能力が要求される。
- 架け替え歯車の取り付けにはある程度の遊びが必要である。きつすぎると熱をもち歯車に損傷を与える場合がある。組み合わせる際は必ず油を塗布しておくことと表面のゴミを取り除いておくこと。
- 振動を押さえる目的から歯車のピッチは小さくなっている。この他決められた位置で自動的に停止する装置や、過負荷がかかった際に送り運動が止まる装置が内蔵されている。
- なお、特殊な機械や教育用を除いて、近年の生産現場ではCNC旋盤が主流になっている。これは、内蔵されたコンピュータが主軸や送り軸のモーターをプログラム通りに動かしてくれるもので、一種のロボットといえる。歯車の架け替えが不要で、多数の工程を無人かつ高速でこなすだけではなく、人間にはほぼ不可能な同時多軸制御も行える。
ベッド及び脚
- ベッドは心押台や往復台を支えるとともにそれらの案内もし、大きな負荷や重量にもびくともしない丈夫な構造となっている。
- 材質は良質な鋳鉄製、長い間使っても歪みがほとんど起こらないように鋳造後焼きなましを行い、機械加工後、すべり面には正確な運動を行わせると共に摩耗を少なくするために表面を焼入れした後に研削仕上げを施してある。
- 焼入れは高周波焼き入れが多い。これは短時間で均一に処理出来るためである。研削盤にてすべり面を仕上げることもあるが、精度を求める場合はキサゲ仕上げという手法で、職人が手間と時間をかけて一台一台仕上げていく。熟練した職人のキサゲ仕上げは研削盤の精度を越える。さらに、微小な凹凸に油がたまり潤滑をするので、このほうが長持ちするという効果もある。
旋盤の歴史
旋盤の由来は明らかで無いが、紀元前８世紀のエトルリア文明の遺跡から旋盤で加工されたと思われる木のボウルが発見されており、地中海周辺のどこかで誕生したとみられている。
旋盤そのものの記録は紀元前3世紀のエジプトの壁画に残されており、それによれば回転軸は垂直で、軸に繋いだ紐を助手が交互に引いて回転させ、加工者は手でノミを当てていた。現代的な目線で見れば、「物を削るために力強く回せるようにしたろくろ」という所だろうか。（日本でもお椀の木地などを加工する木工旋盤（木挽き轆轤）として、近代まで似たような物が使われていた）
13世紀には回転軸が水平になり、弾力のある竿に結びつけた紐をペダルで引いて回転させる竿旋盤（pole lathe）が作られ、一人でも作業が可能になった。
ルネサンスの頃には主に時計産業の発達と共に改良が進み、クランクによる回転機構や初歩的なネジ切り旋盤などが誕生した。その他にも様々な改良案が生まれ、例えばかのレオナルド・ダ・ヴィンチのスケッチには歯車の交換機構を備えたネジ切り旋盤が描かれている。とはいえ、前近代の発明の常で、これらのアイディアは実際は作られなかったり作られたり忘れられたりと一進一退の道を歩んでいたようだ。
余談だが、近世ヨーロッパでは上流階級の男性の趣味として、旋盤で様々な物を削るのが流行した事がある。特にローズエンジン旋盤(Rose engine lathe)と呼ばれる、複雑なカム仕掛けで幾何学紋様を彫ることのできる装飾用旋盤が珍重されていた。
かくして様々な人間が様々な改良を行った末、19世紀初頭、イギリスのヘンリー・モーズリー（Henry Maudslay）が作り上げ、普及させたものが近代的な旋盤の祖とされている。彼の作った旋盤は金属製のフレーム・高精度の親ネジ・刃物送り台・歯車の交換機構などを備え、高精度かつ高速な加工を可能にした。特に、これによってボルトとナットの規格化が可能になったことは産業革命において多大な影響を与えた。
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