旋盤加工の基礎

　このページは旋盤加工（汎用旋盤）の基礎について解説したものです。

　この内容は、金工室の機械工作マニュアルに掲載されているものをＷｅｂ用に手直ししたものです。印刷形式で出力する場合はＰＤＦファイル（Ａ４で７頁）をご利用下さい。

旋盤とは
旋盤はどのような加工が可能か
旋盤の構造と各部の働き
1. 主軸台
2. ベッド
3. 往復台
4. 心押台
材料の取付け方
1. 三爪チャック
2. 四爪チャック
3. コレットチャック
4. その他
バイト
1. バイトの種類
2. バイト刃部の材質による特徴
3. バイトの刃先角
4. すくい面の形状
5. バイトの取付け方
切削条件
1. 主軸回転数
2. 切込み量
3. 送り量
4. 切削剤
旋盤使用上の注意

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１、旋盤とは

　リンゴの皮をむくという動作を考えたとき、右利きの人は左手にリンゴ、右手にナイフを持ち、左手でリンゴを回転させ右手でナイフの角度を調節しながら皮をむきます。
　旋盤はこれと同じで、工作物(リンゴに相当)を回転させバイト(ナイフに相当)を移動することにより切削する（削り取る）機械です。バイトとは旋盤で切削に使用する刃物のことをいいます。

　この画像は旋盤でステンレス鋼の丸棒を切削加工している様子です。このように、材料を回転させて、刃物台に取り付けたバイトを動かす（後の項で解説します）ことによって加工します。

コラム・・・

近代的旋盤誕生までの歴史

　近代の旋盤は産業革命のイギリスで１７８０年頃モーズレによって発明されました。この旋盤は土台も含めて全て鉄製で、ネジ切り機構が付いていることが大きな特徴です。第一号機は主軸が右側にありましたが第二号機以降は主軸が左となり、現在と同じ配置になりました。この２～３年後にはそうした機械が作られたという話しを聴いただけでモーズレと同じ近代的旋盤が次々と、しかも独自に作られました。この時代はまさに近代的旋盤が生まれる条件が熟していた分けです。

　工作物を回転させて何らかの加工を施すものを広い意味で旋盤と定義すれば、ミケーネ文明の出土品から旋盤で加工されたと思われるものがあり、エジプトの壁画には２名で操作する旋盤が描かれています。
　旋盤は時計の発明（１４世紀）とともに大きく発展し、精度の高い歯車などの加工を行いました。時計用の小型旋盤は王侯貴族の間で流行ったローズエンジン（卓上型の旋盤＆形削り盤）へと発展し、様々な機構が試みられました。ルネッサンスの天才レオナルド・ダ・ビンチはネジ切り機やクランクを利用した足踏み旋盤を考案しています。
　１６世紀のイギリスでは木工旋盤（ポール旋盤）を使った装飾性の高い家具製造が広くおこなわれていました。
　モースレの旋盤が登場する前には、水車の力を利用した大形のシリンダー中ぐり盤（水車小屋の壁た基礎がそのまま機械のベースになっているウィルキンソンの中グリ盤）などがすでに存在していましたが、精度はまだまだ不十分でした。
　蒸気機関の効率改善をはかるために高精度の加工機械が求められていると共に、機械設備や工場を作るには「ネジ」が大量に必要でした。それを実現したのがモーズレの旋盤であったわけです。
　日本には古く中国から伝来し、鎌倉時代にすでに轆轤を使う木地職人を紹介した書物があります。
　しかし、江戸時代の鎖国によって西洋の技術はほとんど伝わらず、日本で近代的な旋盤が使われるのは幕末～明治維新まで待たなくてはなりませんでした。

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２、旋盤はどのような加工が可能か

　旋盤は、工作物を回転させて加工するため、円筒形状を基本とする回転対称形状のものを作ることができます。円筒形状と一口に言っても左の図に示すように、様々な形状があり、ねじなどの螺旋形状の加工も可能です。

　左の図に旋盤による代表的な加工例をいくつか挙げているので、それについて簡単に説明します。
　材料の端面を切削する場合、片刃バイトで加工します。
外周を切削する場合、片刃バイト、斜剣バイト、剣バイトで加工します。
溝を入れたり、切り落としたりする場合、突切りバイトで加工します。
ねじ加工の場合、おねじはおねじ切りバイト、めねじはめねじ切りバイトで加工します。
　円筒内面の場合は穴ぐりバイトで加工します。

コラム・・・

旋盤の種類

　モーズレの旋盤が誕生するや、同じ考えかたの近代的な旋盤が次々に生まれました。特に旋盤の大きさのバリエーションは早く、1820年には直径２ｍの面盤を備えた旋盤が登場しています。これはモースレの旋盤と共にロンドンの科学博物館にて見ることができます。
　時計部品を作るのに適した小型の卓上精密旋盤は芯押し台に様々な工具を取り付けて素早く交換するターレット旋盤へと発展し、大径加工の需要は正面旋盤や縦型旋盤へと発展していきました。
　変わった物としては船舶の機械部品補修用として積み込まれた船舶旋盤（シップレース）や、鉄道の車輪を加工するように左右に主軸を持った車輪旋盤、大きなクランクシャフトを加工するクランク旋盤など、需要に応じて次々と開発されていきました。
　モーズレが旋盤を発明して以後、旋盤の歴史にとって大きな転機は超硬合金とＮＣ技術の発明だと考えます。　超硬合金はそれまでの「鋼」とは異なって、刃先の鋭さは一歩譲って硬さと馬力で加工していきます。そのために、それまでの旋盤は剛性不足となり、これに合わせるように高い剛性の旋盤が登場しました。
　コンピュータ制御技術が発達すると、それを用いたＮＣ旋盤が登場し、熟練技術者は不要とまで言われました。最近は旋盤とフライス盤の機能を持った複合型ＣＮＣ工作機械が主流となっています。
　ＮＣ旋盤の登場で熟練工の行き場がなくなったかのように見られますが、実は、旋盤作業の切削条件を探し出す時には熟練工の経験と高度な「技」が必要でした。一時廃れていた技能オリンピックも再認識されてきました。

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３、旋盤の構造と各部の働き

右側の図は旋盤を正面から見たところ。左側の図は往復台の詳細です。旋盤は、上の図に示すように、主軸台、ベッド、往復台、心押台で構成されています。

１）主軸台　
　主軸台には、主軸の回転数を変化させるために、複数の歯車が組み合わされた機構が装備されています。この他に刃物の送り量を調節するための送り軸、ねじ切り用の親ねじを主軸の回転と同期させ目的の送り量(ねじピッチ)を選択できる機構も装備されています。
主軸には工作物を固定するためのチャックなどが取付けられるようになっています。

２）ベッド
　ベッドには往復台や心押台を工作物の回転軸と平行に移動させる機能があります。ベッドに変形や磨耗があると精度の良い加工ができません。

３）往復台
　往復台には、横送り台と刃物台が付いており、刃物台にはバイトが取付けられるようになっています。往復台又は刃物台を工作物の回転軸と平行に移動させることにより切削を行います。
　横送り台には刃物台を回転軸に対して直角に移動させる機構があり、これにより切り込みを与えます。刃物台を移動させる機構には、手動でハンドルを回し移動させる機構と、主軸の回転に同期させ自動的に移動させる機構があります。ねじ切り加工は、ねじ切りレバーの操作により親ねじにハーフナットを噛合わせることで行います。

４）心押台
　心押台には長い材料の心振れを防ぐためのセンタ(ささえ）を取付けることができます。またドリルチャックを取付けることでドリルによる穴あけ加工ができます。

５）旋盤の座標系
　工作機械の座標系は主軸をＺとする三次元（ＸＹＺ）座標を用いるのが一般的です。旋盤では、主軸をＺとすると、往復台の移動はＺ座標、刃物台（横送り台）はＸ軸となります。

コラム・・・

横送り台？

　刃物台の横送り台、作業者から見ると縦方向に動かしているのになぜ横送り？？？？と思ったことはありませんか。
　実は筆者も最初「縦送りなのに・・・」と不思議に思っていました。しかし、主人公は人間ではなくて「機械」なんですね。機械の主軸から見て主軸に直交した座標面で動く刃物台は「横送り」なんです。

　ちなみに、旋回刃物台の上の「手送り台」には座標名がありません。主軸から見ればいくの向きが一定してないので当然ですね。

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４、材料の取付け方

　旋盤に材料を取付けるために、様々な道具が準備されています。材料に適した取り付けの道具を選択することは、加工目的を達成する上で非常に重要です。
　ここではその代表的な道具とその使用例を説明します。

スクロールチャック（内爪）	スクロールチャック（外爪）	四つ爪（単動）チャック	コレットチャック

１）スクロールチャック
　三爪チャック（スクロールチャック）は、三つの爪がスクロールに噛合っているため、同時に動きます。このため、円筒形状の材料をつかめば、主軸の回転中心と材料の回転中心が一致します。この時のメーカーの保証精度は0.2mm以内です。
　チャックの爪には、外爪・内爪・生爪があり、用途に応じて付け替えて使用します。
　内爪は、上の図のように棒状の材料をつかむのに使用します。外爪はフランジなど円盤状の材料をつかむのに使用します。これらは何れも硬く焼きが入っていて、耐久性があります。これらを硬爪とも言います。
　この爪に代わって、焼きの入っていない生の鉄で作られた爪を「生爪」と言います。生爪は、つかみたい材料形状に合わせて爪を切削加工して使用します。生爪は硬爪より掴みの芯が正確に出ます。

２）四爪チャック

　四爪チャックは、上の図のように爪が４個あり、それぞれの爪を独立して動かすことができます。故に単動チャックとも言います。しかし、スクロールチャックでは微調整できない精密芯合わせも、四爪チャックなら可能です。これにより、材料の任意の位置を回転中心とすることができるため、偏心加工や円筒形状でない材料の固定もできます。また材料を強くつかむことができるので重量物の切削や重切削にも適しています。
　四爪チャックの爪は、反転させることにより内爪・外爪として使用できるようになっています。

３）コレットチャック

　三爪・四爪チャックが爪（小さな接触面積）で材料をつかむのに対し、コレットチャックは上の図のように円筒内面全体（大きな接触面積）で材料をつかむため材料に傷がつきにくく、薄肉パイプや銅・銀・アルミ等柔らかい材料や、既に仕上がっている部分をつかむのに適しています。
　金工室ではφ1mmからφ20mmまで、0.5mm刻みでコレットチャックを用意しています。

４）その他　古い旋盤ではもっぱら面盤や回し板とケレを使っていました。これらは機械工作マニュアルで紹介なかったのですが、旋盤による加工例に紹介しておきました。回し板とケレを使った両センタ加工なども機会があったら紹介します。

コラム・・・

モールステーパ

　旋盤の主軸と芯押し台の軸穴はモールステーパが使われています。芯押し台のモールステーパは、センタ、ドリルチャック、テーパドリルなどをワンタッチで交換できて、たいへん便利です。
　旋盤はモールステーパが使われていますが、機械にはモールステーパ以外にもいくつかのテーパが使われていて、取り替え時に芯が振れないように工夫されています。
　ドリルチャックの首の部分にはジャコブステーパ、フライス盤の主軸にはナショナルテーパ、古いフライス盤や研磨盤にはブラウン＆シャープテーパが使われています。
　モールステーパは概ね１／２０の傾斜をもっていて、工具（センタ、ドリルチャックなど）を軽く打ち込む（適度な勢いを付けて押し込む）だけで強固に固定されます。これで軸の芯出しもＯＫですから、非常に作業効率が良いわけです。

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５、バイト

　バイトに関してはバイトのいろいろで紹介していますので参照して下さい。

	１）バイトの種類　バイトは様々な加工に対応するため、非常に多くの種類があり、形状、機能、刃の取付け方、材質、その他様々な分類法があります。　図を例に説明すると、斜剣、片刃は刃部の形状による分類、ヘールはシャンクの形状による分類です。穴ぐり、突切りは機能による分類、付刃バイトやスローアウェイバイト（刃先チップ交換型のバイト）は刃の取付け方による分類、ハイス（高速度鋼）や超硬合金は刃部の材質による分類です。２）バイト刃部の材質による特徴　ハイスは、工作物の材質、加工形状に合わせた刃先形状や角度のバイトを製作し易く、金工室では広い用途に使用しています。　超硬合金は硬度が高く、融点も高いため摩擦熱による刃先の軟化温度が高く、高速で切削することができます。また、耐摩耗性も高く難削材の切削に適しています。欠点は断続切削などの衝撃によって欠け易いこと、また、研ぎにくいこと、超硬合金の性質上、ハイスと比較すると鋭い刃先を得られず、切れ味が悪いことが挙げられます。
	３）バイトの刃先角　バイトの刃先は、すくい角と逃げ角が大切な要素です。左図に示すように、バイトの先端は工作物の回転中心（主軸中心）に合わせたときに、すくい角と逃げ角が適正になるように研いであります。　逃げ角は、工作物の材質によらず５～８度程度ですが、すくい角は、材料によって異なります。
	４）すくい面の形状　すくい面の形状を左図に示します。切削時に切屑が連続して出る材料は曲面の形状、バラバラに出る材料は平面のものを使用します。具体的には、快削黄銅（真鍮丸棒）とベークライトの場合にのみ、すくい面が平面のバイトを使用します。
	５）バイトの取付け方左図に示すようにバイトの刃先が工作物の回転中心と同じ高さになるように合わせます。
	６）センタの見つけ方　心押台にセンタを取付けるとその先端が回転中心になります。　左図のようにトースカンの先端をセンタの先端の高さに合わせ、トースカンを移動してバイトの先端（刃先）がトースカンと同じ高さになるように合わせます。　高さは、各旋盤の横の工具箱に様々な厚さの敷金を用意してあるので、それをシャンクと刃物台の間に挟み、その厚みで調整します。バイトの取付けは専用のハンドルを使用して、必ず２本以上の取付けボルトでしっかりと均一に締め付けます。　取付けボルトの締め加減を強くしていくとバイトの高さが若干下がるので、そのことも考慮して敷金を調整するのがこつです。

コラム・・・

バイトの語源

　旋盤の刃物をバイトと呼んでいます。この「バイト」の語源には諸説あるのですが、その一つを紹介しましょう。
　モーズレが旋盤を発明した頃、まだ鋼の性質が十分理解されておらず、旋盤作業に適した刃物も模索が続きました。そんな中で、石切場の石ノミを使うと良い事が知られるようになりました。特にドイツ製の石ノミが流用されたことから、ドイツ語の石ノミを表わす言葉である「バイト」（バイトは複数形、単数形ではビット）が自然に旋盤の刃物をさす言葉として定着したのではないかというものです。
　ちなみに、コンピュータの「バイト」も同じ語源、石ノミだと言われています。コンピュータの記憶容量やデータの大きさを表す最小単位をビット（bit）容量をバイト（byt）と呼んでいますね。
　こうした物の名称は、その語源を調べてみると発展の歴史がかいま見られて、なかなかおもしろいものです。

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６、切削条件

１）主軸回転数
　主軸の回転数は、切削速度、使用するバイトの材質や形状、加工する材料の材質、加工方法により決定します。
切削速度とは、切削している部分の周速度(この場合刃先と材料の相対速度)のことをいいます。
主軸回転数と切削速度の関係は以下の式で表されます。

Ｎ＝1000Ｖ／(πＤ) Ｎ：主軸回転数(rpm)　Ｖ：切削速度(m/min)　Ｄ：工作物の直径(mm)

　具体的な切削速度は、機械工作便覧などに示されています。しかしこの値は生産効率を上げることを追求したデータです。金工室で加工を行う場合には、生産効率より安全を優先するため、半分程度の切削速度を適用します。また最高回転数は1000rpm以下で使用してください。
　ハイスのバイトでステンレス（SUS）・銅（Cu）を切削する場合の切削速度はＶ＝25(m/min)、アルミ（Al）・黄銅（BS）の切削速度はＶ＝50(m/min)として、式3-1から回転数を求めます。求めた値を表3-1に示します。
　例えば外径80mmのSUSを切削する場合、表3-1より100rpmとなります。もし旋盤の回転数に100rpmがない場合は、その回転数より低い側の回転数で近い値を選択します。
　ねじ切り加工、突切り加工、Ｏリング溝加工、へールバイト(図バイトの種類参照)による加工の場合はこの値の半分以下にしなければなりません。

材料名	SUS・Cu	Ａl・BS
外径(mm)	回転数(rpm)	回転数(rpm)
１０	８００	１６００
２０	４００	８００
３０	２６０	５２０
４０	２００	４００
５０	１６０	３２０
６０	１３０	２６０
８０	１００	２００
１００	８０	１６０
１４０	６０	１２０
１９０	４２	８４
２５０	３０	６０

注意事項：シャンク部分と刃先の間にバネ構造のあるものをヘールバイトと言い、これを使う場合は回転数を極力遅くします。ネジ切りバイト、突っ切りバイト、面取バイトなどはヘールバイトにすると加工面がたいへん綺麗に仕上がることから、金工室ではこれらの作業にヘールバイトを用いるよう指導しています。

２）切込み量
　切込み量とは,１回で削る深さのことです。
　外周切削で荒削りの場合は2mm以下、仕上げ削りは0.5mm以下にしてください。

３）送り量
　旋盤加工の送り量とは、工作物１回転当たりのバイトの移動量です。送り量が大きければ、加工時間は短くなりますが、切削した表面は粗くなり、小さければ滑らかになります。表面粗さは図3-12に示すように、バイトの刃先半径(ノーズＲ)と送り量により決まります。
　荒削りの場合は１回転当たり0.2mm以下、仕上げ削りでは0.1mm以下にしてください。

４）切削剤
　切削剤とは、バイト刃先の冷却と潤滑をするためのものです。切削剤には水溶性のものと油性のものがあり、水溶性切削剤は冷却性能が高く、油性切削剤は潤滑性能が高いのが特徴です。冷却の効果としては、摩擦熱による刃物の温度上昇を防ぐことで、刃先の軟化を原因とする損傷を抑えたり、材料の組織や形状の変形を抑えたりすることができます。潤滑の効果としては、摩擦熱の発生を減少させたり、切屑をスムーズに排出させたりすることができます。

金工室では、材料によって切削剤を次のように使い分けています。
　樹脂の場合は水溶性切削剤：アルファクールES（出光興産）
　銅・ステンレスの場合は油性切削剤： Bluebe（輸入元：FUJI BC ENGINEERING）
　アルミの場合は条件により水溶性切削剤と油性切削剤を使い分けます。
　快削黄銅（真鍮丸棒）の場合は切削剤を使用しません。

コラム・・・

ノーズ半径の効能

　バイトの刃先には必ずノーズ半径があります。このノーズ半径、段付き加工の時、角にノーズ半径分の肉が残ってとても不都合なのに、どうしてこんなＲを付けているのでしょうか？
　一つはノーズ半径を大きく取れば加工面荒さが改善されるのですが、それ以外に積極的な効能がるのでしょうか？

　実は、ノーズ半径があるからこそ、バイトの刃先寿命がある程度計算できる・・・バイト寿命を管理できるのです。
　もし、ノーズ半径が無かったとすると、バイト刃先の温度上昇を限界以下に抑えることが難しく、切削条件に対する工具寿命が相関関係を持たなくなってしまいます。その理由は、先端のノーズ半径が、刃先に発生する摩擦熱の拡散速度を上げるこのに大きく寄与しているからです。温度解析に自信のある方は一度計算してみて下さい。劇的な変化があります。

　スローアウェイ方式の旋盤用チップはノーズ半径が正確に作られています。これはＮＣ加工による形状誤差を減らすためのもので、0.4mmや0.8mmが一般的です。

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７、旋盤使用上の注意

寸法を測定するときは必ず回転を止めてから行ってください。また刃物に身体が触れないように注意してください。
実習用旋盤の内爪チャックは直径70mm以上、外爪チャックでは直径180mm以上の材料をつかんではいけません。これより大きな材料をつかむと爪が外れて飛び出すなどして大変危険です。
チャックハンドルを緩めるときは、腰を据えてハンドルを軽く手でたたいて緩めてください。ハンドルを握ったまま思い切り力を加えると手が滑ったり、勢い余って体のバランスを崩したりして危険ですので注意してください。
常に機械が発する音の変化に注意してください。機械に何か異常が生じるとそれまでとは異なった音がします。音が変化したら直ちに機械を止めて技術職員に申し出てください。

ねじ切り作業の場合、刃物の移動速度は通常の切削作業の１０倍以上になります。充分に回転を落とした上で作業してください。
エアガンで切屑を除去する場合、切屑が跳ね返り目に入る危険がありますので保護メガネをかけて行ってください。また、人が近くにいる所では行わないようにしてください。
フットブレーキで機械を停止した場合は、必ず起動レバー(主軸の起動スイッチ)を停止の位置に戻してください。
注意事項：フットブレーキを踏んだら回転を止めることができるのは容易に想像できますが、ブレーキを離したらどうなるかは各機械によって異なります。ワシノの汎用旋盤はブレーキを離しても再び回転するためには改めて回転スイッチを「正」あるいは「逆」にいれなければなりません。しかし、エグロ旋盤はブレーキを離すと再び回転します。使ったことのない機械を使うときは、各レバーやスイッチ等の動作を一通り試してみることが大切です。
作業終了後の掃除や加工途中に寸法を測定する時は、不用意にスイッチが入っても主軸が回転しないように本体電源を落とし、主軸のギアをニュートラルにしてください。
主軸台の上にむやみに工具等を置かないようにしてください。回転中にそれらが落下すると大変危険です。

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