旋盤とは? 種類や旋盤を使用した加工方法をご紹介

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旋盤とは? 種類や旋盤を使用した加工方法をご紹介

日常で使う身の回りのものから宇宙開発に使用される精密な部品まで、金属加工によって造られる製品はあらゆる場面で使われています。このような金属の加工に欠かせない工作機械のひとつが旋盤です。
この記事では旋盤の概要や種類、旋盤を使った加工方法などについてご紹介します。

旋盤とは

旋盤とは、加工物(ワーク)を「チャック」と呼ばれる回転する土台に取り付け、「バイト」という工具によって切削加工を行う工作機械です。切削を行う機械加工の中では活躍の場面が多いため広く使用されています。加工物を回転させながら削るため、特に円形のものの加工に適しています。

旋盤とは逆に、切削工具を回転させて加工物は固定した状態で加工する機械をフライス盤と呼びます。

旋盤の種類

旋盤は形状や構造によっていくつかの種類に分けられ、それぞれ特徴や使い方などが異なります。旋盤の種類によって適している加工物の大きさや製品の形状があるため、適した切削加工を行うために旋盤の特徴を把握しておきましょう。

・汎用旋盤

主軸台・心押し台・往復台、送り装置・ベッドの各部品からできている、基本的な構造の旋盤です。普通旋盤とも呼ばれ、一般的に旋盤というと汎用旋盤のことを指します。
手動で加工を行うため時間がかかり、精度の高い加工には熟練度も必要ですが、補助工具を組み合わせたり心押し台にドリルチャックを取り付けたりすることで、さまざまな加工が行えます。試作品やオーダーメイド部品、一点ずつの部品修理など、少量生産に用いられることが多いです。

・NC旋盤

NC(Numerical Control)と呼ばれる数値制御装置が取り付けられた旋盤です。縦横高さ(XYZ)の3次元の座標軸を設定し、プログラムした手順通りにバイトを動かして自動的に加工できます。
NC旋盤のなかでも、加工位置や回転速度などの細かい制御をコンピューターで行い、より高精度かつ高速な加工が行えるCNC旋盤が近年の主流です。
材料をセットすることで同一製品を簡単に作れるため、大量生産に向いています。

・卓上旋盤

汎用旋盤を小型にした、作業台の上に置ける小さなサイズのものが卓上旋盤です。ベンチレースとも呼ばれ、ボルトのような小さな部品や小型の金型部品などの加工に使用されます。
加工物を固定するチャックをコレットチャックにすることで、加工物とチャックの接触面積が広くなり小さな力で把握できるため、薄肉の製品でも変形することがありません。

・立旋盤

一般的な旋盤は加工物を横向きに固定して加工を行いますが、立旋盤は加工物を垂直方向に固定して加工を行います。陶芸で使用する、ろくろをイメージすると分かりやすいでしょう。
汎用旋盤では長さのある加工物を回転させたとき、重力によるたわみが発生し中心に近い部分で芯のズレが起こる場合がありますが、立旋盤では上を向いた主軸に加工物を取り付けるため、重たいものでも芯のズレが起こりません。そのため、汎用旋盤では加工が難しい大型製品の加工も可能です。

・正面旋盤

汎用旋盤と同様に主軸が地面に対して平行の旋盤で、チャックよりも大きな面盤によって加工物を固定するため、径の大きな製品でも加工できるのが特徴です。切りくずが下方向に落ちるので、立旋盤に比べて製品に傷がつきにくい、連続加工が行いやすいといったメリットがあります。
ただし、大きな加工物をセットする際は精度が出しづらいため、近年は正面旋盤の代わりに立旋盤が使用されることが多いです。

・タレット旋盤

心押し台ではなく、タレットと呼ばれる旋回式の刃物台がついている旋盤です。
旋盤加工の際は必要に応じて工具を着脱する必要がありますが、タレット旋盤なら、あらかじめ切削工具を着けておくことで、タレットを回して工具を切り替えることができます。工具交換の手間が減り加工時間を短縮できるため、大量生産に向いています。

・複合加工旋盤

NC旋盤の機能をさらに高めたもので、刃物台にエンドミルやドリルのような工具を装着でき、穴あけや中ぐりといった加工を行えるものです。一般的にはターニングセンタと呼ばれます。
1つの機械で旋盤加工からフライス加工まで行えるため、加工物を取り付けたり取り外したりする手間がかかりません。そのため、加工物や工具の固定にかかる工数を減らして加工時間を短縮したり、取り付け直しの際の位置ズレを防いで、加工精度低下を高めたりできます。

汎用旋盤の構造

汎用旋盤はさまざまな部品から構成されていて、各部品が役割を担っています。基本的な旋盤の構成と、それぞれの動作についてご紹介します。

・主軸台

加工物を回転させる軸やモーター、変速機などが含まれ、旋盤の回転数を制御する部品が主軸台です。主軸の回転速度はRPMという単位で表し、最大回転数はメーカーや旋盤の機種によって異なります。

・ベッド

旋盤の本体部分がベッドです。具体的には、心押し台や往復台を支えている台のことを指します。

・心押し台

旋盤のベッド上にあり、主軸の反対側に位置するのが心押し台です。通常の旋盤では加工物を片側で固定するため、細長い加工物ほど加工時にたわみやすくなります。心押し台は加工物の端を支えることで、たわみを防ぐ役割を持っています。

・往復台

往復台は、切削工具を前後左右に動かす送り運動を与える装置のことです。往復台の上には、切削工具を取り付ける刃物台が備えられています。

・送り装置

切削工具を縦横に動かす装置が送り装置です。往復台よりも動く範囲は狭いですが、0.01mm以下の範囲で移動させられるので、精密さを要する加工にも対応できます。

・チャック

チャックとは、加工物を取り付けて固定する装置のことで、主軸にセットして使用します。チャックの爪で加工物を挟み込む機械式が使われるケースが多いです。正面旋盤では、チャックの代わりに面盤が使用されます。

チャックには、ハンドル操作で3つの爪を開閉するスクロールチャックや、各爪が独立して動作するインデペンデントチャック、コレットという筒状の装置で加工物を挟むコレットチャックなどの種類があります。

旋盤で使用するバイトの種類

旋盤で使用するバイトは、加工物を切削する刃先部分と、刃物台に取り付けるシャンクという胴体部分からできていて、その構造によって3種類に分けることができます。旋盤で使われるバイトの種類を、構造別にご紹介します。

・スローアウェイバイト

シャンクの先端にチップと呼ばれる刃先を固定して使用するのが、スローアウェイバイトです。刃先の切れ味が悪くなった際に研磨を行う必要がなく、チップを交換するだけで使用を続けられます。 コストや生産性に優れていることから、現在広く使われています。

・ムクバイト

高速度工具鋼や超硬合金で作られた、刃先とシャンクが一体になっているバイトです。ソリッドバイトや完成バイトと呼ばれることもあります。 刃先が摩耗しても再研磨すれば使用できる、刃先を自由に成形可能できるなどのメリットがありますが、刃先の成形には技術と経験が必要です。

・付刃バイト

刃先をシャンクにロウ付けしたバイトで、ロウ付けバイトとも呼ばれます。ムクバイトと同じく、使用する際は刃先の成形が必要です。

旋盤を使用した加工方法

旋盤はバイトを取り付けて加工物を加工していきますが、使う旋盤の機能や取り付けるバイトによってさまざまな加工を行えます。その中から代表的なものをいくつかご紹介します。

・外丸削り

外径旋削とも呼ばれ、加工物の外側を円柱状に切削していく旋盤を使った基本の加工方法です。切削面は製品の寸法に直結するため、高い加工精度が求められます。

・テーパー削り

テーパーとは、「構造物の径や幅、厚みが先細りになっている形状」のことです。旋盤を使って加工物を円錐形にしていく加工をテーパー削りと呼び、刃物台の角度を調整することで、斜めにスライドするように加工物を旋削していきます。

・面削り

面削りは、加工物の端面を削る加工です。加工物の外周と中心部で回転速度が変化し、仕上げ面が荒くなりやすいため、刃物台を傾けてすくい角を小さくしたり送り速度を下げたりするなど、外周と中心部で切削条件を変える必要があります。

・ねじ切り加工

加工物にバイトを当て、ねじ山を作る加工です。ねじ切り専用のバイトを付け替えることで、おねじとめねじどちらも加工できますが、めねじ加工は内径の様子を確認できないため、加工の難易度が高くなります。

・中ぐり加工

ドリルなどを使ってあけた穴を、内径用バイトを使用して広げていく加工です。切りくずが内部に溜まりやすく、定期的に切りくず除去を行う必要があります。
また、加工する穴の深さに応じたバイトの長さが必要ですが、バイトの突き出し量が多いとたわみやびびりが発生しやすいため精度が落ちやすく、難易度が高いです。

・突切り加工

加工物の外径に切り込みを入れ、不要な部分を切り落とす加工です。突切り加工で使用するバイトは刃が細く壊れやすいため、加工物の強度が高い場合は切削油を使って摩擦を減らす、粘りの強い工具を使用するなど、刃が折れないように工夫しなければいけません。
手から伝わってくる振動や音から状況を判断して加工を進めるなど、突切り加工には一定の技術が必要です。

加工物に応じて旋盤を使い分けることが重要

さまざまな形状の加工が行える旋盤は、金属を加工する際に欠かせない機械のひとつです。しかし、知識がないまま適さない旋盤や切削工具を使うと、精度や工具寿命を落としてしまうだけでなく、作業中の事故につながる可能性もあります。 加工の精度を高め安全な作業を行うためには、加工物の材質や目的となる製品形状に応じて適切なものを使い分けることが重要です。

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