旋盤とは? 汎用旋盤とNC旋盤の違いや旋盤を使用した加工方法をご紹介

旋盤とは? 汎用旋盤とNC旋盤の違い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。溝加工や外径加工、内径加工、ねじ加工、面取りなどが行え、切削を行う機械加工の中では活躍の場面が多いです。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。フライス盤は、形状が四角いものの加工に向いているのが特徴です。

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。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れば、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旋盤の中でも、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。

・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、大型製品の加工も可能です。

・正面旋盤

主軸が地面に対して平行の旋盤です。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を行えます。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く、連続加工が行いやすい点がメリットです。
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。しかし、タレット旋盤なら、あらかじめ切削工具を着けておけば、タレットを回して工具を切り替えることが可能です。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、一般的にはターニングセンタと呼ばれます。刃物台にエンドミルやドリルのといった工具を装着でき、穴あけや中ぐり加工を行えるのが特徴です。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。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。

基本的な旋盤の構造

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

往復台とは、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す。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が、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。

汎用旋盤とNC旋盤の特徴比較

手動で加工を行う汎用旋盤と、コンピューターによる数値制御で加工を行うNC旋盤は、それぞれ異なる特徴を持っています。両者の特徴を理解して、用途ごとに使い分けることが重要です。汎用旋盤のメリット・デメリットを、NC旋盤と比較しながらご紹介します。

・汎用旋盤のメリット

汎用旋盤は、NC旋盤とは異なり加工の手順などを示したプログラム作成を行う必要がありません。商品の設計図さえあれば、すぐに加工に取り掛かれます。作業中にミスや仕様変更が起こっても手直ししやすく、作業員は機械の近くにいるため、都度刃物を取り換えながら加工を行うことも可能です。

一方で、NC旋盤は加工前にプログラムを作成する必要があります。自動で高精度な加工を行えるものの、作業までの段取りに時間がかかる点はデメリットといえるでしょう。また、加工終了までミスを発見しにくく、修正のためにプログラムを変更する必要がある点も、NC旋盤ならではのデメリットです。

・汎用旋盤のデメリット

手作業で行う汎用旋盤は、加工の品質や作業スピードが作業者の腕に大きく左右されます。加工中は作業員がつきっきりで機械を動かす必要があるため、工数も必要です。仕様が定まっていない試作品や小ロット、単品の加工には適していますが、大量生産の用途には向きません。
一方、自動で加工を行えるNC旋盤は、作業者に品質が左右されることはなく、一度プログラムを設定してしまえば、同じ品質の商品を大量生産できます。

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

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。外径旋削とも呼ばれます。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ビビ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。

旋盤による加工時の注意点

旋盤を使った加工を行う際に、操作を間違えると大きな事故や作業員の怪我などが発生する恐れがあります。安全に加工を行うために、加工の際は以下の点に注意が必要です。

・作業時の服装

加工時は作業着や安全靴、保護メガネなどを着用することを心がけましょう。長袖長ズボンが基本で、軍手は着用してはいけません。また、工具や機械に巻き込まれないよう、作業中は正しい姿勢を保つことも大切です。

・汎用旋盤は立ち位置にも注意

汎用旋盤を使用する場合は、立ち位置にも注意が必要です。機会に近い位置で加工を行わなければいけないため、切り屑が飛んできたり、最悪の場合は工作物そのものが飛んできたりすることも考えられます。
切り屑が飛んでくる位置に立って作業するのは避けることが重要です。また、加工中の刃物に顔を近づけたり、回転が止まっていない材料や部品に触れたりするのも避けてください。

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、製品形状などに応じて、適切なものを使い分けることが重要です。

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