自動旋盤

金属加工や木工加工において、自動旋盤とは切削工程を自動制御する旋盤のことである。自動旋盤は1870年代に初めて開発され、機械制御されていた。1950年代にNCとCNCが登場して以来、自動旋盤という用語は一般に機械制御旋盤にのみ使用されるようになったが、一部のメーカー（DMG MoriやTsugamiなど）はスイス型CNC旋盤を「自動」として販売している。^[3]

CNCはまだ機械式自動旋盤を完全に置き換えたわけではなく、もはや生産されていないものの、多くの機械式自動旋盤が依然として稼働している。^[4]

「自動旋盤」という用語は、以前の意味で製造業で今でもよく使用され、CNC以外のタイプの自動旋盤を指します。最初の自動旋盤は機械的に自動化され、カムまたはトレーサーとパンタグラフによって制御されていました。したがって、数値制御による電子自動化以前は、「自動工作機械」という用語の「自動」は常に暗黙的に機械的自動化を指していました。

最も初期の機械的に自動化された旋盤は、ローズエンジン旋盤を含む幾何旋盤でした。機械時代の産業分野では、「自動旋盤」という用語は、機械式スクリューマシンとチャッカーを指していました。

CNC が成熟して以来、「手動対自動」という暗黙の二分法は依然として存在していますが、CNC があまりにも普及しているため、「自動」という用語はその区別力をいくらか失っています。すべての CNC 工作機械は自動ですが、機械加工業界では、それらをその用語で呼ぶことは日常的にありません。「自動」という用語は、使用される場合、暗黙的にカム操作の機械を指すことがよくあります。したがって、2 軸 CNC 旋盤は、完全に自動化されていても「自動旋盤」とは呼ばれません。

小型から中型のカム式自動旋盤は、通常、スクリュー マシンまたは自動スクリュー マシンと呼ばれます。これらのマシンは、（大まかな目安として）直径 80 ミリメートル (3.1 インチ) 、長さ 300 ミリメートル (12 インチ) までの部品を加工します。スクリュー マシンは、ほぼ例外なくバー作業 を行います。つまり、一定長さのバー ストックがスピンドルを通過し、チャック(通常はコレット チャック)でつかまれます。部品が機械加工されると、バー ストックの全長がスピンドルとともに回転します。部品が完成すると、バーから「切り離され」、チャックが解放され、バーが前方に送られ、チャックが再び閉じられて次のサイクルの準備が整います。バーの送りは、バーをつかんで引っ張るプル フィンガー ツールや、バーを後ろから押すローラー バー フィードなど、さまざまな方法で行うことができます。

大型のカム式自動旋盤は、通常、自動チャッキング旋盤、自動旋盤、自動チャッカー、オートマチック、またはチャッカーと呼ばれます。名前の「チャッカー」の部分は、ワークピースが個別のブランクであり、「マガジン」と呼ばれる容器に保持され、それぞれが順番にチャックされて機械加工されることに由来しています。（これは、半自動拳銃のマガジン内の各弾丸が順番に薬室に装填される方法に似ています。）ブランクは、個別の鍛造品または鋳造品、または事前に切断されたビレット片です。ただし、この種類の工作機械の一部は、バーワークを旋盤加工したり、センターで作業したりします（例：フェイ自動旋盤）。大径（たとえば、150ミリメートル（5.9インチ）以上）のバーワークに関しては、「スクリューマシンワーク」と呼ぶか、単に「オートマチックワーク」と呼ぶかは、単に学術的な問題です。

スクリューマシンは、小型から中型の部品を加工する自動旋盤の一種で、多種多様な旋削部品の大量生産に使用されます。スイス式スクリュー加工プロセスでは、ワークピースは切削工具の近くのガイドブッシングで支えられます。^[5]

スクリューマシンという用語の通常の定義を参考にすると、すべてのスクリューマシンは、機械的（カム経由）かCNCによるかにかかわらず、完全に自動化されています。つまり、一度セットアップして起動すると、人間の介入をほとんど必要とせずに稼働し、部品を生産し続けます。機械による自動化は 1870 年代に最初に登場し、コンピューター制御（最初は NC、次に CNC 経由）は 1950 年代に登場しました。

スクリューマシンという名前は、スクリューマシンがネジ以外の部品やネジ山のない部品を作ることができるため、ある程度換喩的です。しかし、スクリューマシンという名前が付けられた典型的な用途は、ネジを作ることでした。

スクリューマシンという用語の定義は、技術の変化とともに変化してきました。1840 年代以前にこの用語が使用されていた場合、それは、スクリューを製造するために使用されるあらゆる工作機械をその場限りで指していたでしょう。つまり、スクリューカット旋盤という用語との明確な区別はなかったでしょう。1840 年代にタレット旋盤が開発されたとき、スクリューマシンという用語は、タレット旋盤という用語と重複して使用されていました。1860 年には、タレットのインデックス付けなどの動作の一部が機械的に自動化され、自動スクリューマシンという用語が適用され、ハンドスクリューマシンまたは手動スクリューマシンという用語が、それ以前のマシンに遡って適用されました。15 年以内に、部品切断サイクル全体が機械的に自動化され、1860 年型のマシンは遡って半自動と呼ばれるようになりました。それ以来、完全に自動化されたサイクルを持つ機械は、通常、自動スクリューマシンと呼ばれ、最終的に、機械加工業界のほとんどの人々の用法では、スクリューマシンという用語は、手動または半自動のタレット旋盤を指すために使用されなくなり、完全に機械的に自動化されたタイプの1つのクラスの機械を指すようになりました。スクリューマシンのこの狭い意味は、1890年代頃から1950年代まで安定していました。（ブラウン＆シャープは、手動タレット旋盤モデルの一部を「スクリューマシン」と呼び続けましたが、ほとんどの機械工は、その用語を自動機械に使用しました。）スクリューマシンと呼ばれるこのクラス内には、シングルスピンドルとマルチスピンドル、水平タレットと垂直タレットなど のバリエーションがありました。

NC の出現により、スクリュー マシンは機械式と NC 式の 2 つのクラスに分かれました。この区別は、機械式スクリュー マシンとCNC スクリュー マシンという形で現在も続いています。ただし、現場の専門用語では、スクリュー マシンという用語自体は、依然として機械式スクリュー マシンを意味するものとして理解されることが多く、機械式スクリュー マシンというレトロニムは一貫して使用されていません。

自動チャッキングマシンは自動スクリューマシンに似ており、どちらも生産にスピンドルを使用します。ワークピースの穴あけ、穴あけ、切断が可能なスピンドルを使用することで、両方のマシンで同時に複数の機能を実行できます。これらのマシンの主な違いは、自動チャッキングマシンはより大きなワークを処理できることです。サイズが大きいため、チャッキング作業が多く、バー作業は少なくなります。^[6]フェイ自動旋盤は、センターでの旋削作業に特化したバリエーションでした。スクリューマシンは実際には約80ミリメートル（3.1インチ）に制限されていますが、最大300ミリメートル（12インチ）のチャックを処理できる自動チャッキングマシンが利用可能です。チャックは空気圧式です。これらのマシンの多くはマルチスピンドル（複数のメインスピンドル）です。

このような機械の有名なブランドとしては、National-Acme、Hardinge、New Britain、New Britain-Gridley、Acme-Gridley、Davenport、Bullard Mult-Au-Matic（垂直多軸型）、Thomas Ryder and Son などがあります。

自動チャッカーは、自動車業界へのOEM部品サプライヤーなど、狭い業界ニッチに特化した工作機械の一種です。その経済的ニッチは、比較的少数の企業でのみ行われる傾向にある大型部品の大量生産に限定されています (小規模な企業が行う小規模な作業と比較すると)。このような工作機械の市場には、通常、地元のジョブショップや工具・金型工場は含まれません。

カム操作チャッカーは、他のほとんどの非 CNC 工作機械クラスよりも急速に歴史の中に消えつつあります。これは、カム操作チャッカーを所有する少数の企業が、競争して生き残るために、常に最新の技術 (現在はすべて CNC) に適応せざるを得ない傾向があるためです。カム操作チャッカーは、他のタイプの非 CNC 工作機械よりも廃棄される可能性が高いかもしれません。「おじいさんのサウスベンド旋盤」や「お父さんの古いブリッジポートニー ミル」とは異なり、感傷的な理由だけでカム操作チャッカーを保管して使用する余裕のある人は、事実上誰もいません。ほとんどの非デジタル商用タイプセッティング機械 ( Linotype マシンなど)と同様です。

機械式スクリューマシンは、 CNC 旋盤(ターニング センター) と CNC スクリューマシンにある程度置き換えられましたが、これらは今でも一般的に使用されており、旋削部品の大量生産では、機械式スクリューマシンほどコスト効率の高いものはないというのが、今でもよくある事実です。

製造機械の階層では、大量の製品が必要な場合、スクリュー マシンが最上位に位置します。エンジン旋盤は最下位に位置し、セットアップにかかる時間は最も短いですが、実際に部品を製造するには最も熟練した労働力と時間が必要です。タレット旋盤は、従来、エンジン旋盤より 1 段階上の位置にあり、セットアップに時間がかかりますが、より多くの製品を製造でき、セットアップ プロセスが完了すると、通常はそれほど熟練していないオペレーターで済みます。スクリュー マシンは、大規模なセットアップが必要になる場合がありますが、いったん稼働すると、1 人のオペレーターが複数のマシンの動作を監視できます。

CNC 旋盤 (より正確には CNC ターニング センター) の出現により、これらの明確な生産レベルはある程度曖昧になりました。CNC ターニング センターは、タレット旋盤に代わる中程度の生産レベルに最も適しています。ただし、CNC ターニング センターを使用すると、エンジン旋盤よりも迅速に単一のコンポーネントを生産できることがよくあります。また、CNC ターニング センターは、ある程度、従来 (機械式) スクリュー マシンが占めていた領域に踏み込んでいます。CNC スクリュー マシンは、これよりも高いレベルでこれを実現しますが、高価です。場合によっては不可欠ですが、他の場合には、機械式マシンが全体的なパフォーマンスと収益性で同等または上回ることができます。カム操作式自動旋盤がサイクル タイムで CNC に勝つことは珍しくありません。^{[4] CNC には、CAD/CAM 統合をはじめ多くの利点がありますが、CNC 自体は、通常、自動旋盤サイクルのコンテキスト内で}、速度と送り、またはツール交換速度に関して、固有の速度の利点を提供しません。特定の会社で特定の部品にどれが最適かという質問に答えるには、多くの変数が関係します。(諸経費も計算の一部です。特に、ほとんどのカムオペレーションマシンは支払いがずっと前に済んでいるのに対し、最新モデルのCNCマシンは毎月の支払いが高額であるためです)。カムオペレーションマシンに依存している企業は、今日のCNCが溢れる環境でもまだ競争しています。その状態を維持することに注意し、賢く行動する必要があるだけです。^[4]

多軸分野では、工作機械メーカーの中には、CNCと旧式の制御を組み合わせたハイブリッドマシン（一部のステーションではCNC、その他ではカム操作または単純な油圧サイクルで作動）を製造するところもあります。これにより、特定の作業の組み合わせを扱うショップは、オールCNCマシンに比べて低コストで競争上の優位性を得ることができます。^[7]特定のニッチ市場で収益性の高い生産を可能にするマシンの多様性は、存在する作業の多様性を反映しています。一部の大量作業はカム操作の領域のままであり、すべての機能を備えたフルCNCは、一部の柔軟な少量作業で競争力を発揮します。ハイブリッドマシンは、その中間の組み合わせで最低の単価を生み出す可能性があります。

自動旋盤には、1 本のスピンドルまたは複数のスピンドルがあります。各スピンドルには、同時に加工される材料の棒またはブランクが入っています。一般的な構成は 6 本のスピンドルです。これらの 6 本の材料の棒を保持するケージは、各加工操作の完了後にインデックスを作成します。インデックス作成はガトリング ガンを彷彿とさせます。

各ステーションには、材料を順番に切断する複数のツールがあります。ツールは通常、タレット (回転インデックス)、水平スライド (直線インデックス)、垂直スライド (直線インデックス) などの複数の軸に配置されています。直線グループは「ギャング」と呼ばれます。これらすべてのツールの操作は、タレット旋盤の操作と同様です。

例を挙げると、棒状の材料がスピンドルを通って前方に送られます。棒の表面が機械加工されます (面取り操作)。棒の外側が機械加工されて形が整えられます (旋削操作)。棒に穴を開けたり、くり抜いたりして、最後に部品を切り取ります (パーティング操作)。

シングルスピンドルマシンでは、これら 4 つの操作は順番に実行され、4 つのクロススライドがそれぞれ順番に所定の位置に配置されて操作を実行します。マルチスピンドルマシンでは、各ステーションは生産シーケンスの段階に対応し、各ピースはそこで循環され、すべての操作は同時に実行されますが、異なるワークピースに対して実行されます。これは、組立ラインのようなものです。

複雑な形状の加工には、一般的にフォーム ツールが使用されます。これは、切削工具が通常シングル ポイント ツールであるエンジン旋盤で実行される切削とは対照的です。フォーム ツールは最終部品の形状または輪郭を逆向きに持つため、材料を切削して目的のコンポーネント形状を残します。これは、一度に 1 つのポイントを切削し、コンポーネントの形状がツールの形状ではなく動きによって決まるシングル ポイント ツールとは対照的です。

旋盤とは異なり、シングルポイントねじ切りはほとんど行われません。これは、ねじ切り機に典型的な短いサイクル時間では時間がかかりすぎるためです。セルフリリースダイヘッドは、外径のねじをすばやく切断またはロール成形できます。タップ付きの非リリースタップホルダーは、内径をすばやく切断できますが、タップをワークから取り外すには、シングルスピンドルマシンを高速に逆転させる必要があります。ねじ切りとタッピングの速度 (低速) は、通常、高速の 1/5 です。

回転ブローチ加工も一般的な作業です。ブローチ ホルダーは固定されており、内部のライブ スピンドルとエンド カッティング ブローチ ツールはワークピースによって駆動されます。ブローチがワークピース内またはワークピースの周囲に送り込まれると、ブローチの接触点が常に変化し、簡単に希望の形状が作成されます。この方法で作成される最も一般的な形状は、キャップ スクリューの端にある 六角ソケットです。

産業分野における自動旋盤の歴史はねじ加工機から始まりましたが、その歴史はねじ製造全般の文脈でのみ真に理解することができます。したがって、以下の説明は、前世紀のねじ製造の簡単な概要と、それが 19 世紀、20 世紀、21 世紀の実践にどのように進化したかから始まります。

人類は古代からネジを作ってきました。そのほとんどの時代、ネジを作るには、一般的に各ネジのネジ山を手作業で削ったりやすりで削ったりして切り出していました。他の古代の方法には、心棒（棒や金属棒など）に針金を巻き付けたり、蔓でらせん状に巻かれた木の枝を彫ったりするなどがありました。

ねじ製造に潜在的に役立つさまざまな機械要素（旋盤、親ねじ、スライドレスト、ギア、スピンドルに直接ギアが接続されたスライドレスト、および「ギアチェンジ」ギアトレインなど）が何世紀にもわたって開発され、それらの要素のいくつかはかなり古いものでした。中世とルネッサンス期のさまざまな発明力がこれらの要素のいくつかを組み合わせてねじ製造機が作られ、その後の産業時代の先駆けとなりました。たとえば、歴史に名前が消えた中世のさまざまな発明家が明らかにこの問題に取り組んでいたことは、ヴォルフエッグ城の中世ハウスブック（1475-1490年頃に執筆）に示されているとおりです。^[8]また、レオナルド ダ ヴィンチとジャック ベッソンは1500年代にねじ切り機の図面を残しています。^[8]これらの設計のすべてが製造されたとは知られていませんが、ベッソンの存命中に同様の機械が現実のものであったことは明らかです。しかし、1760年から1800年^[9]になって初めて、これらのさまざまな要素がうまく統合され、2つの新しいタイプの工作機械が（同時期に）開発されました。1つは、ねじ切り旋盤（さまざまなピッチを簡単に選択できる、工具室スタイルの機械ねじの少量生産用）で、もう1つは、木ねじ（木材に使用する金属製のねじ）を大量かつ低価格で製造するために開発された、ねじ製造用の最初の大量生産専用の単一目的工作機械です。ねじ切り旋盤は、ちょうど黎明期にあった近代機械工場の発展に貢献したが、木ねじ製造機は、ちょうど黎明期にあった近代金物産業の発展に貢献した。すなわち、1 つの工場で何千もの顧客のニーズを満たすという概念である。顧客は、大工仕事、家具製造、その他の職業でねじをますます大量に消費するが、金物自体は作らない（代わりに、資本集約型の専門メーカーから、独自で達成できるよりも低い単価で購入する）のである。これら 2 種類の工作機械は、同時にさまざまな種類のねじを取り上げ、初めて、それらを、高価で手作りでめったに使用されない物体というカテゴリーから、手頃な価格で頻繁に交換可能な 商品というカテゴリーに移行させた。（互換性は、企業内から企業間、国内、国際へと 徐々に発展した）。

1800年から1840年にかけて、機械ねじ加工の分野では、関連するねじ切り機械の要素をすべてエンジン旋盤に組み込むのが一般的になったため、「ねじ切り旋盤」という用語は、他の金属加工旋盤と対照的に「特殊な」種類の旋盤として使用されなくなりました。一方、木ねじ加工の分野では、金物メーカーが自社内での使用を目的に、ねじ製造用の初の完全自動[機械的に自動化された]専用工作機械を開発しました。^[10] 1760年から1840年の開発弧は驚異的な技術進歩でしたが、その後の進歩により、ねじはさらに安価になり、再び普及しました。これは、1840年代にエンジン旋盤にタレットヘッドツールホルダーを取り付けてタレット旋盤を作成したことから始まりました。この開発により、機械オペレーターが各機械ねじを製造するために必要な時間、労力、スキルが大幅に削減されました。中量から大量の反復生産では、シングルポイント加工は廃止され、代わりにダイヘッド切削が採用されました。その後、1870 年代に、タレット旋盤の部品切削サイクル (一連の動作) は、カム制御下に置かれ、オルゴールや自動ピアノが自動的に曲を演奏するのと非常によく似た方法で自動化されました。Rolt (1965) によると、 ^[11]このような機械を開発した最初の人物は、ニューイングランドの発明家であるChristopher Miner Spencerでした。Charles Vander Woerd は、同時期に独立して Spencer の機械に似た機械を発明した可能性があります。しかし、1840 年代と 1850 年代の木ねじ製造機械 [小規模な機械工場の機械ではなく、工場で生産するための特殊目的の機械]、たとえばニューイングランド スクリュー カンパニーのカレン ウィップルやアメリカン スクリュー カンパニーのトーマス J. スローン^[10]が開発した機械は、自動化されたねじ製造の問題に異なる商業的角度からアプローチしていたものの、さまざまな点でスペンサーとヴァンダー ウォルドの機械を先取りしていました。上記のすべての機械 (ねじ切り旋盤、適切に装備されたエンジン旋盤とベンチ旋盤、タレット旋盤、タレット旋盤から派生したねじ機械、木ねじ工場のねじ機械) は、この時代には「ねじ機械」と呼ばれることがありました (ねじ製造用に調整された機械であることを考えると、当然のことです)。「ねじ機械」という用語がそれよりも狭い意味で使われることが多いという命名法の進化については、上で説明しました。

スペンサーは1873年にこのアイデアの特許を取得したが、彼の特許はスペンサーが「ブレインホイール」と呼んだカムドラムを保護することができなかった。^[11]そのため、他の多くの人々がすぐにこのアイデアを採用した。その後の全自動旋盤の重要な開発者には、ブラウン・アンド・シャープのためにシングルスピンドルマシンを開発したSL・ウォースリー、^[11]エドウィン・C・ヘン、ラインホルト・ハーケヴェッセル、およびジョージ・O・グリッドリーがおり、グリッドリーはマルチスピンドルの変種を開発し、一連の企業（アクメ、ナ​​ショナル、ナショナル・アクメ、ウィンザー・マシン・カンパニー、アクメ・グリッドリー、ニューブリテン・グリッドリー）に関与した。^{[11] [12] [13]}ブルラード・マルチオーマチックの開発を主導したエドワード・P・ブラード・ジュニア、^{[2] [14]}フェイ自動旋盤を開発したFCフェイとオットー・A・シャウム^[15] ラルフ・フランダースと彼の兄弟アーネストはフェイ旋盤^[15]をさらに改良し、自動ねじ研削盤を開発した。一方、スイスのエンジニアも新しい手動および自動制御の旋盤を開発していた。アメリカとスイスの技術開発は、工作機械の輸出、業界誌の記事や広告、万国博覧会から地域イベントまでの展示会、エンジニア、セットアップ担当者、オペレーターの入れ替わりや移住などのルートを通じて、他の工業化国に急速に流入した。そこでは、地元の革新者たちも機械用の工具をさらに開発し、クローン機械モデルを構築した。

数値制御の開発は、自動旋盤の歴史における次の大きな飛躍であり、また「手動対自動」の区別の意味するパラダイムを変えたものでした。1950 年代初頭、手動旋盤とカム操作スクリュー マシンは NC 旋盤に置き換えられ始めましたが、古い技術が CNC に置き換えられたのは、今日でも完全に消え去ったわけではない、長く緩やかな弧を描いています。1980 年代までには、真の CNC スクリュー マシン (より単純な CNC 旋盤とは対照的)、スイス式および非スイス式が、カム操作スクリュー マシンの領域に本格的に進出し始めました。同様に、CNC チャッカーが開発され、最終的には CNCロータリー トランスファー マシンにまで進化しました。これらの工作機械は、自動車製造部門以外ではほとんど知られていません。

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• スミッド、ピーター（2008）、CNCプログラミングハンドブック（第3版）、ニューヨーク：インダストリアルプレス、ISBN 9780831133474、LCCN  2007045901。

• 1965 年製のカム操作式スクリューマシンの動作を示す YouTube ビデオ。
• 別のカム操作スクリューマシンを紹介する YouTube ビデオ。