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工作機械は、金属またはその他の硬質材料を加工または処理するための機械であり、通常は切削、穴あけ、研削、せん断、またはその他の変形によって加工します。工作機械は、切削または成形を行う何らかの工具を使用します。すべての工作機械には、工作物を拘束し、機械部品のガイド付き動作を提供する手段があります。したがって、工作物と切削工具間の相対的な動き（ツールパスと呼ばれる）は、完全に「自由」または「フリーハンド」ではなく、少なくともある程度は機械によって制御または拘束されます。これは、切削工具と作業物の間の必要な相対運動を管理し、作業材料のサイズと形状を変更するのに役立つ動力駆動の金属切削機械です。[ 1 ]
工作機械という用語の正確な定義は、使用者によって異なる。すべての工作機械は「人が物を作るのを助ける機械」であるが、すべての工場機械が工作機械であるとは限らない。
今日では、工作機械は通常、人間の筋肉以外の動力源（例えば、電気、油圧、またはラインシャフトによる動力）によって駆動され、切削やその他の特定の種類の変形を含む様々な方法で製造部品（コンポーネント）を製造するために使用されている。
工作機械はその本来の精度により、互換性のある部品の経済的な生産を可能にした。
多くの技術史家は、真の工作機械は、少なくともある程度は、工具経路が機械自体によって初めて何らかの方法でガイドされるようになったときに誕生したと考えている。つまり、切削や成形プロセスで使用されるガイドが、もはや手、足、または口による工具経路の直接的かつ自由な人間のガイドではなくなったのである。この定義の見方では、それまですべての工具が手工具であった時代に生まれたこの用語は、単に「手工具ではなく機械である工具」のラベルを提供したにすぎない。中世後期以前の初期の旋盤、および現代の木工旋盤や陶芸用ろくろは、主軸台スピンドル自体をどのように見るかによって、この定義に当てはまる場合と当てはまらない場合がある。しかし、切削工具の経路を直接機械的に制御する旋盤の最も古い歴史的記録は、1483年頃のねじ切り旋盤である。[ 2 ]この旋盤は「木材からねじ山を製造し、真の複合スライドレストを使用していた」。[ 2 ]
1930年代、米国国立経済研究所（NBER）は工作機械の定義を「手以外の動力で動作し、工具を用いて金属を加工する機械」と参照した。[ 3 ]
この用語の最も狭義の口語的な意味は、金属切削を行う機械、つまり、従来型の機械加工や研削など、多くの種類の加工のみを指します。これらの加工は、切削屑を生み出す変形の一種です。しかし、経済学者は、切削屑を生じさせずに金属を成形する他の種類の金属変形、例えば圧延、金型によるプレス加工、せん断、スウェージング、リベット打ちなども含めた、やや広い意味でこの用語を使用します。したがって、プレス機は通常、工作機械の経済学的定義に含まれます。例えば、マックス・ホランドは、バーグマスターとフーダイユの歴史[ 4 ]の中で、この広い定義を使用しています。これは、1940年代から1980年代までの工作機械産業全般の歴史でもあります。彼は、フーダイユ自身や業界の他の企業が使用していた用語の意味を反映していました。工作機械の輸出入や同様の経済トピックに関する多くのレポートでは、この広い定義が使用されています。
従来の金属切削を意味する口語的な意味も、数十年にわたる技術の変化により時代遅れになりつつあります。放電加工、電気化学加工、電子ビーム加工、光化学加工、超音波加工、さらにはプラズマ切断やウォータージェット切断など、最近開発された「機械加工」と呼ばれる多くのプロセスは、最も論理的に工作機械と呼ばれる機械によって実行されることがよくあります。さらに、材料を切削するのではなく、むしろ材料を追加する、新しく開発された積層造形プロセスの一部は、場合によっては工作機械と呼ばれることになる機械によって実行されます。実際、工作機械メーカーはすでに、切削加工と積層造形の両方を1つの作業領域に含む機械を開発しており[ 5 ]、既存の機械の改造も進行中です[ 6 ] 。
現代の精密工学では、工作機械部品の精度は、ハースジョイントの使用によって維持されることが多い。このカップリングは、CNC回転テーブルやツールタレットなどの部品の高精度位置決めにおける業界標準である。そのストレート歯形状は、最大の静的剛性と位置再現性を提供し、機械が加工プロセス中の大きな切削力に耐えながらミクロンレベルのアライメントを維持することを保証する。[ 7 ]
工作機械の先駆けとしては、紀元前2500年以前の古代エジプトに存在していた弓錐やろくろ、そして少なくとも紀元前1000年から500年の間にヨーロッパの複数の地域で存在していたことが知られている旋盤などがある。[ 8 ]しかし、工作機械という現代的な概念、つまり金属部品の製造にツールとして使用され、機械誘導ツールパスを組み込んだ機械のクラスが進化し始めたのは、中世後期と啓蒙時代になってからである。中世の時計職人やレオナルド・ダ・ヴィンチのようなルネサンス人は、産業用工作機械の前提条件に向けて人間の技術的環境を拡大するのに貢献した。18世紀と19世紀、そして多くの場合20世紀においても、工作機械の製作者は、最終製品（製造品）を生産するためにそれらを使用する人々と同じ傾向があった。しかし、こうしたルーツから、今日私たちが定義するような工作機械メーカーという産業も発展してきた。つまり、他者に販売するための工作機械の製造を専門とする人々である。
工作機械の歴史家は、工作機械の開発を最も促進した少数の主要産業に焦点を当てることが多い。歴史的に出現した順に、それらは銃器（小火器と大砲）、時計、繊維機械、蒸気機関（定置式、船舶用、鉄道用など）（ワットが正確なシリンダーを必要としたことがボルトンのボーリングマシンの開発を促した経緯については、ロー[ 9 ]が論じている）、ミシン、自転車、自動車、航空機である。このリストには他にも含めることができるが、それらは既に挙げた根本原因と関連している傾向がある。例えば、転がり軸受はそれ自体が一つの産業だが、この産業の主な開発の原動力は既に挙げた乗り物、つまり列車、自転車、自動車、航空機であり、トラクター、農具、戦車などの他の産業は、同じ親産業から大きく影響を受けている。
工作機械は、1700年代半ばから後半にかけてのイギリスの産業革命で繊維機械によって生じたニーズを満たしました。 [ 9 ] それまでは、機械は主に木材で作られており、歯車やシャフトも含まれていました。機械化の進展に伴い、より多くの金属部品が必要となり、それらは通常、鋳鉄または錬鉄で作られていました。鋳鉄は、エンジンのシリンダーやギアなどの大きな部品を型に入れて鋳造することができましたが、やすりで加工するのが難しく、ハンマーで叩くこともできませんでした。赤熱した錬鉄は、ハンマーで叩いて形作ることができました。室温の錬鉄は、やすりや鑿で加工でき、歯車やその他の複雑な部品を作ることができましたが、手作業では精度が低く、時間がかかり、コストもかかりました。
ジェームズ・ワットは最初の蒸気機関用の正確な穴あけ加工されたシリンダーを入手できず、数年間試行錯誤したが、 1774年にジョン・ウィルキンソンが適切な穴あけ機を発明し、1776年にボルトン＆ワットの最初の商用機関の穴あけ加工を行った。[ 9 ] [ 10 ]
工作機械の精度向上はヘンリー・モーズレーに遡り、ジョセフ・ウィットワースによって改良された。モーズレーが1809年頃、ロンドンのテムズ川南岸のウェストミンスター・ロードにあった自身の工房（モーズレー＆フィールド）でマスタープレーンゲージの製造と使用を確立したことは、1829年にモーズレーに雇われたジェームズ・ナスミス[ 11 ]によって証明されており、ナスミスは自伝の中でその使用について記録している。
マスタープレーンゲージの製造方法は古代にまで遡りますが、モーズレー工房で前例のないほど洗練されました。この工程は、それぞれに識別番号（例：1、2、3）が付けられた3枚の正方形のプレートから始まります。最初のステップは、プレート1と2をマーキング剤（今日ではブルーイングと呼ばれる）でこすり合わせ、凸面が現れたら、鋼鉄製のスクレーパーで手作業で削り取り、凹凸がなくなるまで繰り返します。この方法では真の平面は得られませんが、凹面同士、凸面同士が「ボールアンドソケット」のようにぴったりと嵌まり合います。これは、2枚の完全な平面のように機械的に嵌まり合うため、互いに滑り合い、凸面が現れないからです。凹面と凸面が「ポテトチップス」のように曲がるのをなくすため、プレート2をプレート1に対して90度回転させた後、こすり合わせとマーキングを繰り返します。次に、プレート3をプレート1と比較し、同じ2回の試行でプレート1に合うように削ります。こうして、プレート2とプレート3は同一になります。次に、プレート2と3を互いに比較して、両方のプレートが「ボール状」か「ソケット状」か「チップ状」か、あるいはそれらの組み合わせかを判断します。その後、高い部分がなくなるまで削り、プレート1と比較します。この3枚のプレートを比較して削るプロセスを繰り返すことで、100万分の1インチ（マーキング媒体の厚さ）以内の精度で平面を得ることができます。
従来の表面ゲージの製作方法では、研磨粉をプレート間に擦り付けて高い部分を取り除く方法でしたが、ウィットワースは研削を手作業による削り取りに置き換えることで改良を加えました。1825年以降のある時期に、ウィットワースはモーズレーのもとで働き始め、そこでマスター表面平面ゲージの手作業による削り取りを完成させました。1840年にグラスゴーで開催された英国科学振興協会で発表した論文の中で、ウィットワースは、研磨材の制御ができないためプレート間の研磨材の分布が不均一になり、プレートからの材料の除去が不均一になることから、研削には本質的に不正確さがあることを指摘しました。
このような高精度のマスタープレーンゲージが作られたことで、工作機械のすべての重要なコンポーネント（つまり、機械のウェイなどのガイド面）をそれらと比較し、所望の精度に削り出すことができるようになった。[ 9 ] 最初に販売された（つまり、市販された）工作機械は、1800 年頃にイギリスのマシュー・マレーによって作られた。 [ 12 ]ヘンリー・モーズレー、ジェームズ・ナスミス、ジョセフ・ウィットワースなどの他の人々も、すぐに製造された最終製品や機械工の仕事から、販売用の工作機械の製造の領域へと起業家精神を拡大する道を辿った。
初期の重要な工作機械には、スライドレスト旋盤、ねじ切り旋盤、タレット旋盤、フライス盤、パターントレース旋盤、シェーパー、金属プレーナーなどがあり、これらはすべて 1840 年以前に使用されていました。[ 13 ]これらの工作機械により、互換性のある部品を製造するという数十年来の目標がついに実現しました。現在では当然のこととなっているものの重要な初期の例として、ナットやボルトなどのねじ締結具の標準化があります。19 世紀初頭頃までは、これらはペアで使用され、同じ機械のねじでさえ一般的には互換性がありませんでした。[ 14 ]使用されている旋盤の送りねじよりも高い精度でねじ山を切削する方法が開発されました。これが19 世紀から 20 世紀初頭の棒材の長さの標準につながりました。
アメリカにおける工作機械の生産は、第二次世界大戦における連合国の勝利の決定的な要因であった。戦争中、アメリカにおける工作機械の生産量は3倍に増加した。第二次世界大戦ほど工業化された戦争はなく、この戦争は機関銃だけでなく機械工場によっても勝利したと書かれている。[ 15 ] [ 16 ]
工作機械の生産は、中国、日本、ドイツ、イタリア、韓国、台湾、スイス、米国、オーストリア、スペインなど、世界約10カ国に集中している。工作機械の革新は、世界各地の複数の公的および民間の研究機関で継続的に行われている。
スレーター氏が製作した綿織機用の鉄の旋削加工はすべて、手ノミ、または手動クランクで回転させる旋盤の工具を用いて行われた。
工作機械はさまざまな動力源から動かすことができます。過去には、人力や動物の力（クランク、踏み車、トレッドミル、または踏み車を介して）や水力（水車を介して）が使われていましたが、19 世紀半ばに高圧蒸気機関が開発されてからは、工場では蒸気動力がますます使われるようになりました。工場では油圧動力や空気圧動力も使われていました。多くの小規模な作業場では、 1900 年以降の電化まで、水力、人力、動物の力を使い続けていました。[ 18 ]
現在、ほとんどの工作機械は電気で動いている。油圧や空気圧が使われることもあるが、これは一般的ではない。
工作機械は、手動で操作することも、自動制御で操作することもできます。[ 19 ] 初期の機械は、フライホイールを使用して動作を安定させ、機械と加工対象物を制御するために複雑な歯車とレバーのシステムを備えていました。第二次世界大戦後まもなく、数値制御（NC）工作機械が開発されました。NC工作機械は、紙テープまたはパンチカードにパンチされた一連の数値を使用して動作を制御しました。1960年代には、プロセスにさらに柔軟性を持たせるためにコンピュータが追加されました。このような機械は、コンピュータ数値制御（CNC）工作機械として知られるようになりました。NCおよびCNC工作機械は、シーケンスを何度も正確に繰り返すことができ、最も熟練した工具オペレーターよりもはるかに複雑な部品を生産することができました。
やがて、機械は使用する切削工具や成形工具を自動的に切り替えることができるようになった。例えば、ドリルマシンには、さまざまなサイズの穴を開けるためのドリルビットを収納したマガジンが備わっている。従来は、機械オペレーターが手動でビットを交換するか、ワークピースを別のステーションに移動させてこれらの異なる作業を行う必要があった。次の論理的なステップは、複数の異なる工作機械をコンピュータ制御で組み合わせることだった。これらはマシニングセンタと呼ばれ、部品の製造方法を劇的に変革した。
工作機械の例としては、以下のようなものがあります。
部品の製造や成形を行う際、不要な金属を除去するためにいくつかの技術が用いられます。その中には以下のようなものがあります。
目的の材料を添加するために、他の技術も用いられる。材料を選択的に添加することで部品を製造する装置は、ラピッドプロトタイピングマシンと呼ばれる。
市場調査会社ガードナー・リサーチの調査によると、2014年の工作機械の世界市場規模は約810億ドルでした。[ 20 ]工作機械の最大生産国は中国で、生産額は238億ドルでした。次いでドイツと日本がそれぞれ129億ドルと128億8000万ドルで同額でした。[ 20 ]韓国とイタリアはそれぞれ56億ドルと50億ドルの収益で、上位5カ国に入りました。[ 20 ]
工作機械メーカーの伝記であり、業界の一般的な歴史も含まれている。