工作機械｜工作機械の定義と種類,マザーマシーン

2018.10.15

工作機械

工作機械（こうさくきかい）とは、金属、プラスチック、木材などの材料を削る、切る、穴を開けるといった加工を施し、必要な形状や精度に仕上げるための機械の総称である。あらゆる工業製品を製造するための部品を作ることから「マザーマシン（母なる機械）」と呼ばれ、近代的な製造業の根底を支える最重要の生産財として位置づけられている。高精度な工作機械が存在しなければ、自動車のエンジンやスマートフォンの微細な部品、航空機のエンジンブレードなどは一切製造することができない。現代においては、コンピュータ数値制御（NC）によって動作を自動化したNC工作機械や、それを発展させたマシニングセンタが主流となっており、ミクロン単位の超精密な加工を高速かつ再現性高く実行することが可能となっている。

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工作機械の基本原則と「三要素」

工作機械が機能を発揮するためには、主に「主軸（しゅじく）」「送り機構」「制御装置」の三つの要素が調和して動作する必要がある。主軸は工具または工作物を高速で回転させ、加工に必要な切削エネルギーを供給する心臓部である。送り機構は、工具を目的の場所へ正確に移動させるための移動装置であり、近年ではサーボモータとボールねじを組み合わせることで、極めて微細な位置決め精度を実現している。これらを司る制御装置は、あらかじめ入力されたプログラムに従って各部の動きを同期させ、複雑な3次元形状を削り出す。これらの要素が高い剛性を持つ「ベッド」と呼ばれる土台の上に構築されることで、加工中に発生する激しい振動を抑え込み、長期間にわたって高い加工精度を維持することが可能となるのである。

マザーマシーン

工作機械は、マザーマシーンとよばれる。工作機械は、「機械の原点」であり、あらゆる機械を構成している機械部品を作り出していることからこう名付けられた。

JIS規格

工作機械とは、主として金属の工作物を、切削、研削などによって、または電気、その他のエネルギーを利用して不要部品を取り除き、所要の形状を作り上げる機械である。ただし、使用中、機械を手で保持したり、マグネットスタンドによって固定するものを除く。

工作機械の特徴

  1. 機械を作る機械（マザーマシーン）であり、すべての産業の基礎である。
  2. 母性原理が成り立つ
  3. 変位規準の設計（剛性設計）を基本としている
  4. 自分が生み出す製品により、自分自身がさらに進歩する

主要な工作機械の種類と分類

加工の方法や目的によって、工作機械は多種多様な形態に分類される。加工の目的に応じてそれぞれの工作機械が使われる。最も代表的なものとして、工作物を回転させて刃物で削る「旋盤（せんばん）」と、回転する刃物に対して工作物を移動させて削る「フライス盤」が挙げられる。これらを複合化し、自動で工具を交換する機能（ATC）を備えたものがマシニングセンタであり、現代の工場における主力機となっている。また、硬度の高い材料を火花による熱で溶かして加工する「放電加工機」や、砥石を用いて鏡面のような滑らかな表面に仕上げる「研削盤（けんさくばん）」など、用途に応じた専門的な機械が使い分けられている。

旋盤

旋盤は、工作物を回転させ、刃物（バイト）など静止工具を使用して外丸、削り、中ぐり、突切り、正面削り、ねじ切りなどの切削加工を行う機械である。もっとも基本的な工作機械といえる。一般的な汎用旋盤において三つ爪スクロールチャックに材料を直接加えた場合、偏心軸加工のように中心軸がずれる切削はできない。また、回転運動であることから、軸方向に直線的な切削加工もできず、円・筒状のものを加工するために使われる。

フライス盤

フライス盤は、主軸に取り付けた刃物（フライスカッタやエンドミル）を回転させ、工作物に送り運動を与えて切削加工を行う機械である。旋盤ともに代表的な工作機械としてあげられる。基本的には、角物部品を切削の対象とする。

中ぐり盤

中ぐり盤は各種の穴を高精度に仕上げる機能をもった工作機械である。フライス盤のような加工も行うことが出来る。

平削り盤

平削り盤は、テーブルに取り付けられた工作物を水平往復運動させ、刃物（バイト）は工作物の運動方向と直角方向に移動させながら、主として大きい工作物の平面削り加工を行う機械である。

形削り盤

形削り盤は、刃物（バイト）が水平往復運動し、テーブルに取り付けられた工作物は、刃物（バイト）の運動と直角方向に移動させながら、主として小さい工作物の形削り加工を行う機械である。

平面研削盤

平面研削盤は、角物や板物の表面（平面）、丸物の端面などを対象に、といし車を高速で回転させ、研削する機械である。仕上げ加工で用いられる。

円筒面加工用研削盤

円筒面加工用研削盤は砥石と呼ばれる工具を使って丸物部品の外周や内面を高精度にしあげるための工作機である。代表的な物として円筒研削盤や心なし研削盤があげられる。円筒研削盤は、円筒形工作物の外面を研削する機械である。一方、心なし研削盤は、支持刃と調整車で工作物を支えて研削する機械である。この場合、研削といしと調整車の回転方向は同じであり、工作物を取り付ける必要がなく、長いものでも均一に研削でき、生産性は高い。

ホブ盤

ホブ盤はホブ（円筒面にねじ状に切れ刃がつけられた刃物）を使用し、工作物およびホブを回転させて創成歯切りする歯切り盤である。

ホーニング盤

ホーニング盤は、円筒や穴の内面の精密な仕上げに用いられる機械である。加工には、といしを工作物に押し当て、工作物とといしとの間で回転・往復運動させて平滑な仕上げ面を得る。

ボール盤

ボール盤は、切削工具であるドリルを使用して工作物に穴あけ加工を行う工作機械である。工作物は固定され、ドリルは主軸とともに回転し軸方向に送られる。穴の大きさは使われるドリルの径に依存する。ボール盤の種類は多く、卓上ボール盤、直立ボール盤、多軸ボール盤、多頭ボール盤がある。

精度を支える要素技術と剛性

工作機械の価値を決定づけるのは、その「加工精度」と「剛性」である。加工精度とは、設計図通りの寸法にいかに近づけられるかという指標であり、最新の超精密加工機ではナノメートル単位の制御が行われることもある。これを支えるのが、機械自体の歪みを最小限に抑える「剛性」である。重切削（重い負荷をかけて削ること）を行っても機械がたわまないよう、主要な構造体には減衰能に優れた鋳鉄が多く用いられる。また、加工中に発生する熱によって機械がわずかに膨張し精度が狂う「熱変位」を防ぐため、主軸を冷却液で冷やしたり、コンピュータによって熱膨張分をリアルタイムで補正したりする高度な機能設計が施されている。

自動化とスマートファクトリーへの進化

近年、日本の製造業現場では、労働力不足への対応として工作機械のさらなる自動化が進んでいる。ロボットアームと連携したワーク（工作物）の自動供給システムや、加工中に工具の摩耗をセンサーで検知して自動で補正する技術が普及している。さらに、IoT（モノのインターネット）技術を活用し、機械の稼働状況や温度の変化をネットワーク経由で監視・分析する「スマートファクトリー」化が加速している。これにより、故障の予兆を事前に察知する予知保全が可能となり、工場の稼働率を極限まで高めると同時に、熟練技術者のノウハウをデジタル化して継承していく取り組みが積極的に行われている。

工作機械導入時の検討プロセス

  • 加工対象の材質と形状：削る材料の硬さや、必要な形状（平面か円筒か複雑な3D形状か）に基づいて、最適な機種と仕様を選定する。
  • 必要とされる精度：許容される誤差（公差）の範囲を確認し、その精度を安定して維持できる剛性と制御能力を持つ機械を検討する。
  • 生産台数とタクトタイム：量産を目的とする場合は、1個あたりの加工時間を短縮できる高速性や、自動化オプションの有無が重要な判断基準となる。
  • 保守・サービス体制：工作機械は10年、20年と長期にわたって使用されるため、故障時のサポートや部品供給の安定性、メーカーの信頼性も考慮に含める。

　

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