Machine tool industry

Japanese: 工作機械工業 - こうさくきかいこうぎょう

An industry that manufactures machine tools (machines that manufacture machines). Machine tools are machines that cut, grind, and otherwise remove unnecessary parts from metal materials such as iron, and then process them to produce workpieces. Specifically, there are lathes, drill presses, boring machines, milling machines, grinding machines, gear machines, electric discharge machines, and NC (numerical control) machine tools (numerical control machine tools). There are also similar machine tools that process nonmetallic materials such as ceramics, glass, and wood, not limited to metals. The development of these machine tools determines the shape and precision of the workpieces, and further influences the technological level of a country's mechanical industry. J. Watt's invention of the steam engine was realized in 1775 through the precision machining of cylinders using an improved boring machine developed by J. Wilkinson. The development of machine tools such as milling machines and turret lathes made it possible to mass-produce guns using interchangeable parts. The mass production of automobiles in the 20th century depended on the emergence of new machine tools such as transfer machines, which offered even higher precision. Improvements in cutting tools, such as increased speed, special-purpose machines, and the invention of carbide tools, have led to advances and developments in machine tools, which have become the basis for transformation in other industries.

[Katsuaki Onishi March 21, 2017]

History of the Japanese Machine Tool Industry

In Japan, the Ikegai Factory, the predecessor of Ikegai Iron Works (later Ikegai), was established in 1889 (Meiji 22), and the production of machine tools began. However, domestically produced machine tools did not develop in close conjunction with other industries. The small-scale production of machine tools related to weapons production, railways, and spinning machinery depended on technology imported from abroad. Imports came to a halt during World War I and World War II, and domestic production of machine tools temporarily increased, but the focus was on weapons production and the technology was inferior to foreign-made products, so the industrial base of Japan's prewar machine tool industry was weak.

Japan's machine tool industry has been developing in earnest since the end of World War II. In particular, following the high-growth period of watches, cameras, and sewing machines, the development of mass-production machinery industries such as home appliances and automobiles became major markets, and the machine tool industry made remarkable progress. Furthermore, in 1970 (Showa 45), the machine tool industry reached a turning point. Until this time, the production of NC machine tools in Japan was supported by the introduction of technology from overseas. However, after 1970, the Japanese machine tool industry expanded exports while shifting the majority of production to NC machine tools, including machining centers equipped with multiple tools, and continued to grow even under low growth. After that, from 1982, Japan's machine tool production accounted for more than 30% of the world's top share until it was overtaken by China in the 2010s. Models were developed that addressed the issues of high precision, high speeds such as spindle speed and feed speed, and efficiency, and the NC rate exceeded 80%. However, since the 1990s, the industry has been in a slump, and the industry has been forced to undergo a drastic restructuring with major companies going bankrupt. By 2000, over 20,000 employees and nearly 50% of the number of business establishments had disappeared. In 2014, the number of business establishments was 616, the number of employees was 48,795, and the value of manufactured goods shipped was approximately 1,921.2 billion yen (all figures for metal machine tool manufacturing industry and establishments with 4 or more employees in the Industrial Statistics Table), and the industry has recovered since the Lehman Shock. In 2015, exports were approximately 932.1 billion yen (machine tools in Trade Statistics), and while the focus has shifted from North America to China and Asia, exports have remained at approximately 700 billion to 900 billion yen since 2011. On the other hand, specialized machine tools are being imported.

[Katsuaki Onishi March 21, 2017]

Recent trends

In the 2010s, the machine tool industry has been reorganizing its production system on an international scale, through the automation of machines and the expansion of overseas production in response to the industrialization of emerging countries, which is linked to the following groundbreaking events: In particular, the emergence of 3D printers in the United States and Industry 4.0, the fourth industrial revolution led by Germany, are likely to have a major impact on the machine tool industry.

3D printers are revolutionary machines in terms of production time and cost, as they irradiate polymer materials or fine metal powder with one or more laser beams or electron beams to build up multiple layers, creating additive models that create shapes according to design drawings. The advent of 3D printers, which can create shapes according to design drawings without cutting or grinding through digitization, is changing the machine tool market.

On the other hand, Germany's Industry 4.0 aims to achieve high-level automation in manufacturing. In Japan, too, the numerical control devices (NC) of machine tools are equipped with artificial intelligence (AI) and IoT (Internet of Things), realizing high-precision, high-speed, and other manufacturing that goes beyond the scope of conventional NC. In other words, machine tools are being created that can remotely manage the operating status of machine tools using IoT, constantly monitor the manufacturing status using cameras, etc., and collect, accumulate, and analyze data on manufacturing, including spindles and bearings, based on algorithms (calculation methods), and have the learning ability to make their own judgments about abnormalities. This makes it easier to take appropriate measures such as diagnosing the operating status, predicting tool defects, and quickly replacing parts, making it possible to improve the efficiency of maintenance work and reduce production downtime due to breakdowns, etc. Furthermore, the high density of cooperation between machines responsible for the machining process and the optimization of a series of manufacturing processes have been presented, and the operating rate of machine tools is on the rise. The digitalization of machine tools is significantly changing the machine tools themselves, their working environment, and market trends.

[Katsuaki Onishi March 21, 2017]

[Reference] | Mechanical Engineering | Machine Tools | Numerical Control Machine Tools | Transfer Machines

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

工作機械（機械を製作する機械）を製造する工業。工作機械は、鉄などの金属素材から切削、研削等により不要部分を除去、加工し、工作物を製作する機械である。具体的には、旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、研削盤、歯車機械、放電加工機、NC（numerical control＝数値制御）工作機械（数値制御工作機械）等がある。また、金属に限らず、セラミックス、ガラス、木材といった非金属を加工する類似の工作機械も存在する。これら工作機械の発達は、工作物の形状や精度を規定し、さらに、一国の機械工業の技術水準に影響を与えることになる。J・ワットの蒸気機関の発明は、1775年、J・ウィルキンソンの開発した改良中ぐり盤を使用したシリンダーの精密加工により実現している。そして、フライス盤、タレット旋盤等の工作機械の発達は、互換可能な部品による銃の大量生産を可能にした。20世紀に入ってからの自動車の大量生産は、一段と精度の高いトランスファーマシン等の新しい工作機械の出現に依存していた。高速化、専用機化、超硬工具の発明等により、切削工具の改良が進んだ結果、工作機械が進歩・発展し、これが他産業の変革の基盤となってきた。

［大西勝明　2017年3月21日］

日本の工作機械工業の歴史

日本では、1889年（明治22）に池貝鉄工（のちの池貝）の前身である池貝工場が設立され、工作機械の生産が開始されている。だが、国産の工作機械が他産業と密接に連動して発展したわけではなかった。兵器生産、鉄道、紡績機械と関連した少量の工作機械の生産は、外国からの導入技術に依存するものであった。第一次世界大戦中や第二次世界大戦時には輸入がとだえ、一時国産工作機械の生産が急上昇しているが、兵器生産に傾斜し、また技術面で外国製に劣っていたことから、日本の工作機械工業の戦前の産業基盤は脆弱(ぜいじゃく)であった。

　日本の工作機械工業は第二次世界大戦後に本格的な発展を遂げている。とくに高度成長期における時計、カメラ、ミシンに続き、家電製品、自動車といった量産型機械工業の展開が大きな市場となり、工作機械工業は目覚ましく躍進した。さらに、1970年（昭和45）には、工作機械工業が一つの画期を迎えている。このころまで、日本のNC工作機械の生産は、海外からの技術導入によって支えられていた。しかし、1970年以降、日本の工作機械工業は、生産の過半を、複数の工具を装備したマシニングセンターを含むNC工作機械にシフトさせながら輸出を拡大し、低成長下でも持続的に成長することになる。その後1982年以降、2010年代に中国に抜かれるまで日本の工作機械の生産額は世界でトップシェアの30％以上を占めていた。高精度化、主軸速度や送り速度等の高速化、効率化を課題とした機種を開発しており、また、NC化率は、80％を上回っていた。ただ、1990年代より低迷し、主力企業の倒産を伴う抜本的な産業再編成を余儀なくされ、2000年（平成12）までに、従業員2万人以上、事業所数の50％近くを消失している。2014年の事業所数は616、従業者数は4万8795人、製造品出荷額は約1兆9212億円（いずれも『工業統計表』金属工作機械製造業・従業者4人以上の事業所の数値）で、リーマン・ショック後は持ち直している。2015年の輸出額は約9321億円（『貿易統計』工作機械）で、北米から中国、アジアに重点を移行しながら、2011年以降、約7000億円から9000億円の輸出額を維持している。一方、特殊な工作機械が輸入されている。

［大西勝明　2017年3月21日］

近年の動向

2010年代、工作機械工業は機械の自動化と新興国の工業化に対応した海外生産の拡大等、国際的な規模での生産体制の再編成を進めており、そのことは次のような画期的な事態と連動している。とくに、アメリカでの3Dプリンターの出現とドイツが主導する第四次産業革命とされるインダストリー4.0が、工作機械工業に大きな影響を与えそうである。

　3Dプリンターは、ポリマー材や微細な金属粉に1つないし複数のレーザー光線や電子ビームを照射して多数の層を重ね、積層造形し、設計図通りの形状を造りあげる、製作時間とコスト面で画期的な機械である。デジタル化により切削、研削をせずに設計図通りの形状を製作できる3Dプリンターの登場は工作機械市場を変化させている。

　他方、ドイツのインダストリー4.0は、高次元の自動化によるものづくりを目ざすものである。これに関連して日本でも、工作機械の数値制御装置（NC）が人工知能（AI）を搭載し、IoT（モノのインターネット）化し、高精度化や高速度化等、従来のNC化の域を超えた製作を実現している。つまり、工作機械の稼働状況をIoTを活用して遠隔管理したり、製作状態をカメラ等により常時監視するほか、アルゴリズム（計算手法）に基づき、主軸や軸受けをはじめ製作に関するデータを収集・蓄積・分析し、自ら異常についての判断を下す学習能力を備えた工作機械が誕生している。これにより、稼働状態の診断、工具の欠損の予知、部品の迅速な交換等、適切な対処を容易にし、保守業務の効率化と故障などによる生産停止時間の削減を可能としている。さらに、加工プロセスを担う機械間の連携の高密度化、一連の製造工程の最適化が提示され、工作機械の稼働率が上昇傾向にある。工作機械のデジタル化が、工作機械そのものとその作業環境や市場動向をも大きく変化させつつある。

［大西勝明　2017年3月21日］

[参照項目] | 機械工業 | 工作機械 | 数値制御工作機械 | トランスファーマシン

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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