Lathe - Senban (English spelling) lathe

Japanese: 旋盤 - せんばん（英語表記）lathe

A machine tool used for turning. Generally, lathes refer to ordinary lathes, but there are many other models. The size of a lathe is expressed using the swing over the bed (the maximum diameter of the workpiece that can be swung without touching the bed), the maximum distance between the centers of the spindle and the tailstock (the maximum length of the workpiece that can be accommodated between the two centers), the swing over the carriage (the maximum diameter of the workpiece that can be swung without touching the carriage), the length of the bed, the height of the center, etc.

[Shimizu Shinji]

Headstock

It consists of a spindle, a main bearing that supports it, and a drive mechanism that transmits the power of the electric motor to the spindle. In particular, the spindle and its bearings are the main parts that greatly affect the performance of the lathe, and they are required to have high rotational accuracy, rigidity, thermal stability, etc.

Rolling bearings are often used for main bearings because they can handle a wide range of cutting speeds, have relatively good rotational accuracy, and are easy to maintain and assemble. Various types of rolling bearings are used for main shafts depending on the purpose, but the most typical are double-row cylindrical roller bearings and tapered roller bearings. Double-row cylindrical roller bearings have high radial rigidity (displacement characteristics against forces perpendicular to the axis) compared to their external dimensions, and their simple shape allows the rollers to have small relative differences, making it possible to obtain high-precision bearings. In addition, bearings with a tapered inner diameter on the inner ring are often used to make adjustments easier. However, since these bearings cannot withstand thrust loads (displacement characteristics against forces in the axial direction), they are used in conjunction with angular ball bearings, which can also handle high-speed rotation. On the other hand, tapered roller bearings can withstand both radial and thrust loads at the same time, have high rigidity, have a simple mounting structure around the bearing, and are easy to adjust the preload. In the spindle supported by this bearing, the bearings are mounted back-to-back with preload applied to increase rigidity.

The spindle is supported by various bearings in this way, and there are two-point support and three-point support methods. Even with three-point support, the basic method is to use two-point support, with the remaining bearing serving to increase damping. The spindle is hollow so that bar work (long rods are fed from the rear of the spindle to process rod-shaped parts) can be performed.

The headstock drive mechanism provides the necessary rotation speed for the spindle so that the optimum cutting speed can be selected. The range of cutting speeds is only expanding, from thread cutting to the recent high-speed cutting using cermet, ceramic, and CBN (cubic boron nitride) tools. Ideally, any speed could be set within this range, but manual machine tools that are not numerically controlled (NC) use a speed change mechanism that uses gears to obtain a finite number of rotation speeds. On the other hand, NC lathes use an inverter-controlled AC motor or an infinitely variable speed AC servo motor, allowing the spindle rotation speed to be specified by the NC program.

[Shimizu Shinji]

Tailstock

It is located on the bed facing the spindle and can move along the bed. Its main parts are the tailstock body, tailstock base, tailstock shaft, and center. The tailstock body can move slightly on the tailstock base in a direction perpendicular to the axis, allowing the center of rotation of the spindle to be aligned with the center. The tailstock shaft is an axis that can enter and exit a hole in the tailstock body, and its main function is to attach a center and support one end of the workpiece. In addition to centers, the tailstock of a manual machine can also be fitted with a drill for hole-making. For this reason, the tailstock must have sufficient rigidity, and the center position of the center must be accurate.

[Shimizu Shinji]

Shuttle

A general term for the parts that move back and forth on the bed to feed the tool. In manual machines, it consists of a saddle, apron, side feed table, swivel table, upper feed table, and tool rest. The saddle straddles the sliding surface on the bed and suspends the apron. The side feed table moves on the saddle at a right angle to the main shaft. The swivel table can be rotated approximately plus or minus 60 degrees on the side feed table, allowing taper cutting at any angle within this range. The upper feed table attached to the swivel table moves parallel to the main shaft, allowing fine feed to be given to the bit attached to the tool rest. This tool rest is designed to be able to rotate in 45- or 90-degree increments. The reciprocating table can perform the above-mentioned compound motions, making it possible to move the bit to any position and stop it there.

The feed shaft and lead screw transmit the feed to the carriage at a speed proportional to the rotational speed of the main spindle. As a result, the carriage is fed vertically and the horizontal feed table on the carriage is fed laterally by the power transmitted through the speed conversion mechanism in the apron. The lead screw is used when cutting threads on a lathe, and a half nut is used to connect it to the carriage. The accuracy of thread cutting is greatly affected mainly by the twist of the lead screw and its machining accuracy. For this reason, the lead screw, together with the feed shaft, is machined with high precision and designed to be highly rigid.

On the other hand, the structure around the carriage of an NC lathe is much simpler, consisting of a carriage, a cross slide, and a tool rest. The carriage and cross slide are driven by a ball screw and an AC servo motor, enabling feed motion to a specified position at a specified speed.

[Shimizu Shinji]

bed

In order to prevent the deterioration of machining accuracy due to deformation caused by the weight of each structural part and chatter vibration during cutting, it is necessary to design a structure with sufficient rigidity as well as strength. For this reason, the cross section of the bed is made box-shaped to increase rigidity, and reinforced with ribs. In addition, in the case of cast iron beds, casting sand is left to improve vibration absorption, and a concrete structure is used for the bed. Meehanite cast iron is often used as a cast iron material because of its strength and wear resistance. In addition, the bed needs to maintain straightness to provide a guide surface for the carriage, to facilitate the disposal of chips and cutting oil, and to be easy to work with and maintain. In NC lathes, a slant bed structure is sometimes used in which the top surface of the bed is inclined and guides are provided on it, taking into consideration the automatic chip disposal device and the number of tool rests. In addition, the bed is guided by a sliding guide system and a rolling guide system. Slide guideways are a method that has been used for a long time, and are designed to have a simple shape for ease of processing and repair, and to meet conditions such as stability against moment loads, wear resistance, low friction resistance, and ease of adjusting the gap between guideways. The cross-sectional shape of the guideway can be either angled or flat, with a variety of angles and combinations being used. On the other hand, rolling guideways are widely used because they keep the sliding resistance of the guideway low, improve the control accuracy of NC machine tools, enable faster feed speeds, and reduce assembly labor.

A wide range of operations are performed on lathes using a variety of tools. In addition, many attachments and accessories such as chucks, face plates, and steady rests are available depending on the type of operation.

[Shimizu Shinji]

[Reference item] | Machine tools | Numerical control machine tools | Cutting

Lathe structure
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Lathe structure

Types of lathes and how to express machine sizes
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How to express the types of lathes and the size of the machine

Main models of lathes
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Main models of lathes

Types of turning
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Types of turning

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

旋削加工を行う工作機械。一般に旋盤といえば普通旋盤のことを示すが、ほかにも多くの機種が存在している。旋盤の大きさは、ベッド上の振り（ベッドに触れずに振り回しうる工作物の最大直径）、主軸と心押台(しんおしだい)のセンター間の最大距離（両センター間に収容しうる工作物の最大長さ）、往復台上の振り（往復台に触れずに振り回しうる工作物の最大直径）、ベッドの長さ、センターの高さなどを用いて表される。

［清水伸二］

主軸台

主軸とこれを支持する主軸受、および電動機の動力を主軸に伝達する駆動機構とからなっている。とくに、主軸とその軸受は旋盤の性能を大きく支配する主要な部分で、高い回転精度、剛性、熱的安定性などが要求される。

　主軸受には、広い切削速度域に対応でき、回転精度が比較的良好で、保守と組立てが容易であるという理由から、ころがり軸受が多く用いられる。主軸用ころがり軸受は、その目的に応じて各種のものが使用されているが、代表的なものとして複列円筒ころ軸受と円錐(えんすい)ころ軸受とがある。複列円筒ころ軸受は外形寸法に比してラジアル剛性（軸に直角方向の力に対する変位特性）が高く、形状が単純であるためにころの相互差を小さくすることが可能で、高精度のものを入手できる。また、調整を容易に行えるように内輪の内径にテーパーを設けたものが多く用いられる。しかし、この軸受はスラスト荷重（軸方向の力に対する変位特性）を受けられないため、高速回転にも対応できるアンギュラー玉軸受が併用される。一方、円錐ころ軸受はラジアルとスラストとの両方向の荷重を同時に受けることができ、剛性も高く、軸受周辺の取付け構造が簡単で、予圧の調整を容易に行うことができるという特長をもっている。この軸受で支持される主軸では、剛性を増すために軸受を背面合せとし、予圧をかけて組み込む方法が採用されている。

　このように各種の軸受で支持される主軸であるが、その支持方法には2点支持と3点支持とがある。3点支持でも、基本は2点支持として、残りの軸受は減衰性を高める役割をさせるのが基本となっている。主軸は中空構造にしてバー作業（長い棒材を、主軸の後部から供給して、棒状部品の加工を行うこと）を行えるようにしてある。

　主軸台の駆動機構は、最適な切削速度が選択できるように、主軸に必要な回転数を与える役割を果たしている。切削速度域は、ねじ切りから、最近のサーメット、セラミックス、CBN（立方晶窒化ホウ素）工具を用いた高速切削までを考慮すると、拡大する一方である。この範囲内で任意の速度設定を行えることが理想であるが、NC（numerically controlled数値制御）ではない、手動（マニュアル）工作機械では、歯車を用いた有限段数の回転速度が得られる変速機構を採用している。一方NC旋盤などでは、ACモーターのインバーター制御あるいはACサーボモーターを用いた無段変速が採用され、NCプログラムによって主軸回転速度を指定できるようになっている。

［清水伸二］

心押台

ベッド上に主軸と向き合って位置しており、ベッド上を移動できるようになっている。その主要部分は心押台本体、心押台ベース、心押軸、センターなどである。心押台本体は心押台ベースの上を軸心と直角の方向にわずかに移動でき、主軸の回転中心とセンターとの心合せを行うことができる構造となっている。また心押軸は心押台本体の穴に出入りすることができる軸で、おもにセンターを取り付けて工作物の一端を支持する機能をもつ。なお、手動機の心押台にはセンターのほかに穴あけ作業用のドリルを装着することができる。このため、心押台には十分な剛性をもたせる必要があり、またセンターの中心位置が正確であることも必要とされる。

［清水伸二］

往復台

ベッド上を往復して刃物の送り運動を行う部分の総称で、手動機ではサドル、エプロン、横送り台、旋回台、上送り台、刃物台などで構成されている。サドルはベッド上のすべり面にまたがりエプロンを吊(つ)っている。横送り台はサドル上を主軸と直角方向に移動する。旋回台は横送り台上で約プラス・マイナス60度旋回させることができ、この範囲内で任意の角度のテーパー削りを行えるようになっている。旋回台上に取り付けられた上送り台は、主軸に対して平行移動を行い、刃物台に装着されたバイトに微細な送りを与えることができる。この刃物台は45度もしくは90度ごとに旋回できる構造となっている。往復台では以上のような複合運動を行えるため、バイトを任意の位置まで移動し停止することが可能である。

　送り軸および親ねじは、主軸の回転速度に比例した速度で往復台に送りを伝える。この結果、エプロン内の速度変換機構を経て伝達された動力により、往復台は縦送りされ、また往復台上の横送り台は横送りされる。親ねじは旋盤でねじ切りを行うときに使用され、往復台との結合には半割りナットが用いられている。ねじ切りの精度に大きく影響を与えるのは、おもに親ねじのねじれおよびその加工精度である。このため、親ねじは送り軸とともに精度の高い加工が施され、剛性の高い設計がなされている。

　一方、NC旋盤では、往復台周りの構造は、もっと単純であり、往復台、横送り台、刃物台で構成される。そして、往復台と横送り台は、ボールねじとACサーボモーターにより駆動され、指定の速度で、指定の位置までの送り運動が可能になっている。

［清水伸二］

ベッド

各構造部分の自重による変形および切削加工中のびびり振動による加工精度の低下を抑制するために、強度だけでなく、十分な剛性をもつ構造に設計される必要がある。このためベッドの断面を箱形構造として剛性を高めたり、リブによる補強を施している。また、鋳鉄性ベッドの場合には鋳砂を残して吸振性を向上させたり、ベッドにコンクリート構造を採用するなどのくふうがなされている。鋳鉄材料としては強度と耐摩耗性の点から、ミーハナイト系の鋳鉄が多く採用されている。このほか、ベッドは往復台の案内面を設けるため真直性を保持し、切屑(くず)や切削油剤の処理を容易とし、さらに作業性と保守性が良好なことを必要とする。NC旋盤では、切屑自動処理装置や刃物台の複数化などを考慮してベッドの上面を傾斜させ、その上に案内を設けたスラントベッド構造が採用されることもある。またベッドの案内には、すべり案内方式と転がり案内方式が採用されている。すべり案内は従来から使用されている方式で、加工と修理の容易さから単純な形状とし、モーメント負荷に対する安定性、耐摩耗性、低摩擦抵抗、および案内面相互のすきま調整の容易さ、などの条件を満たすように設計されている。案内面の断面形状には山形と平形とがあり、種々の角度および組合せが採用されている。一方、転がり案内は、案内の摺動(しゅうどう)抵抗を低く抑え、NC工作機械の制御精度を高め、送りの高速化を図れること、組立工数の削減が図れることなどから、非常に多く採用されるようになっている。

　旋盤における作業内容は広く、種々の工具を用いて行われる。また、これらの作業内容に応じて、チャック、面板、振れ止めなどの取付具や付属品が数多く用意されている。

［清水伸二］

[参照項目] | 工作機械 | 数値制御工作機械 | 切削加工

旋盤の構造

旋盤の種類と機械の大きさの表し方

旋盤のおもな機種

旋削加工の種類

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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