機械はどのように精度を学習したか

これは、1800年頃にロンドンのヘンリー・モードスレイが製作したスクリュー切削旋盤の一種です。労働者が大きな車輪を回して中央の棒を回転させ、切削工具がその横を、まっすぐな鉄のレール上を滑る台車で移動します。長いネジが棒の回転ごとに同じ距離だけ台車を移動させ、その表面にネジ山を切り込みます。このような旋盤は、蒸気機関、織機、機関車、その他の旋盤用の軸やネジを製造しました。しかし、旋盤自体の部品もまず正確でなければなりません。レールが曲がっていれば、工具はその曲がりをたどります。ネジの回転が不均一に間隔が空いていれば、切り込まれるネジ山も不均一になります。これらの誤差は、ピストンからの漏れ、軸受けでぐらつく軸、ボルトに詰まるナットなどを引き起こします。1770年代には、工作機械はまだ大きな円筒を丸く、長いレールをまっすぐに、ネジ山の間隔を均一に作るのに苦労していました。作業をチェックすることさえ困難でした。通常の工作機械の定規の最小の目盛りは1/16インチ、約1.5ミリメートルでした。1850年代までには、ジョセフ・ホイットワースは100万分の1インチの違いを検出できる機械を製造しました。この記事では、インタラクティブな図を使って各ステップを探求しながら、工作機械がどのようにして平坦な表面を作り、正確なネジを切り、部品を測定することを学んだかをたどります（上の旋盤を2本指で回転させるか、ピンチしてズームイン/ドラッグするか、⌘/Ctrl + スクロールでズームしてみてください）。 ワットの蒸気機関の円筒から始めましょう。これは前回の記事で作成しました。円筒ニューコメンのエンジンは、蒸気で円筒を満たした後、冷たい水の噴霧でそれを凝縮しました。大気圧がピストンを部分的な真空に押し下げましたが、噴霧は円筒も冷やしました。ワットは凝縮を別の冷たい容器に移したため、円筒を熱く保つことができ、石炭を約3分の2節約できました。これにより、ピストンのシール方法も変更する必要がありました。以下で、2つのエンジンを比較できます。ニューコメンは、ピストンの上に水の層を置いて、不均一な円筒壁との隙間を埋めていました。水はワットの円筒を冷やしてしまうため、彼は代わりに乾いたパッキンを使用しました。きつく詰められたパッキンは、隙間を埋めるのに十分には変形できなかったため、ボアと呼ばれる円筒内の穴は、ストローク全体にわたって丸くまっすぐでなければなりませんでした。1760年代の円筒は、それとはほど遠いものでした。1769年のワットの試験エンジンの18インチ円筒は、最悪の場合、片方がもう片方より3/8インチ（約1cm）広かったのです。これは、半メートル未満の幅の円筒では約1cmの誤差です。2つの部品を適合させる従来の方法は、それらを一緒に押し付け、こすれた明るい部分をやすりで削ることでした。これを行う作業員はフィッターと呼ばれていました。彼はバルブやガンロックの小さな表面を密接に適合させることができましたが、ピストンはストロークのすべての点で適合する必要がありました。ボアの一部分をやすりで削っても、残りの部分は一致しませんでした。そして、そのほとんどは円筒の奥深くにあったため、やすりは届きませんでした。これがなぜそれほど困難な課題だったのかを理解するために、円筒がどのように作られていたかを見てみましょう。厚い鉄の壁は、鋳造と呼ばれるプロセスで、溶けた鉄を型に流し込むことで1つの部品で作られました。型は外側を形成し、中央のコアが鉄の中に穴を残しました。1以下で、砂型で円筒が鋳造される様子を見ることができます。溶けた鉄は砂よりもはるかに密度が高いため、コアを上に押し上げて、それを支えているものにぶつかります。わずかでも持ち上がると、鋳造は台無しになります。たとえコアが所定の位置にとどまったとしても、それはまっすぐでも丸くもない粗い穴を残します。ボーリング盤は、鋳造の内側を削り取って、正しい形状とサイズにします。当時のボーリング盤は、カッターを長い棒の端に置き、片側から支えていました。これは、腕を伸ばして持つほうきの柄のようなものです。棒は自重でたわみ2、そして不均一な壁が切削時に左右に押し、カッターは曲がった穴の多くをたどって、まっすぐな穴を作る代わりに進みました。大きな円筒は4回ボーリングされ、その都度1/4回転させられましたが、それでも常に丸く仕上がるとは限りませんでした3。1775年頃、鉄工のジョン・ウィルキンソンは巧妙な解決策を見つけました。彼は、円筒全体を貫通し、両端の軸受けで回転する、はるかに重い棒を備えたボーリング盤を製造しました4。鋳造物は固定され、カッターヘッドは回転する棒に沿ってスライドしました。カッターは今や棒を定規に沿った鉛筆のようにたどりました。両端を支えることでたわみが大幅に減り、カッターは曲がった鋳造物を通してまっすぐなボアを作ることができました。1776年、ワットのパートナーであるマシュー・ボルトンは、ウィルキンソンが彼らのためにボーリングした50インチの円筒は「どんな部分でも古いシリングの厚さほど誤差がない」と書いています。摩耗したシリングは1ミリメートル未満の厚さで、1メートル以上の幅の円筒全体で1000分の1未満の誤差となります。そのサイズに対する相対的な精度は、7年前のワットの試験円筒よりも約30倍高かったのです！そのコインは、工作機械の定規の最小の目盛りよりも薄かったです。そのような大きな精密ボアの一般的な現代の公差でさえ、約7倍しかタイトではありません5。ウィルキンソンは、ワットの乾式パッキンがシールできるほど正確な円筒を作りました。その後20年間、ボルトン＆ワットが製造したエンジンのほぼすべてに彼の円筒が使用されました6。 スライドレスト 軸やピストンロッドなど、他のほとんどの丸い部品は旋盤で作られていました。旋盤で回転する金属はワークと呼ばれ、旋盤を操作する人はターナーと呼ばれます。1770年代には、ターナーはT字型の支持台に切削工具を置き、木工旋盤がノミを安定させるのと同じように、手で工具をガイドしていました。しかし、鉄を切削するにはかなりの力が必要であり、ターナーの腕では工具を常に安定させることはできませんでした。重い切削は工具をワークから押し離し、回転する棒に盛り上がった部分を残す可能性があります。1回転後、その盛り上がった部分が再び工具に当たります。不均一な表面は工具を跳ねさせ、次の回転でさらなる不均一性を残します。この増大する振動はチャッターと呼ばれます。以下で、同じ切削をスローモーションで、まず工具を手で支えた場合と、次に鋳鉄にクランプした場合で観察できます。スライドレストは、鋳鉄製の台車に工具をクランプし、ネジで前進させます。台車は、旋盤のベッドの長さに沿って走る2本のレール（ウェイ）上をスライドします。ワークは、同じウェイ上に配置されたヘッドストックとテールストックの間に保持されます。ヘッドストックは、ワークを回転させる軸であるスピンドルを保持します。ウェイがまっすぐで、2つのストックが一直線に並んでいれば、工具はワークの軸に平行に移動します。スライドレストを使用すると、切削の力はターナーの腕ではなく鉄にかかります。回転する表面は切削エッジに沿って下に引っ張り、工具と台車をベッドに押し付け、ウェイはワークからの押し出しに抵抗します。私たちのモデルでは、鉄の支持台はターナーの支えられた腕よりも約100倍少なくたわむ7ため、手で持った工具がチャッターを引き起こした切削はスムーズに実行されます。スライドレストは新しいものではありませんでした。計器メーカーやフランスの技術者は何十年もそれを使用していました8。1790年代初頭から、ヘンリー・モードスレイはそれらを鉄の重い切削に十分な剛性を持たせ、実用的なスクリュー切削旋盤のネジやギアと組み合わせました。工具は今やウェイをたどるため、ウェイのどんな曲がりもワークにコピーされます。工作機械は平坦な基準表面に対してウェイをチェックできましたが、まずそれを作る必要がありました。 平坦 表面を平坦にする usual な方法は、手でやすりをかけることでした。やすりは、表面を横切って押されるときに金属を削る細かい歯を持つ硬化鋼の棒です。やすりは大きな隆起を素早く取り除きますが、結果はやすりをどれだけ安定して保持できるかに依存します。かかとからつま先にかけてわずかに傾けると、浅い傾斜が残ります。表面が平坦になるにつれて、各ストロークは除去するのと同じくらいの不均一性を追加し始めます。フィッターはより慎重に作業できますが、やすりを完全に安定して保持したり、最も小さな盛り上がった部分がどこに残っているかを感じたりすることはできません。フィッターは、短くて硬い刃であるスクレーパーを使用して、この限界を乗り越えました。