パブリックドメイン古書『製造工場を運営する』（1876）を、ブラウザ付帯で手続き無用なグーグル翻訳機能を使って訳してみた。

　原題は『The Economy of Workshop Manipulation』、著者は John Richards です。
　例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼をもうしあげます。
　図版は省略しました。索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
　以下、本篇。（ノー・チェックです）

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「ワークショップ操作の経済」の開始 ***
転写者の注記:
テキストに対する小さな変更は本の末尾に記載されています。

オリジナルカバー
ワークショップ操作
の経済。
ワークショップ操作
の経済。

構造力学を学ぶ論理的な方法
。

見習いエンジニアや学生が
使用できるように質問がまとめられています。

J.リチャーズ著

「木工
機械の構造と操作に関する論文」、「操作者ハンドブック」、「
機械による木材加工」、その他機械関連の著書がある。

ロンドン:
E. & FN SPON、48 CHARING CROSS。
ニューヨーク: 446 BROOME STREET。
1876年。

1875 年、議会の法令に基づき、
ジョン・リチャーズにより
ワシントンの議会図書館事務局に登録されました。

序文。
装飾的な区切り
本書の内容は、序文とゲージに関する章を除き、主に 1873 年から 1874 年にかけて「The Principles of Shop Manipulation」というタイトルで「Engineering」および Franklin Institute の Journal に掲載された一連の記事の改訂版です。

言及されている記事は、実際の実践でなされた観察と、学習者の間で一般的な「思考習慣」に注目することによって提案されたものであり、それは現在機械工学の主題が常に扱われている純粋に科学的な方法とは一致しないようでした。

「店舗経営」に関する記事は、連載中に好評を博し、書籍として復刊してほしいという要望も数多く寄せられたため、今回の版が刊行されました。

各章の最後にいくつかの質問が追加されますが、その一部は本文では答えられていません。これは、学習者の論理的調査の習慣を促進するというこの作業の主な目的に役立つと考えられます。

[ページvi]

ここで、ワークショップのプロセスは科学的に説明・証明できるものの、論理的に学ばなければならないという点について、序論でより詳しく述べることにしておく。この見解は、本書の内容が理論研究の重要性を軽視するものと解釈されることのないよう願う。

他の種類の教育と同様に、技術訓練の成功は、学習者の一般的な思考様式がどれだけよく理解され、従われているかに大きく依存します。そして、本書がこの問題にいくらか注意を向けるならば、それは私たちの産業的利益を構築する傾向のある影響力に何かを加えることになるに違いありません。

10 ジョンストリート、アデルフィ、

ロンドン、1875年。

コンテンツ。
装飾的な区切り
章。ページ
導入、 1
私。学習計画、 6
II. 機械工学、 13
III. エンジニアリングという使命 17
IV. 見習い制度の条件 18
V. 機械産業の目的、 25

機械の性質と目的について 28
七。動力機械、 29
八。水力、 35
風力、 41
X. 電力の送配電機械、 42
XI. 動力伝達用シャフト 44
動力伝達用ベルト 48
動力伝達手段としてのギアリング 51
動力伝達用油圧装置、 53
動力伝達用空気圧機械、 55
応用機械、 57
材料の移動および取り扱いのための機械、 60
機械の組み合わせ、 67
ザエンジニアリング施設の配置、 71
XX. ショッププロセスの一般化、 74
機械製図、 78
XXII. パターンメイキングと鋳造、 90
XXIII. 鍛造、 100
XXIV. トリップハンマー、 106
XXV.[viii] クランクハンマー、 108
XXVI. 蒸気ハンマー、 109
XXVII. 複合ハンマー、 112
XXVIII. 焼き入れ鋼、 114
XXIX. 取り付けと仕上げ、 118
XXX. 旋盤、 121
XXXI. プレーニングマシンまたは往復運動機械、 128
XXXII. スロットマシン、 134
XXXIII. 成形機、 135
XXXIV. 掘削と掘削、 136
XXXV. ミリング、 140
XXXVI. ねじ切り、 143
XXXVII. 標準測定、 145
XXXVIII. 計測器具、 147
XXXIX. 機械の設計、 152
XL。発明、 159
ワークショップ体験、 165
ワークショップ操作
の経済。

装飾的な区切り
導入。
力学、特に機械工学と呼ばれる分野を扱った多数の書籍に新たな一冊を加えるにあたり、本書を準備した理由のいくつかを説明するのが適切でしょう。これらの説明は本書自体の一部を構成し、学習者にとってある程度興味のある主題に向けられるため、「はじめに」に含まれています。

まず、機械に関する多くの本の中に、見習い技術者の指導に向けられたものは一つもないことに気がつきます。少なくとも、機械教育の中で最も習得が難しい部分、つまり、ありふれた事柄を分析して結論を導き出す能力に向けられたものは一つもありません。

私たちの教科書、例えば徒弟用に入手できる教科書は、主に力に関する数式、物質の特性、実践例などから構成されており、機械の操作や建設的な操作については扱っておらず、一般知識とは区別される専門的知識から成る機械教育の最も重要な部分が抜け落ちています。

一般に力学の原理と呼ばれる定理、公式、定数、表、規則は、ある意味では原理の記号に過ぎない。そして、多くの事実が証明するように、学習者が力学の原理の理論と記号を習得しても、そのような知識を応用することができない可能性がある。 [2]実用的な説明に。

力学の原理は、論理的に理解していなくても、学習者にとっては既知であり、あるいは馴染み深いものでさえあるかもしれません。理論と実践の両方を習得しても、それらを結び付けて応用する能力がなければ不可能だと言えるかもしれません。例えば、歯車の幾何学的構造や、様々な車輪に適した歯の配置方法、スポーク、リム、ハブなどの寸法と配置方法を理解している人もいるかもしれません。また、運動を変化させたり伝達したりする手段としての車輪の実用的用途も理解しているかもしれません。しかし、こうした知識から完成した車輪に至るまでには、型作り、成型、鋳造、穴あけ、取り付けといった、複雑で長い一連の工程が存在します。さらに、車輪の動作に関連するその他の条件、例えば適合、摩耗、騒音、偶発的な歪みなどに加え、外転サイクロイド曲線や車輪に関するその他の幾何学的問題など、同様に重要な多くの事柄も存在します。

建築に関する教科書は、一般的に機械、歯車、工具などの例、図面、説明で構成されています。これらの例は学習者にとって確かに有用ですが、ほとんどの場合、学習者は機械自体を調べることができ、工場に入るとすぐに機械だけでなくその操作にも触れることができます。例や図面は機械の構造に関するものですが、学習者が機械の実際の操作に着手すると、なぜそのように構造が作られているのかという、より興味深い新たな問題に直面することになります。

機械がどのように作られるか、そしてなぜそのように作られているかの間には、大きな違いがあります。読者はこの違いを念頭に置いておくべきです。なぜなら、本書は主にこの第二の問いに焦点をあてているからです。本書では、特定の機械形態や工場における通常の操作手順につながった原因を、実践から推論しようと試みます。もちろん、場合によっては不完全な試みとなるでしょう。見習いであろうと学生であろうと、学習者の心には、なぜ特定の比率や配置が正しく、他の比率や配置が間違っているのか、つまり、なぜ工場の作業が特定の方法ではなく別の方法で行われているのかを探ろうとする傾向が最も強くあります。これは自然な思考習慣であり、探究と調査の自然な流れは演繹的です。

見習いエンジニアに学習と推論の帰納的コースから始めることを期待するほど不合理なことはないだろう。 [3]力学について。たとえ精神がそのような過程を踏む能力があったとしても（力学のように複雑で広範な分野では想定できないことですが）、興味の欠如と明確な目的の欠如が進歩を阻害したり妨げたりするでしょう。この問題に対するあらゆる合理的な見解と、引用できる限りの事実は、見習いは演繹的に学ばなければならず、理論的な学習にはそれに伴うか、あるいは先行して何らかの実践が必要であるという結論に至ります。「直角三角形の底辺と垂線の二乗の和」という問題を、何のために適用するのかも分からずに苦労して解く若者にとって、それはなんと退屈で目的のないものに思えることでしょう。彼はたいてい、なぜこのような不可解な定理が発明されたのか、そしてそれが人生の実務とどう関係があるのかと疑問に思うのです。しかし、同じ学習者が「6、8、10」の法則を用いて基礎を正方形にしている建築業者に偶然出会い、その作業中にあの退屈な「平方和」の問題の適用に気づいたとしたら、彼はすぐにその問題への新たな興味に目覚めるでしょう。以前は退屈で目的がなかったものが、今では有益で興味深いものに思えるでしょう。その主題は魅力的になり、学習者は新たな熱意を持って、実践と類似の問題との関連性を探求し続けるでしょう。学習者にとって、実践との接触ほど刺激的なものはありません。前述のように、自然な傾向として、演繹的に学習を進めるのです。

数年前、あるいは現在でも、自然哲学と関連させて力学を扱う教科書の多くは、学習者が力、動力、運動の真の概念を理解できないように構成されています。これらの要素は、車輪、くさび、てこ、ねじなど、様々な伝達手段と混同されていました。学習者は、これらのものを「機械的動力」（それが何を意味するにせよ）と呼び、その力を機械的要素として計算するように教えられました。多くの人が証言するように、このようにして、力とその伝達手段の関係についての誤った概念が心に定着してしまいました。この二つは混同され、何年も、そしてしばしば一生をかけても、力と機構は同一であるという考えを払拭することはできませんでした。他の事柄に精通している人々がしばしば目にする、力学に関する粗雑な考えのほとんどすべては、このような教えに由来しています。経験則から証明された定数へ、特殊で実験的な知識から科学の応用への大きな変化の中で、 [4]しかし、機械工学においては、私たちは行き過ぎてしまうかもしれません。専門知識を一般的な知識に置き換えようとする動機があまりにも多く、一般的な規則の範疇に収まらない部分を忘れたり、過小評価したりしてしまう可能性があります。

機械工学の専門知識の習得と切り離せない労働、汚れ、自己犠牲は、理論的知識の重要性と完全性を高める強力な理由であり、操作プロセスさえも可能な限り一般的な規則の範囲内に収めることが不変の目的であるべきですが、この方向には限界があることを忘れてはなりません。

イギリスとアメリカでは、理論知識への過大評価や誤認から生じる弊害は、これまで避けられてきました。私たちの工房は、今もなお、そしてこれからも、私たちの技術学校であり続けるでしょう。理論のみの訓練の金銭的価値は急速に低下しており、反動期は過ぎたと言えるでしょう。そして、健全な実践的知識の重要性は、数年前よりも認識され始めています。機械工学教育の本質について重大な誤りを犯す可能性があるのは、実際の製造や実技試験が不足している国々だけです。他の手段が失敗した場合、私たちの工房はそのような基準を確立するでしょう。そして、技術訓練を求める声の中にも、採用すべき手段に関する警告が散見されるのは、心強いことです。

1874 年にベルファストで開催された英国協会の会議で、物理科学の教授法を調査するために任命された委員会は、「発見された最も深刻な障害は、生徒が学習しなければならない推論プロセスの基礎となる具体的な事実を生徒がしっかりと明確に理解していないことである。教科書の使用よりも講義や実演への出席を優先すべきである」と報告した。

ここでは、科学の教育に関して、私たちが最も信頼する権威によって、機械的訓練を取り巻く条件が明確に説明されていますが、後者では「実証」が最も重要であるという違いがあります。

アメリカのコーネル大学のジョン・スウィート教授は、同年、機械工学の授業で次のような言葉を用いました。「 [5]「あなたが『知っている』ことで報酬を得られるのではなく、あなたが『実行できる』ことで、ここで学ぶことの価値を測らなければなりません。」この数語には、これは、すべてのエンジニアの学生や見習いが真剣に考慮する価値があります。これは格言として現れ、その後の実践のほぼすべてに適用されます。

さて、本書とその目的について直接述べたいと思います。機械操作について論じる書籍は、原理や規則が到達する範囲を超えてはならず、必然的に一般論と呼べるものに限定される、という主張もあるかもしれません。これはある意味では真実であり、機械操作や工場のプロセスを扱うのは実に困難です。しかし、その理由は、機械操作や工場のプロセスが原理に還元されておらず、ひずみ、比率、材料特性などと同じように扱われていないからです。操作プロセスをそこまで一般化できるとは言いません。それは不可能でしょう。しかし、多くのことが実現可能であり、専門知識とみなされている多くの事柄を原理の範囲内に収め、論理的な検討を可能にすることができます。

機械工学分野の著者は、原則として理論的な知識しか持ち合わせておらず、したがって、工場のプロセスを扱うことはほとんどない。実務経験を積み、見習い技術者にとって習得が最も困難な知識を習得した実務技術者は、一般的に書籍を執筆する意欲も動機も持たない。マニピュレーションの変化は頻繁に起こり、作業内容も多様化しているため、実務技術者はそうした変化や意見の相違がもたらす批判を恐れている。さらに、実務機械技術者になるには、書籍執筆に必要な他の資格取得のための時間を確保するには、人生の大半を費やす必要があることも付け加えておきたい。こうした理由から「マニピュレーション」は軽視されてきたが、同じ理由から、本書でも不完全な扱いしかできない。本書の目的は、工場のプロセスを指導することではなく、読者が主に自身の判断力と推論力を発揮しながら、それらを最も効果的に習得する方法を示すことである。それぞれの単純な操作が何らかの一般原理によってどのように規定されているか、そして、そのような操作から、その根底にある原理を辿ることで、何が正しいか間違っているか、何が適切か不適切かという論理的な結論を導き出すことができるかを明らかにしようとする。このようにして、 [6]理論と実践の間により密接なつながりが確立され、学習者は、頼れるのは自分の推論力だけであること、公式、規則、表、さらには本でさえも、記号と実体を習得し組み合わせることができるこの推論力の補助にすぎないことを認識できるようになります。

読者の記憶の煩わしさや自力での計算への依存を軽減するために、計算、図、あるいはいかなる種類の実証も用いません。図、定数、公式、表、規則など、力学における計算に関するあらゆる情報は、既に多くの優れた書籍で提供されており、付け加える必要はありません。また、これらの書籍は、本書の内容と同時に学習することができます。

本書は、徒弟が習得できる内容と習得に費やす時間は、どちらも学習対象に対する個人的な関心によって測られること、そして徒弟のそのような個人的な関心は技術者として永続的に成功する上で不可欠であることを十分に認識した上で執筆されました。機械工学に関する著作は、他のあらゆる場合と同様に、全体的に無味乾燥で関心の欠如が特徴であるのは当然のことです。本書の特に前半では、一部のセクションがこの点に批判される可能性は否定できません。しかし、読者の皆様は良識に基づき、前半を急いで読み飛ばして、最後に鋳造、鍛造、接合について何が述べられているかを確認するのではなく、内容に沿って読んでくださると信じています。それが最終的には読者にとって最善であり、そしてもちろん筆者にとっても公平な判断となるでしょう。

第１章
学習計画
応用力学と作業操作という科目を考察すると、学習者は徒弟が習得すべき知識が一般知識と専門知識の2つの分野に分けられることがわかるだろう。一般知識とは、工具、工程、作業に関する知識であり、その構造と動作が一般原則から理解でき、特別な指導や実験的指導なしに理解できる知識である。専門知識とは、 [7]実験に基づいており、一般的な情報源とは異なり、特別な情報源によってのみ取得できます。

より明確に言えば、力の法則、部品の比率、材料の強度などは、機械の製作方法や操作方法といった技術的条件を知らなくても、書籍から得られる一般知識です。しかし、鋳造のための適切な型を作る方法や、機械部品の成形、鍛造、取り付け方法は専門知識であり、個々の事例に関係するものでなければなりません。滑車、軸受、ねじ、その他の機械の一般的な細部の比率は、一般的な規則や原理から学ぶことができますが、これらの製品の製造にかかわる手作業の技能は、観察と経験によってのみ習得できます。機械フレームの全体設計、つまり金属の配置は、一般的に適用される規則や定数に基づいてある程度構築できますが、車輪の場合のように、そのような機械フレームの成形計画は一定の規則によって規定されたり、均一な方法で実行されたりするわけではありません。さまざまな種類の型が使用されることがあります。鋳型はさまざまな方法で作ることができ、費用は高額または低額です。金属を混ぜて硬い鋳物や柔らかい鋳物、強い鋳物や弱い鋳物を作ることができます。金属を流し込む条件によって、強度や収縮が左右されることがあります。これらは一般的な条件ではなく、特殊な条件によって決まります。

初心者が学ぶべきことを専門分野と一般分野の2つに分けることの重要性は、学習計画に体系性を与え、工房や実務経験を通して習得すべき教育の部分を明確化するという利点がある。例えば、鋳造技術の習得に費やす時間と機会を冶金化学に充てるのは、不適切と言えるだろう。なぜなら、冶金化学は鋳造実務とは切り離して学ぶことができ、鋳造作業を観察する機会もないからだ。

応用力学に関わる専門知識は、主に個人的な観察と記憶によって収集され、保持されるものであり、この部分がより重要であることも指摘しておくべきである。機械構造に関するすべての公式は、エンジンで実行される操作を習得し理解するのに必要な時間よりも短い時間で習得できる。 [8]旋盤。したがって、心が興味を持ち、活動的なときに学ぶ最初のレッスンには、可能な限り特別なことを含めるべきです。つまり、特別な操作を学ぶ機会を決して逃してはならないのです。車輪の型が気になったら、それが組み立てられている肥料、ドラフトの量、成形方法を調べ、歯が真のサイクロイド曲線を描いているかどうかも確認してください。

かつて、機械に関する知識のほとんどすべてが特殊知識と呼ばれ、工場での作業は経験則と熟練工の独断的な意見によって支配されていました。徒弟は工場に入り、原理的に定義できず、特別な実践と実験によってのみ理解できる数々の不可解な操作を学びました。機構の配置と比率もまた熟練工の意見によって決定され、工場での作業と同様に、徒弟にはしばしば隠されていました。徒弟期間を終えた時点で記憶に残っているものが、彼が習得した全てでした。こうした傾向は、幸運にも優れた天賦の才を持つ者を高め、いわゆる機械の「天才」という点で恵まれない者の地位を低下させる傾向がありました。適切な設計を準備し、独創的な計画を成功させる能力は、一種の直感的な精神力に帰せられました。つまり、50年前、機械工学は異なる性質の迷信に囲まれていましたが、その影響は他の知識分野における迷信と同じでした。

しかし今やすべてが変わりました。自然現象は規則的な法則の作用に過ぎないと説明されるようになったように、機械操作も一般原則の適用であると説明されてきました。一般原則は未だ完全には理解されていませんが、ある程度は理解されているため、弟子は十分な教育、優れた推論力、そして不断の努力によって、かつては手探りでしかできなかった道を進むことができるのです。機械操作における特別な知識、つまり不規則で特殊な条件によって変化する知識は、一般化と改良が進むにつれて、ますます少なくなっています。

もう一つ考慮すべき点は、技術者見習いが、自分が何を学ばなければならないかを見積もる際に、今日の技術者の資質基準が、次の世代が定める基準、そしてその技術者の実務が衰退する時代から大きくかけ離れているという事実を見失ってはならないということである。私がこの点を指摘するのは、技術者がどのような考え方をするかということと深く関係するからである。 [9]学習者は周囲で目にするものから学びます。改善と変化を予測することは、機械エンジニアが目指せる最高の力であるだけでなく、成功への鍵でもあります。

機械技術における偉大な業績の歴史を検証すると、成功は主に将来の需要を予測し、それを満たす能力にかかっていたことが分かります。また、機械の改良の商業的価値は、しばしばその改良自体が予測する条件によって測られるのです。例えば、機械製ドリルの発明は小さな発明に過ぎませんでしたが、その後需要が高まり、その存在自体が大きな価値を持つものとなりました。シャフト用の成形ベアリングも、当初は取るに足らない改良でしたが、その後、アメリカの機械製造に大きな影響を与え、発明の重要性を増しました。

機械製造や機械の応用における根本的な変化や抜本的な改善を期待したり、追求したりするのは、一般的に無益かつ無分別ですが、機械の組み立て方や応用方法を学ぶ際には、同時に将来を予測する手段についても考慮することが重要です。学習者は、例えば、分業、工場システムの改善、機械が商業上の利益にどのような影響を与え、またどこで影響を与えるか、どの国が製造業を発展させる可能性が高いか、蒸気ハンマーが鍛造に及ぼす影響、製造方法の改善によって鋼鉄が安価になった場合の鋼鉄のより広範な使用、機械産業の専門分野への分割、軸、滑車、車輪など、どのような機械が主流になるかなどに注目することができます。これらの事柄は、現在だけでなく将来を見据えることの意味を示すために、無作為に引用されています。

この将来の改良という主題をさらに追求すると、ある特殊な機械の応用と操作、その動作を支配する原理、摩耗面の耐久性、ひずみの方向と測定を理解し、また材料の分配、配置、比率の原理も理解している技術者は、その設計図が、操作の性質が変わらなければ、実質的に変更されない機械を製作できると想定できる。 [10]適用される機械は同じままです。

この命題の証明は、金属切削用の標準的な工作機械の例で示されています。この種の機械は、過去何年にもわたり、我が国の最高の機械技術者の手によって最も徹底した注意が払われてきました。

旋削、穴あけ、かんな掛け、中ぐりなどの標準的な工具は、過去20年間ほとんど変化しておらず、今後もほとんど変わらない可能性が高い。20年前に一流メーカーで製造された旋盤やかんな盤は、多くの場合、現代構造の工作機械と同等の性能を持ち、現在でもほぼ同等の価値を持つ。これは、他の何よりも、それらの相対的な効率性と、これまでに行われた改良の真の価値を判断する基準となる。工作機械のフレーム設計は変更され、細部に多くの改良が加えられてきた。しかし、全体として、前述のように、金属切削の作業が同じままである限り、金属切削用の標準的な工具は、将来にわたって根本的な変化を伴わないほどの改良段階に達していると想定しても安全である。

工作機械製造において達成されたこの進歩は、単に工具に費やされた技能の成果であるだけでなく、注目すべき例外として、工具自体が自らの生産の主体となっていることにも起因する。つまり、工作機械は工作機械を生産するのであり、製作者は自らの事業で継続的に使用する工具の製造に熟練する必要がある。工作機械製造におけるこの特殊性は、技術者によってしばしば見落とされ、この種の機械と木材加工やその他の製造工程を目的とした機械とが不当に比較されることがあるが、機械工は概してこのことを理解していない。

工作機械の製造におけるこの完成をもたらした原因と条件、そしてそれが他の種類の機械の場合にどの程度当てはまるかに注目すると、将来もたらされる可能性のある改良と変化がある程度わかるでしょう。

機械の機能と適応は、すでに説明したように、機械工学の学問を構成する。機械の機能は、その設計の基礎となる。したがって、機械の機能と機械の効果は、見習いがまず注意を払うべき事項である。 [11]指示される。

一般的な機械知識として定義されている分野において、機械の構造は3番目に位置します。まず、機械の機能、次に機械の設計図または改造、そして最後に機械の製作方法です。これは、機械操作を学ぶ際に追求すべき学習順序です。通常の学習手順である、掘削機、かんな盤、旋盤の配置方法、次にそれらの製作図、そしてそれらの動作原理を学ぶのではなく、学習者は順序を逆にし、まず掘削、かんな削り、旋削という作業、次に目的に応じた工具の改造、そして最後にそれらの工具の製作図を学ぶべきです。

蒸気機関にも、同じ規則が当てはまります。動力源としての蒸気をまず研究し、次に蒸気機械の動作、そして最後に蒸気機関の構造を研究するべきです。この規則はすべてのケースに当てはまるとは限りませんが、例外はほとんどありません。

同じ論理的流れをさらに進め、力学を学ぶ方法と体系によって何が得られるかを示すために、機械の機能は力の応用にあると仮定し、したがってまず力について学ぶべきであると考えることができる。これについては意見が一つしかない。力という要素についての真の概念をまず形成することなく、力学の基本原理さえも習得しようとする学習者は、ある程度、時間を無駄にし、努力を無駄にしていると言える。

力学におけるいかなる真理も、前述の「機械的力」の作用でさえも、その力の本質を理解しない限り、神秘的な雰囲気を帯びて受け止められる。動作原理を理解しない限り、実例を百回繰り返しても、力学的な命題の真理性に対する確信は生まれない。

弟子は、速度と力の両方を変化させる車輪列を通して伝達されても、力が増減するわけではないことを学び、その命題を「確信」することなく信じるかもしれない。弟子はまず、力を不変かつ破壊不可能な要素、つまり計量、測定、伝達はできるが、メカニズムによって生み出されたり破壊されたりするものではないものと見なすことを学ばなければならない。そうすれば、メカニズムの本質を理解できるかもしれないが、それ以前には理解できない。

力の本質を真に理解することは、初心者にとって一般的に難しいと考えられているほど難しいことではありません。 [12]一度真理に到達すると、それはまるで突然の発見のように心に突き刺さり、その後は見るたびに機構や運動と結びつくでしょう。学習者はその後、水の流れ、街路の交通、船や列車の動きを分析するようになります。歩くという動作さえも、運動現象に付き物である神秘的な雰囲気を帯びることなく、明快で理解しやすい力の表れとみなされるでしょう。学習者がさらに進み、熱と力の関係、熱が力と運動に展開される際の機械的等価物、そして力から熱への再変換について学ぶならば、彼は力学の徹底的な知識の基礎を習得し始めることになります。この知識がなければ、彼は常に困難に直面しながら前進しなければなりません。

こうした主題は難解すぎて実用的な力学では理解できないという一般的な意見があることは私もよく知っています。この仮説は、熱と運動という主題が一般的に研究されておらず、科学的に実証されたのがごく最近になってからであるため、信頼と注目を集めることができない、という点に大きく基づいています。しかし、この主題は、教科書の「機械力」で説明されている動きと力の関係を理解するのと同じくらい基本的な意味で理解するのが難しいわけではありません。ねじ、てこ、くさびなどの機械的要素とは無関係に、力と運動の原理を最初に学ばなければ、見習いの生徒はこれまで一度も理解したことがなく、今後も理解することはないはずです。

残念なことに、熱、力、運動、そして実際の機構の関係について、機械工学を学ぶ学生に特別に教えられるような書籍はこれまでほとんど存在しなかった。もちろん、このテーマは現代の科学文献で長々と扱われているが、初心者が容易に理解できるような形で機械の動作と結び付けられているわけではない。ニューヨークのD・アップルトン社が出版した「力の相関と保存」という論文は、おそらく現時点で参照できるこのテーマに関する書籍としては最も優れたものであろう。この本には、カーペンター教授、グローブ教授、ヘルムホルツ教授、ファラデー教授らによる論文が収録されており、短いセクションにまとめられているため、退屈することなく主題を網羅しているという利点がある。

書籍や読書に関しては、見習いは自分で参考文献を用意すべきです。工学の様々な分野について入手できる最良の書籍を1冊用意しておくべきです。 [13]まずはこれだけで十分です。モールズワースやニストロムのようなポケットブックは役に立ちますし、常に手元に置いておくべきです。一般的な読書としては、あらゆる情報で満たされている科学技術雑誌に勝るものはありません。世界各地の工学産業の現状を記すだけでなく、学習者が必要とするほぼすべての情報が掲載されています。

学習者が定期刊行物から収集する改良や機械の進歩に関する情報は、自分で読む機会や手段を持たない熟練工との交流を通じて、常に特別な知識と交換できることが分かるでしょう。また、徒弟が 1 時間で読んで習得できる情報は、獲得に何年もかかった実験的知識と「交換」できることもしばしばあります。

(1) 建設力学の知識はどのような二つの分野に分けられるか？—(2) 専門知識と一般知識を区別する例を挙げて説明しなさい。—(3) 専門知識は主にどのような方法で獲得されるか？—(4) 科学的研究は専門知識にどのような影響を与えてきたか？—(5) 分業とはどういう意味か？—(6) 過去20年間、工学ツールは他のほとんどの機械に比べてなぜ変化が少ないのか？—(7) 機械の機能、適応、構成とはどういう意味か？—(8) ねじ、てこ、くさびなどに「機械的力」という名称が使われているのはなぜか？—(9) 力は、機構とは独立した要素または原理として考えられるか？

第2章
機械工学
すでに説明したように、この研究は機械工学に捧げられるものであり、機械工学が何を意味するかについての意見の相違、および用語が適用される意味の違いを考慮して、ここでそれが何を意味するのかを説明するのが適切でしょう。

土木工学と機械工学を区別して定義した人がいるとは知りませんし、ここで何らかの基準を定めることも想定されていません。 [14]用語が使用される意味を説明する以上のことはしませんが、明確な区別があるように思われます。たとえそれが用語の一般的な用法と一致していなくても、少なくとも業務の性質自体によって与えられているように思われます。したがって、機械工学は機械の運動を伴う動的な力と作業に関連し、運動によって生じる機械のねじり、遠心力、断続的、不規則な歪みなどの機械の動作条件、摩耗面の耐久性、機械製造の構築プロセス、材料の変換における機械効果、つまり、動力を変換、伝達、および適用するための手段を包含するものと想定されます。

土木工学とは、機械の運動や動力の使用を伴わず、静的な力、一定の応力下または測定された応力下における材料の強度、性質、性質、挙動、材料の耐久性と抵抗、橋梁、工場、道路、ドック、運河、ダムなどの建設、さらには水準測量や測量などを扱う作業を指すものと想定されます。これはアメリカにおける「土木工学」という用語の最も一般的な用法と一致しますが、ヨーロッパでの用法とは大きく異なります。ヨーロッパでは、「土木工学」は機械建設を含むものと理解され、「工学」という用語は一般的な製造プロセスに適用されます。

土木工学は、その言葉が想定する意味において、ほぼ純粋な数学科学となっている。ほぼあらゆる計算において定数が証明され、確立されている。材料の強度と耐久性は、長期にわたる繰り返しの試験によって十分に理解されるようになった。そして、工作機械の場合と同様に、土木技術者間の実践の統一性と彼らの仕事の完成度は、土木工学がいかに真の科学となったかを証明し、恒久的な構造物の建設に関わる原理が十分に理解されていることを証明している。

機械工学において、まだどれほどのことが学ばれていないかを推定するには、同じテストを当てはめてみるだけで十分である。そして、たとえ同様の目的に用いられたとしても、機械の設計とその動作の多様性の間には大きなばらつきがあり、それらの不完全さは一目瞭然である。しかしながら、たとえ構造の規則が統一され、機械の動作原理が恒久的な構造物における材料の強度や配置と同様に十分に理解されていたとしても、依然として新しい技術への適応の難しさは残るであろうことを考慮に入れなければならない。 [15]継続的に開発されているプロセス。

たとえば、蒸気機関が 40 年前に、据え置き用に標準的な比率と配置で構築されるほど改良されていたとしたら、収集され証明されたあらゆる種類の規則、定数、データは、蒸気機関を鉄道や航海の目的に適応させるのにほとんど役に立たなかったでしょう。

機械工学は、状況の力によって、工学工具、鉄道機械、船舶エンジンなどに関する分野に細分化されてきました。いずれの分野もそれ自体が専門職を構成しています。一般原則を習得するには徹底的な学習が必要であり、さらに専門分野での熟練度を習得するための更なる努力が必要です。これらがなければ、今日では成功の可能性はほとんどありません。

機械製造における製図、鋳造、鍛造、組立といった様々な細部を習得することは、それ自体がほとんどの専門職に匹敵する作業であり、手作業の技能は言うまでもありません。そこに機械の機能とその応用、動力の発生と伝達、そして実務に必然的に含まれる他の事柄が加わると、その作業は途方もない規模となり、到底不可能に思えるほどです。さらに、機械技術の進歩を維持するには、継続的な知識の蓄積が求められます。そして、世界各地で進行している絶え間ない変化と改良について常に情報を得ることは、決して容易なことではありません。これらの変化と改良は、いつでも機械と工程の両方を改良し、変化させる可能性があります。しかし、最も恵まれた条件下であっても、40歳未満で有能な機械技術者の資格を取得できる人はほとんどいません。

見習いがまず最初にすべきことの一つは、私が機械工学のロマンと呼ぶものを頭から追い出すことだ。これは、技術学校でしばしば習得されるような概念とほとんど切り離せないものだ。自分が学んでいるのは科学ではなく、数学は学ぶべきものの一分野に過ぎないことを忘れてはならない。専門的な知識、あるいは一般原則の範囲外の知識は、最も実践的な方法で習得しなければならない。そのためには、努力、傷ついた指、そして世間で「上品さ」と呼ばれるものの多くを無視しなければならない。

[16]

将来を見据えると、見習い技術者は機械技術者の活躍の場があらゆる面で広がっていくのを目の当たりにできる。恒久的な施設の建設がより定着し、均一化するにつれて、動力の応用はより多様化し、より複雑な問題が発生する。鉄道や蒸気船のような大きな進歩が体系化され、規則化されるや否や、新たな事業が始まる。機械工学の研究のような大仕事に着手する上で、この職業の専門性、つまりその困難さから生じる条件という、非常に重要な利点がある。学ぶべきことが多ければ多いほど、それを学ぶことで得られるものも大きい。実際、有能な機械技術者が信頼と名誉の地位を獲得できず、あるいは職業を通じて能力を蓄積できないということは滅多にない。

鉄道の調査、ドック、橋梁、建物、あるいはあらゆる種類の恒久的な施設の建設を行う土木技術者が求められる場合、その職務を遂行できる資格を持つ人材は数多く存在します。しかし、機械の設計・建設を行う技術者が求められる場合、そのような人材を見つけるのは容易ではありません。仮に見つかったとしても、その能力という重要な問題が残ります。なぜなら、この仕事は恒久的な施設の建設とは異なり、複数の技術者がほぼ同じ方法で、おそらくは同等の能力で業務を遂行できるからです。機械の建設においては状況が異なり、成功は技術者の能力に直結します。技術者は、自らを導く先例や原則がほとんどなく、通常は建設する機械の操作と適用に関する専門知識に頼って作業を進めなければなりません。

(1.) 機械工学と土木工学をどのように区別すればよいですか? — (2.) 工学の各分野における進歩を判断するために、どのようなテストを適用できますか? — (3.) 機械製造において定数の使用を妨げる条件にはどのようなものがありますか? — (4.) 機械工学は、より正確で科学的になる可能性はありますか? — (5.) 機械工学の主な分野をいくつか挙げてください。 — (6.) 最も広範囲で重要な分野はどれですか?

[17]

第3章
職業としてのエンジニアリング
抽象的に言えば、あらゆる営みの尊厳は、それがもたらす善の量、そして人類の向上に及ぼす影響の大きさによって決まる、あるいは決まるべきだと言えるだろう。人生における様々な営みに従事する人々の社会的地位は、国や時代によって、様々な基準によって定義されてきた。かつて昇進の決め手となった体力や勇気、世襲特権といったものは、ほとんどの国で消滅するか、あるいはほとんど重要視されなくなった。そして文明世界全体が、知識とその適切な活用こそが、人々が目指すべき最高かつ最も名誉ある到達点であるという共通の基準に同意している。

有用かつ不可欠な様々な職業を、不公平な比較の対象とすることは、無益、あるいは誤りですらあるかもしれません。また、この問題をここで取り上げるのは、技術者という職業を称揚する意図では決してありません。何らかの理由で、この問題に触れられたこと自体が残念ではありますが、職業としての尊厳という問題を無視して、自分の職業に誇りと愛を持つ見習い技術者が得るものはあまりにも大きいのです。政治家、形而上学者、そして道徳哲学者がこれまで科学と構成芸術に与えてきた不公平で不合理な地位によって、挑戦状が投げつけられ、比較が引き起こされたのです。詩、形而上学、神話、戦争、そして迷信は、かつて世界の文学を席巻し、教育とみなされる唯一の主題となってきました。

半世紀の間に、すべてが変わりました。科学の応用、自然力の利用、製造、物資の輸送、印刷物の作成と普及、そしてその他人類にとって重要な事柄が、私たちの法律を形作り、商業を統制し、人々と国家の間に新たな関係を築くようになりました。つまり、世界に革命をもたらしました。この変化はあまりにも急速で、想像をはるかに超える速さで進み、人々はまるで夢から覚めたかのように、新たな主人に支配されていることに気づきました。

[18]

物質的進歩とは、第一に科学的真理の実証、第二にそれらを有用な目的に応用することにあると考えると、エンジニアは、現在私たちの周囲で進行しているこの偉大な復興作業の担い手としてその地位を占めていることがわかる。この地位は誇らしいものだが、多大な努力を払い、徒弟制度とその後の勉学における知識の獲得を妨げる可能性のあるあらゆるものを否定しなければ、到達できない。

機械エンジニアは主に自然力と、それらを物質の変換や輸送に応用することを専門とする。その職業には骨の折れる仕事が伴う。科学的で精巧なものだけでなく、荒々しく不快なものにも触れることになる。グリース、汚れ、肉体労働、好ましくない人間関係、そして危険を、徒弟制度に組み入れなければならない。そうでなければ、自分の専門分野を完全に理解しないまま、そのままでいることに甘んじるしかない。

(1) 工業関連の職業の社会的地位は何によって決まるべきか? — (2) なぜ物理科学と機械工学はかくも名誉ある地位を獲得したのか? — (3) 工学技術の一般的な目的はどのように説明できるだろうか? — (4) 実務産業に関連して一般的に用いられる用語としての科学と芸術の違いは何か?

第4章
徒弟制度の条件
他のあらゆる教育と同様に、機械工学の学習においても道徳的影響が根底にあるのでなければ、この章の主題は導入されなかったであろう。しかし、可能な限り、徒弟や学習者に関わるすべてのこと、特に彼らが最初に取り組まなければならないことについて触れることが目的である。したがって、徒弟制度の性質について若干の言及をしても不適切ではないだろう。いかなる種類の情報や知識を成功裏に永続的に獲得するには、義務感や便宜性だけでなく、自由な意志による作業でなければならない。そして、ある追求や職業に対する愛と尊敬を生み出すものはすべて、その獲得への最も強い動機の一つとなり、学習者が関心を抱くようになる。 [19]そのため、仕事における見習い労働者は、その仕事の性質に関して抱く意見に大きく影響されるのです。

徒弟制度という主題は、抽象的には商業的な問題であり、通常の契約の性質を帯びているように思われ、そして「約因」の交換という点においては確かにそのように解釈できるものの、それ以上の解釈は不可能である。その複雑さは、熟練労働者が存在するすべての国が徒弟制度を規制し、師匠と徒弟の間の契約条件を定める立法を試みてきたという事実によって裏付けられている。しかし、師匠に委任された権限の濫用を防ぎ、場合によっては契約で定められた条件の名目上の履行を強制する以外には、商業や貿易、あるいは人々の意見を統制することを目的とした立法と同様に、そのような立法は本来の目的を達成できていない。

事実が十分に裏付けているように、徒弟制度を規制する法律の不備は、特殊な事例に一般的な規則を適用することが不可能であることに大きく起因している。これは、価値や交換条件を法律で定めることが無意味であるのと同じ理由によると言えるだろう。必要なのは、師匠、徒弟、そして社会が、互いの間の真の関係、すなわち双方が与えるものと受け取るものの価値を理解することである。この関係が理解されれば、法律が介入することなく、事態全体が自然に規制されるだろう。

この問題は複雑であり、機械の改良と、それに伴ういわゆる専門知識の減少によって大きく影響を受けているため、50年前に徒弟制度の条件に適用された規則や命題は、今日では誤りであり不公平なものとなるでしょう。商業的な意味で、対価や価値の交換として見れば、徒弟制度は他の雇用と同様に考えられます。しかし、徒弟が与えるものも受け取るものも、どちらもあまりにも条件付きで不確定であるため、通常の基準で評価することはできません。徒弟は、未熟練労働や劣等労働を、専門知識、あるいはそのような知識を習得する特権や手段と交換します。師匠は、弟子の未熟練労働から得られる利益と引き換えに、多大な費用と労力をかけて得たある種の専門知識を授けるものとみなされます。師匠から授けられるこの専門知識は、より長い時間で授けられることもあれば、より短い時間で授けられることもあり、また、徹底的なものである場合もあります。 [20]価値あるものもあれば、徹底的ではなくほとんど役に立たないものもある。工房の特権は、徒弟の貴重な労働を大量に相殺してしまうようなものかもしれないし、あるいはほとんど価値がなく、劣悪な作業計画を教えるだけのものかもしれない。

一方、徒弟が労働によって得られる収入は、その生来の能力と昇進への関心、そして雇用の公平性に対する考え方、そして受ける特権や指導に対する評価によって左右されます。多くの事業分野では、業務内容が比較的均一で、長年にわたり変化や改良の影響をほとんど受けていないため、徒弟制度の条件を定義するのは容易です。しかし、機械工学はこれとは正反対で、業務内容と生産物の両方において均一性がありません。工学分野における徒弟労働の実際の価値を見積もることは、非常に困難なだけでなく、長年の経験と熟練した技術者でさえ、ある程度は実行不可能です。そして、そのような状況下では、初心者がそのような労働の価値を理解できるとは期待できません。初心者は一般的に、不当な扱いを受けている、自分の仕事に見合った報酬が支払われていない、そして昇進が遅れているという結論に至ります。

これらの結論を念頭に置いても、ほとんど進歩は見られないでしょう。それが、ここでこの主題を紹介する理由です。

専門的知識や技術的知識の商業的価値は、一般的に、その獲得に費やされた時間、努力、そして無償労働の量に比例します。この価値は、特定の研究対象とされた分野の排他性によって変化することがあります。しかしながら、製造の秘密や専門知識が一般原則の適用に取って代わられるにつれ、排他性は例外的なものになりつつあります。これは、特定の産業分野にかけられた一種の人為的な保護であり、社会にとって不公平であり、成功にも不必要であるため、まもなく消滅するでしょう。

事業取引においては、技術的知識と専門的経験は資本となり、金銭や財産と相殺されます。これは、いかなる一般的な規則にも基づくものではなく、法律がその価値を定義したり条件を規定したりできる対価でもありません。企業組織において資本として評価される際に、技術的知識に課される評価は、それがどこで行われるかに関わらず、 [21]このような知識に商業的価値を与えるために必要なものは、徒弟が徒弟期間中に獲得する知識の金銭的価値を判断するための最良かつほぼ唯一の情報源となります。

徒弟は、最初は自分が学ばなければならないことを過大評価しがちです。それは、彼の心に大きな仕事であると同時に、ある種の謎をも提示し、自分がそれを習得できないかもしれないという不安を抱かせます。次の段階は、ある程度の進歩を遂げ、目の前の課題を過小評価し始め、主要な困難は過ぎ去り、機械工学の主要な原理はすべて習得したと思い込み、結局のところ「些細なこと」に過ぎないと考えるようになる段階です。第三段階では、徒弟は自分の仕事の難しさに関する第一印象を思い出します。自分の使命は果てしない細部へのこだわりを伴うものであり、個人的な経験を通してのみ理解できる事柄を理解しなければならないと考え始めます。「地平線が遠ざかるにつれて広がっていく」のを感じ、課題は完了したどころか、ほとんど始まったばかりであり、最終的な達成さえ絶望するのです。

工房では、見習い職人が周囲で行われている作業を観察しながら、絶えず、そしてしばしば無意識のうちに、何らかの機械に関する知識を習得していきます。職人は、より熟練した職人の経験を常に活用し、作業場、仕事、規律、そして経営の規則や慣習を連想を通して学んでいきます。職人は、機械加工工場、鍛冶場、鋳造所の専門用語を収集し、かんな削り、旋盤加工、穴あけ、中ぐりといった作業、そしてこれらの作業に用いられる機械の名称と用途を把握します。また、材料の持ち上げや移動のための様々な設計図、工程を円滑に進めるための各部門の配置や関係性も観察します。さらに、工場の製品がどこで販売されているかを知り、製造された製品の利点や適応性について議論します。そして、その製品の需要を生み出すニーズや、販売される市場の規模や性質について考察するようになります。

これらすべては技術的な知識を構成し、それらを習得できる特権は価値の要素である。しかしながら、この問題に関する一般的な見解は、師匠がこれらの特権を与えることに何の費用もかからないというものである。仕事はとにかく続けられなければならないものであり、徒弟に見られて教えられることで遅れることはない。どの観点から見ても、これらの特権は [22]工学施設は、1トンの鉄や一定量の労働力と同様に、価格をつけて購入できる価値要素とみなされなければならない。そして商業的な意味では、労働力、資材、あるいは金銭と交換可能な等価物とみなされる。その見返りとして、師匠は弟子の未熟練労働またはサービスを受け取る。このサービスは、受けた仕事や指導の恩恵に対する見返りとして、割引された料金で、あるいは時には無償で提供されるものとみなされる。

徒弟は自分の労働の価値を見積もる際、自分の手が何をしたかを見て、それを熟練工が何をするかと比較し、それに応じて、自分の収入が実際に行われたことと比例すると仮定して見積もります。しかし、これは間違いであり、そのような未熟練労働の真の価値に到達するにはまったく異なる基準を仮定する必要があります。

熟練労働と区別される徒弟労働には、管理上の特別な配慮、作業の強制的な分類によって常に生じる損失、熟練労働者の作業の質と量の両方を低下させる影響、失敗や事故による拘束のリスク、そして資材の損失といった問題がつきものです。さらに、徒弟労働には、熟練労働者と同等、あるいはそれ以上の、光熱費、部屋代、油代、工具代、事務作業費といった費用がかかります。最も規制の厳しいエンジニアリング会社の中には、徒弟労働に一定の評価を課そうとする試みがなされてきましたが、これまでのところ、いずれの場合も明確な結果は得られていません。熟練労働と組み合わせなければ、徒弟労働の価値を決定するのは比較的容易でしょう。しかし、機械や特殊な建設作業に投入される労働総額の一部として徒弟労働が登場すると、熟練労働と非熟練労働を区別することは、不可能ではないにしても困難です。

機械に関する知識や徒弟労働の商業的価値と同様に定義するのが難しい徒弟制度のもう一つの条件は、さまざまな施設が学習者に提供する設備の範囲と性質である。

習得すべき機械知識や、工学系の学習者に一般的に与えられる特権について語る場合、当然のことながら、そうした職場は、ある分野の仕事を最良の実践と最も徹底した方法で学ぶための十分な設備を備えていると想定されなければならない。しかしながら、そうした施設は、最高級の、つまり最も優れた分野の仕事においては割増賃金が公平に支払われるべきであるが、それ以下のものにおいては、等級分けされている。 [23]最低の階級に就き、劣った分野の仕事だけに従事することになるので、徒弟制度で働くことで得られる利益はほとんどない。

施設が提供できる設備の不足や差異に加えて、エンジニアリング施設と日用品の製造を目的とする施設との間には、さらに明確な区別があります。エンジニアリング業務と製造業とのこの区別は、エンジニア自身には極めて明白ですが、多くの場合、見習いとして入社する者や、彼らに助言を与える友人にはそうではありません。雇用契約を結ぶ際には必ず、業務の性質について可能な限り綿密な調査を行うべきです。これは、学習者を保護するためだけでなく、見習い労働によって得られる利益を正規のエンジニアリング施設に提供するためでもあります。機械工や製造業者は、筋力と労働者の通常の能力のみを用いて作業を行うため、見習いに最初から正当な報酬を支払うことができます。しかし、独自の設計図を立案し、設計図を作成し、技能と専門知識に基づいてリスクを負うエンジニアリング業務は、工場とは大きく異なります。製造とは、材料を加工するための通常の工程を実行することです。このようなプロセスは常に同じかほぼ同じであり、作業員にそれほど機械的な知識を必要としません。

有名企業で徒弟として働いていたという経歴は、エンジニアが有利な商業的コネクションを築く上で時として影響力を持つこともあるが、一般的に徒弟制度は、実質的な知識と技能を身につけた場合にのみ価値がある。なぜなら、誰もが遅かれ早かれ、自身の実際の能力と習得した知識の確固たる基盤に立ち返らなければならないからだ。エンジニアリングという職業は、実務的な側面が強すぎるため、真の実体ではなく影を見分けることはほとんど不可能であり、事実、数字、そして実証を主に扱う職業においては、欺瞞に陥る可能性はほとんどない。

見習いがエンジニアリング会社への入社を検討する際は、その会社が提供する設備について判断できる公平な立場の人に、その会社の性格について尋ねるのが最善です。一般的に、機械工場の経営者は皆、自分の会社がエンジニアリング事業のあらゆる要素を兼ね備えていると想像します。そして、研修生向けの設備が少ないほど、この見積もりはより過大になる傾向があります。そのため、この件に関する意見は、 [24]信頼できる情報は、公平な情報源から得られるべきです。

手当については、職場が見習い教員に提供できる便宜によって決定される。合理的な期間内に、工学教育機関のあらゆる部門で経験を積むためには、並外れた能力を持つ者でなければ、受け取る報酬を相殺するのに十分な価値を提供することはできない。そして、手当の額が学習のために提供される便宜に基づいている場合、手当契約は公正かつ公平であることに疑いの余地はない。

しかし、覚えておかなければならないことは、製図、設計、事務作業などの特にプレミアムと釣り合う要素は主に自力で習得できるが、鋳造、鍛造、嵌め込みの実践的な知識はそう簡単には身につかないということである。また、生まれつき優れた能力を持つ徒弟であれば、勤勉であれば、書籍や通常存在する機会の助けを借りて、プレミアム部門をコースに含めなくても十分に資格を得ることができる。

最後に、何を学ぶかは努力と同じくらい能力の問題であり、最初に適切な計画を立ててそれを粘り強く実行する人なら誰でも成功の手段を得られるということを常に心に留めておかなければなりません。

(1) なぜ徒弟契約の条件は法律で定めることができないのか? — (2) 機械の改良は徒弟制度の条件にどのような影響を与えるのか? — (3) 親方から徒弟に引き継がれる考慮事項とは何なのか? — (4) 徒弟から親方に引き継がれる考慮事項とは何なのか? — (5) 特定のサービスが徒弟によって実行された場合、熟練した職人によって実行された場合よりも価値が低いのはなぜなのか? — (6) 技術的な知識をどのように均衡化するか、または資本にすることができるのか? — (7) 技術的な知識と資本を構成する財産との主な違いを 2 つ挙げなさい。 — (8) いわゆるエンジニアリングと通常の製造業の違いは何ですか?

[25]

第5章
機械産業の目的
機械工学は、他のあらゆる事業と同様に、富の蓄積を目的としています。そして、いかなる目的も、その目的を常に念頭に置くことでより確実に達成されるため、見習い技術者が最初に、その職業や職能を習得した後に努力を向ける主な目的を検討しても害はなく、むしろ大きな利益が得られるかもしれません。動機の抽象的な原理という点では、この主題は当然のことながら、工学的な作業や工場の運営と関連付けて考察するには不適切です。しかし、事業上の目的は、産業活動全体にわたって実践的に応用できるものであり、機械原理、つまり機械の機能や動作と同様に、機械製造と関連付けて考察するのに適しています。

生産コストは、製造プロセスを継続的に変更・改善する要素であり、あらゆる事業の成功を左右するものであり、図面、型枠、鍛造品、鋳造品の作成において常に考慮されなければなりません。機械は、製造コストと販売価格、つまり製造コストと完成時の市場価値の差によって製造されます。

工学研究から、しばしば付随するロマンを奪い取り、商業的な利益の問題へと落とし込むのは難しいように思われます。しかし、事実、特にそれが目指すべき全体的な目的に直接関係する場合は、事実を扱うことが最善です。これらの発言には、義務を果たしたという満足感以外の何の報酬も期待もせず、産業技術の発展のために自らの財産、時間、そして時には命を捧げてきた多くの高貴な人々の功績を軽視する意図はありません。しかし、私たちは事実を扱っているのです。偽りの解釈は、学習者が実際の事柄について実際的な評価を下すことを妨げるべきではありません。

以下の命題は、この目的と目標という主題を、意図された意味で読者の前に提示するものである。

[26]

第一に、機械工学の主な目的は商業的利益、つまり機械の設計と構築から得られる利益です。

第二に、このようにして得られる利益の額は、機械の製造費用と完成後の機械の市場価値との差額となります。

第三に、機械の設計と製造にかかる費用と、実際に販売される価格の差は、一般的に、生産プロセスに投入されるエンジニアリングの知識とスキルの量によって決まります。

この最後の文は、問題を具体的な形に落とし込み、利益という主題が、徒弟が機械の組み立てについて学ぶこととどのように関係するべきかを示しています。エンジニアリング事業における成功は、生産能力や品質の虚偽表示、安価または不適切な材料の使用、あるいはエンジニアリングサービスの費用を節約するために他者の設計図を模倣するといった不正な手段によって一時的に達成されるかもしれませんが、最終的には、エンジニアリング事業の永続的な成功は、それに関連する知識と技能にかかっています。

事実を精査すれば、見習い工は真に成功した事業はすべて、事業の基盤となった技能を持つ人物（あるいは複数名）の機械的能力の上に築き上げられてきたことに気づくだろう。そして真の技能こそが、最終的に永続的な成功へと導く要素である。機械の初期費用を構成する材料と労働力は、様々な機械の平均で見るとほぼ均等に配分されている。労働力はより精密な機械には過剰であり、材料はより粗雑な作業には過剰である。材料は、熟練度の低い者も熟練度の高い者も同じ価格で購入すると推定されるため、機械の初期費用、つまり製造費用の差は、主に技能によって決まる。

ここでいう「技能」とは、設計図の作成や材料の加工・成形のための様々な工程だけでなく、見積り、記録、システムなどを含む施設運営全般にも関わるものであり、これらは規則的な順序で記載される。必要な労働量、ひいては機械の初期費用は、必要な機械工程の数と各作業に要する時間に大きく依存する。これらの工程や作業の数を減らし、それらの実行時間を短縮することは、 [27]機械エンジニアの仕事は、生産物の品質を向上させ、向上させることです。設計、製図、成形、鍛造、組立といった工場の作業や工程を綿密に研究することが、エンジニアリングの実務、あるいは製造業の経営において成功の秘訣です。経済的な設計や、いかに綿密に作成された図面の利点も、工場における不注意や不適切な操作によって容易に打ち消され、失われてしまいます。無能な管理者は工場の工程で10ポンドを無駄にする一方で、工場の営業部門は慎重な仕入れと販売によって1ポンドを節約できるのです。

機械製造における工場工程の重要性は、一般的には経営者によって認識されていますが、その意味合いのすべてが十分に理解されているわけではありません。見習い工は、工程を短縮することと同じこととして、エンジニアリング作業の生産性を向上するために継続的に努力が払われていることに気付くかもしれません。

機械は機械的に正しく、対称性、正確な比率、適切な動作を備えていたとしても、商業的価値がなく、有用な目的に使用できない場合、機械的に動作しないのと同様に失敗作です。実際、コストと商業的価値の考慮は常に必要であり、商業的コストと機械的優秀さの関係を正しく理解していない機械教育は、その教育の目的を達成することができません。これまで述べた前提に基づいて推論することで、見習い技術者は、自分が関わる計画やプロセス、そしてそれらが実行される目的を判断するための真の基準を形成できるでしょう。

(1.) すべての追求はどのような一般的な目的に向けられているか? — (2.) 富のほかに、工学追求の実践における目的は何だろうか? — (3.) 生産コストを削減する最も一般的な原因をいくつか挙げなさい。 — (4.) 工学製品のコストを構成する 5 つの主な要素を挙げなさい。 — (5.) なぜ商業的成功は一般に、工学作業に関連するスキルの真のテストなのだろうか?

[28]

第6章

機械の性質と目的について
機械は力を生み出したり消費したりするのではなく、伝達し、適用するだけです。学習者が機械の本質を真に理解するには、力をあらゆる種類の機械から独立した不変の要素として捉えることが必要です。あらゆる種類のメカニズムから切り離された、力についての確固たる概念が心に宿れば、いわば、機械への理解を築くための強固な基盤が築かれるのです。

事実を信じることは、それを学ぶことではない。これは、機械的な知識に当てはまる意味での「学ぶ」ことではない。命題を信じることは、その真実性を確信することではない。そして、前述のように、機械的な原理を学ぶとは、それらを心に深く刻み込み、機械的な動きを伴うあらゆるものに無意識のうちに当てはめることができるようになることを意味する。このため、学習者はまず力について明確かつ確固とした概念を身につけ、次に機械の性質と分類について理解することから始めるべきだと強く主張されてきた。なぜなら、前者がなければ後者には到達できないからである。

機械は、一般的に、動力、あるいは動力を構成する運動や力を変換、伝達、そして適用する媒介物として定義することができます。機械は自然の力を利用し、人間の力では不十分な場合、自然の力の方が安価な場合、そして動作速度が人間の手では不可能な場合など、様々な作業の遂行に用いられます。機械に用いられる「媒介物」という用語は、その本質と機能の真の姿を的確に表しています。

機械は 4 つのクラスに分類でき、各クラスは次のように、実行される機能によって明確に定義された区分を構成します。

第一に、自然の力を利用または変換するための動力装置。

2.電力を送電および配電するための機械。

3番目。動力を加えるための機械。

第四に、輸送機械。

あるいは、もっと簡単に言えば、

動力機械。
[29]伝達機械。
応用機械。
輸送機械。

次に、これらの機械部門について個別に検討し、分類をより明確にし、各部門の動作原理を説明する。この論文は、本論文の実践的な部分がある程度支える基盤となるであろう。読者の皆様には、ここで提示された各論点を注意深く検討し、ここでの限界を超えて、ご自身でこれらの主題をさらに深く探求していただければ幸いである。

(1.) 機械はどのような 3 つの一般的な目的に向けられていますか? — (2.) 機械は他の作業や構造物とどのように区別されますか? — (3.) 機械はどのような 4 つのクラスに分類できますか? — (4.) これらの 4 つの区分のそれぞれにおいて、主要なタイプを 1 つ挙げてください。

第7章
動力機械
このクラスに属するのは—

蒸気機関。
熱機関または空気機関。
水車または水力機関。
風車または空気圧機関。

これら4つのタイプは、現在一般的に使用されている動力を包含しています。動力源として使用される様々なエンジンの性質を最もよく理解するためには、まず、それらはすべて同じ目的に向けられ、同じ力を扱うという見方をする必要があります。こうすることで、水力、蒸気力などの用語が暗示するような、異なる種類の力があるという印象を可能な限り避けることができます。私たちは蒸気力、水力、風力などについて語りますが、力はどのような源から得られるかに関わらず同じものであり、これらの区別は、力の源となる自然源、あるいは力を利用し応用する手段の違いを示しているに過ぎません。

そもそも、力は熱の産物であり、力と運動が存在するところでは、その発生要素は熱である。つまり、力が伝達される媒体が [30]水や気体の膨張、水の重力、風の力などによって得られる熱は、常に主要な発生源として見出される。同様に、膨張現象もまた、後述するように、動力を発展させる上で不変の原理である。蒸気機関は、一般的に目にする機械の大部分を占め、機械の種類に応じて当然ながら注目を集めるため、力学の研究は一般に蒸気機関、あるいは蒸気機械と呼ばれるものから始まる。

蒸気動力というテーマは、その機械的な考察はさておき、その歴史と、機械産業のみならず人類全体の関心事への影響を辿ることで、多くの有益な教訓をもたらす可能性がある。このテーマはしばしば取り上げられ、その興味深さと重要性は認められている。しかし、私の知る限り、統計データやその他の情報源から、蒸気動力に直接的あるいは間接的に起因する変化を体系的に推定しようと試みた者はいない。

蒸気機関は最も重要な動力源であり、イギリスとアメリカでは最もよく知られています。他の動力源と比較して蒸気が重要な理由は、蒸気によって得られる動力コストが低いからというよりも、生産される動力量を自由に決定でき、ほとんどの場合、地域の状況に左右されないからです。蒸気機関は燃料と水があれば、ある場所から別の場所へ輸送することができます。例えば、機関車は自身の移動に必要な電力を供給するだけでなく、大量の貨物を運んだり、旅行したりするのにも役立ちます。

製造工程において、蒸気動力の重要性の一つは、その動力を原料に伝達できるという点にあります。また、蒸気動力によって得られる他の利点に加え、製造された製品と原材料の輸送コストの差も生じます。例えば鉄の製造の場合、鉱石と精錬に使用する燃料の輸送コストは、製造された鉄の輸送コストの10倍にもなります。蒸気動力はこの差を解消し、蒸気動力がなければ現在の鉄の輸送は不可能でしょう。多くの製造工程において、加熱、漂白、煮沸などに蒸気が必要です。さらに、蒸気は現在、建物の暖房にも広く利用されているため、水力やその他の動力を使用する場合でも、ほとんどの場合、蒸気発生装置を追加で設置する必要があります。多くの場合、無駄が生じます。 [31]蒸気機関からの蒸気または廃熱を上記の目的に利用することができ、特別な装置を使用する場合に発生する費用の大部分を節約できます。

蒸気が動力源として広く一般的に使用されている理由は、すでに述べた理由のほかに、水ほど低コストで一定量まで膨張させることができる元素や物質が他にないこと、水の温度が機械に損傷を与えるほど上昇しないこと、さらに、蒸気には潤滑という非常に重要な特性があり、ピストンやバルブの摩擦面を保護するからです。ピストンやバルブは、手の届きにくさや温度の問題で油を差したままにしておくことが難しいものです。

蒸気機関という用語は、蒸気を使用する機械だけでなく、蒸気を生成する機械または設備も意味します。蒸気機関には、エンジン本体、ボイラー、ボイラーに水を供給する機構、速度を制御する機械、インジケーター、およびその他の詳細が含まれます。

見習い技術者は、エンジン、シリンダー、ピストン、バルブなどが蒸気機械の主要部品であり、ボイラーと炉は補助部品に過ぎないという、あまりにも一般的な印象に陥らないように注意しなければなりません。実際、ボイラーは全体の基盤であり、動力が生み出される部分です。エンジンは、ボイラーからの動力を実際に行われる仕事に伝達する媒介物に過ぎません。もちろん、この命題は、この問題について推論し、結論に至る過程で誰でも到達できるものですが、この事実は最初にしっかりと心に留めておく必要があります。

蒸気機関を見ると、ある種の印象が心に伝わり、これらの印象によって、私たちは一連の思考へと導かれます。シリンダーとその細部を、独立した機能を持つ完全な機械として捉えることも、ボイラーで発生した力を伝達する機械装置として捉えることもできます。そして、この概念は、私たちが同時に持っていた特定の知識とは無関係であったり、あるいはそれに反したりすることもあります。だからこそ、ボイラーがいわば蒸気機械の基盤であるという正しい認識から始めることが重要なのです。

小説を読むことで時として心が広がり、偉大な実践的真理を理解できるようになるように、抽象的な原理を学ぶことで、最も単純なメカニズムを理解できるようになることも少なくありません。フンボルトとアガシーでさえ、こう言っています。 [32]彼らは、新たな真実を把握するための手段として、時には想像力豊かな推測に頼りました。

過去80年間、蒸気機械ほど多くの研究と実験が行われた機械分野は他にありません。そして不思議なことに、この研究の大部分はエンジンの細部に向けられてきました。しかし、この間、熱や費用を大幅に節約するような改良は行われていません。50年前の蒸気機関は、蒸気を使用する機械として考えた場合、ボイラーで発生するエネルギー、つまり動力の、現代構造の最も改良されたエンジンとほぼ同じ割合しか利用していませんでした。この事実自体が、エンジンが蒸気機械の主要部分ではないことを示しています。もし蒸気機関の改良努力が主に熱の節約とボイラーの蒸発力の向上に向けられていたならば、同じ量の研究ではるかに多くの成果が達成できたであろうことは疑いの余地がありません。しかし、この指摘は、蒸気動力の原理が十分に理解され、動力費を削減するために熱が適切な要素であると認識されている今日には当てはまりません。もちろん、蒸気を使用する機械にも、蒸気を生成する機械にも、さまざまな程度の経済性があります。しかし、最高の蒸気機械でも、燃焼した燃料に含まれる熱の 10 分の 1 または 15 分の 1 しか利用しないのであれば、そのような機械の改良を主にどこに向けるべきかについて疑問を抱く必要はありません。

蒸気機関が動作する原理は次のように簡単に説明できます。

1立方インチの水は、一定量の熱を吸収することで、1平方インチあたり45ポンドの圧力で、500立方インチ以上の蒸気に膨張します。この驚異的な膨張は、密閉容器内で行われると、この膨張圧力に逆らって同量の水を容器に押し込むのに必要な力の500倍もの力を発揮します。言い換えれば、容器に注入された水の体積は、蒸気が逃げる際の体積のわずか500分の1に過ぎません。そして、この膨張が蒸気ボイラー内に閉じ込められると、蒸気力と呼ばれる力を発揮します。この力は、エンジンとその部品を介して伝達され、力と動きが必要とされる様々な作業に応用されます。水は [33]エンジンやボイラーのように蒸気を発生させるために使用されるものは、単に熱エネルギーを適用する媒体にすぎません。

これはまた、力は熱であり、熱は力であるという命題に帰結する。この二つは変換可能であり、現代科学によれば不滅である。したがって、力は使用されると、その機械的等価物を熱として放出し、熱は利用されると、その等価物を力として発現する。蒸気機関が使用する燃料に含まれる熱量をすべて利用できれば、その効果は前述のように、実際の10倍から15倍になるだろう。このことから、蒸気機関は熱利用機械としては非常に不完全であることが推察される。この大きな損失は様々な原因から生じるが、その一つとして、熱が水に直接、あるいは完全に伝達されないことがあげられる。水を蒸気に膨張させた後、貯蔵・保持するためには、ボイラーと呼ばれる強固な容器が必要であり、水に与えられた熱はすべて、熱と作用を隔てる壁となるボイラーのプレートを通過する必要がある。

要約すると、蒸気機械に関しては次のような命題があります。

蒸気機関は熱の力を利用し、それを有用な目的に適用するための手段です。
蒸気機関の動力は、容器内の水を膨張させ、その圧力によって生じる力を利用することによって得られます。
発生する電力は、ボイラーに送り込まれる給水量とボイラーから引き出される蒸気量の差、または水が吸収する熱量として表されます。
利用できる熱はボイラーのプレートを通過して水に吸収される熱であり、燃料が生成する熱のほんの一部にすぎません。
ボイラーは動力が生成される主要部分であり、エンジンはこの動力を実行される作業に伝達する手段にすぎません。
蒸気機関の出力損失は、排気蒸気で運ばれる熱、放射による損失、および可動部品の摩擦によって発生します。
蒸気がエンジンから出る前に凝縮し、蒸気が水の形で空気中に戻され、ボイラーに入ったときと同じ量になることで、 [34]大気圧を避けることによって実現され、採用された配置の完璧さに応じて変化します。

熱風によって作動するエンジン（熱量エンジン）と、ガスまたは爆発性物質によって作動するエンジンは、いずれも蒸気エンジンとほぼ同じ原理で動作します。最も大きな違いは、燃料の燃焼によって熱が発生するエンジンと、化学反応によって熱と膨張が発生するエンジンの違いです。一部の熱量エンジンまたは空気エンジンを除き、蒸気機械は、今日動力源として使用されているほぼすべての膨張エンジンを構成しています。蒸気エンジンの一般原理を習得した人であれば、空気、ガス、または爆発性物質のいずれを使用しても、熱による膨張で動作するあらゆる機械を分析し理解することは容易でしょう。

動力機関を扱うこの方法は、確かに新しい方法で提示するものとなるでしょうが、単に通常とは異なる出発点から始めているというだけです。ピストン、バルブ、接続部、ベアリングといった要素ではなく、基礎原理から始める学習者は、最終的に、蒸気機関やその他の膨張機関を理解するための最良の方法を採用しただけでなく、最短の方法をとったことに気づくでしょう。

(1.) 蒸気機械の細部で主要なものは何ですか? — (2.) 蒸気機械で最近行われた最も重要な改良は何ですか? — (3.) 膨張エンジンの成果は一般的にどう述べられていますか? — (4.) 動力を発生させるために使用されるさまざまな膨張性物質の中で、水が最も効果的であることが証明されているのはなぜですか? — (5.) 凝縮エンジンは非凝縮エンジンよりも多くの動力を発生させるのはなぜですか? — (6.) 熱は、動力源として発達してからどのくらい昔に自然界の要素として遡ることができますか? — (7.) 燃焼の性質はすべての物質に共通の原因ですか?

[35]

第8章
水力
水車は蒸気機関に次いで最も一般的な動力源です。何世紀にもわたり、水車はタービンホイールの時代に至るまで、大きな改良や変化を経ることなく存在していました。この時代、水力学と水車の科学は単純なものではなく、非常に複雑な条件を伴うことが発見され、多くの科学的関心事を引き起こしました。そして最終的に、タービンホイールと呼ばれる種類のものが誕生したのです。

現代のタービン水車は、最良の構造の一つであり、良好な条件下で稼働すると、水車の力の割合から水車の摩擦を差し引いた後の力は、理論的な係数、つまり水の重力にほぼ等しいものになります。したがって、将来、このような水車は、構造の簡素化と低価格化以外にはほとんど改良されないと考えられます。実際、水車ほどの改良段階に達した機械は他になく、また、異なる国や異なるメーカーによって、これほど均一な設計と配置で製造されている機械も他にありません。

水車、または水力は、機械工学の主題として、工場の操作とはまったく関係がないように見えますが、力と運動の一般的な概念を伝える例として役立ちます。そのため、一般的な主題との関連性が要求するよりも、より詳細な説明が必要になります。

蒸気機関に関する考察では、動力は熱から得られること、水と機関は共に動力が作用する媒介物とみなされるべきであること、そして動力は常に熱の産物であることが説明された。おそらく、機械工学全体を通して、この原理の機械への応用を辿ることほど興味深い問題はないだろう。これは興味深いだけでなく、有益であり、見習いの心に、関連する他の多くの事柄に応用できる探究の方向性を示唆するかもしれない。 [36]パワーとメカニズムを備えています。

水車によって水から得られる動力は、水が高いところから低いところへ下降する際の重力によるものです。しかし、熱とどう関係するのかという疑問が生じます。熱が動力の源で、動力が熱の産物であるならば、熱と水の下降の間には何らかの関係があるはずです。水は、ある水位から別の水位へ下降する際に、高い水位へ上昇する際に消費された動力しか放出できず、この水を上昇させるために使われた動力は熱であることがわかります。水は太陽熱によって蒸発し、大気より軽くなるまで膨張し、空気中を上昇し、凝結して雨となって地表に降り注ぎます。その後、小川や河川を通って海に流れ込み、再び蒸発の過程を経て循環を再開します。この下降時に放出された動力は、水車によって有効に活用されます。蒸発のこの原理は絶えず進行しています。雨量も同様に極めて一定であるため、機械を稼働させるのに十分な規則性で水流が維持されます。

したがって、蒸気力と水力の類似性は極めて明確です。どちらの場合も、水は動力を得る媒体であり、蒸発も主要な原理です。両者の主な違いは、蒸気力の場合、利用される力は熱による水の膨張から直接得られるのに対し、水力の場合、利用される力は熱による水の膨張の間接的な結果であるという点です。

誰もが、昔の自然哲学の教科書で水車の分類について学んだことを覚えているでしょう。そこには、「三種類のてこ」、すなわち上掛け、下掛け、そして胸掛けの三種類の水車があるように、水車も三種類あると記されています。また、バーカーの製粉所についても簡単に触れられていますが、どうやら十分な理由もなく動いていたようです。初等教科書で一般的に採用されている水力の記述方法に反論するつもりはありませんが、水から力を引き出す原理についての説明があればもっと有益だっただろうと付け加えておきます。そこで、現代の慣習に沿った、異なる水車の分類を試してみたいと思います。ただし、やむを得ない場合を除いて、各水車の特殊な機構については触れません。水車は大きく分けて四つの種類に分けられます。

[37]

まず、重力水車は、垂直面を回転する水車に積載された水の重量によって直接作用します。水が最も低い地点に達するまで、重量は下降側にかかるため、そこから水は排出されます。

2番目。衝撃車は、噴出する水の力によって駆動され、回転方向の接線方向、かつ羽根またはフロートの面に対して直角に、羽根に対して衝撃力または運動量を与えます。

3つ目。リアクションホイールは、いわゆる「密閉型」で、内部に水が満たされており、接線方向の開口部から圧力を受けて水が排出されます。推進力はホイール内の不均衡な圧力、または周囲から放出される水の重量と力による反作用によって生じます。

第四に、圧力ホイールは、弾性流体と非弾性流体で作動することによる違いを除けば、回転蒸気機関の原理に基づいて作動する。水圧は、逃げ場のない羽根と「受け台」に常に作用する。ホイールの回転を除いて。

この分類には、重力と水の衝撃力によって部分的に作用するコンビネーションホイール、反作用と組み合わせた衝撃によって作用するコンビネーションホイール、または衝撃と維持された圧力によって作用するコンビネーションホイールが追加されることがあります。

重力式水車、あるいは「オーバーシュート式」水車と呼ばれるものは、いくつかの理由から最も効果的で、水の重力による効果を最大限に活用できるように見えるかもしれません。しかし、実際にはそうではありません。この種の水車がタービン水車よりも優れているのは、特殊な条件下でのみであり、最高クラスのタービン水車よりも高い出力率を発揮することは決してありません。その理由は、それらの動作条件を検討すれば明らかになります。

重力水車は、水の落差、つまり専門用語で言えば水頭の高さと同じ直径を持つ必要があります。水車周縁部の速度は、水車が水を先取りしたり、水面を越えたりすることで、その効果の一部を失うことなく、毎秒16フィート（約4.8メートル）を超えることはできません。水車の直径が大きいため、軸速度は非常に遅くなり、動力が加えられるほとんどの作業で必要な速度に達するためには、増速歯車列が必要になります。この歯車列は摩耗しやすいだけでなく、 [38]こうした歯車装置は、歯車で構成されている場合は特に、摩擦抵抗によって動力の相当部分を消費します。重力水車は、その大型で必然的に露出した位置にあるため、寒冷な気候では凍結するおそれがあります。また、部品が最初は濡れて次に乾いたり、空気と水に交互にさらされて温かくなったり冷たくなったりする傾向があるため、水中水車よりも、鉄製の場合は腐食しやすく、木製の場合は腐朽しやすくなります。重力水車は、水から最大の効果を得るためには直径が非常に大きいため、底部または吐出側で水を引きずらなければならず、このため、潮の逆流や増水によってすべての水車が多かれ少なかれ逆流の影響を受けることになります。これらの欠点は、重力車輪に関連する最も顕著な欠点の 1 つであり、構築の不便さ、コストの高さなどの他の理由と相まって、実際のテストや理論的な推論ではなく、状況の力によってこのような車輪が使用されなくなっています。

衝撃水車、つまり水の衝撃力によって駆動される水車（タービン水車と呼ばれる種類を含む）は、現在、あらゆる高さの落差に一般的に使用されています。

彼らの行動の一般理論は、次の命題で説明できるだろう。

水の噴出力は理論的には重力に等しい。
噴出する水の衝撃力は、その動きが車輪の羽根によって完全に止められると、最大限に活用できます。
水の力は、水が流れに対して直角の面に衝突したときに最大になります。
羽根の面と平行に、または水車の動きと逆向きでない角度で羽根から跳ね返る水によって生じる力はすべて失われます。
水車に噴射される水柱の数が増え、大きさが小さくなるにつれて、この跳ね返り作用は小さくなります。
水車内の回転条件を満たし、水が羽根に力を加えた後、水が引きずられることなく排出できるようにするには、タービンの逆カーブが最もよく知られた配置です。

[39]

もちろん、言葉だけで現在のように複雑な主題を扱うのは非常に難しいので、読者は上記の命題を念頭に置いて、図面、またはより良い方法として水車自体を調べることをお勧めします。

現代の水車は、有能な技術者による綿密な研究の対象であり、一般原理を理解すれば、参照・研究できる数学的データは豊富に存在する。しかし、前述の通り、このテーマは細部まで追求すると非常に複雑であり、水車のみを研究対象としない機械技術者にとっては、より有益に研究できる他のテーマに比べて、あまり役に立たないかもしれない。水車の研究は、確かに、少なくとも改良という観点から見れば、労力に見合うだけの成果が期待できない、使い尽くされたテーマと言えるだろう。最も有能な水力技術者たちの努力も、過去長年にわたり水車によって実現されてきた有用効果の割合に、さほど貢献していない。

リアクションホイールは限られた範囲でしか使用されておらず、水車の一種としてまもなく姿を消すことは間違いないでしょう。リアクションホイールについて語るにあたり、バーカー水車と呼ばれるものを例に挙げたいと思います。これはよく知られているものですが、その構造は現代のリアクションホイールとは大きく異なります。

バーカーホイールの作用原理については、科学的には非常に明確であるにもかかわらず、力学に精通した多くの人々にとっては依然として謎であり、その力は圧力から直接生じると主張する人もいれば、反作用による動的効果から生じると主張する人もいます。これは通常の基準で判断するのが非常に難しい問題の一つであり、異なる見解を持つ人々の間で終わりのない議論の的となっています。そして、このような論争から通常得られる利点を考慮すると、ここでこの問題を解決する最良の方法は、両方の立場を可能な限り明確に述べ、読者がどちらが正しいと考えるかを自ら判断できるようにすることでしょう。

バーカーホイールの垂直軸と水平アームが16フィートの落差で水で満たされていると仮定すると、クロスアーム内の表面1インチあたり約7ポンドの圧力がかかり、あらゆる方向に均等な力が作用します。これらのアームの側面に1インチの面積に相当する開口部を開けると、その部分で水が排出され、圧力が軽減されます。 [40]圧力はその程度まで不均衡になる。言い換えれば、この開口部の反対側、つまりアームの反対側には7ポンドの力が生じ、それが不均衡であるため、車輪を駆動する推進力として作用する。

これはバーカーホイールの動作原理に関する一つの理論であり、ヴォーグデスの『計量法』やおそらく他の文献にも示されている。ここで言及されているもう一つの理論は、直接作用と反作用が等しいため、ホイールの周縁から接線方向に放出される重量のある物質は、重量が振り落とされる直接作用と等しい反作用力を生じなければならないというものである。より簡潔に言えば、バーカーホイールのアームから噴出する水は、その重量に比例して、逆方向に反応しなければならない。

2 つの命題は互いに一貫しているか、あるいは同一である可能性がありますが、それでも明らかな違いが残ります。

後者の理論はもっともらしく、おそらく正しいものでもあるように思われる。しかし、反動水車の作動に関して、後者の理論を否定し、前者の理論を支持するような二つの事実がある。すなわち、反動水車は実際には水の有効利用効果の40%以上をほとんど利用していないということ、そしてその速度が水の初期速度を超えることがあるということである。この点については、読者の皆さんの議論や調査に委ねることにする。

圧力水車は、重力水車と同様に、理論的な推論から、高い動力効率が期待できる。水は全重量を羽根や橋台に受け止め、水車を回転させる以外に逃げる手段がないことから、水の重力によって全効果を発揮する条件を満たしているように思われる。そして、このような水車は、ほとんどの場合実用化を困難にする特定の機械的な困難を克服することができれば、間違いなく経済的である。

圧力ホイールは、蒸気機関と同様に、水密面間の回転接触を必要とします。そして、回転蒸気機関と同様に、この接触は同一ジョイント内で異なる速度で移動する面間の接触であるため、摩耗は不均一となり、速度または軸からの距離が大きくなるにつれて増大します。蒸気機関において、いかに入念な職人技をもってしてもこれらの困難を克服できる回転機関は存在しないことを考えると、砂や堆積物で満たされやすいだけでなく、特有の潤滑特性も欠く水を使用することで、これらの困難を克服できるとは到底考えられません。 [41]蒸気の。回転式蒸気機関は実質的に圧力水車と同じであり、一方を研究すれば、他方の原理も十分に理解できるだろう。

(1.) 蒸気と水力の間にはどのような類似点がありますか? — (2.) タービンという名前の由来は何ですか? — (3.) この名前はどのクラスの水車に当てはまりますか? — (4.) 水車はどのように分類できますか? — (5.) 反動水車はどのような原理で動作しますか? — (6.) この場合、重量と圧力は独立して考慮できますか? — (7.) 機械でラジアルランニングジョイントを維持できないのはなぜですか? — (8.) タービンホイールの重量とプロペラシャフトの推力を支えるために一般的に使用されているメカニズムについて説明してください。

第9章
風力発電
風力は、不確実性と不規則性という欠点を除けば、最も安価な動力源です。蒸気機械は、投資として多額の費用がかかるだけでなく、価値が継続的に低下し、燃料を消費し、継続的な熟練したメンテナンスが必要です。水力もまた、多くの場合蒸気力よりも多額の投資を必要とし、多くの場所では洪水による破壊の危険にさらされています。風力はあらゆる面で安価ですが、特定の地域を除いて安定した供給が期待できません。しかも、これらの地域は、製造業の他の要素から遠く離れていることが多いのです。風車の仕組みは非常に単純で、広く理解されているため、ここでメカニズムについて言及する必要はありません。直線的に移動する風の力は、回転運動を生み出すのに容易に応用できます。水力との違いは、主に風の流れが比較的弱いことと、風が作用する羽根の面積が大きいことです。タービン風車は、タービン水車とほぼ同じ設計で製造されています。風力発電について語る際には、熱に関する命題を忘れてはならない。蒸気機関が熱をほぼ直接利用していること、そして水車が熱の効果をどのように利用しているかは既に説明されている。 [42]より直接的ではない形ではありますが、熱と風車、あるいは風力との間にも同様の関係が見られます。空気の流れは温度変化によって生じますが、そのような空気の流れを生み出す熱と、それを動力として利用することとの関係は、水力の場合ほど複雑ではありません。

(1.) 風車と水車の一般的な違いは何ですか?—(2.) 風の流れは、水の流れのように、自由に変えたり利用したりできますか?—(3.) 風はどのような原理で水車の羽根に作用するのですか?—(4.) 風力と熱の類似性はどのように見出せますか?

第10章
電力の送信および配電のための機械
「動力伝達」という用語をその完全な意味で解釈すると、機械類に適用される場合、運動するほぼすべてのものが含まれます。なぜなら、動力伝達装置、すなわち動力が伝達されて作業に消費される装置を除けば、あらゆる種類の機械類は伝達装置と呼ぶことができるからです。しかしながら、慣習上、この用語の使用は、動力をある場所から別の場所へ伝達するために用いられる装置に限定されており、動力が作業の遂行に直接適用される組織化された機械類は含まれていません。動力は、作業の様々な条件に応じて、軸、ベルト、摩擦車、歯車、そして場合によっては水や空気によって伝達されます。時には、条件が要求しないにもかかわらず、このような機械類が使用されることもあります。なぜなら、機械工学に関連して、動力伝達装置ほど意見の多様性や実践の多様性が見られるものは他にないからでしょう。

私が言及しているのは、機械構造の問題ではなく（この意味で適用すれば、この発言は正しいかもしれないが）、特定のケースで最もよく使用される可能性のある種類の装置についてである。

[43]

ここでは、動力伝達機械の構造について論じるのではなく、ベルト、歯車、シャフトのいずれを採用すべきかなど、特定の状況においてどの伝達方式が最適であるかを決定する条件を検討し、それらの動作原理について考察する。既存の事例からは、異なる動力伝達方式の利点に関するデータは得られない。なぜなら、ある特定の機能は、ベルト、歯車、シャフト、さらには水、空気、蒸気によっても問題なく遂行できる可能性があるからであり、異なる伝達手段の比較優位性を判断することは必ずしも容易ではないからである。

伝動機械は一般的に施設の固定設備の一部であるため、機械の場合のように比較実験を行うことはできません。さらに、騒音、危険、凍結、距離といった特殊または局所的な要因を考慮する必要があり、これらが一般的な適用規則を阻んでいます。しかしながら、いずれの場合も、ある特定の動力伝達方式が他の方式よりも優れていると想定することができ、その方式は、まず様々な機構の原理と、それらが存在する特殊な条件にどのように適応するかを研究し、次に先例や事例を検討することによって最もよく決定できます。

伝達機械において、強度と適切な比率に関するデータを提供する主要な原理は、機械にかかる応力は、それが何であれ、その速度に反比例するというものです。例えば、幅2インチのベルトが毎分1,000フィートの速度で移動すると、理論上は幅10インチのベルトが毎分200フィートの速度で移動するのと同じ仕事量になります。また、毎分200回転するシャフトは、同じ時間に50回転するシャフトの4倍の動力を伝達しますが、ねじり応力はどちらの場合も同じです。

この提案は、製粉所の歯車の割合を減らし、速度を上げることの便宜性を主張するものであり、この変化は過去50年間徐々に進行してきた。しかし、軸受面の速度、遠心力、揺れ、振動といった相反する条件が、この方向への制約となる。目的は、高速性、軽量性、低コスト性から予想されるものと、実用条件および耐久性が要求する条件との間の均衡点を見出すことである。

[44]

(1.) 一般的に使用される「伝動装置」という用語には何が含まれますか? — (2.) シャフト、ベルト、ギアを直接比較できないのはなぜですか? — (3.) 伝動装置の速度と歪みの関係を定義してください。 — (4.) シャフトの速度を制限する主な条件は何ですか?

第11章
動力伝達用シャフト
学習者が目の前にあるものについて、詳細に説明しても無駄です。機械があるところならどこでもシャフトは見られます。シャフトが動力伝達にどの程度用いられているか、そしてどのように配置するのが一般的かは容易に理解できます。様々な教科書には、特定の直径のシャフトが耐えるねじりひずみの量を決定するためのデータが掲載されており、ねじりひずみに対するシャフトの抵抗力は直径の3乗に等しいこと、横ひずみによるたわみは何度かなど、他にも非常に有用で知っておくべき多くの事柄が説明されています。したがって、ここではこれらの事柄には触れず、シャフトに関するあまり知られていない条件、つまり数学的データから推論されるものではなく、実際の経験によって実証される条件をいくつか取り上げます。ここで述べることは、特に機械工場やその他の製造施設における動力の伝達と分配のための、いわゆるラインシャフトに当てはまります。シャフトに関する以下の命題は、これから述べる内容を理解するのに役立つでしょう。

シャフトの強度は、シャフトのサイズとサポートの配置によって決まります。
シャフトの容量は、シャフトの強度と回転速度の組み合わせによって決まります。
シャフトが受ける歪みは、伝動装置のねじり歪み、ベルトや車輪による横歪み、ベルトの巻き取りなどの事故による歪みです。
シャフトの回転速度は、シャフトのサイズ、駆動される機械の性質、およびシャフトが支持されているベアリングの種類によって決まります。
シャフトの強度はその大きさによって決まり、その大きさはシャフトが受ける負担によって決まるため、 [45]まず最初に考慮すべきは菌株です。

ねじり、たわみ、そして偶発的な3種類の歪みについて言及しました。これらの複数の歪みに対処するには、それらに耐える十分な大きさと強度という共通の手段が必要です。したがって、これらの異なる歪みをそれぞれ個別に検討することは無意味です。3つの歪みのうちどれが最も大きいかを把握し、それに対応できれば、残りの歪みは当然無視できます。実際には、これらはシャフトが通常の使用において受ける偶発的な歪みであり、強度の点では、シャフトは通常の使用によるねじり歪みまたは横歪みによって決まる基準をはるかに超える強度で作られています。

ここで、古くから言われている命題に戻ります。運動を伴わない構造物の場合、数学的データから寸法が得られますが、機械には同じ規則は適用されません。純粋に数学的データから得られるシャフトの比率に従おうとすると、ほとんどの場合、誤差が生じます。経験上、動力が十分に規則的に伝達・適用される一般的なケースでは、直径3インチ、毎分150回転、長さ3～4インチのベアリングを10フィート間隔で配置したシャフトであれば、50馬力を安全に伝達できることが実証されています。

この例、あるいは他の十分に証明された例を仮定し、直径を伝達される動力の立方根、ベアリング間の距離を直径、速度の逆数を直径として、シャフトの直径を大小見積もると、読者は、その計算が現代の優秀なエンジニアの実践とほぼ一致することに気付くでしょう。これは、シャフトの比率を示すためではなく、ベルトの巻き込みなどの偶発的な歪みに注意を喚起するため、そして、シャフトが受ける測定可能または決定可能な歪みと呼ばれるものによって与えられる比率と実際の実践との間に顕著な乖離があることに注意を喚起するために述べられています。

動力伝達手段としてのシャフトは、プーリーやギアによって全長にわたってどの位置からでも容易に動力を取り出すことができるという非常に重要な利点を有し、また、動力源と機械の間、あるいは機械の異なる部品間の確実な接続を形成する際にも役立ちます。シャフトのねじり応力に対する抵抗力は、 [46]シャフトのねじりたわみ量はシャフトの長さに等しい。ねじり容量は直径に基づいているため、しばしば「漸減シャフト」と呼ばれる構造が採用される。これは、駆動源からの距離が離れるにつれて、また、担うべき負荷が小さくなるにつれて、各セクションの直径が小さくなるラインである。このラインシャフト配置計画は過去も現在も非常に一般的であるが、綿密な観察によって導き出されたものではないことは確かである。ほとんどすべての建設計画には長所と短所があり、いずれにせよ、どちらが優れているかを判断する最良の方法は、まずすべての条件を可能な限り近づけ、次に「試算表」を作成し、長所を一方に、短所を他方に置いて、比較のために合計を算出することである。均一直径のシャフトと可変直径のシャフトの問題をこのように扱うと、後者の計画には、材料の節約と摩擦のわずかな低減という利点が見られる。材料の節約は初期費用にのみ関係します。なぜなら、異なる部品の直径が異なる場合、シャフトを構築する際の取り付け費用が大きくなるからです。また、全体にわたって同じ速度を仮定する必要があることを考慮すると、摩擦はほとんど見積もる価値がありません。

一方、欠点としては、継手が統一されていないため、ラインシャフトの部品間での交換が不可能な点があります。これは、交換が頻繁に必要となるため、非常に重要な問題です。ラインシャフトは、直径の異なる部品で構成される場合、特定の場所や用途に合わせて調整された特殊な機械であり、機械工が定番品として定期的に製造し、安価に入手できる標準品ではありません。滑車、車輪、軸受、カップリングはすべて特別に製作する必要があり、シャフトのラインを変更または延長する場合は煩わしく、しばしば少なからぬ費用がかかります。これらの費用は、シャフトの直径を統一することですべて回避できます。軸受は、強度や寸法が不均一なだけでなく、通常、不規則な間隔で配置され、シャフトの各セクションの長さは、直径に合わせて変更されることがあります。均一な直径のラインシャフトでは、ハンガー、カップリング、プーリー、ベアリングなど、シャフトに関係するすべての部品は交換可能です。プーリー、ホイール、ベアリング、ハンガーは、任意の場所に配置したり、シャフトのある部分から別の部分に移動したり、 [47]必要に応じて、工事の一部を別の部分に移設する。均一な直径を持ち、特定の用途に十分な強度を持つ立坑ラインの初期費用は、一般的に、サイズの異なる複数のセクションからなる立坑よりも低くなります。これは一見奇妙に思えるかもしれませんが、必要な支持材の数と特殊な取り付け費用を計算してみると、ほとんどの場合、費用削減効果が得られます。

この事例は、部品が受ける測定可能な応力ではなく、動作条件が明らかに機械の配置を決定する真のデータを提供する事例として、また、実用的かつ実験的な観点から機械的条件を研究することの重要性を示す好例として注目されている。シャフトの全体直径が伝達される動力の正確な量に基づいている場合、あるいはシャフトの各部における直径が、これらの箇所で受けるねじり応力に基づいている場合、そのようなシャフトは実用条件を満たさないだけでなく、そのような調整を試みることでコストが増大する。シャフトが受ける通常の動作応力は、シャフトの回転速度に反比例する。これは、初期コストのみを考慮する場合、シャフトを最高速度で回転するように配置することを支持する強力な理由となる。しかし、考慮すべき他のより重要な条件があり、その中でも主なものは、機械に動力が取り出される際の必要な移動速度と、ベアリングの耐久性である。

製造工場のラインシャフトの場合、機械の初動速度と速度が大きく異なるため、1つ以上の中間またはカウンターシャフトを使わないと、費用が非常に高額になります。逆に、カウンターシャフトを使わずに済むと、ベルト、ベアリング、機械、そして障害物を大幅に節約できます。ラインシャフトの実際の速度限界は、ベアリングの性質に大きく依存しますが、この点については別の機会に説明します。

(1.) シャフトにはどのような歪みが加わりますか? — (2.) 横方向の歪みに対するシャフトの強度は何によって決まりますか? — (3.) 動力伝達には、なぜベルトよりもシャフトのほうが便利なことが多いのですか? — (4.) シャフトとベルトが受ける歪みの違いは何ですか? — (5.) 最初のムーバーからサイズが小さくなるセクションでラインシャフトを構成すると、どのような利点がありますか? — (6.) 均一な直径のラインシャフトを構成すると、どのような利点がありますか?

[48]

第12章
動力伝達用ベルト
ベルトが滑車に及ぼす牽引力は、機関車の車輪が鉄道に及ぼす牽引力と同様に、実体験によってのみ実証できるため、歯車や軸が使用できない場合を除いて、長い間、運動と動力の伝達手段としてのベルトの導入は妨げられてきました。「運動」が別個に言及されているのは、木材機械など、高速で駆動される多くの機械では、動力だけでなく、高速な動きの伝達も考慮する必要があるためです。そして、通常の実用においては、そのような高速をある軸から別の軸に伝達するには、ベルトのみが用いられます。

ベルトを動力伝達手段としてシャフトと区別するために、まず指摘すべき原則は、動力がねじりひずみではなく張力によって伝達され、伝達時の動力はベルトの駆動側と弛緩側の張力差で表されるという点です。シャフトの場合、その長さ、すなわち動力伝達時にシャフトが延長できる距離はねじり抵抗によって制限されます。ベルトはねじり抵抗を受けないため、他に対処すべき困難がない限り、長距離の動力伝達にはシャフトよりもベルトの方が適していると言えます。ベルトは空気抵抗と、長い水平ベルトに不可欠な支持プーリーのベアリングにおける摩擦抵抗を受けます。これらの例外を除けば、ベルトは非常に高速で移動することができ、大きな損失なく動力を伝達することができます。

この命題を現代の工学的例に当てはめてみると、ベルトの特性が示唆する通りに、実際の使用が徐々に変化してきたことがわかる。空気抵抗を避けるために細径のワイヤーロープやロープは、支持滑車が多すぎるのを避けるために低い曲線を描くように垂れ下がるように設計されており、ドイツのシャフハウゼンのように、長距離の動力伝達に用いられることが多い。このシステムは、大規模な製造施設における動力分配に非常に効果的に適用されているケースもある。ベルト（これにはあらゆるフレキシブルバンドが含まれる）は、ベルトと同様の機能を備えていない。 [49]シャフトのように異なるポイントで動力を取り出すのではなく、移動可能な移動クレーンや機械などのように、移動可能なポイントで動力を取り出す場合に、ポータブル機械に動力を伝達するのに利点があります。

可動機械への動力伝達にベルトを使用する興味深い例として、英国クルーにあるL&NW鉄道工場のラムズボトム氏の移動クレーンが挙げられます。この強力な移動クレーンは、直径3/4インチ以下の綿ロープを用いて、吊り上げと横移動の両方の動力を得ています。ロープは高速で移動し、接線車輪と歯車によって減速され、重量物の吊り上げに必要な力が得られます。この機械の動作を観察すると、力と運動の関係を知らない人は、機械に動力を伝える細いロープが生み出す効果に驚嘆するでしょう。

動力伝達手段として考えると、長所と短所の対比は、ベルトと軸ではなく、ベルトと歯車の間に特に顕著です。確かに、クルーで引用されたような極端な場合や、水力をアクセス困難な場所から長距離輸送する場合などでは、比較対象はベルトと軸になります。しかし、通常の実践、特に新規参入者にとっては、動力伝達機構に関する問題は、ベルトと歯車の間にあります。歯車の場合のように、ベルトの使用経験が豊富であれば、また、ベルトの品質が見積もりにおいてそれほど重要な要素でなければ、どこでベルトを使用し、どこで歯車が適しているかを判断するのにそれほど困難はないでしょう。ベルトは、ごく最近まで歯車の使用が不可能と考えられていた場合でも、継続的に歯車に取って代わりつつあります。ペンシルベニア州ピッツバーグにある最大の圧延工場の 1 つは、各ロール列の最後の駆動源である 1 対の平歯車を除いて、全体がベルトで駆動されています。

ベルトが動力伝達手段として保証できないシャフト間の確実な相対運動の問題を除けば、機械から機械へ、または機械の部品間で動力を伝達する際にベルトまたは他の手段を使用するかどうかを決定する際に考慮しなければならない以下の条件があります。

電力を伝送する距離。

[50]

送信機械が移動しなければならない速度。
伝達経路または方向（直線か斜めか）。
建設コストと耐久性。
送信中の電力損失。
危険、騒音、振動、揺れ。

歯車軸とベルトのどちらが動力伝達手段として最適かという疑問が生じ得るあらゆるケースにおいて、挙げられたいくつかの条件を適切に調査し理解すれば、解決策が導き出されるでしょう。速度、騒音、角度などは決定的な条件となる可能性があり、実際、多くのケースでそうなっています。一方、一次コストと動力損失は一般的に二次的な条件です。これらのテストをベルト、軸、または車輪が使用される可能性のあるケースに適用することで、学習者はすぐに自身の設計を導く知識を習得し、目にした例の正しさを判断できるようになります。

ある作品が一般的に特定の方法で作られている、あるいはある命題が一般的に正しいと認められている、ということを知るだけでは十分ではありません。理由を探さなければなりません。理由が理解されるまでは、真の意味で何も学べません。ベルトが高速走行に最適であること、ギアが動力伝達における角度形成に最適な手段であること、ギアはより多くの電力を消費し、ベルトは振動や騒音が少ないことを観察だけで知るだけでは決して十分ではありません。物事を十分に理解したとみなすには、根底にある原理に到達しなければなりません。

(1.) 長距離にわたる動力伝達には、なぜベルトがシャフトよりも優れているのでしょうか? — (2.) ベルトの速度を制限する条件は何ですか? — (3.) 確実な動きを伝達するためにベルトを使用できないのはなぜですか? — (4.) プーリに滑りがなければ、一般的なベルトで確実に動きを伝達できますか? — (5.) 動力伝達手段としてベルトをギアやシャフトと比較する際に考慮すべき状況をいくつか挙げてください。

[51]

第13章
動力伝達手段としての歯車装置
かつては車輪、軸、そして工場や工場の一般的な機構に用いられていた「歯車」という用語は、現在では一般的に歯車に限定されて用いられるようになり、ここでもこの意味で用いられています。運動伝達手段としての歯車は、エンジン旋盤のトラバーススクリューのように、機械または機械部品の動きが相対的に一定に保たれなければならない場合に用いられます。つまり、互いに近接した軸間で大きな力が伝達される場合、あるいは接続される軸が互いに角度をつけて配置されている場合です。もちろん、この規則は、確実な相対運動を維持しなければならない場合を除き、一定ではありません。軸間の距離と位置から、歯車接続が最も耐久性があり安価になる場合でも、騒音や突然の障害発生の可能性が、歯車を使用しない理由となることがよくあります。通常の負荷、限られた速度、および他の条件が許容する限り、歯車は動力伝達のための最も安価で耐久性のある機構です。しかし、ベルトがよりよく理解されるようになった将来において、特にヨーロッパの機械に使用されている歯車装置の量は、間違いなく現在よりもはるかに多くなるでしょう。

機械力学に関連する分野の中で、歯車機構ほど徹底的に研究されてきたものはない。教科書には、少なくとも数学的な観点から車輪に関するあらゆる情報が満載されている。そして、見習いが目にする車輪の歯に関する膨大な資料、公式、図表から判断すれば、現代工学の主目的は車輪を製作することにあると確信せざるを得ないだろう。車輪の歯とその比率を理解することは、非常に重要であり、細心の注意を払って研究する必要があることは認めざるを得ない。しかし、歯の形状を紙上で定義した後、金属で歯を製作する方法を知ることも、同様に重要である。錬鉄、鋳鉄、真鍮、鋼鉄で作られた歯の摩耗に対する耐久性を理解すること、正しい車輪を鋳造するための型をどのように作るか、そして車輪の歯をどのように切削するかを理解することも同様に重要である。 [52]機械などによって。

実際、学習者は歯車の応用と動作条件をこの科目の主要な部分の一つとみなし、車輪の形状や構造さえも副次的なものとみなすべきです。こうすることで、最も習得が難しく、しばしば知識が不足している部分に注意を向けることができます。歯車は、平歯車、かさ歯車、接線歯車、螺旋歯車、そして鎖歯車の 5 つの種類に分類できます。鎖歯車を歯車に含めるのは、その動作の性質が歯車に類似しているからです。しかし、一見すると鎖は歯車というよりベルトに近いように思えます。車輪の歯に噛み合う鎖によって伝達される運動は正の運動であり、ベルトのような摩擦運動ではありません。このような鎖が他の条件で走行する速度は、歯車の運動に相当します。

ほぼあらゆる工学分野では、様々な種類の歯車が見られます。入手可能な科学的情報の量を考慮すると、ここでは、様々な種類の歯車の使用と動作を規定する条件のいくつかを指摘するだけで十分でしょう。歯車の耐久性は、破損の有無は別として、歯と歯が接触する際に生じる圧力と摩擦量に依存します。平歯車または傘歯車は、ピッチが正確で、歯が適切な形状であれば、清潔に保たれ、潤滑されていれば、歯と歯の接触が滑りではなく転がりであるため、摩耗はほとんどありません。多くの場合、一対の歯車のうち片方には木製の歯車が組み込まれています。この配置には、騒音を防ぐこと、歯に一定の弾力性を持たせること、木材への吸収によって潤滑剤を保持すること、そして摩耗によって、鋳造、あるいは切削歯では通常得られない歯の形状を確保することの4つの目的があります。

接線車輪とスパイラルギアは、軸受面間にいわゆる線接触しかなく、これらの面間の作用は滑りであるため、これらの車輪は急速に摩耗し、表面が硬く潤滑が一定でない限り、大きな圧力に耐えたり、大きな動力を伝達したりすることができません。機械において接線車輪が使用されるのは主に、急速な速度変化を確保するためであり、通常は運動を抑制し、力を増加させるためです。

接線歯車の軸をピニオンのねじ山または歯が駆動歯の面と平行になるように配置することにより、 [53]W・M・セラーズ社のプレーニングマシンと同様に、動作条件が変化し、興味深い問題が生じます。ピニオン歯の前進運動は、歯面間の滑り運動と等しくなる可能性があります。そして、同様に斬新な結果として、滑り運動は駆動歯の全幅にわたって分散されます。

スパイラルギアでは、力の線は歯の支持面に対して45度の角度をなしており、滑り運動は歯周における車輪の速度に等しくなります。前述のように、歯の支持は線接触のみです。このような車輪は、伝達する力がごくわずかな場合以外には使用できません。スパイラルホイールは、異なる平面で互いに直角に交差する軸を連結する場合、および車輪のサイズが同じ場合に使用されます。

プレーニングマシンのキャリッジに動きを伝えるラックギヤや、その他類似の用途において、ラックのピッチを短くすることで駆動輪とのピッチ差を小さくし、ラックをホイールに引き寄せ、持ち上げ動作を回避することができるという点に言及しておくべきだろう。この場合、ラックの歯は、キャリッジの運動線に対して垂直な位置に到達するまで、ラックの歯と接触しない。

(1.) 歯車はどのようなクラスに分類できますか? — (2.) 歯車の摩耗能力は何によって決まりますか? — (3.) 歯車に木製の歯車を使用することで得られる利点は何ですか? — (4.) 接線ホイールやウォームホイールはなぜ耐久性がないのですか?

第14章
動力伝達用油圧装置
油圧機械は最近開発されたシステムであるにもかかわらず、動力の伝達と適用に広く利用されており、様々な用途に応用されており、将来的にはさらに広範な用途が期待されています。一定量の動力を定期的に伝達する手段として考えられています。 [54]水力装置は、動力源としてはベルトやシャフトに比べて高価で多くの点で劣っており、その用途は、水力装置を特定の用途に適応させる特別な原理に由来する。この原理は、動力を蓄えておき、一定の間隔を置いて大きな力で使用できるようにすること、そして次に、ポンプのような単純な機構によって動力を増幅できる機能を備えていることにある。10馬力のエンジンを水力装置で機械に接続すれば、10分の1の時間で100馬力に相当する動力を供給でき、その間、動力は蓄電装置に蓄えられる。言い換えれば、連続的に作用する動力を蓄積し、必要に応じて一定の間隔を置いて重りを持ち上げたり、パンチを操作したり、圧縮鍛造を行ったり、その他の断続的な作業に利用することができる。このような目的で使用される油圧機械は、特にかなりの距離にわたって大きな力を作用させる場合や、シリンダーとピストンで、ギア、ネジ、レバー、またはその他のデバイスを代わりに使用した場合に 2 倍の詳細で達成できないレベルの強度を実現する場合には、ギアやシャフトよりもシンプルで安価です。

ポンプのピストンと動力を放出するピストンの比率によって、運動や動力はほぼ任意の程度まで変化させることができます。機械の一般的な配置は、どのような場合でも同じです。一方、歯車装置の場合は、動力と印加力が時間や力によって変化する可能性があるため、機械の数量を増やす必要があります。これは、断続的に大きな力が必要となる場合に油圧装置が推奨されることを意味します。油圧装置は、このような場合に初めて採用され、現在でも大抵の場合に使用されています。

しかしながら、動力の伝達と適用に油圧装置を使用する場合、次のような困難が伴います。水は非弾性であり、不規則な動作を行うと、ピストンが果たせる動作と実際に果たす動作の差に相当する動力損失が発生します。つまり、水の量、ひいては放出される動力は、実際に行われた仕事量ではなく、水の移動量と体積に応じて決まるのです。油圧機械の重量物の持ち上げと取り扱いへの応用については、別の機会に改めて説明します。

[55]

(1.) 油圧装置はどのような条件下で動力伝達手段として適していますか?—(2.) 油圧装置はどのような種類の作業に主に適用されますか?—(3.) 一般的な目的で動力を伝達する際に、なぜ水は空気や蒸気ほど適切な媒体ではないのですか?

第15章
動力伝達用空気圧機械
空気圧機械は、空気の弾力性による結果を除けば、動作においては油圧機械と類似しています。

水はシャフトや歯車に相当する剛性媒体、空気はベルトに相当する柔軟性媒体と考えることができます。現在、空気圧式動力伝達装置の用途は限られていますが、その用途は急速に拡大しており、特に気流を利用した物質輸送や鉱山機械への動力伝達に利用されています。

イタリアのモンスニトンネルとアメリカのフーサックトンネルにおける空気圧システムの成功は、空気が機械を動かす動力を伝達するだけでなく、同時に坑内の換気にも役立つというシステムの価値を実証しました。鉄道列車の空気ブレーキは、空気圧伝達の利点を示すもう1つの例です。空気が作用する箇所で力が増幅されるため、接続パイプのサイズが小さくなり、空気の速度が、従来はロッド、チェーン、またはシャフトを介して伝達しなければならなかった大きな力を補います。しかし、鉄道ブレーキを空気で動作させることによって達成される主な目的は、車両間のさまざまな距離に適応する柔軟なパイプによって、列車全体の接続を維持することです。パイプ内の空気の流れが摩擦や角度によって実質的に妨げられず、また空気駆動時にピストンやその他の機械のアクセスできない部分の潤滑を維持するのに困難がないと仮定すると、製造地域における電力分配手段として空気を利用することには多くの利点があるように思われる。 [56]蒸気は大規模に生成されており、特に都市部では、電力が利用される各施設ごとに独立した蒸気動力を維持するための費用と危険性が、現在ガスや水が供給されているように、パイプを通して圧縮空気によって電力を生成し、分配することを支持する強い理由となっている。

空気は、水やガスのような一般的なシステムにおいて、動力を伝達・分配するための最も自然で利用しやすい媒体であるように思われ、将来的にはそのようなシステムが存在する可能性は十分にあります。空気の膨張によって発生する動力は、それを圧縮する際に消費される動力に等しくはありませんが、その損失は他の方法で得られる利点と比較するとごくわずかです。現在、工学部の学生にとって、空気圧装置による動力伝達と物質輸送ほど興味深く、そしておそらくこれほど重要な研究テーマは他にほとんどありません。

空気圧機械を検討する際には、以下の点に注意する必要があります。

蒸気炉を使用できない場所に到達する空気圧装置の価値。
空気を動力源として利用した後、その空気をどのように利用するか。
蒸気がさらされる凝縮を防ぎ、熱を回避し、長い導管の収縮と膨張を防ぎます。
パイプを通じて空気を導く際に摩擦と角度によって生じる動力損失。
エンジンのピストンやバルブなど、空気圧下で動作する表面の潤滑。
製造地区全体に分散した多数の個別の蒸気機関に比べて、大規模に発電するコストが削減されます。
空気圧機械が保険料率と火災の危険性を低減する効果。
分配機器及びその保守にかかる費用。

伝達機構という非常に重要な主題をこのように素早く取り上げ、読者は、思考と調査につながる点、特に読者が抱くであろう疑問に答えることだけを目的としていることが分かるだろう。 [57]学習者の心に浮かぶ疑問は様々です。伝動装置の配置と設置において、まず最初に問われるのは、どのような種類の装置を用いるべきか、そしてその選択と配置を決定する条件は何か、という点です。本書は、可能な限り、これらの疑問を解決するための適切な手段を提示することに焦点を絞っています。

（1）空気と水は、どのような点で動力伝達手段としてベルトや歯車と似ているか？（2）鉄道の運行に空気を利用することで得られる主な利点は何か？ブレーキはどうですか?—(3) 動力を集中化することの利点をいくつか挙げてください。—(4) 空気を使う場合も蒸気を使う場合も、エンジンの動作条件は同じですか?

第16章
応用機械
「応用」という用語は、動力を消費し、適用する機械と、動力を発生または伝達する機械を区別するために適切に選択された用語です。製造業において使用され、材料に作用を及ぼす応用機械は、切断、圧縮、粉砕、分離、分解など、通常プロセスと呼ばれる特定の操作に向けられています。

これらのプロセスを分類することで、機械が担う機能はごくわずかであり、それらはすべていくつかの一般原理に基づいて動作していることがわかる。例えば、組み立てに用いられる機械工具はすべて切削工程に特化している。かんな盤、旋盤、ボール盤、そしてシェーピングマシンはすべて切削機械であり、直線または曲線で駆動される割断くさびという同じ基本原理に基づいて動作する。

材料を加工するプロセスとしての切断には、刃先を動かす力、刃先の動きを誘導・制御する手段、そして作用を受ける材料を維持・調整する機構が含まれます。手工具を用いた切断では、作業者は手によって工具の駆動と誘導という2つの機能を果たします。しかし、 [58]動力作業と呼ばれるこれらの機能を実行するために機械が作られています。ほぼすべてのプロセスで機械が手作業に取って代わっており、工作機械の歴史と発展を見ると、機械が最初に導入されたときに手作業をあまりにも忠実に模倣したために多くのことが失われたことがわかります。利益を上げるためには、機械は手で達成できるよりも大きな力を使用するか、より正確にツールを誘導するか、より速くツールを動かす必要があります。機械の使用において、速度の向上は、道具の誘導やそれらを動かす際の力の増加と同様に、まれではありますが目的となる場合があります。作業員の手は、発揮できる力に制限があり、道具を正確に誘導できないだけでなく、移動速度も遅いため、ツールの力も誘導も不足していない多くの作業で、機械が非常に有利に使用できます。

機械工学の研究において、切断機やその他の応用機械の動作を分析し、注目に値する事例から、機械の主目的が手作業では達成できない力の増大、より正確な誘導、あるいは速度の向上のいずれであるかを解明することほど、興味深く、かつ同時に有益なことはありません。ここで説明する切断機は、これらの目的のいずれかにのみ向けられている場合もあれば、すべてに向けられている場合もあり、また、これらの目的の相対的な重要性は作業内容によって異なる場合もあります。しかし、機械が効果的に利用されるすべてのケースにおいて、その動作は前述の機能の1つ以上に起因していると考えられます。

この問題をさらに詳しく見てみましょう。木材や石材の鋸引きなど、あらゆる作業において力の増強や動力量の増加を主眼とする機械では、手作業と比較した場合の効果は、投入される動力量の差とほぼ同じであり、そのような機械がもたらす節約効果も概ね同じ割合です。ある種の作業に10馬力を消費できる機械は、同じ目的に1馬力しか消費しない機械の10倍の節約効果をもたらします。これはもちろん、より粗雑な作業を行う機械や、単なる肉体労働に代わるために使用される機械に当てはまります。ミシン、ダブテール加工機、歯車切削機など、主に作業の誘導や速度向上を主眼とする他の応用機械では、手作業と10馬力の消費量の間には何の関係もありません。 [59]生み出される効果と消費される電力の量。

手作業と機械作業の違い、そして機械の省力化効果については、別の機会に改めて触れます。ここでは、伝達機械と応用機械の違いをより明確に理解していただくために、このテーマについて触れておきます。蒸気ハンマー、ドロップ、プレス、圧延機など、いわゆる圧縮工程に用いられる応用機械は、本来柔らかく延性のある材料、あるいは鍛造のように熱によって軟化される材料に作用します。

圧縮工程では、切削や研削のように材料が削り取られることはありません。材料は、金型や型によって必要な形状に押し込まれます。圧縮機の作用は、圧延機の場合のように断続的、蒸気ハンマーのように大きな力が限られた距離に作用する衝撃的、あるいはプレス鍛造のように徐々に持続的になります。研磨や研削のための応用機械は、ますます多く使用されるようになっています。これらの機械の主な目的は、圧縮や切削工程では作用しないほど硬い材料を切断または成形することです。したがって、この種の機械の必要性は、製造に投入される硬い材料の量に比例します。金属加工においては、焼入れ鋼や鉄の使用が急速に増加しており、その結果、研削盤は今や組立工場の標準的な工作機械の一つとなっています。

研削は、その根底にある原理をたどれば、単なる切削工程に過ぎないことは間違いありません。その工程で使用される刃先は、カッターに使用できるいかなる材料よりも硬く、砥石の砂の粒子や、エメリーホイールの金剛砂の粒子のように、塊に埋め込まれることで刃先がしっかりと支えられています。

ボルトやスクリーンなどの分離機械は、その種類とも言えるが、説明は不要である。磁気分離機の使用は、鉄や真鍮の削りかすや工場の廃棄物を分離する機能は、最近の重要な改善点として注目されるかもしれません。

様々な物質を粉砕したり、穀物やパルプを粉砕したり、繊維質の物質を分離したりするために使用される粉砕機は、いくつかの例外を除けば、容易に理解できるほど単純である。こうした例外の一つが、最近導入された回転式「粉砕機」である。その作用については意見が分かれている。その効果は確かに [60]研磨摩耗は、破片や粒子が互いに、あるいは回転するビーターやケーシングに衝突することによって生じます。この方法の斬新さは、高速度、言い換えれば打撃の速さによってもたらされる効果の増大にあります。

(1) 材料を変換する一般的なプロセスで使用される機械の種類を 5 つ挙げてください。—(2) 力を増強することを目的とする機械をいくつか挙げてください。1 つは速度を上げるためのもので、もう 1 つはツールの誘導に向けられたものです。—(3) プロセスに関して、また寸法に関して、鉄の熱処理と冷間処理の違いは何ですか。— （4.）

第17章
材料の移動および取り扱いのための機械
船舶や鉄道による物資の輸送や移動に応用されている蒸気やその他の機械は、いわゆる工学製品の大部分を占めています。蒸気輸送がこれほど大きな注目を集めるようになったのは 1 世紀も経っていないことを考慮し、それが人類に及ぼす現在および将来の影響を予測すると、機械科学が現代文明とどのような関係を持っているかがわかります。

船舶や列車の推進力への動力の応用を追求することは、必然的に伴う多くの難解な問題を伴うため、この研究を、見習い技術者にとって最も有用と思われる範囲をはるかに超えるものにすることになるだろう。さらに、それは適切に操作と呼べる範囲を超えることになるだろう。

海洋工学と鉄道工学は、世界最高の才能を惹きつけてきた。その重要性に見合った調査と研究が、これらの分野に投入されてきた。そして、これらの分野について出版された数多くの優れた教科書に、一つたりとも欠けているところがあるとは考えにくい。海洋工学と鉄道工学は、ある意味では、通常の建設技術から切り離して、機械工学の課程の最後に学ぶことのできる科学ではあるが、必ずしもそうではない。 [61]見習いが最初に取り組むのに適した科目。

輸送機械という一つの分野を扱う場合、ここで言及する限り、その主題は製造工程の一つ、特に機械製造に関連した材料の移動と取扱いに限定される。機械工場における材料取扱いに費やされる時間、費用、労働力、そして機械設備の量を推定すると、これまでこの問題を研究したことのない多くの人々にとって驚くべきものとなる。費用項目として、取扱いは大型部品の取り付けよりもしばしば高額であり、特に重量級の作業においては、経済的な取扱いを確保するために細心の注意が必要となる。

実習生は、実習コースを開始したらすぐに、資材の取り扱い方、クレーン、ホイスト、トラック、滑車、ローラーなどの操作を観察し始めるのが良いでしょう。つまり、移動と取り扱いに関するあらゆることを学ぶのです。日常的に使用される機械や器具は機械的な意味では十分に単純ですが、資材の取り扱いの原理は決してそれほど単純で理解しやすいものではありません。重量物の取り扱いや持ち上げに関する様々な方法に見られる実践の多様性は、この最後の命題を完全に証明しており、この種の機械ほど科学的に扱われていない機械工学の分野が他にあるかどうかは疑問です。ここで私が言及しているのは、通常はバランスが良く、全体的によく配置されているクレーンなどの装置の機構ではなく、特殊な条件や地域的な条件を考慮したそのような機械の適応です。持ち上げや取り扱いのための機械の製造と操作には、その種類に特有の、ある種の固有の困難が伴います。これらの困難の中には、可動機構への動力の伝達、断続的かつ不規則な動力の適用、大きな負担、そして係員の判断によって制御される機械による事故や破損の可能性などがあります。

対照的に、通常の機械は静止しており、通常一定量の電力を消費し、そのような不確実な負担を受けることはなく、原則として操作者の意志によって操作されることなく動作します。

機械工場における材料処理のための機械に求められる機能は、人間の手の機能とほぼ同等である。比較可能な他のあらゆるものと同様に、この点においても自然は適応力において人間を凌駕しており、実際、私たちはそれを比較することはできない。 [62]物質を扱うという、私たちが労働と呼ぶものの大部分を占める義務に関して、人間の手以上に完璧なものを想像してみてください。

人間の手は、物質を扱う機械的な手段として捉えると、垂直、水平、角度などあらゆる方向に力を加えることができ、状況に応じて様々な速度で、人間の力の限界内で力を変化させながら動かすことができます。これらの機能により、私たちは重いものをゆっくりと慎重に持ち上げたり置いたり、時間を節約するために高速で運んだり、階段の昇降のように全身を動かさなければならない小さな荷物を運ぶ場合を除き、あらゆる方向に力をほとんど無駄にすることなく移動させたりすることができます。機械組立工場で一般的に使用される動力移動クレーンは、おそらく人間の身体に最も近いハンドリング機構と言えるでしょう。しかしながら、クレーンは、動きの速度を自由に調節できるという非常に重要な機能を欠いています。あらゆる種類の荷役・荷揚げ機械において、均一な速度で動作し、かつ、荷の始動や荷降ろしの条件に適応した速度で動作する場合、特に荷をかなりの距離移動させる場合、移動に多くの時間がかかることは明らかである。この均一な速度こそが、少なくとも動力駆動式の荷揚げ機械において、一般的に使用されている荷揚げ機械の最大の欠点と言えるだろう。

手で重量物を扱う際、それは慎重に持ち上げられ、慎重に置かれるが、その間の移動は可能な限り迅速に行われる。この自然の教訓は無視されていない。技術者たちは、この可変速度を自在に制御できるという原理に注目してきた。例えば、ウィリアム・アームストロング卿の油圧クレーンは、この原理を最も効果的に利用している。荷物を吊り上げた際に迅速な移動を確保するだけでなく、確実な歯車機構や摩擦駆動機構では不可能なほどの注意と精度で荷物を降ろしたり調整したりするのである。ブレーキ。

荷物を扱うすべての機構の原理は、力、移動速度、および力の方向を操作者の制御下に置くようなものでなければなりません。これは、すでに指摘したように、事実上、人間の手の動作と同じことです。

[63]

油圧機械の安全性、簡便性、そして信頼性の高い動作は、既に重量物の移動や持ち上げに広く利用されています。この発明の重要性と成功は、過去50年間の機械工学における最も重要な発明の一つに数えられるに値すると断言できます。ベッセマー製鋼工程で使用される機械の作動に油圧力を利用することは、油圧システムの利点と原理を示す最良の例の一つです。ベッセマー製鋼工場の公開図面と説明書には、この油圧機械の説明が記載されています。

しかし、油圧機械には、確動歯車機構と比較する際に考慮しなければならない原理があります。この原理は、油圧装置の特有の動作から得られる利得を相殺してしまうほどの動力損失につながることがよくあります。ここで言及しているのは、抵抗の有無にかかわらず消費される力が一定である非弾性媒体を扱う際に生じる動力損失です。例えば、油圧クレーンは、その動きに比例して動力を消費し、稼働量には比例しません。このようなクレーンのシリンダーを満たすのに必要な水量は、水がピストンを動かす力の大きさに関わらず、同じです。不規則な稼働における力の伝達に、空気や蒸気のような弾性媒体と水のような非弾性媒体のどちらを用いるかという違いについては、既に触れましたが、力学を学ぶ学生にとって非常に興味深い研究対象となり、動力の利用と効果に関する多くの問題の解決につながります。

モリソン氏の蒸気クレーンは、力の伝達媒体として水ではなく蒸気を使用している点を除けば水圧クレーンに似ていますが、確実な動きを除く水圧装置の利点をすべて兼ね備えており、水の使用に伴う動力損失を回避しています。蒸気の弾性は、機構が適切に構築されていれば、荷物の安定的かつ正確な移動に実用上支障をきたさないことが確認されており、放射による熱損失もごくわずかです。

製造業における工場工程に戻ること。加工対象となる材料は、連続した加工を受けるために、頻繁に、時には継続的に、ある場所から別の場所へ移動させられる必要があり、この移動は垂直方向または水平方向のいずれかになる。これは、第一に、材料を垂直に持ち上げたり水平に動かしたりする際の相対的な容易さによって決定され、第二に、[64]土地の価値と利用可能な空間の広さ、そして第三に地域の配置条件である。製造業が盛んに行われている大都市では、土地の価値が非常に高いため、そのコストは、地上に作業を広げるのではなく、複数階建ての高層ビルを建設し、ホイストで資材を垂直に運び、階ごとに面積を増やす正当な理由となる。また、ほとんどの人にとって、高層ビルには不利な点はない。機械の取り付けまでも含む様々な製造業の提案ですが、ヨーロッパでは小さな部品を除いて取り付け作業が上層階で行われることはほとんどないため、この提案は受け入れられないでしょう。

垂直方向のハンドリングは、消費電力は多いものの、一般的にコストが低く、便利で、作業場の建設作業に多少の支障をきたす水平方向のハンドリングよりも場所をとりません。機械の設置においては、1階の価値が誤って見積もられることがよくあります。これは、最も重い作業や最も重い工具には間違いなく不可欠なものです。しかし、部品の重量が2トンを超えない通常の作業では、材料を取り扱うための適切な機械があれば、頑丈な上階でも全く問題ありません。実際、原価計算が綿密に行われている施設の記録を見れば、上階の設置費用は1階の設置費用よりも安いことがわかります。これは、採光性が向上することと、1階で必然的に行われる他の作業の影響や支障から設置が遠ざかることによって説明されます。

カートや貨車の積み下ろしにおいて、昔ながらの外側吊り具の便利さはよく知られています。また、スリングホイストは走行式プラットフォームやリフトよりも安全性が低いように見えますが、事故がほとんど起こらないことも周知の事実です。一般的に、資材を扱ったり持ち上げたりする機械の中で最も危険なのは、作業員の注意や警戒を不要とする機械であり、最も安全なのは、そのような注意を強いる機械です。ホイスト機械において危険をもたらす条件は、使用される力が重力に対抗することであり、重力は絶えず作用しているため、使用される反対の力が少しでも途切れると、常にその力を利用し、2つの力が競合している重量を引きずり去ろうとします。例えば、重力の影響下にある重量は、 [65]加速された速度で、重力が支配的になると、一般に重大な事故につながります。持ち上げる動作は、人間の工夫が自然の力を克服または対抗する例であると考えられます。機械の不完全な力は事故や中断を起こしがちですが、重力は必ず作用します。あらゆる物体には、その重さに比例して、重力に対抗し、重力に等しい何らかの力が作用している必要があります。たとえば、ベンチの上にある鉄片は、ベンチによって重力に対抗しているため、重力に抵抗しており、この鉄片を動かすには、手や持ち上げ機構などの何らかの対抗力を代わりに使用して重力に打ち勝たなければなりません。

分子接着によって物質の粒子が結合して固体を形成するのと同様に、重力によって物体が所定の位置に保持されます。特に物質の取り扱いや移動において、力の正しい概念を理解するには、この考え方を心に留めておく必要があります。

重力は垂直方向にのみ作用するため、重力に抵抗する吊り上げ・荷役機械の主な力も垂直方向に作用しなければなりません。一方、物体の水平移動は、物体と移動面との間の摩擦を克服するだけで実現できます。これは実際にも見られます。100ポンドの力であれば、何トンもの荷物を積んだトラックを持ち上げることができます。したがって、水平方向の移動は、水平面上であれば、トラックとローラーの助けを借りて手作業で容易に行うことができます。しかし、床面の凹凸のために重量物を1インチでも持ち上げなければならない場合、摩擦接触を克服することと重力に抵抗することの違いは一目瞭然です。

資材の取り扱いに関連する問題の一つは、どこで人力を停止し、どこから動力を開始するか、つまり、クレーン、ホイスト、あるいは軌道の設置が正当化される条件と正当化されない条件を決定することである。特に資材の取り扱いにおいては、必要のない動力の適用においてしばしば誤りが犯される。現代に蔓延するあまりにも一般的な傾向は、実際にどの程度の節約が実現されるかを見極めることなく、可能な限りあらゆる用途に動力を適用することである。資材の取り扱いにおいて人力に代わる動力は、どこであれ利益を生み出すというのが一般的な印象である。しかし、多くの場合、動力は [66]すべての条件を考慮すると、この誤りは明らかになります。

商業上の便宜という理由だけでコストの問題として考えると、作業員が容易に持ち上げたり移動させたりできる場合、主に水平方向の移動である場合、そして労働力を継続的に投入できる場合には、一般的に手作業で材料を移動させる方が安価です。あるいは、実際にはほとんど同じことである一般則を想定すると、垂直方向の持ち上げは動力で行い、短距離の水平方向の移動は手作業で行うべきです。人が階段やはしごを上って荷物を運ぶことほど不自然なことはありません。このような場合に費やされる労力の半分以上は、降りるときには使われない体の重量を持ち上げるのに費やされます。そのため、たとえ手作業で操作する場合でも、常に巻き上げ機などの重量物を持ち上げる機構を使用する方が適切です。荷物を上に運ぶという話になると、イギリスやアメリカ、特にアメリカの建築業者が梯子を使って資材を運ばせることが多いのに対し、科学的な操作をあまり重視しないヨーロッパの古い国では、通常、梯子の上に立っている人から10～15フィート離れた別の人にレンガを投げるということを思い出す。

結論として。読者は、工学のどの分野においても、実践の難しさや多様性が、操作の説明や推論において同様あるいは同等の困難を生み出すことを理解するであろう。そして、ここで物質移動という主題に割り当てられた限られたスペースでできることは、ハンドリング機械の構築と適応を規定すべきいくつかの原則を指摘することであり、読者はそこから自らの視点でこの主題を取り上げ、目に留まる様々な例を通して理解を深めることができるであろう。

まとめると、材料の移動と取り扱いに関して次のような提案があります。

最も経済的かつ効果的なハンドリング機構は、力の大きさと移動速度をオペレーターが継続的に制御できる機構です。
動力機械による取り扱いの必要性とそれによる節約は主に垂直方向の持ち上げにおいてであり、水平方向の移動は手で簡単に行えます。

[67]

材料を垂直に移動させると、消費する電力は多くなりますが、床面積と地面の面積が少なくて済むため、水平方向の取り扱いよりも経済的です。
ハンドリング機械の価値、またはそれがもたらす節約は、それが作動する安定性によって決まります。このような機械は、費用を安くすることなく、ハンドリングの時間を短縮することができます。
油圧機械は、材料の取り扱いにおいて必要な条件を最もよく満たしており、作業が許容できるほど均一で、取り扱い量が必要な支出を正当化する場合に使用する必要があります。
機械製造における材料の取り扱いは、対処しなければならない主要な経費の 1 つです。部品を移動するたびにコストが増加し、通常は想定よりもはるかに大きなコストになります。

(1.) 重量物を持ち上げることが、なぜ力の尺度として標準とされているのですか。—(2.) 材料を持ち上げたり、取り扱う機械の操作で対処しなければならない困難をいくつか挙げてください。—(3.) 手作業による取り扱いと油圧クレーンの操作にはどのような類似点がありますか。—(4.) 天井クレーンの使用が、どのように組立工場のスペースを節約するか説明してください。—(5.) どのような状況で、材料を垂直に移動させるのが得策ですか。—(6.) 取り扱いの危険性は、主にどのような状況に起因しますか。

第18章
機械の組み合わせ
1 台の機械に複数の機能を組み合わせることは、ここで検討するほど重要な事項ではないと思われるかもしれませんが、それでも機械の製造と密接な関係があり、いわゆる構造の原理を構成します。

機械における機能の組み合わせを支持する理由、そしてそのような組み合わせがもたらす効果は非常に多様であるため、この問題は、機械を製造する人々だけでなく、機械を使用する人々の間でさえ、意見や実践に大きな多様性をもたらしてきました。また、回転させる機能など、機械に見られる組み合わせの多くは、 [68]鉄製の継手におけるフライス盤、穴あけ、スロット、ドリルなどの機械加工は、メーカー側の意図的な計画によるものではなく、むしろ、そのような機械が能力を倍増させる、あるいは増大させるという意見によるものである。これまでに機械の組み合わせは検討されてきたが、筆者が目にしたある事例では、機械部品の仕上げに必要なほぼすべての作業を実行できる機械が1台設置されていた。この機械は完全に組織化されており、設計と配置において高度な機械的能力を示していたが、一度に1つの作業しか実行できないため、実質的には単一の工作機械と同等の価値しかなかった。

機械の組み合わせという問題に関して、学習者が意見を形成する際に参考にする特定のルールに注意を向けるために、私は以下の命題を提示し、その後でそれらをより詳細に検討します。

まず、 1台の機械に2つ以上の工程を組み合わせることで得られる効果は、初期コストのわずかな削減、1台のフレームで2台以上の機械の機能をこなせること、そして床面積の節約だけです。

第二に、 2つ以上の操作が組み合わされた機械においては、複数の操作が互いに干渉することなく同時に実行されない限り、そのような機械の能力は、これらの操作のうちの1つとしてのみ機能します。

3つ目。複合機は、1人の作業員がすべての操作を実行し、1つの作業員から別の作業員への変更にほとんど調整や再配置を必要としない場合にのみ、効果的に使用できます。

4つ目。複合機械の部品の配置は、実行される作業に直接適合させるのではなく、部品間の関係に応じて変更する必要があります。

第五に、特別な改造にかかる費用、および各部品が独立して作動する場合に複合機を取り付ける際の通常の不便さは、多くの場合、フレームと床面積の節約額と同等、あるいはそれを上回ることもあります。

まず、複数の作業を1台の機械に統合することで実現される節約についてですが、実際に何が得られるのかをじっくり考える建設業者は20社に1社もいないでしょうし、同じことをする購入者も100社に1社もいないでしょう。1台の機械で2つの作業をこなせば、もう1台の機械が節約できるという印象です。この顕著な例は、ヨーロッパにおける木材加工用の複合機械の製造に見られます。そこでは、複雑な作業工程が一般的です。 [69]大工の作業場におけるあらゆる作業をこなす機械は、通常一度に一つの作業しか行えず、しかも通常は不便な方法で行われる。それぞれの作業は他の作業によって妨げられ、干渉されるからだ。ある作業から別の作業に移る際には、調整や変更の作業量は、通常、作業量に匹敵し、時には作業量を超えることもある。さらに奇妙なのは、このような機械を購入する場合、そのコストが、同じ作業を行うための別の機械を購入するコストに匹敵することがよくあるということだ。

金属加工においては、木工よりも分業がより完璧で、より巧妙な操作が行われていることから、機械の複合化は少ない。実際、金属加工用の複合機は今日ではほとんど見られず、実際に損失が発生するような状況では決して見られない。前述のように、複合化の利点は、機械が占めるフレームと床面積のみにあるが、適切な基準で評価されるこれらの要素は、機械の稼働コストにおける他の項目、例えば人件費、機械の投資コストに対する利息、摩耗による価値の減少、修理などと比較すると、全く取るに足らないものである。

例えば、機械のコストが作業員の年間賃金と同額で、これは鉄工工作機械の平均的な見積もりとそれほど変わらないと仮定し、利子、摩耗、修理費がこの合計の10%であるとすると、作業員のコストは機械の10倍になる。言い換えれば、機械の作業員に支払われる賃金は、平均して、動力を除く機械の稼働に伴うその他の費用の10倍に相当する。この仮定から、工作機械において、労働力の節約に向けたあらゆる改善は、初期費用の節約に向けた同等の改善の10倍の価値があることになる。

この推論方法により、良質のツールと劣ったツールの価値の差を適切に見積もることができます。運用にかかる費用は、前述の想定どおり、通常、機械の価値に対する利息の 10 倍になるため、投資ではなくパフォーマンスの結果を最初に考慮する必要があります。

これらの命題を考慮すると、機械の改良がどのような目的に向けられるべきか、また、挙げられた考慮事項のうちどれが機械機能の組み合わせによって最も影響を受けるかについては、ほとんど言及する必要はない。事実は、機械の組み合わせの実際の効果を示す推定値を作成することができれば、それは驚くべきことである。 [70]複合機械は、この問題を調査していない人々によって開発されており、多くの場合、毎年そのような機械の全コストの損失を示しています。ただし、複合機械の効果は決して均一ではありません。ここで述べたことは、エンジニアリングやその他の施設の通常の作業で使用される標準的な機械に適用されます。例外的な場合には、複合機械を使用する方が便利な場合があります。たとえば、機械工場の工具室では、通常 1 人の作業員が作業の大部分を実行でき、機械を置くスペースがほとんどないため、フライス加工、旋削、穴あけなどに使用できる複合機械に特に適しています。しかし、これらの操作を 2 つ以上同時に実行する必要がある、または実行する機会がある場合は、各操作を実行するための独立したツールによってもたらされる労力の節約と比較すると、個別の機械のコストはわずかな考慮事項にすぎません。現時点では、あらゆる種類の製造工程は分業化しており、各作業をできるだけ多くの部門に分割する傾向があるため、機械の機能を「集約」するのではなく「分離」することに費やした研究が、最も有益な結果を生み出す可能性が高くなっています。

この記事は、機械の組み合わせの効果と価値を真に理解してもらうためだけでなく、機械の組み合わせと発明を混同してしまうというよくある誤りを警告するためにも紹介されています。

機械の改良とされるものの多くは、調べてみると、いくつかの機能を 1 台の機械に組み合わせただけであり、その配置の斬新さが実用性と効果の向上という印象を与えているだけであることがわかります。

(1) 機械をいくつかの異なる作業を実行できるように配置することで何が得られますか? — (2) このような組み合わせによって何が失われる可能性がありますか? — (3) 工作機械の稼働に伴う主な費用はいくらですか? — (4) 工作機械のどのような改良が最も収益性の高い結果を生み出しますか? — (5) 機械の組み合わせにつながった主な原因は何ですか。

[71]

第19章
工学施設の配置
土木工事の立ち上げにおいて、まず第一に、そしておそらく最も重要なのは、配置です。作業コストや資材の取り扱い費用に影響を与える商業的要因として、施設の配置は得られる利益を大きく左右する可能性があります。そして、前述の通り、この利益の問題こそが、そのような工事の成功を左右するのです。

工学施設の計画を実行するのに十分な土地を確保する費用や困難さはさておき、近代建築においてさえ、その配置が多様であるのは、一般的な前提に基づいた推論の欠如に起因することは間違いありません。常に地域の状況に合わせようとする傾向が強く、建物を設計する人々が作業場の運用に関する細部を完全に見落としたり、理解しなかったりすることが珍しくありません。

機械製造に関わるあらゆる作業における作業の類似性、そしてそのような作業の計画と実施に必要な知識の種類から判断すると、機械工場にも他の製造施設と同等以上のシステムが存在すると推測されるが、これは決して事実ではない。しかし、考慮すべき相違点がある。それは、当初は特定の事業規模に合わせて様々な施設を整備できるのに対し、機械工場は一般的に中核施設を中心に成長し、評判と生産需要の増加に伴い徐々に拡張されるという点である。さらに、エンジニアリング施設で求められる作業の多様性、そして作業の種類の変化は、配置の混乱を招きやすく、資材の取り扱いや移動にかかるコストの見積もりが不十分なために、混乱が促進されるか、少なくとも防ぐことができないことが非常に多い。

エンジニアリング施設で消費される資材は主に鉄、燃料、砂、木材です。これらの物品、あるいはその製品は、加工工程を経て、常に組立工場へと運ばれ、そこから完成した機械が出荷されます。 [72]完成後に送り出される。こうして組立工場は工場の中心的拠点となり、全体的な配置計画の基礎となるべきである。これを確立し、鋳造、鍛冶、仕上げ、型枠の各工場を組立工場への供給部門とみなすと、組立工場と他の部門との接続は可能な限り短く、資材の自由な移動と、各部屋の管理者と作業員間の円滑なコミュニケーションを可能にするべきである。これらの条件は、組立のための中央室を示唆しており、鋳造、鍛造、仕上げの各部門が組立工場から車輪のスポークのように放射状に広がるか、またはほぼ同じように、両側と中空の正方形の一端で直角に分岐し、組立室の4番目の側面が道路に面するようにして、完成時に機械が自由に出入りできるようにしている。

原材料は、鉄、砂、石炭、木材など、別々に保管する必要がある様々な物質から構成されるだけでなく、その体積は完成品よりもはるかに大きい。したがって、工場の外側、つまり「周辺」で、入口や物資の個別保管のためのスペースが最も広い場所で、こうした原材料を受け取るのは極めて自然なことである。もちろん、このような配置は工場の境界のかなりの部分にアクセス可能な場合にのみ可能であるが、提案された計画に基づいて工場を全体的に配置できないケースはほとんどない。原材料を外側で受け取り、完成品を中央から配送することで、工場内の各部門間の連絡は可能な限り最短になる。特にヨーロッパの優れた近代的施設の計画を観察すると、多くの施設、特に特定の種類の製品の製造に特化した施設で、このシステムがほぼ採用されていることがわかる。

材料の取り扱いと移動は、土木工事の計画において考慮すべき主要な事項です。建設的な操作は観察、評価、比較によって欠陥を発見できますが、機械の設計と同様に、取り扱いはより曖昧な問題であり、高度な技能を持ち、特に注意を払った者以外には、その欠陥が明らかになることなく、大きな欠陥が生じる可能性があります。 [73]その件について。

エンジニアリング施設が平屋建てで、主要作業が地上階で行われると仮定すると、垂直方向の吊り上げは、機械部品の組み立てが行われる組立室でのみ行われることになります。この組立室へは、天井移動クレーンを使用してあらゆる場所からアクセスする必要があります。天井移動クレーンを使用すると、作業物の旋回、移動、配置だけでなく、車両や貨車への積み込みにも使用できます。天井移動クレーンを使用することで、見落とされがちな床面積の節約が実現します。通常の組立作業では、移動クレーンを使用すると、組立作業場の作業員数は3分の1から2倍に増加します。違いは、部品を移動する際に、床に長い通路を設ける必要がなく、他の部品の上を通過できることです。天井クレーンによって実現されるこの空間節約は非常に顕著であり、天井クレーンが一般的に使用されている英国では、取り扱いがより安価でより迅速であるだけでなく、移動式クレーンが使用されていないアメリカの半分程度の床の組み立て面積で済むのが普通です。

鋳造品、鍛造品、および組み立て用の一般資材は、動力の助けを借りずに、トラックで他の部門から組み立て工場に簡単に運ぶことができます。そのため、非常に大規模な施設を除き、組み立て用クレーンと鋳造用クレーンで必要なすべての持ち上げ作業を行うことができます。

組立工場の中央に補助部門を配置する場合、複数の部門を通過する材料が組立工場を横切ることなく、工程順に移動できるように配置する必要があります。例えば、鋳造、ボーリング、削り、穴あけ、取り付けなどは連続して行う必要があり、各部門もそれに応じて配置する必要があります。鋳造品を同じ経路で2回移動させるのは、配置の不備と無駄な費用の発生につながります。この規則はあらゆる種類の材料に当てはまります。

作業床よりも高い場所で資材を保管・受入れることができれば、エンジニアリング施設における作業の大部分が省力化されます。例えば、石炭、鉄、砂などを鉄道車両から十分な高さで受け取り、重力で所定の場所に降ろすことができれば、資材をその高さまで持ち上げたり、移動させて積み上げたりするのに必要な電力と費用を節約でき、最終的には同じ効果が得られます。本稿では、この詳細を追うことは提案していません。 [74]店舗配置に関する本書は、配置計画を立案する際に考慮すべき一般原則のいくつかを示す手がかりを提供するにとどまらず、店舗配置の提案においては、経験よりもむしろこうした原則に頼るべきである。なぜなら、あらゆる経験は、特定の地域的条件と関連して得られるものであり、それがしばしば判断を歪め、偏見を生じさせ、経験を積んだ状況とは異なる状況下で計画を立てる際に誤りを生じさせるからである。

(1.) 施設の配置は収益にどのような影響を与えるでしょうか? — (2.) エンジニアリング施設の配置が一般的に不規則なのはなぜですか? — (3.) エンジニアリング施設では、なぜ建設工場が配置の拠点となるべきでしょうか? — (4.) エンジニアリング作業で消費される主な資材は何ですか? — (5.) 工場の配置計画を立てる際に、特別な経験が安全なガイドにならないのはなぜですか?

第20章
ショッププロセスの一般化
これまで、工房での実際の操作の研究に先立って役立つような、実用的な力学に関連する一般原則と事実を扱ってきました。次に、鋳造、鍛造、仕上げ、そして手作業と精神技術を必要とするその他の詳細について述べます。これらには「プロセス」という用語が当てはまります。

これらの工場のプロセスや操作は多かれ少なかれ関連しており、互いに影響し合っているため、最初にそれらの短い概要を示し、それぞれの一般的な目的を述べる必要があります。これにより、読者は順番に詳細な説明を読み進めていく際に、より理解しやすくなります。

機械の設計、あるいは計画の作成は、エンジニアリング製造や機械建設における主導的な要素であり、他のすべての要素が従属する要素であると考えられる。 [75]設計は、順序と重要性の両面において、工学の知識が特に注力する分野です。設計とは、まず特定の結果を想定すること、そして次に、その結果を生み出すための機械的手段を考案することから成ります。設計には、動作の幾何学、材料の配置と配置、摩耗面の耐久性、調整、対称性など、要するに機械の動作と構造に関するあらゆる条件が含まれます。この主題については、別のセクションでより詳しく扱います。

製図、またはより一般的に呼ばれている描画は、精神的な概念をある人から別の人に伝える手段です。それは力学の言語であり、機械的なアイデアをわかりやすい方法で伝えるには不十分な言葉に代わるものです。

図面は、代数学における記号が量を表すのと同じように、関連する機械を表現し、説明します。そして、機械自体が既に完成している場合と同じように、ある程度、修正や実験を行うことができます。図面はまた、設計や構想を練る上で重要な助けとなります。複雑な機械のすべての部品とそれらの相互関係を思い描き、記憶に留めておくには、様々なアイデアが浮かんだ時にそれを定着させ、比較のために常に目に見えるようにしておくための何らかの助けが必要です。統計をまとめるのと同じように、基礎は参照用として手元に置いておき、あるものと別のものの関係を判断するために必要です。

作業場では、図面を描く目的は、作業員に設計図や寸法を伝え、分業を可能にして機械のいくつかの部品を異なる作業員が同時に操作できるようにすることです。また、分類やコストの見積り、記録の保存も可能にします。

図面は実際、工場システムの基盤であり、生産物の精度と均一性だけでなく、そのコストも大きく左右します。あらゆるものの完全な図面は、今日では最も統制のとれた施設において不可欠と考えられています。しかし、ほとんどの作業が図面なしで行われていた時代からそれほど遠く離れているわけではありません。しかし、現在のシステムと、ほんの数年前、つまり建設に図面が必要だった時代とを比較すると、 [76]新しい機械を開発するのは、通常、多くの実験と失敗を伴う大がかりな事業でした。

型取りは、機械の成形部品の複製モデルの作成に関連し、収縮や冷却ひずみ、成形方法、そして鋳造時の部品の適切な配置などに関する知識を必要とし、特定の部品の健全性を確保します。機械製造の一分野である型取りには、高度な専門知識と高度な技能が求められます。なぜなら、これほどまでに作業員の裁量と判断に委ねられることが多い部門は他にないからです。

パターンメーカーは、図面を綿密に理解し、収縮を考慮して架台に再現し、コア材を決定する必要があります。さらに、成形、鋳造、取り付け、仕上げについても理解する必要があります。機械製造におけるパターン製作は、設計と製図に次ぐ重要な分野です。

鋳造は、溶かした金属を鋳型に流し込んで機械の部品を成形する技術です。重力だけで、複雑な形状にプレスしたり成形したりできます。溶融に必要な高熱で金属が損傷しないような金属を成形する方法として、鋳型は、規則的な輪郭の形状でもあらゆる手段の中で最も安価で迅速です。一方、不規則な形状を製造する上での鋳型の重要性は非常に高く、このプロセスがなければ機械製造システム全体を変更する必要があります。鋳造作業は、技術的には生砂鋳型とロームまたは乾砂鋳型の 2 つのクラスに分けられます。前者は、鋳型を形成するためにパターンまたは複製を使用する場合で、後者は完全なパターンを使用せずに手作業で鋳型を構築する場合です。鋳造には、機械製造に使用される金属の混合と溶解、金属を内部置換するための中子の準備と設定、冷却と収縮ひずみ、チル、その他さまざまな特殊事項に関する知識が含まれており、実際の観察と実践を通じてのみ学び、理解することができます。

鍛造とは、金属を加熱軟化させた状態で圧縮または打撃によって成形することを指します。プロセスとしては、鋳造と冷間加工の中間に位置します。また、鍛造は溶接や接合にも関連します。 [77]表面のみを急激に加熱して溶かし、その後、軟化または半溶融状態にある部品を強制的に押し付けることによって部品を接合する。鍛造には、通常、切削工具の準備、および用途に応じて様々な硬度への焼き入れが含まれる。また、材料を加熱するための炉の製作、高温の材料を扱うための機械装置の製作、そして鋳造の場合と同様に、経験と観察によってのみ完全に理解できる様々な成形作業が含まれる。

仕上げと取り付けは、互いに接触し、接合されたり、互いに移動する機械部品に正確な寸法を与えることと関係があり、鋳造および鍛造の最終工程で処理される材料が加熱され膨張した状態にあるため、残らざるを得ない余分な材料を切り取る作業です。仕上げでは、材料は常温で処理されます。この状態では、材料は取り扱い、寸法出し、測定することができ、取り付け後もその形状を維持します。仕上げには、旋削、穴あけ、プレーナー加工、研削、材料処理など、切断および研磨のすべての作業が含まれます。これは、構築された作業が組織化され、まとめられる場所であるため、工場操作の主要な部門と見なされています。取り付け工場は、特に図面が適用される部門でもあり、他の準備作業は通常、取り付け工程に従属して行われます。

ショップシステムは、エンジニアリング業務の一分野として分類されることもあります。これは、機械とその部品を記号と番号で分類すること、重量の記録、鋳造部品、鍛造部品、完成部品の費用、そして完成機械のコストを各部門に配分することなどに関するものです。ショップシステムには、標準寸法の維持、労働力の分類とコスト、そして機械的性質と商業的性質の両方を持つその他の事項も含まれます。

工場の工程についてより分かりやすく説明するためには、工程の順序を変える必要がある。設計や機械の操作に関連する多くの事柄は、手作業の技能を必要とするような、いわゆる建設的な作業を経験することで、より容易に習得し理解できるだろう。

[78]

(1.) エンジニアリング施設のさまざまな部門を挙げてください。—(2.) エンジニアリング施設には何が含まれますか?—(3.) 営業部門には何が含まれますか?—(4.) 鋳造部門?—(5.) 鍛造部門?—(6.) 取り付け部門?—(7.) 一般的に使用されているショップシステムという用語はどういう意味ですか?

第21章
機械製図
機械製図は、ある意味では、文章と文学の関係と同様の関係を機械工学に持っていると言えるかもしれません。人は理解できないことを原稿に書き写したり、口述筆記したりするかもしれません。また、機械製図工は理解できない機械の図面を描くかもしれません。しかし、そのような文章や図面は、通常の労働以上の価値を持つことはできません。製図工は、機械製造の様々な工程をすべて理解し、現代の実践によって提供される最良の例に精通していることが、必要であり、また期待されています。

幾何学的描画は芸術的というよりはむしろ構成的な機械的な技術です。機械の部品を紙の上に描くことは、工場で作業を計測してレイアウトすることと実際上はほとんど同じであり、原理的にも同じです。

芸術的なデッサンは感覚に訴えかけるものであり、幾何学的なデッサンは理解に訴えかけるものです。しかし、幾何学的なデッサンは、装飾的なものではなく、技術者の間で一般的に想定されている、整然とした完成度の高い印象を与える芸術的な技能を含む場合があります。この印象は、図面自体だけでなく、そこに描かれている機械の優れた構造を心に思い起こさせます。機械製図において許容される限り、芸術的な効果は習得しやすく、理解されるべきですが、初心者は絵を描きたいという欲求から、正確さと構成というより重要な点を軽視しがちです。

「どのように」描くかを学ぶのは簡単ですが、「何を描くか」を学ぶのは決して簡単ではありません。このことを心に留めておき、 [79]「描き方」を学ぶ努力を軽視するのは、まずこれが先決であるが、そのためには作品の対象と本質が理解されなければならないからである。

技術者の見習いは、概して、勉強や仕事を始めるとすぐに図面を描きたがります。そして、そうすることに何の異論もありません。実際、原理を学ぶと同時に、機械の動きや細部を図示することで得られるものは非常に大きいのです。図面を作成する際は、必ず仕上げ、丁寧にインクで色付けし、シートの余白に作成日と状況を記したメモを書き込むべきです。シートは均一なサイズで、ポートフォリオに収まりきらない大きさにし、どんなに不完全なものであっても大切に保管します。このように最初の図面を保存する見習いは、いつか、どんなに惜しまれても手放したくない記念品を手に入れることになるでしょう。

道具としては、二重象画用紙をはめ込むための、長さ 42 インチ、幅 30 インチの製図板を 2 枚用意します。製図板は、クリートや紙を固定するための巧妙な仕掛けのない、平らな状態にします。製図板は、少なくとも 1 インチと 1/4 インチの厚さのある、十分に乾燥した木材で作る必要があります。これより薄いと、T 定規の押し付け力に耐えるほど重くありません。

ボードを 2 枚用意して、1 枚をスケッチと詳細の描画に使用できるようにするのがベストです。立面図と同じシートに詳細を描くと、紙が汚れ、いわゆる悪い関連性によって完成した図面の水準が低下する傾向があります。

詳細図やスケッチを別紙に描く場合は、立面図よりも大きな縮尺で描くべきです。縮尺を変えることで、比例感覚が養われ、寸法やサイズの概念が、図面が関係する完成作品に即したものになりやすくなります。

1/2、1/8、1/16といった通常の尺度で作業する場合は、目盛り付きの尺度ではなく、共通の尺度を使用するのが良いでしょう。機械製図者にとって、寸法を様々な尺度に容易に変換できることほど便利なものはありません。分数尺に共通の尺度を使用することで、計算が自然に、そしてほとんど苦労することなくできるようになるでしょう。ヘッドの側面に平行な刃が付いた、シンプルなT定規。 [80]製図用定規は、T定規の頭を通り抜けるのではなく、ボードの端を削る際に、T定規の頭を通り抜ける構造が理想的です。製図用定規がこれ以外の方法で作られていたこと自体が奇妙であり、さらに奇妙なのは、T定規が頭を通り抜けてボードの端に近づけないような定規が使われることです。

ベベルスクエアは便利な場合が多いですが、独立したものを使用する必要があります。刃が動くT定規は、汎用性に欠けます。製図器具における組み合わせは、その性質に関わらず避けるべきです。機械における組み合わせと同様に、このような組み合わせは一般的に誤りであり、意図した効果とは逆の効果をもたらします。

三角定規、あるいは三角形と呼ばれる三角定規には、エボナイトに勝る素材はありません。エボナイトは硬く、滑らかで、湿気を通さず、紙と色のコントラストが美しく、木製のものよりも長持ちします。楽器に関しては、精巧で豪華なものは避けるのが最善です。そのような楽器はアマチュア向けであり、技術者向けではありません。まずは、本当に必要な楽器だけ、最高品質のものだけを入手し、必要に応じて他の楽器を追加するのが最善です。こうすることで、経験からサイズや配置を変更し、楽器セットの利便性を高める方法が見つかることがよくあります。

機械製図には、3.5インチと5インチのコンパスを各1組、定規ペン2本、スプリングデバイダー2組（ペン用と鉛筆用）、ツゲの三角スケール、一般的な定規、そして硬い鉛筆が必須の道具です。「スクラッチアウト」が作品の一部になると思われる最初の段階では、ワットマン紙、または最高級のロール紙を使用するのが最適です。これらは最高級の製紙で、水彩で陰影を付けていない作図には他のどの紙にも劣りません。

作業図面のように、修正のために取り外したり交換したりする可能性のある台紙は、端に沿って2インチ以下の間隔で小さな銅製のタックを打ち込むことで、非常にしっかりと固定できます。このように固定する前に紙をほんの少し湿らせると、作業を慎重に行えば、糊で貼り付けたかのように滑らかで作業しやすくなります。タックは紙の表面と面一になるか、紙の表面より下に打ち込むことができ、作業の妨げにはなりません。 [81]正方形に。

絵を精巧に描く場合、あるいは板の上に長く残す場合は、紙を糊で貼り付ける必要があります。そのためには、まず厚い粘着剤、あるいは接着剤を用意し、幅1インチほどの吸水性紙を数枚用意しておきます。スポンジで紙の両面を湿らせ、端に沿って粘着剤を幅1/4インチまたは3/8インチほど塗ります。板の上に紙を置くのは少々難しいですが、板の端を下にして置けば、紙を貼るのに苦労することはありません。次に、紙片を端に沿って並べ、滑らかで硬い道具でこすると、紙の端が板にしっかりと貼り付けられます。紙片は、乾燥に最も時間がかかる端の水分の一部を吸収します。この状態で放置すると、中央が先に乾燥し、糊が乾く前に紙が収縮して端から剥がれてしまいます。そのため、紙の中央を濡れたスポンジで時々拭き、紙を少し湿らせておく必要があります。端がしっかりと接着したら、乾燥させてしっかりと滑らかに仕上げます。この作業は練習によって多くのことを学ぶことができ、初心者は多少の失敗で落胆してはいけません。紙を張り付ける際に最もよくある問題の一つは、ガムや接着剤の厚みが足りないことです。薄いと、木や紙に吸収されたり、乾燥に時間がかかりすぎたりします。ブラシで塗れる程度の厚さで、清潔なアラビアゴム、トラガカントゴム、または上質な接着剤を使用する必要があります。

画鋲は、ごく一時的な目的を除いては機械製図ではほとんど役に立たず、完全に省略してもかまいません。画鋲は製図板を傷つけ、方眼を妨げ、シートを汚します。

鉛筆で描くことは、製図における最初で最も重要な作業です。鉛筆で描いた線をインクで描くよりも、きれいな鉛筆画を描く方がより多くの技術が必要です。

初心者は、鉛筆で描く際に細心の注意を払わなければ、紙がすぐに墨汁で汚れ、鉛筆の線が至る所で交差し、全体がだらしなく見えてしまうことに失望するでしょう。また、自分が行っている作業の性質を理解していないと、鉛筆で描くことを重要でない部分と見なしてしまうという誤りを犯し、むしろ、 [82]それが主な図面を構成する要素となるため、美しい図面や価値のある図面を作る唯一の要素である正確さが無視されてしまいます。

鉛筆画こそがまさに主要な作業であり、インクを塗るのは線に明瞭さと永続性を与えるためだけのものです。鉛筆画で最も重要なことは、寸法の正確さと、他の線と交差することなく、適切な位置で線を止められることです。製図には最高級の鉛筆だけが適しています。鉛筆の芯が最高級でなければ、先端を常に削る必要があり、鉛筆は高級鉛筆と低級鉛筆の価格差を補って余りあるほどの速さで摩耗します。描画への影響は言うまでもありません。

製図用鉛筆には平らな先を使うのが一般的ですが、鉛筆の先が細い場合は丸い先でも十分使えることがよくあります。丸い先は、丸や角のある線をフリーハンドで描くのに便利です。ファーバー鉛筆は、先端が取り外し可能で、摩耗したら元に戻せるので、製図に便利です。

コンパスの場合、鉛の先端は円筒形で、紙で包んだり、他の保持装置を付けたりせずに金属の鞘に収まる必要があります。製図者がこのように配置されていない器具を使用している場合は、利便性と経済性の両方のために、すぐに交換する必要があります。

描画に使用するインクは、常に入手可能な最高のものを使用する必要があります。良質のインクがないと、製図家はペンの不完全な操作や、陰影を付ける必要がある場合の線の滲みに常に悩まされることになります。インクの品質は実験によってのみ判断できます。インクに含まれる香り、アルミホイルの包み紙、中国のラベルは、品質の指標にはなりません。一流の会社でない限り、価格さえも品質の指標にはなりません。インクの調合については、そのことに詳しい人に尋ねること以上に良い学習計画はお勧めできません。インクを急速にすりつぶしたり、粗い表面に置いたりすると、ペンで絶えず問題が発生するため、時間をかけてゆっくりと調合する方がよいでしょう。インクをテストするには、紙の余白に線を数本引き、色合い、ペンからのインクの流れ方、線が鮮明かどうかを観察します。線が乾いたら、濡れた筆で線を交差させます。線が簡単に滲む場合は、インクが柔らかすぎます。しばらく水に抵抗し、その後洗浄が遅れれば、インクは良好です。水溶性のインクは、乾燥後も永久に水に抵抗し続けるとは期待できません。 [83]実際、描画用インクがそうなるのは望ましくありません。なぜなら、陰影を付ける場合、輪郭は色調が濃い部分に溶け込む必要があり、これはウォッシングによってのみ実現できるからです。

ペンは一般に毛細管現象によってインクが充填されますが、そうでない場合は水に浸して湿らせてください。ただし、口に入れて濡らしてはいけません。ある種のインクには毒性がある危険があり、そのような習慣は好ましくありません。

ルーリングペンを使う際は、紙に引っかからない程度に傾けて、ほぼ垂直に持ちましょう。初心者はペンを低い角度で持ち、横に引いてしまう傾向がありますが、これではきれいでシャープな線は引けませんし、四角い刃や三角定規の端に十分近い線を引くこともできません。

T定規と三角定規の使い方に関しては、他のルールを観察し、便利な習慣が身につくまで試行錯誤する以外に、有用なルールはありません。初心者は、一般的なやり方がすべて間違っていると決めつけ、真に正しい描画方法を開発するのは自分自身に委ねられていると考えて、変わった計画を採用すること、そして何よりも、道具の使い方に関する新しい計画に関して重要な発見をしないように注意する必要があります。これは、描画以外の多くの事柄において、見習いのコースの初期に非常に起こりやすい発見であり、後になって思い出したくなるような多くの行動や発言につながることがよくあります。

一般的に、知的な人々が長い間一貫して従ってきた習慣は正しいと想定するのが安全な規則です。そして、判断を可能にする唯一の経験的知識がない場合、少なくともしばらくの間は、そのような習慣を正しいと受け入れても安全です。

見習い技術者の発明への野心は、常に称賛に値する努力を促しますが、それを阻止するつもりはありませんが、それでもなお、革新には注意を促した方が良いでしょう。私たちの能力に対する評価は、経験と反比例する傾向が非常に強く、ベテラン技術者は初心者ほど自分の推論や計画に自信を持っていません。

図面にインクを塗ったら、次は色調、寸法、そして中心線を描きます。中心線は赤インクで描き、軸の中心を持つすべての点、または線の両側で作業が類似していてバランスが取れているすべての点を通らなければなりません。このルールは少しわかりにくいですが、図面と関連付けて学ぶと最もよく理解できます。 [84]それ以上の説明なしに思い出した。

寸法線は青色でなければなりませんが、赤色でも構いません。寸法線をどこに置くかは製図において重要なポイントです。寸法をどこに記入する必要があるかを知ることは、フィッティングとパターン作成の知識を要し、うまく説明することはできず、実際に行って習得しなければなりません。線は細く明瞭で、余裕がある場合は中央に数字のためのスペースを残しておく必要があります。図面全体にわたって中心線と寸法の配置を注意深く検討する必要があります。見栄えを良くし、混乱を避けるという 2 つの目的があります。数字は印刷された数字のように作成する必要があります。数字は作業者にとってはるかに理解しやすく、より芸術的に見え、一度覚えてしまえば手書きの数字よりもほとんど、あるいは全く時間がかかりません。使用される尺度がフィートとインチである場合、3 フィートまでの寸法はインチで、それ以上の寸法はフィートとインチで表記します。これは工場の慣習に対応しており、他の基準からすると間違っていても、作業者にとってはより分かりやすいものです。

工場での使用を意図していない、練習のために作成されるスケッチや図面では、メートル法のスケールの使用が推奨されます。これにより、フィートとインチの区別がつかなくなり、他の多くの国々と同様に、やがてイギリスやアメリカでも採用されるであろうこの線分測定システムの導入に対する心構えが整います。

図面に陰影をつける際は、濃すぎる色使いを避け、適切な場所に陰影をつけるように注意しましょう。多くの人が、作業図面には陰影は不要だと主張しますが、それももっともなことです。しかし、どのように、どこに陰影を付けることができるかを知っておくことは、決して無駄ではありません。必要に迫られて陰影を省くよりも、選択的に陰影を省く方が賢明です。もちろん、断面には陰影を付ける必要があります。線で陰影をつけるべきではありません。古くからある慣習を批判するのは気が引けますが、線で陰影をつけるのは確かに面倒で無駄なことです。材料の種類を示すために、異なる色のインクで薄い陰影をつけた断面の方が、描きやすく、見栄えもはるかに良くなります。図面を賢く配置すれば、図面の大部分を断面で描くことができ、ほとんどの場合、断面は作業に最適なビューとなります。断面に適切な色をつけることで、図面の見栄えが良くなり、整理された機械のイメージ、つまり業界用語で言う「紙から浮かび上がる」イメージが伝わります。陰影部分では、部分の上部と左側の線と濃淡の間に白の余白を残します。これにより、つながりや同一性がなくなり、効果が顕著になります。部分を分離します。 [85]図面の明瞭さと全体的な外観が大幅に向上します。

シャフトやボルトなど、断面の円筒形の部品は、平面的な外観を和らげる「丸い陰影」を付けて、完全に描画する必要があります。これは、断面図ではできる限り避けるべき点です。

慣習上、錬鉄には青、鋳鉄には中間色または淡いピンク、鋼には紫が用いられてきました。木材は一般的に「木目」によって区別されますが、これは簡単に施すことができ、見た目も美しいものです。

図面のタイトルは、その外観と、観察者の心に伝える印象に大きく関係する要素です。図面の実際の価値には何ら追加することはできませんが、平易な文字は非常に簡単に作成できるため、弟子は絵を描き始めたらすぐにこれを学ぶように勧められます。装飾的な文字を作成するのではなく、平易なブロック体以外の文字を作成する必要はありません。平易なブロック体であれば、レイアウトや仕上げが迅速で、結果としてより広範囲に使用できます。6本の平行線を描き、5つのスペースを作成し、それらを等間隔の線で交差させることで、ブロック体文字の点と角度が決まります。少し練習すれば、図面にタイトルやその他の事項を記入し、シートや詳細を探す際に一目でわかるようにするのは、わずか数分の作業になります。

機械の製造において、通常、サイズや変更の種類は非常に多岐にわたるため、図面は分類と記録の完全性を大きく向上させ、決定づける役割を果たします。例えば、工作機械の製造を例に挙げると、ねじと歯車のない36インチ旋盤、ねじと歯車付きの32インチ旋盤、3段式または2段式でフレームが20フィートまたは30フィートの40インチ旋盤など、機械について話すたびに、それらを正確に区別することはできません。これを避けるため、機械の種類を表す記号を、通常はアルファベットの文字で表し、能力や変更の種類を表す指数として数字を1つ付けた記号とする必要があります。エンジン旋盤の場合、Aをあらゆるサイズの旋盤の記号とすると、能力や変更の種類が異なる旋盤は、図面や記録においてA 1、A 2、A 3、A 4のように表すことができます。つまり、あらゆる種類の旋盤を表すのに必要なのは、たった2つの文字だけです。これらの記号は、シートの左下隅に大きな文字で記入し、管理者、作業員、その他の人が一目で内容がわかるようにする必要があります。 [86]図面は関係します。このシンボルは、タイムカード、原価計算、売上記録など、あらゆる箇所で使用され、それが適用される機械の専門用語として使用されます。こうすることで、作業中は常にシンボルの名称で機械が呼ばれるようになります。

様々な機械の製造工程において、それぞれの機械に割り当てられた作業時間を集計する際には、各作業員に石板と鉛筆を配布し、それぞれの記号に割り当てられた時間数、あるいはその一部として時間を記入させるのが良いでしょう。作業員の作業時間を邪魔するどころか、むしろ作業員は自分が行っている作業への関心を高め、自然と様々な記号に割り当てられた時間を減らしたいという欲求が生まれます。このシステムは、同じ作業を複数の作業員が繰り返す際に作業員同士の競争を促し、作業員が喜んで作業の分類に協力する意欲を喚起します。

図面に寸法と記号を追加したら、次にパターン番号またはカタログ番号を記入します。これらの番号は、各鋳物に目立つように、赤または図面全体と対照的な色で、分かりやすい数字で記します。これらの番号は、記号の使用を避けるため、事業で用いられるすべてのパターンを連番で記載する必要があり、数千までであれば問題なく記入できます。

型紙記録を収めた冊子を保管し、カタログ番号と、番号が属する様々な部品を識別するための簡単な説明を記すべきである。こうすることで、機械の様々な詳細をいつでも参照できる。この説明に加えて、型紙番号カタログの反対側には、鋳物の重量、型紙の費用、そして完成時に各部品に施された旋削、かんな削り、または穴あけ加工の面積、あるいは組み立てに要した時間（これも同じである）を記入するための罫線付きのスペースを設けるべきである。この冊子には、各機械の組み立て済み部品を別のリストとして記載し、他の参照なしにこのリストから鋳物の発注を行えるようにすべきである。このシステムは筆者が知る限り最良のシステムであり、実質的には多くの一流エンジニアリング施設で現在採用されている方式である。図面と分類に関するあらゆる事項において、完全なシステムを厳格に遵守すべきである。計画がないよりはどんな計画でも良い。体系的なルールを遵守するための精神教育は、決して軽視すべき事項ではない。システムを推進するための新たな計画はいつでも生まれるかもしれないが、そのような計画は決して後回しにしてはならない。 [87]秩序と規則性を好む者以外には理解され受け入れられない時間。

陰影付きの立面図については、完成した機械を描写する目的では写真がもはや主流ではなく、インクで陰影を付けた立面図を作成する費用を惜しまない企業はほとんどないと言えるでしょう。陰影付きの立面図は、作成の手間や時間の長さにばらつきがあります。陰影付きの立面図には、細心の注意と熟練度をもって作成するべきという唯一の基準があります。不完全な陰影付きの立面図は、未熟な人にとっては驚きや満足感を与えるかもしれませんが、製図工や技術者の目には忌まわしいものです。陰影付きの立面図の作成は、見習い製図工にとってはほとんど役に立たないため、陰影付きの立面図を作成するために費やす時間を節約し、その時間をより重要な他の事柄に充てる方が賢明です。

陰影のある立面図を作成するべきではない、またはインクの陰影付けを学ぶべきではないと想定されているわけではありませんが、実用的な力学とはほとんど関係のない、絵を描く趣味を満足させるためにあまりにも無視されがちな他の種類の描画のより大きな重要性を指摘することが最善であると考えられます。

等角透視図は、特に木造建築物の製図において、材料が長方形の断面を持ち、機械のフレームのように直角に配置されている場合に役立ちます。等角透視図は、実立面図とほぼ同じ速さで作成でき、すべての部品を示し、平面図と同様に寸法を記入できます。実透視図は機械製図ではほとんど必要ありませんが、幾何学と関連付けて研究すると有益です。等角透視図は、等角図における問題点の解明につながることが多く、また、機械部品を通常の平面に対して斜めに描くためにフリーハンドで線を引く際にも役立ちます。ここまで、製図に関する説明は主に操作方法に限定してきました。工学の一分野である製図は、主に専門知識に依存しており、一般的な原則や規則に基づいて習得したり実践したりすることはできません。したがって、学習者を導く原則を探しても、大きな助けにはなりません。以下に述べるいくつかの命題は、言葉で説明できるほぼすべてのことを網羅しています。

幾何学的図面は、平面図、立面図、断面図から構成されます。平面図は、水平面における物体の上部からの図であり、立面図は、垂直方向における物体の側面からの図です。 [88]平面、そして断面、物体を任意の角度で二等分した平面で撮った図。
実際の立面図または断面図は平面に基づいており、図面が撮られた平面に平行な寸法を示します。
互いに直角に取られた 2 つの立面図は、すべての点を固定し、ビューが取られた平面に軸が平行である部品のすべての寸法を示します。ただし、機械が複雑な場合、または複数の部品が同じ平面にある場合は、すべての部品を包括的に表示するには 3 つ、場合によっては 4 つのビューが必要です。
機械図面は、作品の製作に必要なすべての工程を考慮して作成する必要があり、図面には寸法だけでなく、取り付け、鍛造、パターン作成、成型などにかかる不要な費用も考慮する必要があります。
配置されるすべての部品には、それを支配する「基盤」と呼ばれるものがあります。これは、機能または位置に関する何らかの条件であり、これを理解すれば、サイズ、形状、他の部品との関係が示唆されます。製図者は、あらゆる部品と細部について基盤を探求することで、規則的な体系に基づいて作業を進め、常に作業内容を検証し続けます。あらゆる車輪、軸、ねじ、フレーム部品は、それが果たすべき機能を明確に認識した上で作られるべきであり、前述のように、そのような部品が特定のサイズ、特定の移動速度、特定の支持面積などを持つべき理由は常に存在します。これらの理由や条件は、便宜的、重要、または必須と分類され、それに応じて評価されなければなりません。冒頭で述べたように、機械の設計は数学的データによって決定できる範囲は限られています。書籍でほとんど扱われていない機械の動作に関するあらゆる考慮事項を省き、この命題の一般的な真実性を検証するには、ひずみという要素に言及するだけで十分です。

最高の設計者が作った機械を調べてみると、その寸法は計算されたひずみとはほとんど関係がないことが分かる。特に高速動作を伴う機械においてはそうだ。事故は定数を破壊し、専門的な実験的知識と一般的な情報源から得られる知識を組み合わせない製図家や設計者は、その役割を担うことができない。 [89]実際にはほとんど価値がありません。

ここで、製図を学ぶ者たちが真剣に注意を喚起されている、そして怠れば他のすべてが無駄になるであろう事柄について触れておきたい。それは消化不良と、その結果生じる弊害についてである。あらゆる座り仕事は、多かれ少なかれこの問題を引き起こすが、製図ほど深刻なものはない。この障害を助長するあらゆる条件が存在する。筋肉が休んでいる間は血液循環が遅く、精神は集中して働き、胃から血液と活力が奪われる。そして何よりも悪いことに、板の端に寄りかかると胃の運動が停止してしまうのだ。この危険を避けるための良い規則がないのは残念である。この弊害を理解している者は、力学の研究で推奨されている論理のいくつかを適用することで、ある程度はこれを回避できるかもしれない。何かが消化不良を引き起こす傾向があるならば、その反対のものは逆の傾向を示し、消化不良を抑制する可能性がある。板にかがみ込むと消化器官の働きが妨げられるのに対し、後ろに寄りかかると逆の効果があります。したがって、机はできるだけ高くし、仕事中は立って行い、常に背筋を伸ばして肩を後ろに引く習慣を身につけ、可能であれば短時間の激しい運動をするのが最善です。蒸気機関の馬力を推し量るのと同様に、力と速度を掛け合わせることで人間の能力を推定することができます。

体力、骨、筋肉は、エンジニアリングの経験を成功させる上で欠かせない要素です。これらの要素が機械教育と同時に身に付かなければ、実務に就く準備ができたときに、「推進力」という重要な要素が欠けていることに気付くでしょう。

(1.) 幾何学的図面と美術的図面の違いは何ですか? — (2.) 良い図面を作成する上で最も重要な作業は何ですか? — (3.) 作業図面はどのような 3 つのクラスに分類できますか? — (4.) 立面図と平面図の違いを説明してください。 — (5.) 一般的に、機械の部品の比率と配置はどの程度まで数学的に決定されていますか?

[90]

第22章

パターンの作成と鋳造
パターンと鋳造は非常に密接に関連しているため、混同せずに別々に扱うことは困難です。したがって、パターン作成と成形を 1 つの項目で説明することが提案されています。

型紙工場におけるあらゆる作業は、鋳造工場の何らかの作業と関連しており、型紙を成形作業から切り離して考えることは、熟練工以外には理解不可能であろう。設計と製図に次いで、型紙製作は、いわゆるエンジニアリング工程の中でも最も知的な作業であり、職人の個人的な判断が最も重視されると同時に、高度な手作業が求められる部門である。

他の種類の作業には図面が用意されており、機械製造工場の技術部門が設計図を指示しますが、パターンメーカーは作業図面を独自に作成し、仕立て屋の図面を複製して作業に使用しなければならないこともあります。パターンに関するほぼすべての決定はパターンメーカーに委ねられており、パターンメーカーは同じ図面から、自身の判断のみで、その使用範囲に応じて、耐久性があり高価なパターン、あるいは一時的で安価なパターンを作成することができます。

パターンの費用は、そのパターンが使用される機械間で分割され、各機械に請求されるべきですが、この費用を評価または分割するための一定のルールは存在しません。パターンは一度だけ使用される場合もあれば、何年も使用される場合もあります。また、事前に予測できない変更や改良によって常に置き換えられる可能性があります。パターンを作成する際には、パターンにどれだけの費用をかけるべきかという問題が常に生じます。これは技術者とパターンメーカーの間で決定されるべき事項ですが、通常はパターンメーカーに委ねられます。なぜなら、パターン作成を熟知し、設計図を指示できる機械技術者はごくわずかだからです。

[91]

パターン作成で考慮すべき主要なポイントや条件、およびこの部門を管理するために理解する必要があるポイントや条件のいくつかを指摘するために、それらを順番に説明します。

まず、耐久性、構造、そしてコスト。これらはすべて同じ意味です。この点を判断するには、型の使用頻度、標準機械用か特殊機械用か、そして型によって影響を受ける鋳物の品質を考慮する必要があります。湿気や擦れに耐えられるよう設計された最高級の型は、同じ形状の他の型と比べて2倍の費用がかかる場合があります。しかし、安価な型でも、いくつかの鋳型を作るには高価な型とほぼ同じ効果を発揮することがあります。

第二に、型枠の製作方法とその費用は、型枠によって決まります。型枠は、休耕板や水平な床の上に「押し固める」ように分割されている場合もあれば、型枠が固く、いわゆる「ベッド」で固定する必要がある場合もあります。上部のピースは緩めに作られている場合もあれば、「カバーオフ」するように固定されている場合もあります。型枠は、きれいに仕上げられている場合もあれば、型枠を取り外した後、型枠を整えるのにかなりの時間を要するほど粗い仕上げになっている場合もあります。

第三に、仕上げにかんながけ、穴あけ、旋盤加工を施す部品の健全性。これもまた、主にパターンの配置、どちらが上側でどちらが下側または引き側であるか、引き抜き方法、および汚れやスラグを避けるための対策によって決まります。

第四に、中子はどこで使用され、どのように通気され、鋳型内でどのように支えられるか、そして、どのように作られるかについても言及しておきます。なぜなら、不規則な形状の中子は、型を含む外部鋳型よりも高価になることが多いからです。中子を使用することで、型の費用は大幅に削減されることが多いですが、場合によっては増加することもあります。中子は、型を安価にしたり、耐久性を高めたり、あるいは鋳造の健全性を確保したりするために使用されることがあります。

第五に、収縮。鋳物の冷却時の収縮、つまり鋳型の大きさと鋳物の大きさの差を考慮する必要がある。これは一見単純な問題で、あらゆる方向にある程度の収縮を許容すれば済む。しかし、収縮の時間と程度における不均一性を考慮すると、許容すべき範囲は極めて複雑な問題となる。

[92]

第六に、鋳物に固有の歪み、つまり冷却歪みが生じ、鋳物が跳ねたり歪んだり、あるいは特定の部分に張力が維持されて鋳物が弱くなったりすることがあります。この状態では、作業歪みが要求するものとはまったく異なる金属の配置が必要になることがよくあります。

第七に、ドラフトとは、砂を引きずったり壊したりせずに鋳型からパターンを引き抜くことができるように、パターンの側面に斜めまたは傾斜をつけることです。

第八 —鋳型からパターンを引き抜くためのラッピングプレート、ドロープレート、リフティングアイアン、パターンに特有で、鋳造所以外では名前でも用途でも同等のものがない、休耕ボードとマッチボードなどの部品。

ここでは、パターン作成の知識とは何か、またパターン作成者だけでなく、機械の設計やその構築をうまく管理する機械エンジニアも理解しなければならない内容を簡単に説明しています。

型紙を作るために木材を切り出す、あるいは削る方法、そしてそれらを組み立てる方法については、ここで紙面を割くのは無意味です。型紙工場で1時間、そして様々な型紙を観察するのにもう1時間費やす方が、見習いにとっては、これらの作業のやり方を解説した書籍一冊を読むよりも価値があります。型紙は、塗料や不透明なニスで仕上げられていない限り、木材が部品を組み立てる際にどのように配置されているかを示します。

これから、パターン作成と鋳造におけるこれらの条件や原則をより詳細に検討し、パターンを構築するさまざまな方法と、成形と鋳造のさまざまな計画の理由を可能な限り説明していきます。

木製型の性質や品質に関しては、既に述べたように、多少の費用はかかりますが、必要に応じてほぼあらゆる耐久性を持たせることができます。筆者は200回以上使用された型を調べたところ、明らかに同等の使用回数に耐えられるものでした。このような型は初期費用は高額ですが、大量の鋳造に使用する場合は最終的には最も安価になります。特殊な部品や、数回しか使用しない部品用の型は、強度や高価である必要はありませんが、機械に関する他のあらゆるものと同様に、型に関しては強度を優先するのが最も安全な方法です。

[93]

滑車、歯車、その他機械の標準的な部品で、変更や修正の可能性が低い場合は、鉄製の型が適しています。歯車や滑車の型は、木製の場合、バネ性や反りが生じやすいだけでなく、鋳造所での使用に耐えるほどの強度を得ることができません。さらに、金属型で得られる最高の精度でも、特に歯車の場合、真の鋳物を作るには程遠いものです。型が完璧であればあるほど、製図に必要な研磨の量は少なくなります。研磨の量が少なければ少ないほど、鋳物はより完璧なものになります。

歯車や滑車、その他鋳型で成形できる部品の最も完璧な鋳造品は、研磨せずにテンプレートにパターンを描くことで作られます。これらのテンプレートは、ネジやレバーでパターンを押し込めるように穴が開いた金属板で、砂はそのまま残ります。このようなテンプレートは、特に歯車の歯の周囲に求められる正確な取り付けや、パターンを描くための機構のために、そもそも高価です。しかし、歯車や滑車など、1 つのパターンから多数の部品を作る場合、労力の節約によってテンプレートと必要な機械の費用はすぐに回収できます。金属の節約は言うまでもなく、これはしばしば 10 パーセントに達し、鋳物の精度による価値の向上も意味します。

このテンプレート成形の方式の発祥の地、イギリスのイプスウィッチのランサム氏は、テンプレートを切断するのではなく、溶かしたホワイトメタルを流し込んではめあいを成形することで、歯車やその他の鋳物のテンプレートをはめ込む方法を発明しました。これにより、費用を大幅に節約でき、多くの場合、従来の方法と同等の結果が得られています。

型枠製作の費用は、鋳造所と型枠製作所で分担して考えることができる。型枠製作者が節約した分は、型枠製作者が損失を被る可能性があり、型枠製作者が支出した分は、型枠製作者が節約できる可能性がある。言い換えれば、型枠製作における費用削減と、型枠製作における余分な労力と無駄が、ある一定の水準を超えると釣り合うということである。この事実は、型枠製作と鋳造所の作業記録が不正確であるため、一般的には認識されていない。型枠と型枠製作における賢明な、あるいは不注意な管理によって何が失われ、何が節約されるかは、型枠製作と型枠製作の両方に熟練した者だけが理解できる。型枠製作者は、型枠のすべてのフィレットをコテで切り出すかもしれないし、途中で止めて、 [94]型紙の作業を省くために型紙を作成して印刷する方法もありますが、型紙を継ぎ接ぎしたり型で切ったりしても型紙が改善されることはほとんどないため、適切な型紙を用意するよりもはるかにコストがかからない場合にのみ、この方法が効果的です。

読者は、パターンと成形に関するすべてのことが、作業員の判断の問題となり、一般的な規則を適用することがいかに難しいかに気付くでしょう。

鋳物の特定の部分を堅固で清潔に保つための型枠の配置は重要な事項ですが、比較的理解しやすいものです。鋳型内の鉄が溶けた状態にあり、当然のことながら、砂や「汚れ」が含まれていると仮定し、溶けた鉄に対する汚れの重さがコルクの水に対する重さと同じだとすると、この汚れがどこに付着し、鋳物のどこに付着するかは容易に想像できます。鋳型の上部、いわゆるコープには汚れが付着しますが、下部、つまり引き側は一般的に清潔で健全です。仕上げる面が下部、つまり引き側になるように型枠を配置するのが原則です。

全面または両面に仕上げを施す鋳物において、汚れを防ぐための方法は様々です。まず第一に、砂や洗浄剤の付着を防ぐための入念な型取りが不可欠です。鋳物の形状によって汚れが一点に集まる場合は、型より高く設置する沈下型（シンキングヘッド）が一般的に使用されます。沈下型用の鋳型は、通常は鋳型職人によって製作されますが、型枠にあらかじめ用意されている場合もあります。

鋳物の品質は、上で挙げたもの以外にも、鋳型への金属の流し込み方、鉄の温度と品質、鋳型の温度と性質など、非常に多くの要素によって左右されます。熟練した鋳造工であれば、丁寧で適切な質問に対して、喜んでこれらのことを説明してくれるでしょう。

中子は主に、鋳型内の金属を置換するために使用される。現在では鋳造が行われているが、中子と鋳型の間に明確な区別はない。中子は生砂で作られ、作品の外側を囲むだけでなく、作品に穴を開けたり、窪みを作ったりするために作られる。「中子」という用語は、技術的な意味では、生砂とは区別して乾燥した鋳型を意味する。車輪やその他の鋳物は、鋳型が分割されて作られ、乾燥されている場合、中子で鋳造されると言われる。中子の支持と通気、そしてその膨張は、特に注意を払うべき条件である。 [95]中子が高温の金属に囲まれると、水分と「溶湯」の燃焼により大量のガスが発生します。このガスは自由に逃げる経路が必要です。そのため、中子の配置には何らかのガス抜き手段を設ける必要があります。これは通常、中子を鋳型の側面から突き出させ、外気と連通させることで実現されます。

見習い職人は、鋳型パイプや中空柱に用いられる管状の中子バレルや、鋳造所の一般的な中子を調べることで、このガス抜きプロセスを明確に理解できるでしょう。鋳型職人が言うところの「ガス抜き」のための何らかの手段は、どの鋳型にも見られます。鋳型のガス抜きは中子のガス抜きよりもさらに重要です。なぜなら、中子のガス抜きは中子自体の内部で発生したガスのみを排出するのに対し、鋳型の外表面や鋳型全体から発生するガスは、高温の金属が鋳枠に入る際に、速やかに鋳枠から排出する手段を見つけなければならないからです。

初心者は、粘土のような粘着性の高い素材ではなく、なぜ砂が鋳型に使われるのかと疑問に思うでしょう。もし実験にあまり神経質にならず、湿らせた鋳型砂の塊を口に含み、その塊に息を吹きかければ、疑問は解決するでしょう。砂型は多孔質でなければ、高温の金属が入るとすぐに粉々に吹き飛ばされてしまうでしょう。これはガスの機械的膨張だけでなく、燃焼による爆発によっても起こることが多いからです。鋳物を流し込む際にいつでも見られるように、鋳型から噴き出すガスは、照明用ガスと同じように発火して燃えます。

ガス抜き穴がなければ、プラスチック材料で鋳型を作ることができ、鮮明でシャープな輪郭を持つ精巧な鋳物を生産することができます。

中子を支える手段は、型枠製作者によって考案、あるいは少なくとも理解されていなければならない。これらの支持手段は「プリント」と「アンカー」から構成される。プリントは中子の延長であり、鋳型を貫通して鋳型の側面まで伸び、砂または鋳枠によって保持される。中子のプリントは型枠上に複製され、これを「コアプリント」と呼ぶ。これは型枠とは異なる色で、互いに区別できるようにされている（あるいはそうあるべきである）。中子を支えるために必要な表面積は、その重量、あるいはむしろその体積含有量に依存する。なぜなら、中子の重量は取るに足らない問題だからである。 [96]溶融金属に囲まれた状態での浮力と比較すると、中子を支える装置を研究する見習いは、必要な力は中子を押さえつけることであり、重量を支えることではないことを覚えておく必要があります。中子の浮力は、中子の重量と同サイズの金属固体の重量との差に相当します。鋳物師はしばしばこの点を考慮し忘れます。鋳物の性質上、中子を支えるのに十分な大きさの鋳型を作ることは不可能な場合が多く、その場合はアンカーと呼ばれる、中子と鋳枠の間に支柱のように立つ鉄片、あるいはアンカーの張力を受けるために砂の中に埋め込まれた鉄片によって支えられます。

中子の使用の有無が任意である型枠の作成、およびリブ付きまたは中子付き断面を持つ鋳物の図面作成においては、ほとんどの場合、中子を使用するのが最善です。リブ付き断面と中子付き断面、そしてスケルトン型枠と中子付き断面の鋳造コストの差に関する一般的な見積もりは誤りです。中子の費用は、修理や面取りが容易な「オープンモールド」の利点、そして中子付き断面の耐久性と利便性の高さによって相殺されることが多いのです。例えば、リブ付き断面と中子付き断面のどちらでも作れる機械用の柱や箱型枠を例に挙げると、中子付き鋳物の型枠は中子ボックスのためにコストがはるかに高くなるように思われるかもしれません。しかし、ほとんどの型枠において主な費用は人件費であり、中子ボックスに必要な余分な木材や中子付き断面の製作で失われる費用は、リブ付き断面の製作に必要な労力の増加分よりも大きい場合が多いことを忘れてはなりません。

コアは加熱されると膨張するため、パターンとは逆に寸法に余裕を持たせる必要があります。これは特に、コアが鉄製の枠の上に作られる場合に当てはまります。直径6インチ未満、または長さ2フィート未満の円筒形のコアの場合、パターン製作者は膨張を考慮する必要はありませんが、大きなコアの場合は慎重な計算が必要です。コアの膨張はコアに与えられる熱量に比例し、吸収される熱量はコアを取り囲む金属の量とその伝導力に依存します。

収縮、つまり冷却時の鋳物の収縮は、型枠の寸法1フィートにつき1/10インチから1/8インチを加算することで考慮されます。これは簡単な作業で、型枠図面を作成する際に収縮ルールを適用することで実現されます。 [97]完成作品の寸法図から算出したものであり、このような定規は標準スケールの約 100 分の 1 ほど長くなります。

収縮の問題は、パターン製作においてほぼ一定の法則に支配される唯一の条件であり、収縮でさえも特殊なケースに合わせて変更する必要がある。どの方向にも1フィートを超えない寸法の小さなパターンの場合、通常はラッピングで収縮を補うことができ、パターンに余裕を持たせる必要はない。しかし、パターン製作者は、収縮の法則を仕事における唯一の不変の法則として非常に重視しているため、例外を認めることを嫌がり、通常は大小を問わずすべての作品に収縮の法則を適用する。

鋳物の固有ひずみ、すなわち冷却ひずみは、収縮よりもはるかに複雑です。実際、鋳型製作者や鋳型職人が対処しなければならない最も不確実で難解な問題の一つです。固有ひずみは鋳物を弱めたり、冷却中、あるいは時には完成後に破損を引き起こしたりすることがあります。多くの種類の作品において、特にスポーク付きの車輪や滑車、両端が固定された支柱や支柱の場合、設計の準備と鋳型の配置の両方において、このようなひずみに対して注意深く注意を払わなければなりません。しかし、冷却ひずみによって生じる主な問題は、鋳物が反ったりバネ状になったりすることです。この問題は鋳造工場や機械工場では常に存在し、機械操作全般において、その方法よりも意見や実践の多様性がはるかに大きいため、おそらく問題にはならないでしょう。鋳物のバネ化を防ぐ。そうである以上、見習いがここで多くの情報を得ることはほとんど期待できない。鋳物のバネ化と歪みは、鋳造における常に変化する条件、すなわち部品の形状、金属の温度と品質、冷却方法などがなければ、完全に理解できるであろう一定の原因の結果であることは疑いようがない。

鋳物は、ある部分が他の部分よりも早く冷却、つまり「固まる」ことで生じる不均一な歪みによって、当然ながらバネのように伸びます。ここまでは明らかですが、次のステップは謎に包まれています。不均一な冷却を引き起こす様々な条件とはどのようなもので、どうすればそれを避けることができるのでしょうか？

冷却の不均一性は、鋳型やコアの異なる部分における伝導力が不均一であること、あるいは [98]鋳物の寸法が様々であることから、鋳物の厚さと同じ割合で熱を含み、同じ割合で熱を放出します。一般に、鋳型が地面に置かれ、鋳物と地面の間に砂があまりない場合、鋳物の底側、つまり下側が最初に冷えます。これは、特に大きな平らな鋳物で、冷却が不均等になる一般的な原因です。空気は熱伝導率が低く、上側、つまり上側の砂は薄いのが普通です。その結果、鋳型の上部は非常に熱いままですが、底部では熱伝導率の高い地面が熱を運び去り、最初にその側を冷やします。そのため、鉄は底部で最初に「固まり」、その後、上部で冷えて収縮するため、鋳物は反り、固有の歪みが残ります。

これらは、不規則な冷却を引き起こす多くの影響のうちのほんの一部に過ぎず、他の原因を突き止めるための手がかりを与えることを目的として記述されています。不規則な冷却につながる断面の均一性の欠如は、冷却ひずみを考慮して金属を配置することで、大きな損失なく回避できる場合がよくあります。鋳物の異なる面を均一にしたりバランスを取ったりするために必要な余分な金属については、技術者が時として受け入れることを嫌がり、成形部品の設計においてしばしば無視する無駄があります。しかし、前述のように、不規則な冷却の問題は、問題を正しく理解していれば、金属を適切に配置することで、無駄なく、ある程度解消できます。実際の例だけでなく理論的推論からも、冷却ひずみの問題を可能な限り徹底的に研究していない者は、鋳物の設計に取り組もうとはしません。

抜き勾配、つまりパターンを容易に描くために必要なテーパーは、パターン作成において常に判断と経験によって決定しなければならない不確定な条件の一つです。パターンの抜き勾配に関する規則が書籍に記載されていることは珍しくありませんが、実際に適用されている規則を見つけるのは難しいでしょう。抜き勾配は、深さ1フィートにつき1/16インチの場合もあれば、深さ1フィートにつき1インチの場合もあり、あるいは抜き勾配が全くない場合もあります。特定の条件を無視した規則は、学習者を混乱させるだけです。パターンの適切な抜き勾配量を理解する唯一の方法は、パターンと鋳造作業との関連でこの問題を研究することです。

深みのある型や、完成時に平行または直角に仕上げる必要がある鋳物の場合は、抜き勾配を最小限にするように作られます。型が平らな形状であれば、 [99]持ち上げたり引いたりする便宜上、側面が滑らかでよく仕上げられていれば、テーパーを付けずに引くことができます。浅く型抜きされた作品は、利便性の観点から、可能な限りテーパーを付ける必要があります。また、ドラフトの量はパターンの深さと同じになる場合があり、深さ1フィートあたり1インチを超えるテーパーで作られている作品をよく見かけます。

型枠職人は、型枠が耐えられる程度まで、あるいは耐えられる以上に型枠を叩くことが一般的です。通風を考慮する際には、こうした慣習を考慮する必要があります。型枠を省略するつもりがない限り、型枠を省くための対策を講じても意味がありません。

ラッピングプレート、ドローアイロン、その他のパターン作成の詳細は、観察すればすぐに理解できます。ドローアイロンに関して最も役立つアドバイスは、通常パターンの上側に置かれるのではなく、パターンの下側または底面にセットするということです。このようにドロープレートを設定し、上からドローアイロンを挿入できるようにパターンに穴を開けると、上側にセットした場合に起こりがちな抜けを防ぐことができます。どんなに小さなパターンでも、ダボピン、ドロー、ラッピングプレートを使用してアイロンをかける必要があります。ドローアイロンのシステムが厳密に実行されていない場合、鋳造者はパターンのメンテナンスに手間をかけません。

最後に、型枠と鋳造についてですが、学習者は主に目に見えるもの、そして型枠工場や鋳造所で説明される内容に頼るべきです。適切な時と場所で適切な質問をすれば、失礼な返答を恐れる必要はありません。自分の仕事について有益な情報を提供できるだけの知識を持つ機械工は、常に、そのような情報を必要とする人々に伝える礼儀正しさと良識を備えています。

見習い工は、単純で明白な事柄、あるいは自力で容易に習得できる事柄について、決して質問してはいけません。質問が難しいほど、熟練工は答えることに喜びを感じます。つまり、見習い工は質問をする前に、質問をよく考えておくべきです。良い方法は、質問を書き留めておくことです。鋳造に関する情報が必要な場合は、溶解時間中や午前中など、誰も質問で煩わされたくない時間帯に、鋳造所の管理者や鋳型工の邪魔をしてはいけません。

[100]

型紙と鋳造というテーマに関連して、特にこのような場合に有効な学習計画を提案します。それは、注目するそれぞれの鋳造品の型紙の種類と、その製造に用いられる型紙の種類を想像する習慣を身につけることです。このような習慣は短期間で容易に自然に身につき、型紙と鋳造に関する幅広い知識を習得する確実な手段となります。

型紙職人は、鋳造品を見るや否や、それを成型するのに使用される型紙の種類を想像します。鋳型職人は、作品の成型と鋳造の計画を思い描きます。一方、技術者は、配置、比率、適合、および全体的なデザインを批評し、熟練していれば、型紙や成型における無駄な出費も一目で見抜くでしょう。

(1.) 機械の通常の作業図面は、なぜパターンを作成するのに使用できないのですか? — (2.) パターンの品質や耐久性は何によって決まるのですか? — (3.) パターンの配置は、鋳物の特定の部分にどのような影響を与えることができますか? — (4.) 鋳物の固有の歪みを避けるためにどのような手段を使用できますか? — (5.) 鋳物の上部は、下部または引き側よりも強度が低いのはなぜですか? — (6.) 中子は何のために使用されますか? — (7.) 鋳型のベントとはどういう意味ですか? —(8.) 生砂鋳型と乾砂鋳型の違いを説明してください。—(9.) なぜ鋳型に砂が使われるのですか?—(10.) 鋳造時に中子が乱れる一般的な原因は何ですか?—(11.) 鋳物がバネ状になったり、曲がったりするのはなぜですか?—(12.) 模型に与える抜き勾配の量はどのようにして決定すべきですか?—(13.) 鋳物の冷却歪みを避けるために一般的に採用される手段は何ですか?

第23章
鍛造
体系化できるワークショップのプロセスは、最も習得しやすいものです。プロセスが体系化されると、もはや専門的な知識ではなく、一般的な規則や原則の範疇に入るため、学習者はそれを習得する際に、より高度な推論能力を発揮できるようになります。

この命題にもう一つ付け加えるとすれば、工場のプロセスは、重複、つまり特定の操作を同じ方法で繰り返し実行することから成り立っているため、システム化されている場合もそうでない場合もある、ということです。 [101]パターンの場合、その品質や構築方法に関して決まった規則は存在せず、パターンの構築方法は特別な知識とスキルの問題であることが示されています。

これらの規則は鍛造にも当てはまりますが、他の工程とは異なる方法で適用されます。型作りや鋳造とは異なり、鍛造の一般的な工程は均一です。そして、型作りや鋳造とはさらに異なり、少なくともボルト、ネジ、シャフトが継続的に複製される機械鍛造においては、生産される製品に測定可能な均一性があります。

鍛造の特徴は、一種の手作業であり、判断が作業を常に指示し、一撃が次の打撃を決定するという点です。鍛造された作品は複製されることもありますが、その製造方法には均一性がありません。作品は白熱溶接や赤熱低温で、一撃か二撃の強い打撃、あるいは十数回の弱い打撃で成形されますが、全体は作業の進行状況によって左右されます。鍛冶屋は一日中、同じ作業を全く同じ方法で繰り返すことはできませんし、作業開始時に、作業に必要な時間の長さや、作業を正確にどのように行うかさえも予測できません。このような状況は特殊であり、鍛造にのみ当てはまります。

これらの特殊性を指摘するのは、それ自体の重要性からというよりは、批判的な調査を提案し、鍛造は単純なものであり、習得しやすく、ありふれた作業だけを伴うという先入観を払拭するためであると私は考えます。

鍛冶屋という工場を技術工場の一部門として見習いが抱く第一印象は、黒くて煤けた汚い場所で、粗野な単純労働が行われている、あまり注意を必要としない部門だというものだ。この印象がどれほど間違っていたかは、鍛造の複雑さと難しさを経験が証明し、この部門の技能が他のどの部門よりも習得が難しく、相対的にコストが高いことを知った後、明らかになるだろう。実際、鍛造は最も高度な技能を必要とする仕事であり、作業は常に職人の判断に左右される。これは、力や機械では全く代替できない。汚れ、重労働、そして暑さは、鍛造を学ぶ人々を遠ざけ、仕上げ工場への偏りを生み出し、多くの場所で、仕上げ工場と仕上げ工場の労働者の不均衡を生み出している。 [102]鍛冶屋と仕上げ屋の数。

機械製造におけるプロセスとしての鍛造には、機械の可鍛性部品の形成と成形、部品の溶接または接合、鍛造および仕上げのための器具の準備、鋼製工具の焼き戻し、通常は表面硬化が含まれます。

鍛造という工程を捉えると、可鍛性材料を加熱して柔らかくし、打撃や圧縮によって成形する工程と言えるでしょう。手工具や鍛造における通常の手作業に関しては、学習者にとって役立つような説明はほとんどありません。どの国でも、そして何世紀にもわたって、鍛造に用いる手工具は全く同じものでした。機械鍛造工場を訪ねれば、標準的な工具のサンプルや種類を見ることができます。トング、スエージ、アンビル、ポンチ、ノミといった工具の形状や用途は一目瞭然なので、説明しても無駄です。しかし、鍛造工程において動力を利用する工具や機械については、より注意深く検討する価値があります。

鍛造工場は、圧延機、トリップハンマー、スチームハンマー、ドロップ、パンチ、そして加熱用の炉、炉床、吹込装置で構成されています。すべての鍛造機械に共通する特徴は、短い距離に大きな力が作用することです。大型のハンマーを除き、作業範囲が0.5インチを超える機械はごくわずかで、平均的な作業では0.1インチにも満たない範囲です。

こうした短距離かつ大きな力という条件は、いわゆる打撃や、正圧や漸進的な圧力ではなく打撃で動作する機械によって最もよく達成されます。そのため、手持ちハンマーと電動ハンマーが鍛冶屋の道具の中で最も一般的なものとなっています。

短距離に作用する強力な力を加えるには、持続圧力や直接圧力で作用する装置よりも、打撃装置の方がはるかに効果的でシンプルです。ハンマーヘッドは、その運動量によって数トンに匹敵する打撃を与え、その打撃に等しい反力を吸収することができます。しかし、もし同等の力をネジ、レバー、あるいは油圧装置で加えようとすると、反力に耐えるための支柱が必要となることは容易に想像できます。そして、そのような支柱には、おそらく創意工夫の及ぶ範囲をはるかに超える強度が必要になるでしょう。

この原理はやや曖昧で、打撃力の性質は一般的には考慮されていない。これは、単純なハンドハンマーの動作を考えれば説明できる。 [103]人々は、ハンマーが使われるのを目撃したり、自ら使用したりする際に、ハンマーが何トンもの力を生み出すエンジンであり、他の機構であれば歯車列、レバー、ネジ列といった機能によって力を集中・適用するものであると考えたりはしない。そして、ハンマーの代わりにそのような機構を用いる場合、意志と手の指示通りにあらゆる方向に力を適用するという重要な機能が欠如しているに違いない、と考える。単純な手持ちハンマーは、抽象的に見れば最も複雑な機械的手段の一つである。つまり、その動作は、機構列を含む多くの複雑な機械の動作よりも分析が難しいのである。しかし、ハンマーに対する私たちの馴染み深さゆえに、この事実は見過ごされ、「機械力」という名称が付けられてきた機械的装置の中に、ハンマーは位置づけられることさえ否定されてきた。

読者は、力を集中させ、適用する手段としてのハンマーを、車輪と車軸、斜面、ねじ、あるいはてこと比較し、まずその動作原理に注目し、次にその普遍的な用途について考察してみると、もし明確な原理を持つ機械装置があるとすれば、それは一般的なハンマーであると結論付けるだろう。確かに、ハンマーは人間の必要を満たすための設備の一つであり、機械産業はハンマーなしには成り立たない。ほとんどあらゆる種類の材料を扱う際に、ハンマーは、力の増幅機構なしに手で発揮できる以上の力を発揮するために、常に必要不可欠である。大工が釘を打ち込むには1トンから2トンの力が必要であり、鍛冶屋は作業に必要な5ポンドから5トンの力を必要とする。石工は道具の刃を打つ際に100ポンドから1000ポンドの力をかける。チッピング、コーキング、実際ほとんどすべての機械操作は、多かれ少なかれ打撃で構成されており、そのような打撃は限られた距離にわたって費やされる蓄積された力の適用です。

機械的な手段として考えると、ハンマーは腕の力を集中させ、様々な目的に応じてその力を適用します。大きな力が必要な場合は、長い振りとゆっくりとした打撃で何トンもの成果を上げます。小さな力しか必要ない場合は、短い振りと素早い打撃で十分です。力の強さだけでなく、その方向も常に制御できます。ハンマーの代わりに同様の目的を果たす他の機構を用いると、複雑な構造が必要になるでしょう。 [104]機械は、一方向または一平面でのみ動作します。

ハンマーに関するこれらの説明は、好奇心から、あるいは実際の操作を説明する以上の機械原理を追う意図からここで紹介されているのではなく、前に説明したように、鍛造プロセスと密接な関係がある、打撃作動機械全般に注意を向けるための手段として紹介されています。

打撃作用によって作動する機械や工具は、数多くの種類があり、ほぼすべての機械操作に応用されているにもかかわらず、教科書では、その重要性と広範な用途に見合うだけの十分な注意が払われてきませんでした。打撃作用を持つ機械と、いわゆる直接作用を持つ機械との区別は、動作方法と一般的な構造の両方において極めて明確であるにもかかわらず、このような機械は一つの種類として区別され、個別に扱われることさえありません。もちろん、力の量を決定したり、測定または想定された抵抗に対して作用する打撃機械の動的効果を計算したりするための公式は数多く存在しますが、ここで言及しているのはそのような公式ではありません。機械の動作には、支持フレームにかかるひずみ、可鍛性材料に打撃または押圧を加えた際に生じる影響、そして特に、打撃作用または力作用機械を特定の目的に適用できるようにする条件など、特定の条件が存在します。しかし、実務家にとって価値のある説明はほとんどなされていません。

ハンマーやドロップなど、打撃によって動作する機械や工具は、移動する質量が長い距離にわたって蓄積された力によって衝撃を与え、その蓄積された力の総和を物体に及ぼすことで効果を生み出します。反作用力は機械のフレームに伝達されず、また機械のフレームによって抵抗されることもないため、打撃を与えた質量の慣性によって吸収されます。このような動作に必要な機械は、重りと、それを誘導または指示する手段、そして動力と接続するための機構だけです。例えば、ハンドハンマーは腕の力を蓄積して適用し、一連の機構のすべての機能を実行しますが、金属の塊とそれを誘導するハンドルのみで構成されています。

パンチ、せん断機、ロールなどの直接作用する機械では、まず駆動力から運動を減じて力を得るための何らかの機構が必要です。次に、 [105]この力は、強固なフレーム、シャフト、ベアリングによってバランスをとったり、抵抗したりする必要があります。例えば、パンチングマシンは、ワークに加えられる力に等しい推力に耐えられるほど強固なフレームを備えていなければなりません。そのため、このような機械のフレームは常に巨大な塊となり、この反作用力に最も有利な形で対応し、抵抗するように配置されなければなりません。一方、同等の力を発揮できるドロップマシンの主な構成要素は、ブロックと、その進路を方向付ける一対のガイドだけです。

鍛造機械の機構上の問題を別にしても、プレス加工や打撃加工の適応は、主に作用を受ける部品の大きさと、それに伴う慣性によって決まります。適切な効果、すなわち、各打撃で部品の粒子をその深さ全体にわたって始動させるためには、ハンマーと作用を受ける部品の間に一定の比率を維持する必要があります。重鍛造においては、この原理により、プレス加工機では十分な強度を確保できない作業を行うために巨大なハンマーが製造されました。しかし、他の点では、そのような機械の動作は作業条件に最も適しています。鍛造工程の大部分は、打撃または圧縮のいずれかによって行われますが、ほとんどの場合、後者の方法が最適であることは間違いありません。しかし、前述のように、圧力によって作用する機械は、ハンマーと落下よりもはるかに複雑で高価です。しかしながら、実際には、プレス鍛造工程がより広範囲に採用される傾向にあります。

(1) 鍛造作業には、他のほとんどの作業と区別するどのような特殊性がありますか。—(2) 鍛造作業がどのようなものであるかを一般的に説明してください。—(3) 打撃動作を行う機械をいくつか挙げてください。—(4) この動作原理は、機械のフレームとどのような関係があるでしょうか。—(5) 蒸気ハンマーをパンチングマシンとして使用する場合、そのフレームにどのような変更が必要ですか。—(6) ハンドハンマーの機能について説明してください。

[106]

第24章
トリップハンマー
鍛造に用いられるトリップハンマーは、ハンドハンマーと非常によく似ており、おそらくハンドハンマーから最初に提案されたものである。動力鍛造機械の中で最も古く、広く使用されていることから、蒸気ハンマーよりも先にトリップハンマーについて言及するのが適切であろう。

扱われている他の機械の場合に述べたように、トリップハンマーの仕組みを説明することは無意味です。すべての見習い技術者はトリップハンマーを見たことがあるか、または見ることができると想定されています。ここでは、見習い技術者が見ることができず、何気ない観察によって知る可能性が低いものについて特に扱う予定です。

機械としてのトリップハンマーの特殊性の一つは、特に 1 つのシャフトから駆動するハンマーが複数ある場合に、トリップハンマーを駆動力と接続する際の機械的な難しさです。

ラインシャフトへの突然かつ変動的な抵抗は、カップリングを緩め、ギアを破壊し、他の場合には発生しない突然の歪みを生じさせる傾向があります。通常の動力伝達用に配置されたシャフトは、トリップハンマーの駆動に使用するとすぐに機能しなくなります。剛性接続や金属製のアタッチメントは実用的ではなく、張力を自由に変化させることができるように配置した滑りベルトが、ハンマーへの動力伝達の通常かつほぼ唯一の有効な手段です。トリップハンマーの動作は奇妙な問題です。ヘッドとダイ、そしてそれらを取り付けるための鉄を合わせた重量が100ポンドで、長さ8フィートのヘルブを使用すると、1分間に200回から300回の打撃が可能になります。この速度は、クランクによってハンマーヘッドに直接往復運動を与えることで達成できる速度をはるかに超えており、理論的な推論から想定される速度をはるかに超えています。ハンマーヘルブは木製で弾力性があり、振動するバネのように作用し、その振動はトリップポイントの速度と同期しています。実際、この機械全体は弾性原理に基づいて構築する必要があり、この点において他の既知の機械とはほとんど異なる。経験の浅い人であれば非常に堅固で堅牢であると考えるであろうトラニオン支持フレームは、木材で構成するのが最適であり、さらに、この木材が構造に弾力性と柔軟性を与えるように積み上げられていると、さらに効果的である。 [107]降伏点。金型からトリップハンマーの細部を経て駆動力に至るまでを辿ると、見習い工は、この弾性原理にどれほど多くの部品が寄与しているかに気づくだろう。まず、トラニオンの前後にある木製のヘルブ。次に、通常は軸に取り付けられた平らな部分であるトラニオンバー。3番目に、「ハスク」と呼ばれるフレームの弾性、そして最後に摩擦ベルト。これは、ハンマーヘッドと駆動力を連結するために必要な弾性について理解させるものであり、これは後で再び言及されるので、念頭に置いておくべき事項である。

トリップハンマーのもう一つの特異な特徴は、ダイブロックをヘルブに固定するアタッチメントにおいて結晶化が急速に起こることです。このアタッチメントには、ダイの衝撃を和らげる弾性材を介在させることができません。ヘルブを貫通するボルトは、非常に繊維質なスウェーデン鉄で作られていますが、作業によっては10日以上使用できず、1日で破損してしまうことも少なくありません。ダイブロックを取り付ける最も安全で一般的な方法は、ヘルブの端をアイまたはバンドで囲み、しっかりと鍛造することです。

科学的根拠のない主張をしてしまう危険を冒してでも、結晶化という問題に関連して、金属をリング状に配置すると、何らかの奇妙な理由で結晶変化を引き起こす影響を回避できるようだ、ということを述べておきたい。例えば、手打ちのハンマーは摩耗しても繊維状のままである。鎖の輪や荷馬車の車輪は結晶化しない。機関車の車輪のタイヤでさえ、使用条件が結晶化を促進するにもかかわらず、この影響に耐えているようだ。

トリップハンマーの一般的な製作方法の例外として、米国スプリングフィールドのアメリカ兵器廠で使用されているものが挙げられる。そこでは、ローモア鉄で鍛造された30インチの長さの堅固なフレームと棚板を備えた小型ハンマーが、「1分間に600回」という速度で回転する。しかし、このハンマーは弾力性の必要性を証明している。なぜなら、小さなネジを作るといった軽作業であるにもかかわらず、棚板やその他の部品は頻繁に交換する必要があるからである。

（１）機械の往復運動部分の速度を制限するものは何ですか？（２）クランクによって生み出される往復運動の性質は何ですか？（３）このような機械において往復運動は均一ですか？ [108]パワーハンマー、のこぎり、ポンプなどの機械ではどうですか？—(4) トリップハンマーの弾性接続によって、移動速度にどのような影響が生じますか？

第25章
クランクハンマー
クランクで操作するパワーハンマーは、軽作業に適しており、現在ではエンジニアリング会社の鍛造工場でよく見かけるようになりました。パワーハンマーは通常非常に単純な構造をしており、ここでは見習い職人が検査する際に見落としがちな点を2点だけ挙げたいと思います。

加工対象物の大きさに関わらず、ダイスの面は平行を保ちます。一方、トリップハンマーでは、上部のダイスがヘルブのトラニオンから円弧を描くように移動するため、ダイスの面は一定の位置にあるとき、または特定の深さの加工対象物に加工しているときのみ平行を保ちます。クランクハンマーのダイスのこの平行移動特性は、ある種の作業において非常に重要であり、特に加工対象物のサイズや深さが絶えず変化する機械鍛造においては重要です。

このクラスのハンマーで注目すべき2つ目の点は、駆動力との接続の性質です。いずれの場合も、トリップハンマーの弾性ヘルブに相当するもの（エアシリンダー、偏向スプリング、その他の弾性アタッチメント）がクランクとハンマーヘッドの間に介在し、また、トリップハンマーの場合と同様に、駆動用の滑り摩擦ベルトまたは摩擦クラッチも使用されます。

[109]

第26章
蒸気ハンマー
蒸気を鍛造ハンマーに直接適用することは、間違いなく、鍛造機械においてこれまでになされた最大の改良です。この発明以前に行われていた作業を簡素化しただけでなく、多くの分野を追加し、蒸気ハンマーなしでは決して達成できなかった目的に鍛造技術を拡張しました。

ハンマーアクションの一般原理は、既に説明した範囲では、直接蒸気で駆動されるハンマーにも当てはまります。学習者は、蒸気ハンマーの概念を形成する際に、蒸気ハンマーを他のハンマーとは異なる機械、あるいは新しい原理で動作する機械と見なすというよくある誤解に陥ってはなりません。蒸気ハンマーとは、ベルト、シャフト、クランクではなく、蒸気によって駆動される新しい媒体で駆動される一般的なハンマーに過ぎません。最も改良された形態の蒸気ハンマーは、パワーハンマーに求められる様々な条件を完璧に満たしており、これ以上望むべきものは何もないように思われます。

ハンマーに運動と動力を伝達し、振動または往復運動する部分を緩衝する弾性接続について述べたことを考慮すると、ハンマーの駆動媒体としての蒸気は次の条件を満たすことがわかります。

まず、動力は、シリンダー、ピストン、スライドバルブ、吸気管、スロットルバルブのみで構成される最小限の機構によってハンマーに接続されます。これらのわずかな部品が、蒸気エンジン、シャフト、ベルト、クランク、スプリング、プーリー、ギア、つまり、トリップハンマーやクランクハンマーの場合にハンマーヘッドと蒸気ボイラーの間に必要なすべての部品の代わりとなります。

第二に、蒸気はハンマーと駆動力の接続部に最大限の弾力性を与え、同時に、必要に応じて、ストロークの上部と下部の両方、または上部のみの打撃を緩和する役割を果たします。

第三に、各打撃は独立した動作であり、任意のタイミングで繰り返すことができるが、他のハンマーではこのような変化は [110]一連の打撃を通して、徐々に力を強めたり弱めたりすることによってのみ行うことができます。

4つ目 -ハンマーの可動部分とフレームの間には、ハンマーヘッドの横方向ガイドを除いて直接の接続はありません。蒸気が動作ラインにクッションとして介在するため、フレームに必要な強度と重量が最小限に抑えられ、過度の負担や衝撃が回避されます。

第五に、打撃の範囲と力、そして打撃のタイミングは、自由に制御できます。これが蒸気ハンマーと他のハンマーとの最大の違いであり、蒸気ハンマーが広く使用されるようになった特別な利点です。

第六に、蒸気ハンマーへの動力は小さなパイプを通して伝達することができ、このパイプはどの方向にも、ほぼどの距離にも適度な費用で運ぶことができるため、シャフトや他の機械を気にすることなく、作業に最適な位置にハンマーを配置することができます。

第七に、動きを段階的に変化させるためのベルトの滑りやその他の摩擦装置による動力の浪費がなく、最後に、ハンマーが作動していないときに動き続けるための機械が存在しない。

これらのさまざまな点を念頭に置いて、見習いは、注目される可能性のある蒸気ハンマーでのそれらの応用をたどることから喜びと利益の両方を得るでしょう。また、メカニズムのさまざまな変更により、調査はより興味深いものになります。

もう1つ注意すべき点があります。これはやや複雑な点ですが、これを理解しないと、これまで説明した内容だけでは蒸気ハンマー作用の正確な理解は得られないでしょう。バルブの動きについてはここで触れておきます。

蒸気ハンマーは、手動でバルブを動かすクラスと、自動的にバルブを動かすクラスの 2 つに分けられます。

蒸気ハンマーの動作は、弾性打撃とデッド打撃と呼ばれるものに分けられます。

弾性打撃で作動する場合、蒸気ピストンは上下のストロークの両方で緩衝作用を受け、蒸気ハンマーの動作はヘルブトリップハンマーの動作に対応し、蒸気は振動するバネのスペースを満たします。この場合、ハンマーは素早く跳ね返る打撃を与え、運動量は部分的にしか [111]仕事に費やされ、ピストンの下のシリンダーの底部の蒸気の緩衝によって部分的に止められます。

この原理で作動する場合、ハンマーの動作速度が速くなる以外、得られるものはなく、失われるものの方が多い。また、往復運動する部品とバルブとの間に「維持された、または確実な接続」があるハンマーではこの種の動作が不可欠であるため、ほとんどの自動ハンマーが弾性打撃で作動する理由の 1 つは、適切なバルブ配置に関する知識の欠如、またはデッドブローを生成するためのバルブギアの配置に関する機械的な困難のいずれかであると推測するのが妥当であると思われる。

デッドブロー方式では、ハンマーが下降ストロークを終え、その運動量を作業物に費やすまで、ピストンの下に蒸気は供給されません。この2つの動作方式によって生じる効果は非常に異なるため、ほとんどの作業において、デッドブロー方式で50ポンドのハンマーを使用した場合と、弾性打撃またはクッション打撃方式で100ポンドのハンマーを使用した場合とで、同じ作業量を達成できます。

デッドストロークと弾性ストロークのこの違いは非常に重要であるため、自動作動ハンマーを使用することで多くのメリットが得られる場合でも、多くの場合、手動バルブが使用され続けてきました。

一部の蒸気ハンマーメーカーは、自動ハンマーの改良に非常に成功しており、デッドブローとエラスティックブローのどちらでも瞬時に切り替えられるため、両方の原理の利点をすべて兼ね備えています。これにより、蒸気ハンマーはこれ以上の改良の余地がほとんどないレベルに達しています。

デッドブローまたはエラスティックブローを可能にする 2 つの条件を満たす自動蒸気ハンマーのバルブギアは、機械的組み合わせの最も興味深い例の 1 つです。

デッドストロークまたはスタンプストロークを実現するには、ハンマーが打撃してワーク上で停止した後にバルブが移動し、ピストンの下に蒸気を流入させる必要があるが、ハンマーヘッドとバルブ間の接続を維持したままでは、このようなバルブの動きは実現できないと述べられています。この問題は、ハンマーヘッドまたはドロップヘッドを、その運動量によって「ハンマーヘッドが停止した後も動き続ける」ような機構に接続することで解決されます。この機構は様々な装置で構成できます。英国のマッセイ社とアメリカのフェリス＆マイルズ社は、スイングワイパーバーを採用しています。 [112]は、その重量または慣性により遅くなり、下降ストロークでハンマーヘッドに密接に追従しませんが、ハンマーが完全に停止した後に接触してバルブを開きます。

このワイパーバーをハンマードロップに接触させ続けることで、弾性打撃または反動打撃が与えられます。また、ワイパーバーの特定の位置に重量を加えることで、その動きが遅くなり、ハンマーがスタンプまたはドロップとして機能するようになります。あるドイツ企業は、打撃による衝撃を利用してバルブギアを解放し、バルブの動きに合わせて落下させることでこの動作を実現しています。他の技術者は、バルブ自体の運動量を利用して同じ目的を達成しています。スロットまたは柔軟な接続部でバルブをドロップに接続することで、ハンマーが停止した後もバルブが独立して動くようにしています。

(1.) 蒸気ハンマーをトリップハンマーやクランクハンマーと比較すると、蒸気はどのような機構に取って代わったり、代表したりしますか? — (2.) 蒸気ハンマーと他のハンマーの主な違いは何でしょうか? — (3.) どのような状況下では自動バルブ動作が望ましいですか? — (4.) なぜデッドブローやクッションのないブローが最も効果的なのですか? — (5.) ハンマーは空気でも蒸気と同じように動作しますか?

第27章
複合ハンマー
ハンマーと鍛造工程に関連して注目すべきもう 1 つの原則は、加工する部品の慣性です。これは、より重い種類の作業では決して重要ではない事項です。

金床の上に置かれた物体の上側を一定の力で叩くと、その物体の下側、つまり金床側には均等な力が加わりません。打撃力の一部は、打撃を受ける物体の慣性によって吸収され、下側への影響は、理論的には、打撃力から緩衝効果と物体の慣性を差し引いた値となります。

[113]

実際には、作品の表裏、あるいは金床側とハンマー側におけるこの効果の差は、想定されるよりもはるかに大きい。表側の柔らかい金属がたわむことで衝撃が緩和され、裏側を衝撃から保護する。熱い鉄に打撃を与えた際の効果は、打撃の力だけで推定することはできない。専門用語で言えば、鉄を「始動」させるにはある程度の力が必要であり、この力より弱い力では、粒子を動かして作品の形状を変える効果はほとんどない。

このことから、大きな部品を加工する際には大きな動力損失が発生することが分かります。なぜなら、慣性によって吸収される力は、下面には影響を与えないからです。鍛冶屋が手槌を使う様子を観察すると、加工する部品が使用するハンマーよりも重い場合でも、金床や底面への影響はほとんど、あるいは全くないことがわかります。しかも、この影響損失だけが唯一の原因ではありません。加熱にかかる費用は、一般的に鍛造品の成形にかかる費用を上回りますが、その費用は1回の加熱で行える成形の量に比例します。したがって、部品の片面ではなく両面に均等に作用させることができれば、加熱量は半分に抑えられます。

大きな部品の両側に均等に作用させることで得られるもう 1 つの目的は、製造される鍛造品の品質です。これは通常、成形プロセスの迅速化によって向上しますが、加熱が頻繁すぎると品質が損なわれます。

作用を受ける部品の慣性による効果の損失は、作業物の重量とともに増大します。また、部品の大きさに応じて、動力損失だけでなく加熱費用も増大します。しかしながら、軽鍛造と重鍛造では機械的条件が大きく異なるため、重鍛造でない限り、部品の両側を同時に加工しようとすると、得られる効果よりも損失の方が大きくなります。

二重の効果を達成し、指摘された損失を避けるために、ラムズボトム氏は、反対方向に動き、その間に挟まれた部分に同時に作用する 2 つの独立したヘッドまたはラムで構成される、いわゆる複合ハンマーを設計しました。

これらのダブルアクションハンマーの配置は必然的に複雑で高価になると思われるかもしれないが、実際は正反対である。ラムは単に2つの鉄の塊で、車輪の上に取り付けられ、トラックのように軌道上を走行する。そして、ハンマーの衝撃は、作業に吸収されない限り、 [114]ハンマーは互いに中和され、固定されたアンビルを持つ単動式ハンマーのように、フレームや基礎に衝撃や揺れが伝わることはありません。ハンマーの後退ストロークにも同様の規則が適用されます。ハンマーを動かすリンクは中央で連結されており、動力はハンマーの運動方向に対して直角に作用します。2つのハンマーを連結するリンクは、実質的にトグルジョイントを構成し、蒸気ピストンは中央でリンクが接合する部分に取り付けられています。

ハンマーを動かす蒸気シリンダーは、ハンマーが動く面より下の深さの地中に埋め込まれており、最も重い作業を行ったときでも、ハンマーの近くに立っても、垂直方向に動く単動式の機械では常に感じる衝撃は感じられません。

(1.) ハンマーで叩いたとき、ピースの上部と下部で生じる効果が異なるのはなぜですか? — (2.) 複合ハンマーはなぜ衝撃や衝撃を生じないのですか? — (3.) このようなハンマーに材料を当てる際の機械的な難しさは何でしょうか? — (4.) 単動ハンマーで叩いたとき、ピースの下部に生じる効果において、速度と重量のどちらが最も重要ですか?

第28章

鋼の焼き入れ
焼き入れは鍛冶屋の秘儀とも言えるでしょう。この作業には、あらゆる神秘的な工程、特に機械的な操作に関係したり、機械的な操作に属する工程に共通する魅力があります。よく理解されていないものに強い関心を持ち、明白に証明できるものを無視してしまうのは、奇妙で、おそらくは幸運な心の習性です。

20年間鍛冶場に立ち続けた老鍛冶は、初心者と同じように焼き入れの工程に興味を持つ。飛び出したり折れたりする可能性のある作品を焼き入れする必要があり、そのリスクが大きい場合、彼は技術を習得した時と同じ熱意と関心をもって取り組むだろう。

[115]

温度の急激な変化によって鋼が硬化する理由や、硬度に応じてさまざまな色合いになる理由を、明確に説明できる人はいません。私たちが知っているのは、鋼が幸運にもそのような特性を持っているという事実だけです。

道具を使う人は皆、鉄用であれ木用であれ、その焼き入れ方法を理解しているべきです。焼き入れされた道具を使って実験することが、適切な硬度を決定する唯一の手段です。鍛冶屋は自分の道具を使う以外は、適切な硬化方法について他人の説明に頼らざるを得ないため、焼き入れは一般的に不満の原因となります。

焼き戻しという用語は、硬化と伸線の両方の意味を持つ用語として用いられます。焼き戻しは、技能よりも判断力に大きく依存する工程であり、鍛冶屋だけが行うような鍛造とは関係がありません。焼き戻しには、鍛造で使用される火とは異なる火が必要であり、また、焼き戻し工具専用の炉や浴槽がない限り、鍛冶屋が行える以上の注意と精度が求められます。

工具を焼入れする際に困難が生じるのは、温度変化に比例して鋼が収縮するためです。また、冷却時間は部品の厚さやサイズに比例するため、当然ながら、厚い部分が冷える前に薄い部分に大きな負担がかかり、破損する傾向があります。この負担は、片側が最初に冷却されるか、またはもう片側よりも急速に冷却されることによって発生する可能性があります。

焼き戻しに関して、以下の命題は、遵守すべき主な点を包含しています。

焼き戻しにおける鋼の永久収縮は、鋼浴によって鋼に与えられる硬度の度合いに比例します。

収縮が起こる時間は、浴槽の温度と部品の断面の温度によって異なります。言い換えると、熱は表面から中心に向かって徐々に伝わります。

鋼鉄工具の薄い部分は、刃を支える塊から突出しているため、最初に冷却され、収縮を考慮に入れなければ、ばらばらに引き裂かれます。

硬化の要点であり、不規則な収縮を防ぐためにできる最大のことは、最も厚い部分に最初に、そして最も強く作用するように浴を当てることです。部材が先細りになっている場合やくさび形の場合は、厚い方の端を先に浴に入れます。例えば、割れる危険性があるほど幅の広い冷間チゼルは、頭を下にして浴に入れます。 [116]下向きに。

温められた水の流れの上昇は、鋼の工具が焼入れ時に不規則に冷却したり、弾力性を失ったりする一般的な原因です。温められた水は垂直に上昇し、工具が垂直位置から少しでも傾くと、温かい水流が片側に流れ上がります。

焼き入れ槽から均一な効果を得るための最も効果的な方法は、槽または部品を激しく撹拌することです。これにより、冷却速度も速まります。

焼入れ浴の効果は、その導電率にあります。浴の導電特性に寄与する可能性のある化学物質を除き、浴に添加する化学物質は無視しても差し支えありません。浴の場合、極度の硬度を求める場合は塩を多量に含む冷水または氷水、薄くてそれほど硬くする必要のない工具の場合は温油を使用します。これらは両極端であり、通常の使用では、それ以外は何も必要としません。

一部が鉄で一部が鋼でできた工具、いわゆるスチールレイドの場合、硬化時に割れる傾向は、ほとんどの場合、鋼の刃先を低温で叩いて十分に膨張させ、硬化時に冷却すると静止状態まで収縮して鉄の部分に対応するようにすることで回避できます。同じ結果は、硬化前に鋼の側面に凸面を付けて作品を曲げることによっても生成できます。

工具の焼き入れは、刃先や切削部品を湯に浸し、熱を逃がして刃先で適切な焼き入れを行うという方法では決して行ってはなりません。これは一般的な慣習を批判するものであることは重々承知していますが、それでもなお誤りです。このように焼き入れされた工具は、先端や刃先から徐々に焼き入れ度が下がっていくため、どの部分も適切に焼き入れされず、継続的な再焼き入れが必要となり、鋼が劣化します。さらに、適切な色合いに焼き入れされる唯一の部分である刃先は、通常、加熱によって劣化するため、まず研磨しなければなりません。炉やホットプレートでゆっくりと引き伸ばし、工具全体を焼き入れした旋盤工は、その後に刃先焼き入れを行うことに決して同意しません。厚さ2～2.5インチの鉄板を工具研磨用の火の上に置けば、工具の焼き入れに便利なだけでなく、ゆっくりと引き伸ばしするのと同じくらい重要な、ゆっくりと加熱するという利便性も大幅に向上します。筆者は実際の実験により、工具研磨の量が [117]通常の機械の取り付けでは、ツールを研削するのに無駄な時間は言うまでもなく、焼き戻しも「オーブン焼き戻し」によって 3 分の 1 に短縮できます。

焼き入れ、あるいは焼き戻しと呼ばれることもある焼き戻しの色合いについては、「麦わら色、すみれ色、オレンジ色、青」といった古いルールを繰り返すのは全く無意味です。学習者は、そのような指導を受けた後でも、以前と同じだけの知識を得られます。焼き戻しの色合いは実際に見て学ぶ必要がありますが、焼き戻しの作業を見る機会がなければ、誰もそのような知識を使うことはないでしょう。そこで、様々な色合いを学ぶための以下の計画を提案します。長さ約5cm、幅約2cm、厚さ約3/8インチの鋳鋼を8個用意し、それらを高温で加熱した後、塩浴に浸します。1個は焼き戻しをせずに保存し、極度の硬さを示す白い色合いを見せます。残りの7個のそれぞれの片面を磨きます。そして、それらを熟練した職人に渡し、白い部分から軟鋼の濃い青色まで、7つの異なる焼き戻しの色合いを描いてもらいます。これらの部分の裏側には、色合いの専門用語と、それぞれの硬度の工具が適している一般的な用途を説明したラベルを貼ることができます。

これにより、興味深い標本のコレクションが形成され、さまざまな色合いに目が慣れ、ある程度の経験を積むと、個別に見たときにすぐに認識できるようになります。

切削工具の硬度は「切削する材料の硬度に反比例する」という一般的な規則があります。これは一見異常なように思われますが、刃先の切削特性だけを考えれば、確かにその通りです。しかし、すべての切削刃は横方向の歪みを受けており、この歪みの量は一般に、作用する材料の硬度に比例します。したがって、刃先の破損を防ぐためには、焼き入れの程度を適切に設定する必要があります。例えば、木材を切削するための工具は、鉄を切削するための工具よりもはるかに硬くすることができます。より正確に言えば、木材を切削するための工具は、鉄を切削するために通常使用される工具よりも硬いと言えるでしょう。なぜなら、鉄の工具が木材を切削するための工具と同じように常に丁寧に作られ、丁寧に使用されるならば、鉄の工具も同様に硬くすることができるからです。

鍛冶場、ブラスト用空気圧機械、大型部品を取り扱う機械など、鍛造に関する詳細は、例から簡単に理解できます。

[118]

(1.) 工具が焼入れで曲がったり折れたりする原因は何ですか? — (2.) 焼入れ時に工具が損傷するのを防ぐには、どのような手段を講じればよいですか? — (3.) 鋼片に焼入れをせずに焼き戻しの色合いを作り出すことはできますか? — (4.) 切削工具の硬度の限界は何ですか? — (5.) 工具を固体の鋼で作るのではなく、鋼を敷設する目的は何ですか?

第29章
取り付けと仕上げ
エンジニアリング施設では、一般的に、取り付けまたは仕上げ部門が主な部門であると考えられています。

機械を構築する際の最終工程であるフィッティング工程は、機械の使用および応用とより密接に関係しており、製図室、型紙工場、鋳造所、鍛冶屋で実行される他の工程の結果を組織化または統合することにあります。

熟練していない人や、エンジニアリング事業全体を包括的に捉えていない人にとっては、仕上げと取り付け部門が機械製造のすべてを構成するように見えますが、学習者はこのような印象を抱かないように注意する必要があります。なぜなら、施設内のさまざまな部門の重要性と関係性を真に理解することによってのみ、それらを徹底的かつ容易に学習できるからです。

したがって、仕上げはいくつかのプロセスのうちの 1 つにすぎず、取り付け部門は注意を分散させる必要がある 4 つ以上のプロセスのうちの 1 つにすぎないことを念頭に置く必要があります。

仕上げ工程は二次的なものであり、必ずしも必須ではありません。機械部品の多くは鍛造または鋳造された時点で使用可能であり、取り付けを必要としません。しかし、仕上げ工程は多くの点でエンジニアリング施設の主力部門とみなされるべきです。計画、図面、見積は常に完成品に基づいており、部品の寸法が正確である場合に作成されます。したがって、設計、図面、見積は仕上げ工程を経て鋳造工場と鍛冶工場に戻ると言えるでしょう。そのため、仕上げは作業順序では最後の工程ですが、他のすべての意味では図面に次ぐ最初の工程です。仕上げから最も遠いように見えるパターン製作の寸法でさえ、取り付け寸法に基づいており、かなりの程度まで修正する必要があります。 [119]仕上げの条件によります。

鋳造および鍛造工程では、材料は加熱され膨張した状態で処理されます。これらの工程の性質上、正確な寸法を得ることは不可能であるため、鍛造品と鋳造品はどちらも、収縮や凹凸を考慮して完成寸法よりも十分に大きくする必要があります。仕上げ工程とは、この余分な材料を切り取り、材料が自然温度にあるときに機械部品に正確な寸法を与えることです。前述のように、材料が常温にある状態で仕上げ工程を行うことで、機械部品の取り扱い、寸法測定、組み立てが可能になります。また、他のほぼすべての工程は加熱を伴うため、仕上げ工程は金属加工における冷間加工とも言えます。組立工場の作業は、ほぼ全てが切断、研削、研磨で構成されています。これは一見斬新な発想に思えるかもしれませんが、これらの作業は組立と呼ばれる作業のほぼ全てを包含しています。

切削加工は、円筒切削（旋削、ボーリング、ドリリングなど）と平面切削（プレーナー削り、シェービング、スロッティング、せん断など）の2種類に分けられます。平面切削は、平面または長方形の形状を切削するために行われます。研磨加工や研削加工は、あらゆる種類の形状に適用できます。

さらに分類すると、切断機は、工具が移動し材料が固定されている機械、材料が移動し工具が固定されている機械、および工具と作用する材料の両方の複合的な動きを伴う機械に分けられます。

機械切削と手切削の違いについても触れておくべきでしょう。機械切削では、工具や材料は、かんな削りや旋盤加工のように、正確なガイドによって動かされ、正確な幾何学的線に沿って加工されます。一方、やすりがけ、削り、チッピングなどの手作業では、工具は正確なガイドなしに動かされ、不規則な線に沿って加工されます。

このようにフィッティングショップの業務を一般化することは、業務を理解するためのあまり実用的な手段ではないと思われるかもしれませんが、先に進むにつれてその応用はよりよく理解されるでしょう。

切削工具には、仕上げ加工に使用されるほぼすべての工具が含まれます。旋盤、プレーナー盤、ドリル盤、ボーリング盤、シェービング盤、スロッティング盤、フライス盤などがこのクラスに含まれます。これらの機械は、いわゆる標準工具と呼ばれています。 [120]これらは、一般的な機械製造が行われるあらゆる施設で不可欠かつ使用されているものです。これらの機械は、どの国でも実質的に同じ原理に基づいて製造されており、動作と部品の配置は比較的均一になっています。

上記の工作機械以外にも、ほとんどの職場には特別な機械があり、特定の作業を行うことを目的とした機械があります。特定の改造によって、そのような機械はより効果的になりますが、一般的な目的には適さない適応。

一般的な工学作業は、複製品の生産や、通常の製造業のように常に同じ方法で実行される作業では成り立ちません。そのため、機械を一般的な目的に適応させることに多大な努力が費やされてきました。機械は、前の章で指摘したように、組み合わせの反対意見を避けることはめったにありません。

今日の機械設備における主要な改良と変化は、特殊工具の適用にあります。旋盤、かんな盤、あるいはボール盤といった標準的な機械は、特定の作業範囲に適合させる必要がありますが、これらの工具を、その能力の範囲内で最大または最小のワークに特化して配置すれば、一定時間内により多くの作業が可能になり、結果としてコストを削減できることは明らかです。また、工作機械は利益を上げるためには常に稼働させておく必要があり、ある種類のワークが機械を占有するのに十分な数ない場合は、様々な種類の作業に使用しなければなりません。しかし、均一な性質を持つ特定の工程を実行するために、同じサイズのワークが十分にあれば、他のワークの要件に左右されることなく、可能な限り特殊作業の要件に適合するように機械を設計することで利益が得られます。

ここで、工作機械工場の標準的な工具について、その構造、特にその動作の一般原理に注目しながら、概説してみよう。旋盤やかんな盤とは何か、あるいは特定の技術者がどのようにしてそのような工具を製作したかを示す図面や説明ではなく、序論で説明した設計図に基づいて、読者が標準的な工作機械の名称と用途に精通していることを前提とする。読者が標準的な工作機械の名称と用途を十分に理解しておらず、そこで行われる様々な作業の名称と一般的な目的を理解していない場合は、 [121]適切な店であれば、どんな種類の本でも気にする前に、ここまでの知識を身に付けておくべきです。

(1.) 機械の部品はなぜ鍛造や鋳造では正確な寸法で作ることができないのか? — (2.) 真実に関して、手工具と工作機械の操作の違いは何か? — (3.) 機械の部品を複製する際に手作業を採用できないのはなぜか? — (4.) 標準工作機械と特殊工作機械の違いは何か?

第30章
旋盤
機械においては、支配的な形状は円筒形です。機械以外の、動きを伴わない構造においては、支配的な形状は長方形です。

機械の動きは主に回転運動です。回転運動は、シャフト、ベアリング、プーリ、ホイールなどの円筒形の部品によって行われるため、工作機械の大部分は円筒形の形状を加工することに向けられています。通常の機械の旋削、穴あけ、ドリリングされた表面の面積と、平面加工された表面の量を比較すると、精密機械では前者が 2 倍以上、粗機械では 3 倍以上であることがわかります。このことから、円筒面と平面での操作に必要な工具の割合を概算できます。2 つのケースで切削工具の能力が同じであると仮定すると、割合は 3 倍になります。工具が円筒面では連続的に、平面では断続的に作用することを考慮すると、円筒面と平面面に必要な機械数のこの差はさらに大きくなります。

実際には、この命題の真実性は、かんな削り用の工具と比較して旋盤と穴あけ工具の数が過剰であることによって十分に実証されています。

エンジン旋盤は、多くの理由から機械加工におけるマスターツールと呼ばれています。それは、作業の大部分を担うという点で主導的なツールであるだけでなく、組織化された機械としてのエンジン旋盤は、おそらくこれまで存在したどの機械よりも多くの有用かつ重要な機能を兼ね備えています。 [122]考案されました。旋盤は、ねじを回したり、穴を開けたり、削ったり、削ったり、切ったりするのに使用できます。また、強力なねじ送りがあれば、ある程度はかんな掛けにも使用できます。さらに奇妙なのは、これらの様々な機能にもかかわらず、旋盤は複雑な部品や消耗しやすい部品のない比較的単純な機械であり、前述の様々な目的に適応させるのに大きな変更を必要としないことです。

旋盤は、フライス加工、穴あけ、ボーリングといった一般的な作業において、その範囲内で、決して間に合わせの工具ではなく、それぞれの目的に適応した機械の利点をほぼすべて備えた様々な作業を実行します。現代のエンジン旋盤の応用方法を理解している独創的な職人は、かんな削り以外の工具を使わずに、ほぼあらゆる種類の軽機械を製作できます。また、加工面がそれほど大きくない場合は、かんな削りさえ行うこともできます。このようにして、様々な工具をフル装備した場合とそれほど変わらない費用で機械を製作できます。もちろん、これは分業が不要で、旋削、穴あけなどの各工程を一人の作業員が行う場合にのみ可能です。

旋盤は、もし他の作業が全くできなければ、螺旋形状を製作するツールとして工作機械の中でも重要な位置を占めるでしょう。機械の部品のねじ山の数は驚くほど多く、部品を固定する締め付けボルトはあらゆる種類の機械の取り付けの大部分を占め、ねじは動力の増加、動作の変更、調整を行う最も一般的な手段です。

仕上げ用エンジン旋盤は、基本的に、強力で柔軟性のないせん断機またはフレーム、8 ～ 16 の動作変更が可能な回転スピンドル、スライディングヘッドまたはテールストック、およびツールを保持して移動するスライディングキャリッジで構成されます。

過去半世紀、エンジン旋盤には大きな変化はなく、少なくとも動作原理に新たな変化は加えられていない。しかし、特殊な作業への適応性と能力に関しては多くの改良が加えられてきた。ねじ切りと送りにおけるホイール交換機能、キャリッジの摩擦式始動装置、旋削用の独立した送り機構、工具調整機構、横送り機構など、改良が加えられ、旋盤の効率性は確かに向上した。しかし、これらの改良は主に旋盤工の技能を代替することに向けられてきた。

[123]

この最後の命題の証拠は、熟練した旋盤工が、単純な送りねじを備えた古い英国製旋盤で、現代のより複雑な旋盤とほぼ同じ量の作業と性能をこなせるという事実に見出される。しかし、熟練度の節約は、時には手作業の省力化と同等かそれ以上の目的を持つことがあるため、工具の能力はそれに応じて見積もるべきである。旋盤の性能に最も影響を与える可能性のある主要な点は、第一に、回転するスピンドルのベアリングの精度（回転する部品にその形状の複製を伝える）、第二に、スピンドルの直線とキャリッジの動きの一致、第三に、スピンドルとキャリッジの動きに対して工具の横送りが真直角であること、第四に、摩耗面、特にスピンドルベアリングと摺動面の耐久性である。これらに加えて、送りねじの精度、フレームの剛性など、他にも多くの点が挙げられますが、これらの要件は明白です。

旋盤の主軸の不完全性や、軸受に横方向の運動が生じるのを防ぐため、より精密な作業のために両端に静止中心を持つ旋盤を設計する試みが数多くなされてきた。このような構造は真の円筒回転を生み出すが、同時に機械的な複雑さを伴い、得られる目的を上回ってしまう。さらに、旋盤の軸受と主軸の適切な取り付けと良質な材料を使用すれば、通常の作業に求められるあらゆる精度を確保できることが、実践によって証明されている。

一部の旋盤では、キャリッジが旋盤フレームの上部から突出するV字型のトラック上を移動する一方、他の旋盤では、キャリッジが平面ベアリングを介してフレーム上を滑走することにご留意ください。旋盤キャリッジの取り付けに関するこれらの2つの方法は、技術者の間で多くの議論を呼んでおり、その検討から類似した性質の他の問題の分析計画が示唆される可能性があるため、ここでは2つのケースに共通するいくつかの条件について述べ、それぞれの配置をフラットシャーとトラックシャーと呼ぶことにします。

これらの異なるプランは、まずキャリッジの動きに及ぼす影響について検討します。これには、摩擦、摩耗耐性、工具の剛性、操作の容易さ、そして製造コストが含まれます。スライド旋盤における旋削とボーリングの切削点は、ワークの側面、または旋盤の中心とほぼ水平にあり、キャリッジが旋盤を横切って水平に移動するたびに工具の動きが影響を受けます。 [124]そして、作用するワークの形状は、その偏差の程度に直接影響されるため、平行旋削とボーリング加工は、キャリッジの横方向の動きや横方向の遊びを回避することに大きく依存します。これが、理論上も実践上も、フラットトップシャーとトラックシャーの最大の違いです。フラットトップシャーは、バーを用いたボーリング加工以外では二次的な重要性しか持たない垂直面における偏差を抑えるように特に設計されています。トラックシャーは、旋盤加工の9割において、水平方向の偏差を抑えるように設計されており、これは加工精度の正確な尺度となります。

キャリッジの真の運動は、その支持面の大きさや摩耗力、抵抗すべき応力に対するこの面の配置、そして摺動面の運動条件、すなわち接触状態によって左右されます。主に考慮されるべき切削応力は、通常、旋盤の中心から前方に向かって30～40度の角度で下向きに発生します。このような応力に抵抗するために、フラットトップせん断機は応力に対して直角の面を持たず、支持面はすべて斜めに配置されています。さらに、水平方向の応力はすべてせん断機の片側のみに発生します。そのため、フラットトップせん断機は、その断面積全体を使って横方向の応力に抵抗できる場合よりもはるかに重くする必要があります。しかしながら、この問題は、フラットトップを持つほとんどの旋盤フレームに見られる多数のクロスガートによって主に回避できます。

角張った軌道上を移動するキャリッジは、ベアリングから持ち上げられるまで（めったに起きませんが）、どの方向にも遊びがなく、常に安定して楽に移動します。また、キャリッジがベアリングから持ち上げられると、調整可能なジブによって簡単に反対の動きになります。フラットシアー上のキャリッジは、スムーズな動きを確保するために必要な自由度のため、水平方向に遊びが生じやすくなります。トラックの場合、キャリッジの重量が一定の力として安定を保つ働きをするのに対し、フラットシアーでは、キャリッジの重量は、ある意味で軌道と反対方向になるため、安定やガイドには役立ちません。工具の動きの剛性と安定性は、三角形のトラックに有利であることで有名で、取り付けにかなりのコストがかかるにもかかわらず、ほぼすべてのアメリカの工作機械メーカーが旋盤をこの方法で製造しているほどです。

また、旋盤では、通常、可動ヘッドとキャリッジに角度ガイドが設けられており、これにより、 [125]フレームの両側を連結して可動ヘッドを固定することで、実質的にフレームを横切る強力なガートとなる。また、キャリッジはせん断材の両側を均等かつ独立して保持する。ここまで見てきたように、旋盤キャリッジのレールの形状という一見単純な問題について推論する際に、いかに多くの条件を考慮しなければならないかが分かるだろう。さらに、言及していない多くの点についても触れておくべきである。しかし、これまで説明してきたことは、この問題が単なる意見の問題ではなく、実用的な利点がなければ、工作機械メーカーは旋盤キャリッジの取り付け方法のうち、最も高価な方法を採用しないであろうことを示すのに役立つだろう。

機械の取り付けに一般的に使用される旋盤には、ねじ切りエンジン旋盤、旋削専用の旋盤、ダブルギア旋盤、シングルギア旋盤、バックギア旋盤、ボーリング旋盤、手旋盤、プーリー旋盤、さらにダブルヘッドと 2 つのツールキャリッジを備えた複合旋盤があります。

これらの各種旋盤は、構造が非常に多様で、多かれ少なかれ異なる用途に適応していますが、いくつかの機能が省略されて簡素化され、特定の作業に適応されているか、または動作部品の一部が複合されてより大きな能力が達成されているかのいずれかで、依然としてエンジン旋盤です。

旋盤の操作は、おそらくあらゆる作業の中でも最も習得が難しいものですが、学習者にとって役立つであろうヒントを以下に挙げます。最初は工具の形状を注意深く研究する必要があります。これは旋盤作業における重要なポイントの一つです。熱心な旋盤工とそうでない旋盤工の最大の違いは、工具の適切な形状と性質を知っている人と知らない人の違いです。工具の調整と提示は経験によってすぐに習得できますが、工具の適切な形状はより難しい問題です。最初に研究すべきことの一つは、刃先の形状、つまり工具の刃先から下のクリアランスと刃先角度です。これは旋削と穴あけ加工の両方に関係します。穴あけ加工は旋削とは異なるからです。旋盤工具の角度は図によって明確に示されます。平面と円筒面の切削角度の図を作成することほど、製図の最初のレッスンとして最適なものはありません。

旋盤工具セットは、あらゆる種類の作業に必要な工具をすべて揃えておかなければなりません。そうすれば、工具が必要になった後に準備するのを待つことで時間を無駄にすることがなくなります。一般的なエンジン旋盤は、一般的な作業で10000Nを超えない範囲で動作します。 [126]直径 20 インチの作業には、25 から 35 個の工具が必要ですが、きちんと整頓されていればあらゆる目的に使用できます。作業員は 10 個かそれ以下の工具で作業を進めることもできますが、満足のいく結果が得られるとは限りませんし、作業も迅速ではありません。各工具は適切に焼き入れされ、研磨されて、「しまっておく」ときにすぐに使用できる状態になっている必要があります。工具が壊れた場合は、次にいつ使用するかに関係なく、すぐに修理する必要があります。自分の工具に誇りを持っている作業員は、必要な数の工具を常に用意できます。なぜなら、50 ポンドの鋳鋼工具を余分に投資することは、それらを手元に置いて操作できることによる利点に比べれば小さな問題に過ぎないことは、計算をしなくても証明できるからです。

熟練した機械工にとって、旋盤の工具を一目見るだけで、作業者の技量を見抜く十分な手がかりとなります。工具が研磨され、適切な形状に整えられ、すぐに使えるように整頓されていなければ、旋盤工は一流の職人の主要な資質である、秩序と工具に関する知識を備えていると一目で判断できます。一方、古い廃材、締め付けボルト、壊れた工具で山積みになった旋盤台は、秩序と工具の知識が欠如していることを示しており、これらがなければ、どんなに手作業の技術があっても、有能な職人にはなれません。

旋盤作業に関する専門技術をできるだけ早く習得することも必要ですが、さらに重要なのは、様々な作業を行うための慣習的な方法を学ぶことです。旋盤作業には多岐にわたる作業が含まれており、それらは常に変化しますが、それぞれの作業には長年の慣習によって慣習化された特定の作業手順があります。これらの手順を習得するために、見習いは優秀な職人の作業を観察し、できる限り彼らの手順に従うべきです。ただし、革新や変更は、十分に検討した上で行うべきです。新しい方法、チャッキング作業の手順、工具のセッティングと研磨、その他旋盤作業における一般的な作業方法を導入しようとすると、厄介なミスにつながるだけでなく、他の人から得られるはずの有用な情報を瞬時に失ってしまう可能性があります。旋盤作業の説明に用いられる専門用語は、一般的に必要になるよりも早く習得され、しばしば誤用されます。これは、それらを知らないよりも悪い結果をもたらします。

ネジを切る際には、ホイールリストと呼ばれる誤った便宜を参照しない方が良いでしょう。これは通常、エンジン旋盤のどこかに刻印されており、ホイールの選択に役立ちます。 [127]切削するホイールと旋盤の親ねじの対応関係は、ねじのホイールとスピンドルのホイールの関係に似ています。作業員であれば誰でも、ホイール列が1列しかない場合に、ねじ切り用のホイールを計算するという単純な作業に精通しておくべきです。ねじ切り用のホイールは、インデックスから読み取るだけですぐに計算できるだけでなく、ホイールの変更に精通していることの利点は他のケースでも非常に重要であり、インデックスが手元にない場合でも、このような組み合わせを頻繁に行う必要があります。

旋盤と旋削加工に関連して研究すべき主題として、以下が挙げられます。鉄、鋼、真鍮の切削速度、ベルトコーンの相対速度（その変化が最も遅いものから実際に上昇するスケールによるものかどうか）、異なる変化における送り速度（インチあたりの切削回数に応じたネジ山のように推定）、均一なベルト張力を確保するためのコーンプーリまたはステッププーリの比率、柔軟な部品の旋削加工に用いられる追従レストの理論、センターレストまたは追従レストの支持点を3点と4点にした場合の違い、旋盤の性能をテストする最良の方法。これらすべて、そしてその他多くの事項は、興味深いだけでなく、旋盤加工の習得に役立つ主題であり、これらの研究は、常に発生する問題に対処するための論理的な方法につながります。

手工具の使い方は、あらゆる機会に実際に使ってみることで習得すべきです。エンジン旋盤における近年の改良の多くは、手工具作業の軽減に過ぎず、多くの場合、技能向上以外には何のメリットもありません。手工具の扱いに熟練した旋盤工は、多くの軽作業において、エンジン旋盤よりも手旋盤の方がより多くの作業を、より効率的にこなすことができます。最も精巧なエンジン旋盤であっても、手工具を使うことでより効果的に作業できる部分は常に存在します。

熟練した旋盤工が急いでいるときに、スライドレストをロックし、さまざまな作業で手工具に頼ることは珍しいことではありません。

(1.) なぜ機械には円筒形の形状がこれほど多く含まれるのか？—(2.) なぜ旋削とねじ切りに別々の送り歯車が必要なのか？—(3.) 現在、精密旋盤に採用されている摩擦始動歯車装置の利点は何なのか？—(4.) 旋盤のアライメントはどのようにして検査できるのか？—(5.) 旋盤のキャリッジのどのような偏差が、作業の正確さに最も影響を与えるのか？—(6.) 一般的なスライド旋盤で楕円形の穴を開けるにはどうすればいいのか？—(7.) 角度のある [128]旋盤の歯とキャリッジの対応する溝は、ゲージを使用せずにフィットするように削ることができますか?—(8) 主ねじが1インチあたり4山の場合、10山のねじを切るための2つのホイールの歯の数を教えてください。

第31章
平削り機または往復動機
プレーニングという用語は、平面または平らな面を作成する機械にのみ適切に適用されますが、この用語の技術的な使用法には、直線で実行されるすべての切削、またはツールの直線運動と呼ばれるものによって実行されるすべての切削が含まれます。

回転以外の動きは連続的ではなく、工具の回転運動は円筒形の部品の成形にほぼ限定されているため、直線で動作する工作機械と円運動で動作する工作機械を適切に区別するには、それらを回転式と往復式と呼ぶことになります。

直線的に動作し、平面を生成するフライス盤以外のすべての機械は往復運動をすることに注意する必要がある。このクラスには、プレーナー盤、スロッティング盤、およびシェーピング盤が含まれ、これらは旋盤とともに、通常の組立工場のほぼすべての設備を構成します。

平面切削機械の構造の単純さと、平面切削における機械の極めて重要な役割を考えると、それらがもっと早く発明され、金属加工に応用されなかったのは不思議です。現在も仕上げ加工に従事する多くの人々は、平面切削が全て削り取られ、やすりがけされていた時代、そしてエンジン旋盤が効率化され、広く使用されるようになってからずっと後になっても、かんな盤は知られていなかったことを覚えているでしょう。これは、クランクや偏心装置による往復運動を除いて、近年まで知られていなかった、あるいは実用的な用途には実用不可能とみなされていたという事実から、疑いの余地なく説明がつきます。そして、最終的に実用化されたとしても、そのような運動を自動化することは不可能だと考えられていたのです。これは現代の見習いにとってさえ全く不合理に思えるかもしれませんが、機械的な問題としてのそのような往復運動は、一見するほど単純なものではありません。

[129]

例えば、プレーニングマシンのプラテンは、往復に等速で移動し、ストロークの両端で自身の動きによって駆動力をシフト（反転）します。検討すべき例がないと仮定すると、見習い技術者は、プレーニングマシンが自身のベルトをどのようにシフトさせるかという問題よりも、はるかに簡単な説明を見つけるでしょう。プラテンまたはテーブルが自身を動かしている動力を切断すると、プラテンは停止します。もし、その運動量がプラテンを他の機構に伝達し、プラテンを反対方向に駆動させると、その機構がギアをかけた瞬間にプラテンは停止しなければならず、クラッチを完全に接続したりベルトをシフトしたりする動きは起こりません。これは興味深い問題であり、後で改めて取り上げます。

往復動工具は、シェーピングマシンやスロッティングマシンのように工具に切削運動を与えるものと、一般的なプレーニングマシンのように被削材に切削運動を与えるものに分けられます。非常に奇妙なことに、シェーピングやバッティングといった最も重い作業から最も軽い作業まで、往復動工具は一般的に第一原理で動作し、中程度のサイズの被削材は固定された工具に接触させて移動させることでプレーニング加工されます。

かんな掛けの際に材料を動かすか道具を動かすかという問題は古くからある問題であり、意見も実践もある程度は変化しますが、実践は急速に一定の規則に落ち着きつつあります。

理論的な根拠に基づき、機械的な動作条件を除外すれば、最も軽い物体を動かすのが適切な計画であることはすぐに認められるだろう。つまり、工具とその付属品が作用する材料よりも重い場合は、切削動作のために材料を動かすべきであり、その逆もまた同様である。しかし実際には、往復運動する部品の相対的な重量の問題よりも重要な条件が他にも存在する。機械の動作に関する問題を解決する際には、まず動作条件を考慮し、ひずみ、配置、あるいは一般的な構造原理の問題よりも優先されることを忘れてはならない。つまり、動作条件は、比率や配置などを推論するための基礎となるべきである。ほとんどの作業に使用される標準的なかんな盤は、材料を固定し、切削工具の下を移動させる走行盤またはキャリッジを備えている。 [130]この種の機械の配置と設計は、どこで製造されたかに関係なくすべての国で統一されているため、工具に切削動作を与えるのではなく、ランニングプラテンを使用する十分な理由があるという結論に至らなければなりません。

可動プラテンを備えたプレーニングマシンは、プラテンが固定され工具が切削動作を行うものと比べて、床面積がほぼ2倍になり、フレームも少なくとも3分の1長くする必要があります。キャリッジを含め、移動させる重量は、ほとんどの場合、工具が動く場合の重量を超えます。そのため、可動プラテンを支持する非常に強力な理由がいくつかあるはずです。以下では、その理由を説明し、あるいは少なくとも、プレーニングマシンの一般的な配置につながったより顕著な理由のいくつかを指摘したいと思います。

プレーニングやその他の機械での切削動作によって生じる歪みはフレーム内に収まり、フレームによって抵抗されます。ツールが 1 つのフレームでサポートされ、材料が別のフレームでサポートされる場合でも、このようなフレームは、フレームの構成要素となる基礎によって接続される必要があります。

直接作用と反作用は等しい。どの方向に力が加えられた場合も、反対方向にも等しい力が作用しなければならない。機械は自身の負担を吸収しなければならない。

これを念頭に置き、読者がよくご存知の通常のかんな盤に言及すると、切削応力の焦点はツールのエッジにあり、この点から中心として機械フレームのさまざまな部分へと広がり、ツールとフレームの間に固定および可動のジョイントを通過します。この切削点からメカニズムを通ってフレーム自体まで遡ると、まずツールとそのサポートからメインフレームに行き、次にかんなが削られる材料から始めて反対方向に遡り、メインフレームによって応力が吸収される点に到達します。2 つのケースに介在するジョイントを調べると、走行キャリッジの理由がいくつか明らかになります。

ツールから始まると、まず、ツールとスイングブロックの間にクランプジョイントがあります。次に、ブロックとシューピースの間に可動ピボットジョイントがあります。3番目に、シューピースとフロントサドルの間にクランプジョイントがあります。4番目に、可動ジョイントがあります。 [131]フロントサドルがスイングプレートまたはクアドラントプレートに固定されています。5 番目に、クアドラントプレートとメインサドルの間にクランプジョイントがあります。6 番目に、メインサドルとクロスヘッドの間に可動ジョイントがあります。7 番目に、クロスヘッドとスタンドの間にクランプジョイントがあります。8 番目に、スタンドとメインフレームの間にボルトジョイントがあります。ツールとフレーム本体の間には、可動ジョイントが 3 つ、クランプジョイントが 4 つ、ボルトジョイントが 1 つ、合計 8 つの異なるジョイントがあります。

切削点から再び始まり、ツールからフレームまで反対方向に進むと、まず、材料とプラテンの間にクランプされて固定されたジョイントがあり、次に、プラテンとフレームの間にランニングジョイントがあります。これですべてです。1 つのジョイントは動きの可能性がないほどしっかりしており、可動ジョイントは調整可能なギブではなく、重力によって保持されます。常に均等に作用する力であり、可動部品間の安定した接触を維持するための最も信頼性の高い手段です。

これらの機械的条件を検討すると、プレーニング盤のプラテン移動の十分な理由がすぐに分かります。そして、既に8つのジョイントで支持されている工具に、トラバース動作や切削動作を追加することは、不可能ではないにしても、問題となるでしょう。切削のためにトラバース動作を行うには、支柱とメインフレームの間に、ボルトで固定されたジブジョイントの代わりに可動式のジブジョイントが必要となり、ジョイントと動作が複雑になり、全く実用的ではありません。

これらは最も重要な理由ではありますが、プレーニングマシンにランニングプラテンが採用される唯一の理由ではありません。

切削動作がツールサポートによって実行される場合、削る対象物が大きいほど、またプラテンから切削点までの距離が大きいほど、ツールをサポートから遠ざける必要があるという逆の条件が必要になります。これは、作業が重いほど切削にかかる負担が大きくなり、ツールサポートが負担に耐えられなくなるためです。

一般的なプレーニングマシンの基準にも同じ条件が当てはまると思われるかもしれないが、実際は異なる。垂直フレームは深さを増やすことで容易に十分な強度を確保できるが、ランニングジョイントにかかる負担は、力が加えられるジョイントからの距離、あるいは専門用語で言えば、オーバーハング量に比例する。可動プラテンの場合、プレーニングする対象物が大きく重いほど、 [132]プラテンがしっかりと固定され、ピースの断面積は通常、深さとともに増加するため、結果として、適切に構築されたプレーニングマシンは、厚いピースでも薄いピースでもほぼ同じように機能します。

プラテン先端の吊り上げ応力は、当然のことながら、切削高さに応じてプラテン先端からの高さが増加するにつれて増大しますが、実際には、これは重大な問題とはみなされておらず、プレーニング加工するワークを収容し、重量のあるワークを固定する際に生じるたわみに耐えるために要求される以上のプラテンの長さや重量を必要とすることもありません。既に述べたように、プレーニング加工機のプラテンの反転動作は、工作機械の動作における最も複雑な問題の一つです。

プラテンは、通常、前進または切断動作の 2 倍の速度で戻ります。動作は各ストロークを通じて均一であるため、動きの両端で何らかの弾性抵抗または撓み抵抗に遭遇して停止する必要があります。この弾性抵抗は、蒸気の用語で言うところの「クッション」または運動量を吸収し、戻りストロークのためにプラテンを戻します。

この目的は、プレーニングマシンにおいてベルトの摩擦によって達成されます。ベルトはバネのようにプラテンをクッションするだけでなく、移動する際には徐々に抵抗が増大し、運動量が克服されて反転するまで抵抗を続けます。レバーなどの機構を用いてプラテンの動きを増幅し、駆動力が停止した後に運動量によって生じる動きを利用することで、プラテンが「自らベルトを移動させる」ことが可能となります。これは理論的な推論では決して得られない結果であり、エンジンバルブの自動動作がそうであったように、実験によって発見されたことは間違いありません。

このプラテン反転動作は、他の機械的動作と同様に数学的に解決できないと主張するつもりはありませんが、機械的な条件が非常に不明瞭であり、この発明は偶然の発見と推定される時期に行われたものであると主張したいのです。

プレーニングマシンの駆動ギアにおいて、逆転運動に有利な条件は、高速かつ幅の狭い駆動ベルトです。ベルトがシフトできる時間は、ベルトの速度と幅に依存します。シフトするには、ベルトを縁方向に曲げる必要があり、この曲げによってベルトは螺旋状に巻き付き、一方のプーリーからもう一方のプーリーへと渡されます。ベルトを縁方向に曲げるには、ベルトの幅に比例した力が必要であり、 [133]一つの滑車から別の滑車に移動する時間は、滑車の回転数と同じです。

最も改良された構造のプレーニングマシンは、1本ではなく2本のベルトで駆動され、ベルトを差動的に動かすための多くの機械的手段が採用されています。これにより、両方のベルトが同時に駆動プーリ上にくることはなく、一方が他方より前に交互に移動します。これは、2本のベルト間の距離を駆動プーリの幅の1.5倍または1.3/4倍に配置するだけで簡単に実現できます。その効果は差動変速機によるものと同じで、ベルトの相対的な動きを調整できるという利点があります。

プレーニングマシンにおいて注目すべきもう一つの原理は、キャリッジまたはプラテンの駆動方法です。これは通常、平歯車とラックによって行われます。ラックの動きは、駆動歯車とプラテン間の機械的な接続としては十分に滑らかで効果的ですが、クロスシャフトと減速歯車列のねじれと弾性によって問題が生じます。他のすべての金属切削機械では、工具と材料の両方の支持を可能な限り剛性にすることが研究目標とされてきました。しかし、ラック・アンド・ピニオン駆動の一般的なタイプのプレーニングマシンでは、この原理とは矛盾が生じます。なぜなら、ホイール列と複数のクロスシャフトが、駆動力と切削点の間に非常に効果的なバネを形成するからです。これは、平歯車と通常の減速歯車を備えた機械で、ラックの歯またはネジ山をプレーニング加工することで容易に証明できます。確かに、プラテンの慣性が介入し、この弾力性をある程度克服しますが、それが解決策になることはありません。

1841年にボドマー氏によって発明され、その後フィラデルフィアのウィリアム・セラーズ氏によって改良されたプレーニングマシンは、プラテンの弾性作用から解放され、接線ホイールまたはスクリューピニオンによって動かされます。ボドマー氏の機械では、ピニオンを載せたシャフトはプラテンと平行でしたが、セラーズ氏の機械では、ピニオンの歯またはねじ山は、プラテンの運動方向に対して斜めの軸上に設置されており、部分的にはねじ運動によって、部分的には車輪の歯のように前進運動によって作用します。セラーズ氏のプラテン上のラックは、 [134]機械の歯は、ピニオンの擦れ動作から生じる摩擦をバランスさせるために適切な角度で配置されており、この角度は通常の摩擦係数である 5° で正しいことが実証されています。ピニオンシャフトはピニオンの両側で強力に支持され、切削力の推力は主にピニオンシャフトのライン上に落ちるため、弾性はほとんどなく、動きは確実でスムーズです。

ここでこれらの機械の歯車について言及するのは、主に、新しい特異な機械的動きを構成するものに注意を喚起するためであり、これは非常に興味深い研究の対象となり、ゆっくりとした往復運動を生み出すためのより広範な応用に値するものである。

(1.) 駆動力を直接、プレーニングマシンのベルトをシフトするために使用できますか? — (2.) プレーニングマシンは、なぜ一般に、走行ツールではなく、走行キャリッジで構成されていますか? — (3.) プレーニングマシンのキャリッジを駆動するために、一列の平輪を使用することに、どのような反対意見がありますか? — (4.) プレーニングマシンのベルトを差動的にシフトすると、どのような利点がありますか? — (5.) プレーニングマシンでよく見られるベルトのキーキー音の原因は何ですか? — (6.) プレーニングマシンのベルトのシフトに有利な条件は何ですか?

第32章
スロットマシン
垂直方向の切削動作を行うスロッティングマシンは、プレーニングマシンとはいくつかの点で異なります。スロッティングマシンでは、工具はほとんどの場合、固定されて保持されており、プレーニングマシンのように旋回しません。工具が固定されている理由は2つあります。1つは、開始時に工具を所定の位置に保持するために重力を利用できないこと、もう1つは、切削のスラストまたは歪みがプレーニングマシンのように工具に対して横方向ではなく、工具と平行に発生することです。スロッティングマシンとプレーニングマシンのもう1つの違いは、切削動作が材料の動きではなく工具によって行われることです。切削歪みもまた異なり、プレーニングマシンやプレーニングマシンのようにテーブル面と平行ではなく、テーブル面に対して直角に、重力と同じ方向に発生します。 [135]成形機。

スロッティングマシンの送り動作は、工具が固定されているため、プレーニングマシンとは異なる動作をする必要があります。プレーニングマシンの横送りは戻りストローク中に作用しますが、スロッティングマシンでは、送り動作は上昇ストロークの終わり、つまり工具が材料から離れた後に行われます。そのため、送り動作中に行われるストロークの大部分が失われます。そのため、送り動作を行う機構は、カッターバーの無駄な動きを抑えるために、通常、急激な動作を伴います。

往復運動機械の送り動作と切断動作の関係は一般的には考慮されておらず、調査すべき興味深い問題となっています。

(1.) プレーニング盤とスロット盤の違いをいくつか挙げてください。—(2.) スロット盤の送り動作はなぜ急激に行う必要があるのですか?—(3.) スロット盤はどのような種類の作業に特に適していますか?

第33章
成形機
工作機械としてのシェーピングマシンは、プレーニングマシンとスロッティングマシンの中間的な位置を占めます。その動作はスロッティングマシンに近いですが、工具の操作はプレーニングマシンと同じです。シェーピングマシンがプレーニングマシンよりも特定の種類の作業において優れている点としては、小型部品や不規則な形状の部品の搬送と保持が容易であること、部品を固定するための支持台またはテーブルが垂直面と水平面の両方を備えていること、そして工具の調整と送り機構が簡便であることなどが挙げられます。

シェーピングマシンは、一般的に調整可能なバイス、円形の削り出し装置、そして削り出しマシンではそれほど便利に利用できないその他の部品を備えています。シェーピングマシンのもう一つの特徴は、クランク運動によって生み出される切削ストロークの正確な範囲です。これにより、工具を任意の時点で正確に停止させることができます。これにより、削り出しが可能になります。 [136]スロット、キー溝、および一般的なプレーニングマシンではうまく実行できない作業など。

シェーピングマシンは2つのクラスに分けられます。1つは工具とカッターバーを横方向に送り出すタイプで、技術的には「トラベリングヘッドマシン」と呼ばれます。もう1つは、ワークを支持するテーブルを横方向に送り出すタイプで、テーブルフィーディングマシンと呼ばれます。前者は、歯付きラック、コネクティングロッドなど、横方向にかんな掛けする長いワークに適しています。後者は、手作業による調整が頻繁に必要となる短いワークに適しています。

現代の成形機に関する興味深い研究の一つに、「クイックリターン」と呼ばれる様々な装置の原理があります。これらの装置は、スロット付きレバーの様々な改良と、ウィットワースのクイックリターン機構として知られている機構で構成されています。

このテーマは複雑であるため、図面の助けなしには扱いが困難です。しかし、この機構はほぼすべての機械組立工場で検査できるため、図面による説明に最適なテーマの一つとして注目されています。こうした可変速動作に関する問題は、非常に興味深いだけでなく、多くのよく知られた問題には見られない実用的な重要性を持っています。これらの問題は、無駄に時間を費やし、実用的な用途がないものです。

旋盤加工用の工具に関して前述した説明は、かんな掛け用の工具にも当てはまります。ただし、かんな掛け用の工具には、より高い剛性と強度が要求されます。

(1.) スロットやキー溝などを削るのに、プレーナー盤よりもシェーピングマシンの方が適しているのはなぜですか? — (2.) シェーピングマシンのカッターバーの素早い戻り動作によって、どのような目的が得られますか?

第34章
掘削と穴あけ
ボーリングは、ドリリングとは異なり、環状の穴を正確な寸法で削り出すことを指します。一方、ドリリングという用語は、固体材料に穴を開けたり沈めたりすることを指します。ボーリングでは、工具は軸支持によってガイドされ、軸とは独立してガイドされます。 [137]一方、穴あけ加工では、切削刃は主に穴あけ加工する材料との接触と支持によって案内され、支持されます。

刃先のガイドと支持方法のこの違い、および穴あけにおける工具の軸方向支持の利点により、穴あけは比較的不完全な作業であるのに対し、この作業では最も正確な寸法を達成できます。ただし、機械の取り付けの通常の条件では、ほぼすべての小さな穴を十分な精度で穴あけできます。

ボーリングは、切削動作を行う工具と、凸面ではなく凹面に切削を施す点から、内径旋削と呼ばれることもあります。ただし、切削動作以外の点では、旋削とボーリングには密接な類似点があります。ボーリングは、ある程度は旋盤で行われ、ボーリングバーを使用するか、いわゆるチャックボーリングと呼ばれる方法で行われます。チャックボーリングでは、材料を回転させ、工具は固定されています。

ボーリングは、旋盤におけるチャックボーリング、ボーリングバーが先端部または中心部を走行し、両端部のみで支持されるバーボーリング、そしてバーが固定ベアリングで支持され、ベアリングを通して送り込まれるバーボーリングの3つの作業に分けられます。これらの作業は原理が異なり、それぞれが特定の種類の作業に適用されます。これらのボーリング方法の違いを区別し、作業の性質に応じて最適な方法を常に判断できる作業者は、フィッティング作業に関する高度な知識を習得していると言えます。

チャックボーリングは、浅い穴、テーパー穴、そしてネジ山のある穴の3つのケースで用いられます。旋盤ボーリングでは、被削材がオーバーハングしているため、旋盤主軸も工具も十分な剛性がなく、深いボーリングは不可能です。工具は直線的にガイドされ、回転軸に対して任意の角度で作動するため、テーパー穴を加工する設備は整っています。また、工具は固定されており、瞬時に調整できるため、内ねじの切削にも同じ条件が適用されます。これは、工具スライドの交差運動が逆になることを除けば、外ねじの切削に相当する作業です。

2番目の方法は、点または中心に取り付けられたバーを使用して穴あけを行うもので、最高の精度が得られます。これは旋盤のチャックボーリング作業に似ており、 [138]少なくとも小規模な作業においては、旋盤に勝る機械は開発されていません。通常の機械の取り付けにおいて、ボーリングバーの剛性が補助的な支持なしに十分であり、バーがワークを貫通できる場合、この方法で全てのボーリングを行うことで利益が得られるかどうかは問題です。この種のボーリング用に設計された機械は、必要に応じて旋削加工やボーリング加工に使用できます。

工具が旋回点によってガイドされる場合、動きは完璧であり、このようにして穿孔された穴の真直度または平行度は、キャリッジの動きの正確さのみに依存します。この穿孔方法は、小型蒸気シリンダー、円筒形バルブシート、そして精度が不可欠な場合に用いられます。

ベアリングにバーを固定してボーリングを行う3番目の方法は、より広く実践されており、適応範囲も最も広い。このボーリング方法の特徴は、ボーリングバーの形状、あるいはそのベアリングの不完全性が加工物に伝わることである。バーの真直度が不足すると、テーパー状の穴が形成される。これはもちろん、ボーリングする穴の片端または両端に設置された固定ベアリングにバーを通す場合に当てはまる。ボーリングバーが曲がっていたり、ベアリング間の角度がずれていたりすると、カッターの極端なスイープによって決まる穴の直径も同程度ずれる。これは、カッターが移動してベアリングに近づくにつれて、バーの角度が大きくなり、レストまたはベアリングに向かって小さくなるテーパー状の穴が形成されるためである。同じ規則はチャックボーリングにもある程度当てはまり、旋盤スピンドルの形状がボーリング穴に伝わる。しかし、旋盤のスピンドルはボーリングバーと比較すると非常に完璧であると考えられます。

機械フレームを一体型、あるいは可能な限り少ない部品で鋳造するという一般的な慣習は、バーボーリングの多用につながるが、そのほとんどは、ベアリングで支持され、ベアリングを通して送り込まれるボーリングバーによって十分に正確に行うことができる。ボーリングバーを支持するための仮のベアリングを設置し、駆動と送りの手段を工夫することで、機械フレームのボーリング作業の大部分は、床面またはソールプレート上で、ボーリングマシンや旋盤を使わずに行うことができる。このボーリング作業ほど、工具の動作原理を学ぶことの重要性が明確に示される例はほとんどなく、たとえ長年の実務経験があっても、その原理を完全に理解することは稀である。 [139]それに伴うさまざまな問題。

穴あけ加工は、金属切削における他のほぼすべての加工とは原理的に異なります。工具は、ガイドやスピンドルによって保持・方向付けられるのではなく、主に刃先が材料に接触することで支持されます。

一般的な角型ドリルは、機械加工に使用される他の切削工具よりも、刃先にかかる負荷が大きく、過酷な使用にも耐えることができます。刃先がしっかりと保持され、他の工具のように刃先を引き裂くのではなく、中心に押し付けられる性質があるため、ドリルは不完全な形状、不適切な焼き入れ、あるいは刃先の長さが不均一な場合でも使用できます。

かつて掘削作業に伴う困難の多くは、現在では機械で製造・販売されているドリルによって解消されています。このようなドリルは、使用後のドレッシングや焼き入れ、サイズ調整を必要とせず、正確な穴をあけることができ、一般的なソリッドシャンクドリルよりも剛性が高く、目詰まりすることなくかなりの深さまで掘削できます。

機械設備の通常の要件に適合した掘削機は、基本的に、様々な速度で駆動するように配置されたスピンドルと、ドリル送り機構、スピンドルに対して直角に設置され、スピンドルに対する垂直方向の調整と水平面内での複合調整が可能な固定テーブルで構成されています。掘削工具の操作に必要な機構の簡略化により、コラムドリル、ラジアルドリル、吊り下げ式ドリル、水平ドリル、ブラケットドリル、マルチドリルなど、様々な改造が可能となっています。

金属切削における他のどの作業よりも、穴あけは感覚を必要とする作業であり、動力送りが可能な条件からは程遠い。ドリルが加熱や破損を起こさずに切削できる速度は、ドリルの研磨方法と被削材の性質に依存し、作業条件は掘削の進行中に随時変化する可能性があるため、手動送りが最も適している。動力送りを備えた掘削機は、通常の掘削作業で送り機構が使用されないように、送り機構を恒久的に解除する何らかの手段を備えるべきである。

この意見が、特にイギリスでは、実際の状況とどれほどかけ離れているかはよくわかっている。しかし、ワークショップでの注意深い観察は、 [140]通常の掘削における動力供給では時間や費用の節約にはならないことが証明されます。

(1.) ボーリングとドリリングの違いは何ですか? — (2.) ドリルはなぜ他の工具よりも厳しい使用に耐えるのですか? — (3.) ドリルにはなぜ手動給餌が最も適しているのですか? — (4.) センターで支えられたバーによるボーリングとジャーナルベアリングを介して給餌されたバーによるボーリングの違いは何ですか?

第35章
製粉
フライス加工は鋸歯状の回転刃を用いた金属切削加工であり、鉋削りや旋削加工とは多くの点で異なります。刃先の動きは、連続的に作動する工具よりも高速です。これは、刃先が各切削の間に冷却されるためです。つまり、フライス工具に20枚の刃がある場合、1枚の刃または刃先が作動する時間は、15分の1から20分の1に過ぎません。また、切削距離または切削時間が長いために大量の熱が発生することは稀であるため、フライス加工の速度は旋削工具、穴あけ工具、鉋削り工具の半分程度になることもあります。フライス加工と他の工具とのもう一つの違いは、刃先が完全かつ強固に支持されていることです。刃先は短く鈍く、通常は短くて硬い芯棒に取り付けられています。この工具の強固な支持の結果、使用可能な刃先の長さが10cm以上になることもあります。フライス加工で切削される材料の量は、旋削加工や鉋削りと比べて刃先の動きからわかる量よりもはるかに少ないのは事実です。しかし、フライス盤の変位能力は旋盤やプレーニング盤のいずれの能力も上回っています。理論的には、金属や木材を切削する機械の切削能力または変位能力は、刃先の長さと切削速度の積に等しいとされています。この法則は木材切削だけでなく、ある一定の範囲内で金属切削にもほぼ一貫して適用されます。しかし、金属切削で生じる応力は非常に大きく、作用する材料や工具を支持する手段によるあらゆる抵抗力を超える可能性があるため、切削刃の長さには限界があります。ピッツバーグでのチルドロール旋削加工では、 [141]最大 6 インチ幅の工具が使用され、刃の長さと同じ効果が得られます。ただし、切削の深さはわずかで、この操作は、回転するピースが非常に硬いことと、一般的な旋盤のように可動ジョイントなしで工具が支えられていることによってのみ可能になります。

特定の条件下では、フライス加工によって、他のどのプロセスよりも低コストで、より高い精度で、一定量の軟鉄または鋼を切り出すことができます。

20 の刃を持つフライス工具は、同数の個別の工具と同等の耐摩耗性を示し、20 個の複製工具に相当すると言えます。したがって、溝やノッチなどの切削作業では、フライス工具は多数の複製された単一工具に相当し、同じ真実で作成または設定することはできません。そのため、フライス加工では、多くの場合速度よりも重要な精度と複製が確保されます。

フライス加工は、前述の通り、かんな削りや旋削よりも高速な加工プロセスであるため、この種の機械が工場でほとんど使用されていないのは奇妙に思えます。これは、フライス加工において対処すべき何らかの困難があることを示唆していますが、これは必ずしも明白ではありません。なぜなら、切削速度が示すほどの利益が得られるのであれば、経済的な理由から、フライス加工はずっと以前に広く利用されていたはずだからです。しかしながら、特定の種類の材料、そして特定の種類の作業を除いて、これは当てはまりません。

フライス加工によって得られる利点は、前述のとおり、速度、複製、精度です。欠点は、ツールの準備にかかる費用とツールの消耗性です。

ソリッドフライスカッターは、その作業に求められる精度をはるかに超える精密さで仕上げられなければなりません。この精度は通常の工程では達成できません。なぜなら、このような工具は焼き入れすると形状が歪みやすく、破損しやすいからです。精密作業に使用する場合は、焼き入れ後に研削加工を施す必要があります。実際、ゲージングツールを除けば、これほど製作に費用がかかる工具はなく、使用中にこれほど事故に遭いやすい工具もありません。

このような工具は複数の刃先の組み合わせで構成されており、すべての刃先は互いに依存していると言える。なぜなら、もし1つの刃先が壊れると、次の刃先が2つの役割を果たすことになり、すぐに同じ刃先が壊れるからだ。これは「結合は力なり」という古い格言の逆である。 [142]強さが忍耐力を意味するならば。

かんな削りと旋削では、工具は正確な形状を必要としません。刃先以外は大まかに作ることができ、刃先さえもほとんどの場合、目視で形作られます。このような工具の維持費はわずかで、刃先の破損も問題になりません。形状、焼き入れ、強度は、作業条件や材料の硬度の変化に合わせて常に調整できます。かんな削りとフライス削りの境界線は、切削する材料の硬度と均一性、そして複製の重要性という2つの状況によって決まります。真鍮、清浄な鉄、軟鋼、あるいは工具に危険を及ぼすほど硬くない均質な金属であれば、フライス削り工具の費用に見合うだけの均一な加工が可能であれば、かんな削りよりも少ない費用でフライス削りできます。車輪の歯切りは、フライス削りが利益を生む例ですが、一般に考えられているほどではありません。小火器、ミシン、時計、特に腕時計の製造では、部品が常に正確に複製されるため、フライス削りは不可欠です。別の章で指摘されるように、このような製造業は、場合によっては製粉作業に基づいて行われます。

取り外し可能なカッターを使用できるほど大きなフライス工具は、ソリッド工具ほどメンテナンス費用がかかりません。このように刃先の動きが倍増し、単一の工具で実現できる性能をはるかに超えることもあります。

クルーでは、機関車のクランク軸の溝を荒削りするためにフライス工具が使用されています。複数の取り外し可能な工具が頑丈なディスクに取り付けられており、4～6個の工具が同時に作動します。これにより、旋盤で2個の工具を連続的に作動させる場合の加工能力をはるかに超える変位が得られます。フライス加工の原理に基づいて設計された回転式プレーニング盤は、平面加工にも試みられましたが、荒削り作業以外では、あまり成果が上がっていません。

フライス盤の構造や操作は、実際に動作しているのを見れば、誰でもすぐに理解できるものです。この工程の複雑さはすべて、その応用や経済的価値にかかっており、熟練した技術者でさえ、フライス加工をどのような場合に有利に活用できるかをあらゆるケースで判断できる人はごくわずかです。実際の経験はさておき、理論的な結論から判断すると、フライス加工はほぼあらゆる作業に応用できると考えられます。これは、ある意見の誤りです。 [143]それは多くの場合、重大な間違いにつながっています。

(1.) フライス加工ツールは、プレーナー加工や旋削加工ツールよりも高速に動作するのなら、なぜフライス加工ツールの方が多く使用されないのでしょうか? — (2.) 切削ツールによって生成される効果は、一般的にどのように計算されるのでしょうか? — (3.) フライス加工機はどのような種類の作業に特に適していますか? — (4.) フライス加工プロセスでは、旋削やプレーナー加工で達成できるよりも正確な寸法が得られるのはなぜですか? — (5.) 製造業の一部の分野がフライス加工プロセスに依存していると言えるのはなぜでしょうか?

第36章
ねじ切り
ねじ山を切るために使用される工具は、取り付け工場の道具の中で別のクラスを構成し、個別に注意することが最善であると考えられます。

ねじ切りは 2 種類に分けられます。1 つは、ねじ切りするブランクまたはピースがセンターでサポートされ、ツールが切削エッジでのベアリングとは独立して保持およびガイドされるもので、チェイシングと呼ばれます。もう 1 つのプロセスは、ブランクに軸方向のサポートがなく、ダイまたは切削ツールによってのみガイドされるもので、ダイカットと呼ばれます。

これらの操作の最初のものには、単一のツール、スライドレストによって確実に支持されるダイ、またはフライス加工による、旋盤で実行されるすべてのねじ切りプロセスが含まれます。

2つ目は、アメリカではねじ切り、イギリスではスクリューイングと呼ばれるものです。この目的のための機械は、基本的に、切断するブランクまたはダイを回転させる機構と、ブランクを保持して配置するための装置で構成されています。

チェーシングは、軸に対して正確なネジを製造します。これは、使用時にネジ自体またはナットのいずれかが回転運動するすべてのネジのねじ切りに共通するプロセスです。

ダイカットにより、正確ではないものの、機械やその他の作業の部品を締め付けて結合するなど、ほとんどの用途には十分な精度のネジが製造されます。

旋盤作業は、すでに述べたような原理を伴うものではなく、型抜き機やボルトねじ切り機に関するものである。これらは、未熟練者には単純に見えるかもしれないが、それでも、 [144]表面的な検査では分からない多くの複雑な点。

ねじ切り機は、次のように変形して分けることができます: (1) ヘッドと呼ばれる部分にランニングダイスが取り付けられている機械。 (2) 固定ダイスを備え、ねじを切るロッドまたはブランクに動きを与える機械。 (3) 拡張ダイスを備え、終了するとねじが戻ってこないで開いて解放される機械。 (4) 固定ダイスを備え、駆動ギアの動きを変えることによってねじを引き抜く機械。これら 4 つの異なるタイプがすべて存在します。

ねじ切り機の配置に関するこれらの様々な計画が、異なる種類の作業に関係するのであれば、それらすべてが正しいと仮定できるかもしれない。しかし、それらはすべて同じ種類の作業に適用されるのが原則である。したがって、ある配置が他の配置よりも優れている、あるいはある計画が正しく、他の計画が間違っていると結論付けても間違いではない。この問題は、使用条件と適用条件を徹底的に検証することで、ある程度は判断できるかもしれない。

金型の走行動作とブランクの走行動作の間には、次のような点に注意する必要があります。

ダイが固定されている場合、ロッドを保持するクランプ機構はスピンドルと連動する必要があり、ロッドまたはブランクを締め付ける間は機械を停止させる必要があります。クランプジョーは、ダイと同様にスピンドル上での回転に適しておらず、一般的に障害や事故が発生する可能性が高くなります。長いロッドを回転させるには、駆動スピンドルを通過する必要があります。なぜなら、機械は長いロッドを受け入れるのに十分な長さに設計できないためです。この種の機械では、ダイを駆動力ではなく手で開閉する必要があります。駆動力は、ダイがランニングヘッドに取り付けられている場合に利用できます。

ランニングダイスでは、機械が動いている間にブランクをクランプすることができ、ブランクは回転しないため、長い場合は一時的に保持することができます。ダイスは駆動力によって開閉できるため、機械を停止させる必要はありません。そのため、ランニングヘッドにダイスを取り付けることで、いくつかの重要な利点が得られます。この方式は、近年、イギリスとアメリカの工作機械メーカーで広く採用されています。

拡張型とソリッド型の違いは、主に、戻りに必要な時間と、この操作によって生じる型の損傷にあります。 [145]サイズはソリッドダイスによって一定の範囲内に保証されますが、拡張ダイスや独立ダイスに比べて故障しやすく、修理も容易ではありません。

ソリッドダイスとエクスパンディングダイスのもう一つの違いは、刃先の保持強度にあります。ソリッドダイスでは、刃先または歯先がすべて一体化した固体であるため、固定位置にしっかりと保持されます。一方、エクスパンディングダイスでは、切削時に発生する圧力によって変形する可能性のある機械装置によって位置を維持する必要があります。その結果、可動ダイスを備えたねじ締め機の動作精度は、ダイス背後の「受け台」の強度に依存します。受け台は、可能な限り広い面積を持つ、硬く、変形しない表面である必要があります。

ねじダイスには、刃先のクリアランス、刃数が奇数か偶数か、始点で何条のねじを面取りする必要があるかなど、様々な問題があり、明確なルールはありません。これらの点、そしてタップやねじ山の形状などに関して、様々な意見が交わされることで、ねじ切りという一見単純な作業の複雑さを、学習者は実感するでしょう。

(1.) ねじ切り機のさまざまな改造について説明してください。—(2.) ロッドの代わりにダイスを回転させることによって得られるものは何ですか?—(3.) ダイスを拡張することによって得られるものは何ですか?—(4.) チェーシングによって切断されたねじとねじ切り機で切断されたねじの違いは何ですか?

第37章
標準測定法
機械は、剛性ジョイントと可動ジョイントで接続された部品で構成されています。剛性ジョイントが必要なのは、フレームやその他の固定された部品を一体で構築するには費用がかかり、ほとんどの場合不可能だからです。

[146]

もちろん、すべての可動部分は固定部分から独立している必要があり、2 つの部分間の関係はランニングジョイントと呼ばれるものによって維持されます。

機械の部品を接合する場合、複数の面で接触する各部品は特定の寸法を持たなければならないことは明らかです。さらに、機械の構造上の制約から、接合部の多くは隙間なく形成されなければならないことも明らかです。つまり、もし部品をそのような方法で構成することができれば、それらの接合部は固体材料の連続した部分となるはずです。これもまた、特定の寸法を必要とします。

機械の細部を調整する場合、各ケース、または各工場ごとに特別な寸法標準を設けることは不可能です。したがって、使用される寸法は、慣習により労働者と国、または現在ではすべての国に知られるようになった一般的な標準に準拠するように作られています。

しかしながら、線形測定の標準は、変動のリスクなしに、ある国から別の国に持ち込むことはできず、また、ある店から別の店に転送することさえもできません。したがって、そのような標準は、疑わしい場合に参照できる自然界の何かに基づく必要があります。

昔々、自然界に何か定数を見つけ、それに基づいて物事の尺度としようと様々な試みがなされました。これらの試みの中には滑稽なものもあり、どれも失敗に終わりました。しかし、振り子の振動によって長さと空間が時間と結びつくと、問題はより容易になりました。季節の変化と天体の運行によって時間の尺度が確立され、日、時間、分といった数値が定数となり、自然の揺るぎない法則によって証明され、維持されるようになったのです。

距離に関わらず一定の時間で振動する振り子は、常にその長さと同じ時間で振動し、与えられた時間に1回振動するように配置すれば、一定の長さの測定値が得られる。このように、線長の測定は時間から、立方体や立体の測定は線長の測定から、そして重量の標準は同じ源から生まれる。なぜなら、線長測定によってあらゆる種類の物質の一定量を決定でき、その量を計量すれば、異なる国で基準とすることができる十分に均一な物質があれば、重量の標準が得られるからである。そのような物質とは海水や純水である。真空中、あるいは想定される密度の空気中で計量すると、水は標準として十分に一定の結果をもたらす。 [147]重さ。

自然界に存在するあらゆる秩序、体系、規則性の中で、天体の運行だけが計測の基準となるほど一定であるというのは、奇妙な考えである。子午線の長さを基準とするフランスの標準器は、この起源に遡ることができるかもしれない。

自然界には生物も無生物も均一なものはなく、植物、木、動物はすべて異なっています。私たちが呼吸する空気や周囲の温度さえも常に変化しています。唯一不変なもの、それは時間であり、私たちはすべての基準をこれに従う必要があります。

前述の考察からわかるように、我々の標準尺度の導出が歴史的な経緯を経てきたとは私は知りませんし、また、ここでそのような歴史を辿るつもりもありません。この問題に関心のある読者であれば、他の資料からその点を辿ることに何の困難も感じないでしょう。本稿の目的は、測定ゲージという極めて単純な道具から、いかに驚くべき一連の関連性を辿ることができるか、そして、一見単純なものであっても、実用性以外では考える価値がないと思われがちなものが、実のところいかに難解であるかを示すことです。

(1.) 機械のフレームは一体型ではなく、セクションごとに作られているのはなぜですか? — (2.) 反対側で接触する部品はなぜ特定の寸法を持たなければならないのですか? — (3.) イギリス、アメリカ、フランスの測定基準は何ですか? — (4.) 重さは時間でどのように測定できますか? — (5.) フランスのメートル法は試験基準として認められていますか?

第38章
計測器具
近年一般的になった機械の取り付けにおける改良点の一つに標準ゲージの使用があります。これにより均一な寸法が維持され、一定の範囲内で機械部品の交換が可能になります。

標準計測機器は、1840年頃にスイスの有名な技術者ジョン・G・ボドマーによって導入されました。 [148]彼は多くの理由から、工作機械製造の創始者とみなされるにふさわしい人物です。彼は、寸法の一致を確保するためにゲージを用いただけでなく、工作機械の操作における他の多くの革新を発明し、実用化しました。その中には、十進法またはメートル法による寸法の分割、記号で分類された詳細図面のシステム、直径ピッチによる車輪の計算方法など、現代の最良の方法を特徴づける多くのものが含まれます。

標準寸法の重要性、そしてゲージシステムが機械の製造に及ぼす影響は、学習者にとって理解するのが難しい問題となるでしょう。ゲージを採用する直接的な目的である部品の互換性は明白であり、その利点のいくつかはすぐに明らかになりますが、このようなシステムの最終的な効果は、当初想定されるよりもはるかに広範囲に及びます。

我々の偉大な産業的利益の基盤とも言える分業体制は、機械の組立においてゲージ器具の使用によって飛躍的に促進されています。標準寸法が維持されれば、機械の部品を異なる作業員や異なる工場で製作し、組み立てれば、かつて一般的に行われていたような面倒で不確実な仮組み作業なしに、全てが完璧に組み合わさることが容易に理解できます。確かに、ゲージではうまく組み合わない組立方法もあります。旋盤のスライドの軸受けや蒸気機関のバルブ面など、可動する平面は、仮組みして接触点を削り取る方が迅速かつ良好に組み付けることができます。しかし、そのような場合でも、片面または両面をゲージや定盤であらかじめ水平にしておくと、作業の質が向上します。

前述のように、機械フィッティングの大部分を占める円筒フィッティングでは、ほとんどの場合試しフィッティングが不可能であるため、ゲージが特に重要です。

平面接合は、ほとんどの場合、接合面の調整が可能です。つまり、接合時に削り取られた材料は、接合部分を近づけることで補うことができます。しかし、平行円筒接合は、完成するまで接合を試すことすらできず、したがって、接合を試みる際に削り取る部分はありません。テーパー接合や円錐接合は、もちろん試しに接合できますし、平行接合も試しに行うこともありますが、接合できる材料は、 [149]このような場合には切り捨てられる可能性があり、それが近すぎる適合と実際に答えとなる適合との違いを生むのです。

ゲージシステムによって得られる実際的な結果に関しては、特にゲージが最初に採用されたヨーロッパでは、一般に考えられているよりもはるかに優れていると言えるでしょう。

アメリカにおいて銃、時計、ミシン、その他類似の製品の製造に広く採用されているフライス加工は、フライス加工の章で説明した原理に基づき、実際に行われている工程を実際に見なければ理解しがたい計量システムを可能にしました。この複製、あるいは計量システムによる影響は非常に大きく、労働単価、地代、金利といった他の生産要素が、このシステムを採用している国々に大きく有利に働いているにもかかわらず、製造業のいくつかの重要な部門がこの方法で管理されてきたのです。

前述の通り、ゲージシステムはフライス加工工程に特に適しており、あるいはフライス加工工程によって可能となるため、時計、腕時計、ミシン、銃、手工具など、均一な製品の製造を目的とした分野では、当然ながら最大の効果を発揮するはずです。つまり、工程コストへの直接的な影響は、こうした製造分野ではより顕著で容易に理解できるでしょう。しかし、各機械が多かれ少なかれ改造され、特別な設計に基づいて製造される一般的なエンジニアリング作業においては、ゲージの使用によって得られる商業的利益は相当なものです。

修理だけに関して言えば、機械の部品を標準サイズに取り付ける費用が、その全体の価値に等しい場合が多い。

機関車のエンジンなど、摩耗が激しく、機械工場から離れた場所で操作される機械は、標準寸法で製造されていない場合、修理による滞留により、機械の価値に等しい損失と不都合が生じる可能性があります。軸のホイールベアリングや取り付けられたボルトが壊れた場合、部品を新しくする時間が必要です。また、それらを取り付けるには、機械全体、または壊れた部品に関係する部品などを工場に持ち込み、試しに取り付ける必要があります。

重複システムは徐々に機関車工学に浸透し、間違いなく世界全体に広がるだろう。 [150]鉄道設備では、寸法定数が証明され合意されています。

ゲージシステムは、エンジニアリング組織が独自の標準を維持できるという利己的で誤った意見によって、少なからず遅れをとってきました。実際、この精神の名残は、ねじ山のピッチがインチの分数単位で作られている古い機械にはまだ見られず、元の製作者以外の技術者は、修理を行ったり、壊れた部品を交換したりすることができませんでした。

機械の調整にゲージを用いることの効果の一つは、作業員の自信を高めることです。ゲージに慣れた人は、はめあいが設計というより偶然の産物である不可解な結果とみなされるのではなく、精度は達成可能かつ不可欠なものとみなすようになります。学習者は、よく適合した円筒形ゲージのセットを観察することで、はめあいとは何かという新たな概念を形成し、その後、新たな基準を心に刻むでしょう。

1万分の1インチの触覚で感じられる寸法のばらつきは、機械加工で実現可能な最高の精度を達成した後でも、人間の感覚がいかに重要であるかを示す一例です。機械加工の限界まで均一な寸法になるような条件下で、部品がフライス盤の刃の下を通過することはありますが、ゲージで測定するまでは、結果が保証されることはありません。

目は、一般的なフィッティングに必要な精度に達するずっと前から、たとえ比較したとしても、サイズの違いを感知できません。目盛り付きのスケールと比較したり、定規で測ったりしても、適切なフィッティングと不適切なフィッティングの違いは、目で見分けることができません。

しかし、最も正確な測定の多くは、ノギスなどを使用して目視で行われ、わずかな違いも容易に確認できるようになるまで、メカニズムによって変動が数百または数千倍に増幅されます。

計測機器の変動を機構によって増幅させるには、可動ジョイントを採用する必要があることは明らかである。また、円筒形であろうと平面形であろうと、いかなる確実なジョイントも、計測や測定で生じるようなわずかな動きを伝達できるほど正確に取り付けることはできないことも明らかである。この困難は、ほとんどの計測機器において、これまで言及されていないものの多くの機械に共通する弾性体という原理を用いることで克服されている。 [151]補償。

この原理は、スプリングノギスを使って説明できます。スプリングが常に一方向に作用することで、ネジの遊びが補正されるため、歯先は常に一定です。歯車列では、歯と歯の間には常に多少の遊びがあります。歯車が常に一方向に回転し、一定の抵抗が加わらない限り、「バックラッシュ」、つまり不規則な動きが発生します。しかし、スプリングのように一定かつ均一な抵抗が加われば、歯車列はわずかな動きも伝達します。

ゲージ器具を取り付ける際の極度の精密さは、一見不必要と思われるかもしれませんが、通常の機械取り付けにおける円筒形の接合部には感覚をほとんど超える精度が求められ、ゲージの回転におけるわずかな変化でも取り付けを台無しにするのに十分であることを覚えておく必要があります。

標準寸法の維持に反して、温度による寸法の変動が問題となる。この困難は計測機器にも試験対象部品にも同様に当てはまるが、物質に関連するほぼすべての現象と同様に、我々はこれを何らかの有用な用途に転用することに成功している。例えば、車輪のタイヤなどの鉄製の帯を加熱すると、「収縮」させて接合することができ、圧縮力と強度が得られる。これは、部品を同じ温度で強制的に接合した場合には不可能である。しかしながら、正確に接合できる接合部においては、収縮はほぼ完全に廃止されている。

（１）計測器具は労働の分担にどのような影響を与えるか？（２）どのように標準寸法は機械の価値に影響しますか? (3) 円筒形のジョイントは、試しに組み合わせて取り付けることができないのはなぜですか? (4) 機械の部品が標準寸法であることが最も重要なのはどのような状況ですか? (5) 正確な寸法をテストする際に最も鋭敏な感覚はどれですか? (6) 寸法のわずかな違いを視覚的に明らかにするにはどうすればよいでしょうか?

[152]

第39章
機械の設計
本書は主に見習いエンジニアを対象としており、機械の設計に関する部分はまず期待できないでしょう。しかし、ある程度この主題を扱わない理由はありません。この主題は学習者の多かれ少なかれ注目を集めることは確実であり、機械設計の学習は、適切な指導が行われれば必ず利益をもたらします。

おそらく、エンジニアとして成功した経験を持つ人なら、独創的な設計を生み出すための初期の努力から得られた利点を認めない人はいないでしょうし、最初の努力がもっと注意深く向けられていたら、得られた利点はもっと大きかったであろうと認めない人もいないでしょう。

実験に関する知識のない見習いエンジニアにとって、自分の教育のための計画を選択すること、または、計画を選択した場合にその計画を遂行する最善の方法を決定することは非常に困難です。また、体系的な方法に従わずに独創的な設計を試みることほど多くの時間を消費したり、無駄なことはありません。

類似のものが既に存在する場合、設計図を作成する意味はほとんどありません。そのため、独自の設計図を作成する際には、同じ分野で既に何が行われているかを注意深く調査する必要があります。ある設計図を丹念に研究した後で、それが既に先行されていたこと、そして検討された計画が単なる複製であったことに気づくと、落胆するだけでなく、腹立たしい思いをします。そのため、設計図の作成は、まずは馴染みのあるテーマに限定し、未踏の領域に踏み込むべきではありません。

設計は多くの点で発明と同じものですが、原理よりもメカニズムに重点を置くという点が異なります。ただし、原理とメカニズムの両方を含む場合もあり、実際にそうである場合も少なくありません。発明と同様に、設計は常に、最初に定められた明確な目的を達成するために試みられ、最後まで粘り強く追求されるべきです。

設計の対象となるオブジェクトを見つけるのは必ずしも容易なことではありません。一見すると、どんな機械や機械の部品でも改良の余地があるように思えるかもしれませんが、既存の欠陥を見つけるのは容易ではありません。 [153]欠点を発見したり、その改善策を考え出したりすること。

新しい設計は、既存の機構の構造が不完全であるか、新しい設計で実現できる機能が欠けているかという、2 つの仮定のいずれかに基づく必要があります。新しい機械の設計に時間を費やす人々が、最初からこの点を考慮していれば、目的のない計画に費やされる時間をかなり節約できるでしょう。

改良の最終目的を決定し、設計準備において従うべき一般原則を定めた後、建設工学において、細部の配置以上に一般的な規則に近づけられるものはない。この記述が機械工学者の一般的な見解とどれほど矛盾しているか、また設計には機械の応用と操作に関する非常に深い知識が必要であることを私は十分に承知している。つまり、材料の配置と配分、可動部品やベアリングの位置と関係を決定する特定の原則と規則があり、恒久的な構造物を建設する場合と同様に、ミスのリスクなしに機械を組み立てることができるということである。

機械の設計においては、適応性、耐久性、そして建設費用を考慮する必要があります。適応性には、機械の性能、商業的価値、つまり機械が稼働することで得られる収益が含まれます。耐久性とは、機械が修理なしで稼働できる時間、そして性能の安定性です。費用とは、機械に投資された金額です。

設計における機械の適応性、耐久性、コストは、動き、部品の配置、比率の問題に解決されます。

動きとひずみは、機械の設計における主要な条件と言えるでしょう。動きは全体的な寸法を決定し、ひずみは特定の部品の比率とサイズを決定します。動きとひずみは、軸受または軸受面の性質と面積を決定します。

機械部品の可動範囲と速度は、達成すべき作業から明確に決定できる設計上の要素であるが、配置はそう決定することはできず、データを見つけるのが最も難しい。まとめると、 [154]これらの命題をまとめると次のようになります。

機械の特定の機能とそれが達成する明確な目的の概念。
機械類、またはいわゆる組織の構成部品の適応および配置の計画。
負担、動作の範囲や速度などの特定の状態に関する知識。
フレーム、ベアリング面、シャフト、ベルト、ギア、その他の詳細を含むさまざまな部品の比率。
外観の左右対称性。これは装飾というよりも、明らかな適応の結果であることが多い。

これまでの内容の実際の応用例を説明すると、例えば、ピッチ 3/4 インチ、面幅 3 インチの鉄製ラックの歯を切るための機械を製作するとします。その設計は、その目的のためにすでに使用されている機械を参照せずに準備するとします。

言葉だけで組織化された機械の包括的なアイデアを伝える実際の設計が作成できるとは想定されていません。そのような場合に成功する可能性が高い推論の計画を示すコースを計画することを目的としています。

読者は、ここで述べられていることをよりよく理解するために、クランク動作を備えた一般的な成形機、つまり歯ラックを切断するための要件をほぼ満たす機械を念頭に置いておくとよいでしょう。

特定の作業、すなわちピッチ 3/4 インチ、面取り 3 インチの歯ラックの切削を想定すると、まず最初に検討すべきことは、その機械を特殊な機械にするのか、それとも汎用機械にするのか、という点です。この質問は、第一に、さまざまなサイズのラックの切削やその他の作業に適応させるための機械の機能、第二に、機械の完全性に関するものです。なぜなら、特定の目的にのみ適応するのではなく、標準的な機械にする場合、専用機械では省略できる高価な追加機能が多数必要になるからです。今回のケースでは、特定の作業のみを目的として専用機械が製造されると仮定します。

行うべき作業は、ラックの歯の間の金属を削り取り、歯の輪郭を完全に残すことです。歯の形状は工具の調整だけではうまく得られないため、工具の形状によって実現する必要があります。したがって、工具の形状は常に維持されなければなりません。 [155]押しのけられた金属の断面積はそれほど大きくないため、工具の形状は2つの歯の間の空間全体の輪郭線となると想定でき、そのような空間は1回の設定または1回の操作で切削される。以前の場所で様々な材料の切削に関して定められた特定の規則を適用することにより、回転工具やフライス工具の代わりに往復工具やプレーニング工具を選択できる。

動きは次に順番に起こり、ツールまたは材料の往復切削動作、切削動作を調節する送り動作、および歯間の距離であるピッチまたはスペースに段階的に変化するラックの縦方向動作で構成されます。

往復の切断動作はわずか 4 インチ以下なので、この動作を生成するにはクランクが明らかに最適な手段であり、この動作は長くて扱いにくいラックに対して横方向なので、切断動作はラックではなくツールによって実行する必要があることも同様に明らかです。

工具の送り調整は断続的であり、切削量は絶えず変化するため、この動きは感覚によって自在に制御できるよう手動で行う必要があります。同じ規則がラックの間隔調整にも適用されます。間隔調整は断続的で不規則であるため、この動きも手動で行う必要があります。切削動作の速度は、通常の慣行から毎分16フィートから20フィートであることが分かっており、通常の金属切削工具を動かすには、幅2.5インチのベルトを毎分200フィート動かす必要があります。そのため、クランクまたはカッターの動きは、ベルトが適切な速度に達するまでギアで増加させる必要があります。これにより、中間駆動装置の速度が求められます。

次に配置についてですが、ここで最初に考慮すべき点は操作の容易さです。切断位置は、作業を容易に点検できるように配置する必要があります。作業者は、作業物から約12インチ上にある調整機構または送り機構に手を添える必要があるため、切断面を床から4フィート、送りハンドルを床から5フィートの高さに設置すれば、立ったまま作業するのに便利な配置となります。作業では継続的な点検と手による調整が必要となるため、ラックと切断工具の両方の支持部を機械の外側に張り出し、いわば機械の外側に配置することが適切な配置となります。これにより、作業へのアクセスが容易になり、点検が容易になります。 [156]切断バー、クランク、接続部、ギア、プーリー、およびシャフトの位置は、主にオペレーターと作業の位置からの明らかな条件から、それぞれの場所を想定します。

次にひずみについて考えてみましょう。切削動作がひずみの発生源であり、切削工具の抵抗は刃先の長さまたは幅に比例するため、これまでの条件ではひずみが小さいことを示唆していたのに対し、今回のケースでは、大きなひずみが必要となる新たな条件が存在します。3/4インチピッチの歯の間で金属を移動させる場合、刃先、つまり作用する表面の面積は1.5インチの幅に相当します。確かに、各切削における移動量は小さいかもしれませんが、ひずみは金属の実際の移動量ではなく、作用する刃先の幅に基づくべきであり、ここでは大型のかんな盤の平均負荷に等しいひずみが見られます。このひずみは、切削点から中心から放射状に広がり、ワークの支持部に作用して、ワークをフレームから押し出す傾向があります。ラックとクランクシャフトベアリングの間、工具、カッターバー、接続部、クランクピンを介して、様々な方向と角度で発生するこの応力は、簡単な図表で追跡できます。この切削応力以外に重要なものはありません。ベルトの張力、ベアリングの横方向のスラスト、クランクの角度スラストによる応力、工具のエンドスラストは、無視することはできませんが、強度、バランス、配置の問題とはあまり関係がありません。

ひずみは特殊な配置を示唆しますが、これは一般的な配置とは全く異なるものです。一般的な配置は主に操作の利便性によって決まります。特殊な配置は、機械全体のひずみに従ってフレームの形状を扱い、決定します。今回のケースでは、ワークを支えるブラケットまたはジョーとクランクシャフトの間に、1トンに相当する切削ひずみが作用すると想定されます。したがって、フレームの金属は、これら2点間では可能な限り直線状に配置し、切削動作と平行な深い断面によって屈曲に抵抗する対策を講じる必要があります。

最後に、比率について。この種の機械の実際の負荷よりは小さいものの、必要な切削力を1トンと見積もったので、これに基づいて比率を決定します。 [157]ツールのシャンクから始まり、調整サドル、カッティングバー、接続部、クランクピン、シャフト、ギアホイールを経てベルトまで辿ります。再びツール、つまり切削点から始めて、ラックのサポート、ラックをクランプするジョー、段階調整用のサドル、メインフレームとの接続部、そして再びクランクシャフトベアリングまで辿り、各部品の寸法を、たわみや破損の危険なしに応力に耐えられるように決定することができます。このような比率は、計算のみに頼って決定することで、通常の慣行の規則に収めることはできないことは承知しており、そのような方法は提案されていません。計算は助けにはなりますが、そのような場合の比率を決定することはできません。さらに、完全に無視することはできない対称性は、さまざまな部品の形状、場合によっては寸法を変更します。

このように、私は言葉だけで説明できる限り、設計を生み出すための方法論的な計画を不完全ながらも示してきました。まず、実行する特定の作業に基づいた一定の前提から始め、次に機械の一般的な特徴、操作モード、動作と調整、一般的な配置、歪み、特別な配置、および比率を順番に検討していきます。

実際の機械操作に関する十分な知識と既存の実践に精通したエンジニアであれば、そのような計画を進めるエンジニアは、いくつかの条件を見落とさない限り、機械の目的が同じである限り、大きな修正や変更を必要としない設計を生み出すことができます。

設計に初めて取り組む際には、粘り強さが重要な資質です。学習者がどんなに生まれつきの能力を持っていたとしても、メカニズムのどの分野を理解するにも、ある程度の学習が必要です。機械の操作は直感的に習得できるものではなく、常に多くの特殊な条件に囲まれており、それらを順番に習得していく必要があります。一つのことにたゆまぬ努力を続けることによってのみ、新しい設計によってそれを改善できる可能性が生まれるのです。

歯車やシャフトから蒸気や油圧、工作機械からクレーンや巻上機へと進む学習者は、大した成果を上げることはできないでしょう。最良の方法は、最初は簡単な科目、幅広い改造が可能な科目、そして可能であれば標準的な構造を前提としていない科目を選ぶことです。シャフトやスピンドルの軸受や支持部、 [158]まず始めるには良いテーマです。

シャフトのサポートを設計する場合、歪みは簡単に定義して追跡できますが、垂直方向と横方向の調整、ベアリングの潤滑、サポートとハンガーの対称性などにより、配置とメカニズムの両方に関して無限の変更が可能になります。

設計においては、記憶に残っているもの以外は参考にしないことが最善です。どんな種類の機械にも精通していればいるほど、設計能力は高まりますが、それは他人の設計図を測ったり参照したりすることによって得られるものではありません。こうした過程によって、たとえ最も熟練した人であっても、見本から得た寸法や配置を無意識のうちに新しい図面に取り入れてしまうのです。また、他人の設計図を集め、少しの組み合わせや修正で新しい設計図を作り出すことは、決して品位のある行為ではありません。ある程度の熟練度を身につけるのは容易かもしれませんが、技術者が独創的な設計者と同等の威厳を得ることは間違いなく妨げられます。

機械設計の要素としての対称性は、特定のケースに関連してのみ決定できる未解決の問題の 1 つです。ただし、あらゆる種類の工学器具および製造機械には、装飾のため、または機械の機能に関係のないものは何も追加すべきではないと言えます。

現代の有能な技術者たちは、装飾という問題に関して、意見と実践の両面で非常に一致しているため、このテーマについて言及する必要はほとんどなく、学習者が有用な目的を持たないものに対して軽蔑の念を抱くことから始めても、何ら不利益にはならないだろう。現在の実践においては、いわゆる産業機械においては、装飾の量は設計に要する工学的技能の量と反比例すると言えるだろう。

熟練した人が主に使用し、目にする機械には装飾がなく、未熟練者や公共の場で目にする機械には装飾が施されていると考えるのが無難なルールでしょう。蒸気消防車、ミシン、その他未熟練者の検査対象となる類似の機械は、通常、多少なりとも装飾が施されています。

原則として、装飾は優美なプロポーションを超えてはならず、枠の配置は可能な限り張力線に沿っていなければなりません。鉄細工や色彩の絵画といった余分な装飾は、 [159]真のエンジニアやメカニックの趣味にそぐわないので、反対する必要はない。

(1.) 設計を準備する際に考慮すべき主なポイントをいくつか挙げてください。—(2.) 設計の試みはなぜ 1 つのクラスの機械に限定されるべきですか。—(3.) 設計を準備する際に参考資料を調べることにはどのような反対意見がありますか。

第40章
発明
発明と工学技術、特に発明と機械との関係については、ここで簡単に検討する必要がある。あるいは、この理由が欠けているとしても、工学の見習いの最初の目的の 1 つが何かを発明することであるという事実で十分な理由がある。そして、ここでの目的は、制限が許す限り、初心者が興味を持っている各主題について何かを述べることであるため、発明を無視することはできない。

これまでの目的は、機械、プロセス、そして機械的操作は、一般的に多かれ少なかれ体系化・一般化できること、そして機械的操作と機械の構造を特定の規則や原理に還元できないのは、主に我々の知識不足によるものであり、そのような解決を妨げる固有の困難や条件によるものではないことを示すことであった。同じ命題は発明にも当てはまるが、真の意味での発明は、機械プロセスよりも容易に一般化できるという違いがある。

機械の改良に適用される「発明」は、偶然の発見を意味するべきではない。そのような意味合いは、「発明」という用語にしばしば、あるいは一般的には付与されるが、体系的な推論や実験によって得られた結果は、偶然や発見とは全く無関係であることを理解する必要がある。そのような結果は、むしろ実証的な性質を帯びており、方法論的な目的の結果として得られる発明には、この用語が特にふさわしい。

[160]

化学のように、ある程度物理的な実験に依存している科学においては、明確な目的を持たずに実験を行うことは適切な研究であり、過去と同様に将来においても偉大で有用な成果につながる可能性があります。しかし、力学においては事情が異なります。力の保存則、そして力と熱の関係の実証は、力学科学において我々が扱うべきすべての事柄を網羅すると言える一連の原理の最後の環を成しており、発見のみによって何か新しいものや有用なものを開発できるという希望はほとんど残っていません。最も未熟な者でさえ、機械の改良を発明する能力が技術者や熟練した機械工に匹敵すると考えていた時代は、過去も今も過ぎ去りません。しかし、今や状況は変わりました。新しい計画は、多くの場合実際の実験と同じくらい信頼できる科学的基準によって評価・検証されるのです。かつて物理科学の無知が機械工学に投げかけていた神秘のベールは、取り除かれました。偶然の発見、あるいは機械の迷信（もしそう呼んでもよいのなら）は、ほぼ消滅した。現代の技術者の多くは、機械の改良を自分の専門分野の実践に過ぎず、他人が実証する可能性のある、そしてしばしば実証する技術の独占使用権を確保するための特許申請を、状況に応じて躊躇している。もちろん、今後発見される新しい製造物や、特許権の適切な対象となり得る機械の改良は数多く存在する。そのような改良は、発明者自身でなければ特許期間中に行われることはまずないだろうが、そのようなケースは稀である。そして、既存のデータから規則的に導き出すことができず、かつ、発明者以外の人物によって長期間にわたり行われる可能性が低い発明でない限り、そのような発明は公平に見て、他人の権利を侵害することなく個人の財産となることはできないと想定するのが妥当である。

特許法について議論したり、特許制度が過去に技術産業にどのような利益をもたらしたか、あるいは将来どのような利益をもたらすかを推測したりすることが目的ではない。機械工学の見習いたちに、偶然の発明と混同して、機械工学のこれまでの特徴であった肯定的な結果への信頼を失わせるのではなく、彼らの職業に対するより良く、より威厳のある認識を植え付けること、そして、学習者に、あまりにも頻繁に費やされる時間と努力の無駄について警告することである。 [161]発明の探求において。

見習いができる限りの発明や実演をするのは良いことです。多ければ多いほど良いのです。しかし、前述のように、試みるものは何らかの体系に従い、適切な目的をもって行うべきです。明確な概念が形成されていないもの、あるいは確かな欲求を満たさないものを求めて暗闇の中を手探りで探し回るのは、大抵の場合、時間の無駄です。実演や発明をするには、レンガ職人が壁を建てる際にモルタルを塗り、レンガを一つ一つ積み上げるように、系統的に始めるべきです。同様に、技術者は機械構造物に追加する部品や動作の一つ一つを、綿密な研究によって検証し、完成後に有用で永続的なものとなるようにすべきです。

すでに述べたように、機械において何か新しいものを生み出そうとするあらゆる試みは、まず改善すべき点を見極めることから始めるべきである。そのような改善点が見極められたら、まずその改善点や欠陥を解消するための原理に目を向けるべきである。そうすれば、鎖の欠けた環を補うように、適切な機構が提供される。このように述べた命題だけでは、意図した意味が伝わらないかもしれない。この体系的な発明計画は、例を挙げることでよりよく説明できるだろう。

読者が別の場所で蒸気ハンマーについて述べた内容を覚えており、そのようなハンマーの用途と一般的な構造に精通していると仮定すると、通常の自動バルブ作動式、つまり弾性打撃または蒸気クッション打撃を与える蒸気ハンマーはよく知られていると仮定する。さらに、この種のハンマーによる打撃を分析することにより、ハンマーが打撃中に完全に停止した際に与えられるデッドストローク（デッドストローク）が特定の作業においてより効果的であることが示され、このデッドストローク原理に基づいて動作させることで蒸気ハンマーの性能が向上することが示されたとしよう。

このような提案は、既存のハンマーの欠陥と、追加すれば改善される特定の機能が欠けていることを実証することで、発明の第一段階を構成することになります。

これらの前提から出発して、まず最初にすべきことは、既存のバルブギアの動作を調べ、デッドストローク機能の不足をどこで最もよく補うことができるかを判断し、既存のメカニズムが提供する可能性のある提案の支援を得て、使用中の装置がどの程度まで新しい配置の一部になることができるかを確認することです。

自動ハンマーを調べると、そのバルブがリンクを介して落下口に接続され、 [162]ピストンとバルブは同時に動き、一方の動きは他方の動きに依存し、また支配されている。また、これらの接続部またはリンクは伸縮可能であり、ピストンとバルブの相対位置を変化させることで打撃範囲を調節できるが、両者の動きは相互的、すなわち同期していることがわかる。発見や発明ではなく帰納的に推論すると、ハンマーヘッドによる踏み込み打撃を確実に行うためには、打撃が完了しハンマーが停止するまで、バルブは開かず、ピストンの下に蒸気が流入してはならないと判断できる。

この時点で、いわゆる論理的解決を必要とする機械的な問題の一つが発生します。バルブは液滴によって動かなければなりません。他に利用できる移動機構はありません。さらに、バルブと液滴は、同時動作を保証するために接続されていなければなりませんが、液滴が静止しているときにバルブを動かす必要があります。帰納的に進めていくと、第三の媒介物を導入する必要があることは明らかです。その媒介物は、液滴によって一部動かされ、その結果バルブが動きます。しかし、この媒介物は、ハンマードロップが停止した後も動き続けるように配置されます。

これを前提とすれば、ハンマーヘッドとバルブの相対的な動きに関する計画は完了しているが、この追加機構に動きを与える何らかの計画が必要である。多くの例において、推進力が作用しなくなった後も動き続ける機械部品が見られる。砲弾は何マイルも投げられるが、推進力はわずか数フィートしか作用しない。織工の杼は、駆動力が停止した後もほぼ全飛行を続ける。したがって、今回のケースでは、ハンマーヘッドの下降中に動かされた部品の運動量によって、バルブの独立した、あるいはその後の動きが得られることは明らかである。

要約すると、蒸気ハンマーが致命的な打撃を与えるには、バルブギアに次の条件が必要であることが、帰納的推論といくらかの力学の知識を組み合わせることで判明したはずです。

滴とバルブは相対的に動作する必要があるが、同時に、または直接連動して動くことはできない。
ハンマードロップとバルブ間の接続は確実にはできず、ドロップの下降中に切断される必要があります。
ハンマーが停止した後、バルブが動く必要があります。
ハンマーが停止した後もバルブを動かすには、中間の作用物質が必要であり、それが継続して作用する。 [163]ハンマー落下の動きが止まった後に行動します。
バルブギアのこの独立した動きを実現する明白な手段は、ハンマードロップによって動かされる一部の運動量、またはこの補助手段に作用する重力の力を利用することです。

発明はこれで完成し、原理はすべて実用的な機構の範囲内にあるため、あとは定められた原理を実行するための機械的手段を考案するだけです。この機械的構想は機械の改良における副次的な、そしてある意味では独立した部分であり、常に原理に従属するべきです。実際、機械的構想を原理から切り離すことは、一般的に偶然の発明と呼ばれるものを構成するのです。

ハンマーの問題について再び触れると、歴史を紐解けば、デッドスタンプブローを行える自動作動式蒸気ハンマーのメーカーが、これまで述べてきた原理を採用してきたことがわかる。ハンマー停止後にバルブを開くために、可動部品の運動量や重力を利用する代わりに、一部の技術者は、ハンマーの打撃による衝撃と揺れによってバルブギアを外す方法に頼ってきた。その結果、バルブギア、あるいはその一部が落下し、バルブが開いたのである。初期のナスミスハンマー、あるいはウィルソンハンマーに装備されていた「デッドブローギア」は後者の方式に基づいて作られ、バルブスピンドルは外された状態でバネによって動かされていた。

私は、この発明のシステムの逆を説明するためにスペースを割くつもりはなく、また、与えられた例のバルブの動きを実現するために、偶然の策略家がどのようにして機械的な手段を探し求めるのかを説明しようともしない。

機械の改良における発明は、その性質が何であれ、当然ながら、一定の固定された動作モードで構成され、それに準拠するものであり、偶然の発明家であっても、その発見を支配する「原理」を突き止めるほど、命題の真実性を証明する計画は一般的ではない。

実用的な利益を目的とした改良を研究する場合、学習者は、有能な技術者がすでに研究した分野で多くのことを達成できるという合理的な期待は持てませんし、蒸気機関や水車など、使い尽くされた主題と呼ばれるものにおいて何か新しいことを実証することもできません。むしろ、新しく特別な主題を選択し、既存の実践によってある程度確認されていない計画は避けるべきです。

[164]

若い技術者の大胆さは、知識不足は言うまでもなく、経験と反比例する傾向にあることはすでに述べたとおりであり、新しい計画を判断する際に真のバランスが保たれるのは、保守主義に向けた強い決意を持った努力によってのみである。

ジョージ・スチーブンソンの生涯は、蒸気輸送における彼の改良が斬新で大きな重要性を帯びていたにもかかわらず、彼がこれらの改良を「発見」したわけではないことを証明している。彼は浮き盛土でチャトモスを横断する鉄道を建設できることを発見したわけでも、機関車の車輪とレールの摩擦によって牽引力だけで列車を牽引できることを発見したわけでもない。彼の斬新な経歴に関わるあらゆる事実は、彼の改良がすべて、原理に基づく推論、そして概ね帰納的な方法に基づいていたことを示している。通常の解釈に従って彼が我が国の鉄道システムを「発見した」と言うことは、彼が苦労して築き上げた名声を貶め、正統な工学史において何の地位も得られない、幸運な策略家の一人に彼を位置づけることになってしまうだろう。

ランフォード伯爵は、今日の力学科学全体の基盤とも言える力の哲学を偶然に発展させたのではない。彼は、既に心の中に成熟していた概念を実証し、帰納的推論によって想定していた原理を検証するための体系的な計画に着手した。現代機械工学の発展に大きく貢献したような、真に優れた実質的な改良の大部分は、機械的な手段を盲目的に模索するのではなく、まず基本原理を扱うというこの過程を経てもたらされた。そして、現在の状況は、偶然の発見が完全に消滅する日がそう遠くないことを示している。

(1) 機械の改良に適用される「発明」という名称の意味にはどのような変化があったか? (2) 機械を発明または改良する試みに先立って何が行われるべきか? (3) ベンサム、ボドマー、スティーブンソンなどの著作に「発明」という名称をどのような意味で適用すべきか?

[165]

第41章
ワークショップの経験
工学教育の一環として実技の組み立てを学ぶ必要性を強く主張するのは不必要である。「現場経験」のない機械技術者は、決して成功を期待できず、最も下手な職人でさえも尊敬を集めることはできない。他者に影響を与え、統制する力がなければ、建設工事を指揮することも、工学産業に関連するあらゆる細部を管理することもできない。工学の理論的かつ商業的な詳細を習得しようとして資格を取得しようとした者が、理解していない作業を指揮することに遭遇することほど、熟練工の心に憤りを抱かせることはない。熟練工は、このようなレベルの技術者を見抜くのにそれほど時間はかからない。機械に関するあらゆる話題について12語ほど会話すれば、話者がどれだけの実務知識を持っているかを知る手がかりを得るのに十分である。

前に述べたように、機械の構造の詳細を理解していない人が、機械の成功する設計を作成することは期待できません。各部品がどのように成形、鍛造、旋削、かんな掛け、穴あけされるか、そして採用される可能性のあるさまざまな方法によるこれらのプロセスの相対的なコストを知っておく必要があります。

技術者は、実用的な設備の知識がなくても作業を指揮し、制御することができますが、そのような制御は単に商業的なもので、もちろん、一般的に重要な部分である機械の詳細にまで及ぶことはできません。したがって、他者を制御する際に強制される従順さは、作業に関する優れた知識が要求する敬意と混同されるべきではありません。

実技的なフィッティングを学ぶことで得られるものは、仕事の方向性や機械の設計図作成において、その知識がもたらす自信です。批判を恐れて設計図の作成に躊躇したり、設計図に完全な自信を持てないエンジニアは、決して大きな成功を収めることはできません。

過去30年間に機械の組み立てを一変させた改良は、手作業の技能をほぼ不要にし、いわゆる精神技能に取って代わる性質のものでした。人間の手によって生み出される単なる物理的効果の価値は着実に低下し、今ではほぼフィートポンド単位で計算されるようになりました。しかし、 [166]実用的な知識は減るどころか増えるのです。

かつて、徒弟は手作業の技術を学び、数々の不可解な工程を習得するために工房に入りました。能力が劣り、教育水準も低い者に対してさえ不利になる可能性のある、一連の恣意的な規則を学ぶためでした。しかし今では状況は一変しました。技術者の徒弟は、必要な努力さえ払えば、設備の整った場所で何でも学べるという自信を持って工房に入ります。解くべき謎などなく、ほとんどすべての問題は科学によって解明され、説明されるため、工房で過ごす時間の大部分は、特別なことを学ぶことに費やすことができるのです。

工学の追求におけるこの変化は、作業員にも、操作における変化とほぼ同程度の徹底的な変化をもたらした。専門知識のみを扱い、自分の職業の秘密は体系的な規則に支配されておらず、他の人が自分の助けなしに資格を取得できるようなものではないと考える人は、常に多かれ少なかれ視野が狭く無知である。他者との関係の性質がそうさせるのである。このことは、いわゆる排他的な職業に従事する労働者の知性と、一般的な規則と原則によって追求が規制されている人々の知性を比較すれば十分に証明される。現代の機械工は、この排他的な観念から脱却し、それによって他のほとんどの機械工よりも明らかに優れた社会的地位にまで上り詰めた。そのため、かつて機械工になるはずだった人々があれほど恐れていた職場組合も、もはや障害ではなくなった。

ここで、ワークショップでの見習い経験に関連したヒントをいくつか紹介します。ここでは、学習者にとって興味深く、役立つと思われる事項を取り上げます。

工場に入ったらまず最初にすべきことは、その作業を担当する管理者や職長の信頼と尊敬を得ることです。こうした信頼と尊敬を得ることは、社会的な関係とは別物であり、また全く関係がなく、工場内で何が起きているかに完全に依存します。友人の信頼を得るには、親切で誠実で高潔でなければなりません。しかし、職長の信頼を得るには、時間厳守で勤勉で知的でなければなりません。勤勉さと真摯な努力に対する敬意に基づく感情ほど、親切な感情はありません。修行者は、道具を壊したり、仕事を台無しにしたり、あらゆる面で失敗したりするといった不幸に見舞われるかもしれません。 [167]彼が自分自身を満足させる方法であるとしても、もし彼が時間を厳守し、勤勉であり、仕事に興味を示すならば、彼の不幸は不親切な恨みを引き起こすことはないだろう。

学ぶべきことは、学習者自身の重要度の考え方に基づいて評価すべきではないことを常に忘れてはなりません。管理者や職人は一般的に、フィッティングを最も名誉ある知的な仕事の一つと見なし、見習いの敬意と最善の努力に値するものと見なしています。見習いは、フィッティングが悪かったり、事故に遭ったりすることを大したことではないと考えるかもしれませんが、その評価は判断材料にはなりません。見習いが無関心だと職人に思わせるような些細な言葉や行為は、彼の成功への関心を瞬時に失わせ、情報を得るための主要な情報源の一つを断ち切ってしまうのです。

工房に入る見習いは、態度や服装において、潔癖症の印象を与えるようなものはすべて避けるべきです。作業員にとって、そして機械工場において、仕事と清潔さを保つ努力の間で時間を分けることほど不快なことはありません。仕事の性質上、できるだけ清潔にしようと努力することは常に正しいことですが、不適切な服装をしたり、油汚れを恐れて仕事の遂行を妨げたりすることは、必ずや嘲笑の対象となります。

機械工場であっても、適度に清潔を保つ技術は学ぶ価値があります。どんな仕事でも、数時間で頭からつま先まで油まみれになる人もいれば、ほとんどどんな仕事でも、利便性を少しも犠牲にすることなく清潔に保てる人もいます。この違いは、すぐに身に付き、容易に維持できる習慣によるものです。

時間厳守は費用がかからず、むしろ大きな利益をもたらします。始業時間の15分前に工場に到着し、その時間を作業場内を見て回る見習いは、作業への関心を示し、作業場に関する知識を得る上で最も効果的な特権の一つを享受することになります。作業場内を10分間歩き回り、日々の仕事の変化を記録することは、常に思考材料を提供し、そうでなければ見過ごしてしまうであろう多くの事柄を学習者に教えてくれます。しかしながら、作業員が自分の作業を検査されること、特に事故やミスに遭遇し、そのような検査が不適切だと考えられる場合に感じるある種の憤りを避けるには、相当の注意と分別が必要です。 [168]単なる好奇心からそうしているだけの場合。そのような場合のより良い方法は、依頼を受けた本人以外には聞こえないように、作品の調査許可を求めることです。このような申請であれば、通常は同意と説明の両方が得られます。

礼儀正しさは、社会の紳士にとって不可欠であるのと同様に、機械工場の見習いにとって不可欠です。礼儀正しさの性質は状況や相手に合わせて変化するかもしれませんが、それでも礼儀正しさであることに変わりはありません。見習いは微分積分を理解しているかもしれませんが、職人は蒸気シリンダーの穴あけ方法しか理解していないかもしれません。そして、職人にとって、微積分の問題は蒸気機関のシリンダーの穴あけに比べれば取るに足らないものです。このような状況下で、職人が知識と礼儀正しさのバランスを取ることを許されない場合、見習いは不利な立場に置かれます。

質問と回答は技術情報を得るための主要な手段であり、技術者見習いは機械の原理を学ぶのと同じように、質問と回答の原理を注意深く学ぶべきです。質問する技術がなければ、工場の操作を学ぶことはゆっくりとしか進みません。適切な質問とは、質問された人が理解でき、答えが与えられたときに理解できる質問です。これは簡単なルールではありませんが、正しいルールです。重要な点は、質問する前に質問を検討し、手元の作業に関連した質問にし、質問が多すぎないようにすることです。頻繁に質問をすることは、回答が考慮されていないという印象を与えますが、質問が検討を必要とする主題に関連している場合は、確かに正当な推論です。ある人が、ある瞬間に直径ピッチの意味を尋ねられ、次の瞬間に鋳鉄は冷却時にどれだけ収縮するかを尋ねられたら、嫌悪感を抱き、2 番目の質問は答える価値がないと考える可能性が非常に高くなります。

質問をする際には、相手の気分や現在の仕事を考慮することが重要です。相手の心があまり忙しくなく、話しやすい気分のときに尋ねる 1 つの質問は、相手が忙しくて話す気がないときに尋ねる 12 個の質問に相当します。

質問が関係する主題について最も知識があると思われる人に質問することは、職場の慣習における礼儀であり、また学習者にとっての便宜でもあります。また、異なる作業員に質問することも同様に礼儀ですが、決して2人の異なる人に同じ質問をしたり、異なる質問をしたりしないように注意してください。 [169]矛盾した答えを指摘するかもしれません。

熟練した整備士が、自分の尊敬を得ている人々、そして自分が与えることのできる援助に値し、それを望んでいると考える人々と知識を共有すること以上に寛大で親切な気持ちは、この世に存在しません。

学んだことを記憶に留めておくための優れた方法は、メモを取ることです。たとえメモを取った後に参照されることがなくても、学んだ事実を書き留めることほど、機械力学を学ぶ上で記憶力を高めるものはありません。

工場操作に関する規則や表を書き留めることを推奨するものではなく、記憶に定着させるためにコメントや解説を必要とする事実を書き留めることを推奨するものです。メモを取ることは、主題を記憶に定着させるのに役立つだけでなく、技術教育において非常に重要な技術的記述を作成する能力を養います。エンジニアリング作業の仕様書は非常に難しい種類の記述であり、長々と退屈で的外れなものになることもあれば、簡潔で明快なものになることもあります。

学ぶべき慣用句や専門用語も数多くありますが、それらを書くことで記憶に定着し、正書法を決めるのに役立ちます。

メモを取る際には、できる限り簡潔な公式にまとめるべきです。これは機械工場の書き言葉として急速に定着しつつある表現形式です。公式を読むことは、機械図面を読むのと同じように、ある程度は習慣化されます。最初は複雑な迷路のように見えるものも、しばらくすると一目で理解できるようになります。

工房に入ると、見習いは一般的に、職人の言い回しを借りれば「ハンマーとノミを紹介される」でしょう。おそらく、これらの手工具を軽蔑の眼差しで見るでしょう。他の作業が電動で行われ、熟練工が機械に操作されているのを見ると、ハツリやヤスリが取るに足らないものであり、主に徒弟の雇用維持のためのものだと考えるでしょう。しかし、20年も経験を積んだ後でも、ハンマー、ノミ、ヤスリは、彼の手作業の技能を測る最も重要な試練であり続けるでしょう。そして、あらゆる種類の電動工具を徹底的に使いこなせるようになった後、チッピングハンマーで数回叩いたり、ヤスリで6回ほど叩いたりすることは、より難しい技能の試練となるだけでなく、最も遭遇する可能性が高い試練となるでしょう。

[170]

他人の熟練度を判断したり指導したりするために、削り方とやすりがけを学ぶことは不可欠である。削り方とやすりがけは、純粋に手作業の技術は習得に手間がかかるが、一度習得すれば決して忘れない。やすりの使い方は研究する価値のある興味深い問題であり、同時に非常に複雑な問題でもある。幅1インチの表面を長さ12インチのやすりで削る場合、水平に仕上げるために両端に必要な圧力は、一回のストロークでゼロから20ポンド以上にまで変化する。この感覚をつかむには、長年の練習によって身につく習慣が必要となる。やすりで真に美しい表面を作れること、あるいは荒削り以外でやすりがそもそも使えること自体が、実に驚くべきことである。

見習いが職業訓練コースを始める際に目指すべき最も重要な目標についてアドバイスを求められれば、経験豊富な10人中9人は「仕事を上手にこなすこと」と答えるでしょう。力が力と速度で測られるように、仕事は技能と時間という二つの条件で測られます。第一に考慮すべきことは、物事をどれだけ上手にこなせるか、第二にどれだけ短時間でこなせるかです。仕事にどれだけの技能が費やされたかが、その仕事の価値を測る基準となります。仕事が下手であれば、どれだけ短時間でこなせたかは関係ありません。たとえ費用が減ったとしても、仕事の価値を高めることはできません。

学習者は最初はこの命題を逆転させ、時間を技能よりも重視しがちですが、周囲で起こっていることに注意を払えば、批判は常にまず、行われた仕事の性質に向けられることがわかります。管理者は、仕事の性質について説明を受けるまでは、作業員に仕事の準備にどれだけの時間がかかったかを尋ねません。つまり、仕事の質はその機械的な基準であり、仕事の準備に費やされた時間は商業的な基準なのです。作業員が欠陥に気づけば、仕事は適切に行われたとは言えません。そして、機械の組み立てにおいては、一般的に、適用できる最良の技能は、状況が要求する以上のものではありません。ですから、まず最初に習得すべきことは、仕事を上手に行うことであり、次に、仕事を迅速に行うことなのです。

良い仕上げは、多くの場合、技能の問題というよりも、職人が心の中に定めた基準、つまり多かれ少なかれその基準に沿って行う作業のすべてに関係するものである。もしこの基準が正確さと精密さの基準であるならば、ヤスリがけ、旋盤加工、かんながけ、あるいは線引きなど、あらゆる作業がこの基準に合致する。この精神力は、不完全なものへの嫌悪と、不完全なものへの愛着としか言いようがない。 [171]正確で精密であること。機械工学分野での成功にこれほど深く関わる能力は他になく、またこれほど容易に培える資質も他にはない。系統的な正確さ、推論力、そして粘り強さこそが、工学分野での熟達へと導く力である。

おそらく、見習い職人へのこれらの提案を締めくくるにあたり、健康と体力について一言触れること以上にふさわしいものはないでしょう。製図の分野では、機械技術者の能力は、その活力や体力だけでなく、教育と精神的能力によっても測られるべきであると指摘されていました。これは見習い職人にとって心に留めておくべき重要な命題です。

肉体労働に慣れていない人は、仕事を始めるとすぐに手足が痛み、手が痛むでしょう。一日の始まりと終わりには、疲労感に襲われるでしょう。しかし、これらは危険な症状ではありません。ただ、体力がつき、この新たなエネルギーをその資源で賄えるようになるまで、そして自然と持久力が備わってくるまで待つだけでいいのです。そして、それはやがて誇りとなり、寿命を20年延ばすことになるでしょう。十分な睡眠を取り、質素で栄養のある食事をたっぷり摂り、肌を清潔に保ち、活動的な状態を保ち、苦難を笑い飛ばし、自己犠牲の精神と、どんなに過酷で長い努力にも耐えうる持久力への誇りを培いましょう。肉体労働に耐え、工場の環境に適応するだけの精神力と不屈の精神を持たない見習いは、機械工学よりも穏やかな性質の職業を選ぶべきです。

バランタイン・ハンソン社（
エディンバラおよびロンドン）印刷

工作機械および製造プロセスに関する書籍。

J. RICHARDS著。

装飾的な区切り
ワークショップ操作の経済性。

構造力学を学ぶ論理的な方法。

見習いエンジニアや学生が利用できるように質問をまとめました。

クラウン 8vo、布、5s。

木材加工機械の構造と操作に関する論文、

英国、フランス、米国の機械の図版と彫刻 140 点を収録したこの本は、Scientific Press から非常に好評を博しました。

クラウン 4to、布張り金張り、25 シリング。

木工機械オペレーターハンドブック、

実務者向け。

この作品には、工場の建設、機械の操作などに関する指示が記された 62 枚のオリジナル彫刻が含まれています。

クラウン 8vo、布、6s。

近日公開予定

機械による木材の変換。

1875 年にロンドンの「Timber Trades’ Journal」に執筆された、主に歴史と経済に関する一連の記事。

機械的なユーモア;

工学および機械工学に関連したオリジナルの逸話集。

クラウン 8vo、2s、6d。

書籍カタログ