固定具（ツール）

固定具は、製造業で使用されるワーク保持またはサポート装置です。^{[1] [2]}固定具は、ワークを安全に配置（特定の場所または方向に配置）してサポートするために使用され、固定具を使用して製造されたすべての部品が適合性と互換性を維持できるようにします。固定具を使用すると、スムーズな操作と部品間の迅速な移行が可能になり、ワークピースの取り付け方法が簡素化されるため熟練労働者の必要性が減り、生産工程全体の適合性が向上し、生産効率が向上します。^[2]

固定具は治具とは異なり、固定具を使用する場合は工具がワークピースに対して移動する必要がありますが、治具は工具が静止したままワークピースを移動します。^[3]

固定具の主な目的は、ワークピースの安全な取り付けポイントを作成し、作業中のサポートを可能にし、完成した部品の精度、精密性、信頼性、互換性を向上させることです。また、迅速なセットアップを可能にし、部品間の移行をスムーズにすることで、作業時間を短縮します。^[3]多くの場合、プロセスの複雑さが軽減され、未熟練労働者でも実行できるようになり、工具メーカーのスキルが未熟練労働者に効果的に伝達されます。^[2]固定具を使用すると、ピースを安定して保持するために必要な集中力と労力が軽減されるため、オペレーターの安全性が向上します。^[3]

経済的に言えば、固定具の最も価値のある機能は人件費を削減することです。固定具がなければ、機械や工程を操作するのに2人以上の作業者が必要になる場合があります。固定具を使用すると、ワークピースを固定することで作業者の1人を削減できます。^[4]

設備は経済性を考慮して設計されるべきである。これらの装置の目的は多くの場合コスト削減であり、したがって、コスト削減が設備の導入コストを上回るように設計されるべきである。経済的な観点からは、設備が常時使用されるプロセスでわずかなコスト削減をもたらす方が、たまにしか使用されないプロセスで大幅なコスト削減をもたらすよりも通常は望ましい。^[4]

ほとんどの固定具には、床または機械本体に固定され、加工ビットの動きに対して不動であると見なされる固体部品と、クランプと呼ばれる1つ以上の可動部品があります。これらのクランプ（さまざまな機械的手段で操作できます）により、工作物を機械に簡単に出し入れでき、操作中はしっかりと固定されます。また、多くのクランプは調整可能で、さまざまなサイズの工作物をさまざまな操作に使用できます。固定具は、加工操作（通常はフィードと呼ばれます）の圧力または動きが主に固定具の固体部品に向けられるように設計する必要があります。これにより、固定具が故障して操作が中断され、インフラストラクチャ、コンポーネント、またはオペレーターに損傷を与える可能性が低くなります。^[5]

固定具は、非常に一般的な用途や単純な用途向けに設計されることもあります。これらの多目的固定具は、それ自体が非常に単純な傾向があり、特別に設計された固定具と同じ利点を提供するために、作業者の精度と創意工夫、および作業場にすでに存在する表面とコンポーネントに依存することがよくあります。例としては、作業場のバイス、調整可能なクランプ、重りや家具などの即席の装置などがあります。

器具の各コンポーネントは、位置決めまたはサポートの 2 つの目的のいずれかのために設計されています。

位置決め部品は、ワークピースの幾何学的安定性を確保します。位置決め部品は、ワークピースが持つすべての自由度に対応し、妨げることで、ワークピースが操作に対して正しい位置と方向に置かれていることを確認します。^[6]

ワークピースの位置決めには、ピン（またはボタン）、クランプ、および表面が使用されます。これらのコンポーネントにより、ワークピースが正しく配置され、操作中は同じ位置に保たれます。表面はワークピースを支え、ピンは表面積をあまり消費せずに正確な位置決めを可能にし、クランプはワークピースを取り外したり位置を調整したりできるようにします。位置決め部品は、非常に厳しい仕様に合わせて設計および製造される傾向があります。^[7]

固定具の位置決め部品を設計する際には、作業によって加えられる力の方向のみが考慮され、その大きさは考慮されません。位置決め部品は技術的にはワークピースをサポートしますが、プロセスによって加えられる力の強さは考慮されていないため、通常、作業中にワークピースを実際に固定するには不十分です。この目的のために、サポート部品が使用されます。^[8]

作業中のワークピースを固定し、動きを防ぐために、サポートコンポーネントは主にポジティブストップと摩擦の2つの技術を使用します。ポジティブストップとは、配置によってワークピースの動きを物理的に妨げる固定コンポーネント（固体表面やピンなど）です。サポートコンポーネントは、位置決めコンポーネントよりも調整可能である可能性が高く、通常はワークピースをしっかりと押し付けたり、絶対的な位置を提供したりしません。^[9]

サポート コンポーネントは通常、操作中に伝達される力の大部分を負担します。故障の可能性を減らすために、サポート コンポーネントは通常、クランプとしても設計されません。

たとえば、2 つの重金属部品をネジとアーク溶接で接合する場合、固定具を使用すると、2 つの別々の部品を指定された領域に固定できるため、職人は簡単に、また怪我のリスクなしに作業を完了できます。

治具は通常、設計された機械に応じて分類されます。最も一般的なものは、フライス加工治具とドリル治具です。^[10]

フライス加工では、多くのチップを生成し、さまざまな力がかかる大きな直線切削が必要になる傾向があります。フライス加工に対応するために、位置決めおよび支持エリアは通常、大きくて非常に頑丈でなければなりません。また、強力なクランプも必要です。機械の振動のため、ワークピースを固定するには、摩擦よりもポジティブストップが好まれます。大量の自動化プロセスの場合、フライス加工固定具には通常、油圧または空気圧クランプが含まれます。^{[11] [12]}

ドリリング固定具は、フライス加工固定具よりも幅広い設計と手順をカバーします。ドリルのワーク保持はジグによって提供されることが多いですが、固定具はドリリング操作にも使用されます。

ドリル治具の一般的な要素は、穴とブッシングの2つです。穴は、ドリルビット自体が治具やドリルを損傷することなくワークピースを貫通するためのスペースを確保したり、ドリルビットをワークピースの適切なポイントに誘導したりするために、ドリル治具に設計されることがよくあります。ブッシングは、これらの穴に挿入され、穴を保護し、ドリルビットをガイドする単純なベアリングスリーブです。^[13]

ドリルは一方向にのみ力を加える傾向があるため、掘削固定具の支持部品はより単純なものとなる可能性がある。ドリルが下向きに配置されている場合、同じ支持部品がドリルと重力の両方の力を同時に補う可能性がある。しかし、一方向ではあるが、ドリルによって加えられる力は非常に狭い領域に集中する傾向がある。掘削固定具は、ドリルの力でワークピースが曲がらないように注意深く設計する必要がある。^[14]

溶接治具は、溶接アセンブリのサブコンポーネントを所定の位置に保持し、1つの完全なユニットに組み立てるために使用されます。これらの治具は、ロボット自動化と組み合わせる場合は、手動（ハンド）クランプまたは空気圧クランプを使用して作動することがよくあります。堅牢なロボットアーク溶接治具は、自動化システムで溶接するためにコンポーネントを拘束するために使用される部品保持ツールです。^[15]溶接治具は、これらのクランプを使用して部品を配置し、穴、スロット、基準面などのサブコンポーネントの重要な側面を固定します。

溶接治具を設計する際には、慎重に考慮する必要があります。溶接トーチがアクセスできるように適切なクリアランスを確保する必要があります。トーチが大型のスポット溶接ガンである場合、これに対応するのは特に困難です。溶接治具は、すべてのサブコンポーネント部品が適切にネストして、融合に必要な隙間を確保できるように設計する必要があります。溶接の向きは最も重要な問題です。傾斜または垂直の溶接は溶接の滴りにつながる可能性があり、ビードがベースメタルに溶け込むべき場所にクレーターやアンダーカットが発生し、溶接が弱くなり、ビードの端に割れが生じるリスクがあります。

フライス加工治具やドリリング治具で使用される溶接治具にも、同様の構築戦略が採用されています。溶接トーチは、ほとんどの場合、ワークピースに移動されます。比較すると、溶接ジグは、台座溶接機やリニア溶接トーチで一般的に使用され、ワー​​クピースをトーチに移動します。モジュラー固定戦略は、同じ部品をより短い時間で実行するためのセットアップが必要な生産シナリオで展開できます。固定プレートと一般的なワークホールディングソリューションは、これらのシナリオに対応するように設計されています。^[16]

• クランプ
• 自由度（工学）
• 運動学的カップリング
• 治具
• ガスメタルアーク溶接

• Colvin, Fred H.; Haas, Lucian L. (1938)。『Jigs and Fixtures: A Reference Book』。ニューヨークおよびロンドン: McGraw-Hill Book Company。
• Henriksen, Erik K. (1973)。『治具および固定具の設計マニュアル』。ニューヨーク、NY: Industrial Press Inc.
• 「ロボットガスメタルアーク溶接治具」。stryver.com . Stryver Manufacturing, Inc. 2024年1月21日閲覧。
• 「溶接におけるモジュラー固定具ガイド」thefabricator.com . The Fabricator . 2024年1月22日閲覧。