交換可能な部品

交換可能な部品とは、実用上同一の部品 (コンポーネント) のことです。これらは、ほぼ同一であるため、同じタイプのアセンブリに適合する仕様で製造されています。このような部品は、やすりがけなどのカスタムフィッティングを行わなくても、自由に別の部品と交換できます。この互換性により、新しいデバイスの組み立てや既存のデバイスの修理が容易になり、組み立てや修理を行う人の時間とスキルの両方が最小限に抑えられます。

互換性の概念は、20 世紀初頭の 組立ラインの導入に不可欠であり、一部の現代製造業では重要な要素となっていますが、他の重要な産業では欠けています。

部品の互換性は、機械加工作業における数多くの技術革新と改良、およびスライドレスト旋盤、ねじ切り旋盤、タレット旋盤、フライス盤、金属プレーナーなどのいくつかの工作機械の発明を組み合わせることで実現しました。追加の技術革新には、工作機械をガイドするためのジグ、ワークピースを適切な位置に保持するための固定具、完成した部品の精度をチェックするためのブロックとゲージがありました。^{[1] [ページが必要]}電化により、個々の工作機械を電動モーターで駆動できるようになり、蒸気エンジンや水力によるラインシャフトドライブが不要になり、速度が向上し、現代の大規模製造が可能になりました。 ^[2]現代の工作機械には数値制御(NC) が搭載されていることが多く、マイクロプロセッサが利用可能になると CNC (コンピューター数値制御) に進化しました。

米国における互換性のある部品の工業生産方法は、19 世紀に初めて開発されました。当時は、以前の方法と区別するために、米国式製造システムという用語が時々使用されていました。数十年以内に、このような方法はさまざまな国で使用されるようになったため、米国式は現在、現在の産業用語ではなく、歴史的な参照用語となっています。

交換可能な部品の使用の証拠は、2000年以上前の第一次ポエニ戦争のカルタゴまで遡ることができます。カルタゴの船には標準化された交換可能な部品があり、そこには「タブAをスロットBに挿入する」のような組み立て手順書まで付いていました。^[3]

18世紀後半、フランスの将軍ジャン＝バティスト・ヴァケット・ド・グリボーバルは、 1765年に王命として発布された後にグリボーバル方式として知られるようになった標準化された武器を推進した。 （当時、この方式はマスケット銃や拳銃よりも大砲に重点を置いていた。）この方式の成果の1つは、中実鋳造の大砲を正確な許容差で穴あけできたことで、中空芯で鋳造された大砲よりも壁を薄くすることができた。しかし、中空芯は中心からずれていることが多いため、壁の厚さによって砲身のサイズが決まった。標準化された穴あけにより、砲弾がよりぴったりと収まるため、精度と射程距離を犠牲にすることなく大砲を短くすることができ、また砲弾の標準化も可能になった。^{[1] [ページが必要]}

18世紀以前は、銃などの装置は、独特の方法で銃工によって一度に1つずつ作られていました。銃器の1つの部品を交換する必要がある場合は、銃器全体を専門の銃工に送って修理してもらうか、廃棄して別の銃器に交換する必要がありました。18世紀から19世紀初頭にかけて、これらの方法を交換可能な製造システムに置き換えるというアイデアが徐々に発展しました。^{[4] [5]}この開発には数十年かかり、多くの人が関与しました。^{[4] [5]}

グリボーヴァルはオノレ・ブランを支援し、オノレ・ブランはグリボーヴァル方式をマスケット銃に導入しようとした。1778年頃までに、オノレ・ブランは交換可能なフリントロック機構を備えた最初の銃器のいくつかを製造し始めたが、それらは職人によって丁寧に作られていた。ブランは科学者の委員会の前で、彼のマスケット銃に部品の山からランダムに選んだフリントロック機構を取り付けることができることを実証した。^{[1] [ページが必要]}

1785年、オノレ・ブランの尽力により、交換可能な錠前を備えたマスケット銃が駐仏米国大使トーマス・ジェファーソンの注目を集めた。ジェファーソンはブランを説得してアメリカに移住させようとしたが失敗し、その後、このアイデアを陸軍長官に手紙で伝え、米国に戻ると開発資金の調達に取り組んだ。ジョージ・ワシントン大統領はこの構想を承認し、1798年にイーライ・ホイットニーは新システムで製造されたマスケット銃12,000丁を大量生産する契約に署名した。^{[6] [引用による検証が必要] [7]}

フランス革命から逃れたルイ・ド・トゥーサールは、1795年にアメリカ砲兵隊に入隊し、標準化の重要性を強調した影響力のある砲兵マニュアルを執筆した。^{[1] [ページが必要]}

数多くの発明家が、ブランが述べた原理を実装しようとし始めた。必要な工作機械と製造方法の開発は、米国兵器局にとって大きな出費となり、互換性を実現しようとしていた数年間、生産された銃器は製造コストが高くついた。1853年までに、当時連邦兵器庫によって完成された互換性のある部品が節約につながるという証拠があった。兵器局は、使用された技術を外部の供給業者と自由に共有した。^{[1] [ページが必要]}

米国では、イーライ・ホイットニーが、米軍の銃器に「互換性のある部品」を開発することの潜在的な利点に気付きました。1801年7月、彼は全く同じ部品と機構を備えた銃10丁を製作し、米国議会の前でそれらを分解しました。彼は部品を混ぜ合わせた山に置き、助けを借りて議会の前で銃器をすべて組み立て直しました。これはブランが数年前に行ったのとよく似ています。^[8]

議会はこれに魅了され、米国のすべての装備品の標準規格を制定するよう命じた。互換性のある部品の使用により、古い装備品用の新しい部品を製造することが困難または不可能であるという以前の時代の問題が解消された。銃器の部品の 1 つが故障しても、別の部品を注文することができ、銃器を廃棄する必要がなかった。問題は、ホイットニーの銃が高価で、熟練した職人による手作りだったことである。

チャールズ・フィッチは、アメリカン・システムを使用して互換性のある部品を備えた銃器契約を成功させたのはホイットニーだと評価したが^[4]、歴史家のメリット・ロー・スミスとロバート・B・ゴードンは、ホイットニーが実際には互換性のある部品の製造を達成したことはなかったと結論付けた。しかし、彼の家族の武器会社は彼の死後にそれを達成した。

互換性のある部品を使用した大量生産は、1803年にマーク・イザムバード・ブルネルがヘンリー・モーズリー、サイモン・グッドリッチと協力し、イギリス、 ハンプシャー州ポーツマス造船所のポーツマスブロック工場の海軍工場監察総監である准将サー・サミュエル・ベンサム^[9]の管理（および貢献）のもとで初めて達成されました。当時はナポレオン戦争の真っ最中で、イギリス海軍は年間10万個の滑車ブロックを製造する必要があったほど拡張状態にあった。ベンサムは、動力駆動の機械を導入し、造船所のシステムを再編成することで、すでにドックで目覚ましい効率を達成していました。

先駆的なエンジニアであるマーク・ブルネルと、1800年に初めて工業的に実用的なねじ切り旋盤を開発し、ねじ山のサイズを初めて標準化した工作機械技術の創始者モーズレイ^[10]は、ブロック製造機械の製造計画を共同で策定し、海軍本部に提案したところ、モーズレイに業務を委託することに同意した。1805年までに、製品がまだ異なる部品で個別に製造されていた時代に、造船所は画期的な専用機械で完全に更新された。3つの異なるサイズで製造できるブロックに対して22のプロセスを実行するために、合計45台の機械が必要だった。機械はほぼ完全に金属製で、精度と耐久性が向上した。機械はブロックにマーキングとくぼみを付け、プロセス全体にわたって位置合わせを確実にする。この新しい方法の多くの利点の1つは、機械の管理に労働集約的な要件が少ないため、労働生産性が向上することだった。ブルネルの息子でエンジニアのイザムバード・キングダム・ブルネルのアシスタントであったリチャード・ビーミッシュは次のように書いている。

したがって、この機械の助けにより、以前は 110 人の不確実な労働を必要としていた作業を、10 人の作業員が均一に、迅速に、そして容易に完了できるようになります。

1808年までに年間生産量は13万ブロックに達し、一部の設備は20世紀半ばまで稼働していた。^{[11] [12] [13] [14] [15] [16]}

イーライ・テリーは、 1800年という早い時期にフライス盤を使用して互換性のある部品を使用していました。時計学者のウォード・フランシロンは、テリーが1800年にすでに互換性のある部品を実現していたと研究で結論付けています。この研究では、1800年から1807年の間に製造されたテリーの時計のいくつかを検査しました。部品にはラベルが付けられ、必要に応じて交換されていました。この研究では、すべての時計の部品が互換性があると結論付けました。アメリカで互換性のある部品を使用した最初の大量生産は、3年間で4000個の時計を生産することを要求したイーライ・テリーの1806年のポーター契約でした。 ^[17]この契約で、テリーは4000個の木製ギアトールケースムーブメントを製作しましたが、当時の年間平均は12個程度でした。^[18]イーライ・ホイットニーとは異なり、テリーは政府の資金援助を受けずに製品を製造しました。テリーは、時計が家庭用品になる可能性を見出していました。フライス盤を使用することで、テリーは数十個の時計の歯車とプレートを同時に大量生産することができました。治具とテンプレートを使用して均一なピニオンを作成し、すべての部品を組立ラインを使用して組み立てることができました。^[18]

金属部品の互換性に向けた重要な一歩は、イーライ・テリーからわずか数マイルのところで働いていたシメオン・ノースによって踏み出されました。ノースは、それまでヤスリで手作業で行っていた金属成形を行う世界初の本格的なフライス盤を製作しました。ダイアナ・ミュアは、ノースのフライス盤が稼働していたのは 1816 年頃だと考えています。 ^{[19]ミュア、メリット・ロー・スミス、}ロバート・B・ゴードンは、1832 年以前にはシメオン・ノースとジョン・ホールの両名が、荒鍛造部品を使用するシステムを使用して、可動部品 (銃) を備えた複雑な機械を大量生産できたことに同意しています。フライス盤で部品をほぼ正確なサイズにフライス加工し、その後「ヤスリ治具を使用して手作業でゲージにヤスリ加工」しました。^[20]

歴史家の間では、ホールとノースのどちらがこの重要な改良を行ったかという問題について意見が分かれている。メリット・ロー・スミスは、ホールが行ったと考えている。^{[21] [22]}ミューアは、シメオン・ノースと、木製時計を大量生産していた近隣の機械工との密接な個人的つながりと職業上の提携関係を明らかにし、交換可能な部品を持つ銃を製造する工程は、時計の大量生産で使用された成功した方法を模倣してノースが考案した可能性が高いと主張している。^[19]現在未知の文書が将来発見されない限り、この問題を絶対的な確実性を持って解決することはできないかもしれない。

熟練した技術者や機械工（多くは兵器製造の経験者）が、互換性のある製造技術を他のアメリカの産業に広めた。その中には時計メーカーやミシンメーカーのウィルコックス・アンド・ギブス、ウィーラー・アンド・ウィルソンなどがあり、1860年以前には互換性のある部品を使用していた。 ^{[1] [要ページ] [23]} 互換性システムを採用したのは 、シンガー社のミシン（1860年代～1870年代）、刈り取り機メーカーのマコーミック・ハーベスティング・マシン・カンパニー（1870年代～1880年代）^{[1] [要ページ] 、}コーリス（1880年代半ば）^[24]などの大手蒸気機関メーカーや機関車メーカーが後発だった。タイプライターは数年後に続いた。そして、1880年代の自転車の大規模生産で互換性システムが使用され始めた。^{[1] [要ページ]}

この数十年間で、真の互換性は、稀で困難な成果から、製造業全体で日常的な能力へと成長しました。^{[1] [ページが必要]} 1950 年代と 1960 年代には、技術史家が開発の歴史に対する世界の理解を広げました。その学問分野以外でこのトピックについて知っている人はほとんどいませんでしたが、つい最近、1980 年代と 1990 年代に、学術的知識がより広い聴衆を獲得し始めました。つい最近、1960 年代にアルフレッド P. スローン氏が有名な回顧録と経営論文である『ゼネラルモーターズでの私の日々』を出版したとき、史上最大の製造企業の社長と会長を長年務めた彼でさえ、開発の歴史について次のこと以外ほとんど知りませんでした。

[ヘンリー・M・リーランドは]、自動車製造に互換性のある部品の技術を持ち込んだ主な責任者の一人だったと私は信じています。 […] イーライ・ホイットニーは、それよりずっと前に銃の製造に関連して互換性のある部品の開発を始めていたことが私の注目に値します。この事実は、ホイットニーからリーランド、そして自動車産業へと受け継がれた系譜を示唆しています。^[25]

このテーマに関する最もよく知られた書籍の一つは、1984年に初版が出版され、学界を超えて多くの読者を獲得したデイビッド・A・ハウンシェルの『アメリカ式大量生産システムから大量生産へ、1800年から1932年:米国における製造技術の発展』である。^[1]

• 手当（エンジニアリング）
• 構成管理
• エンジニアリングの適合
• エンジニアリング許容範囲
• 代替可能性
• ジャストインタイム（ビジネス）
• ルイ・ド・トゥサール
• モジュラー設計
• 希望番号

• カントレル、J.、クックソン、G.編（2002）、ヘンリー・モーズレイと機械時代の先駆者たち、ストラウド。
• ジョナサン・コード（1989年）『ロイヤル・ドックヤード、1690-1850年』アルダーショット。
• ジョナサン・コード（2005年）『ポーツマス・ブロック・ミルズ：ベンサム、ブルネルとイギリス海軍の産業革命の始まり』イングリッシュ・ヘリテージ、ISBN 1-873592-87-6。
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• ミュア、ダイアナ（2000）、ブルス池の反射：ニューイングランドの経済と生態系、ニューイングランド大学出版局、ISBN 978-0-87451-909-9。
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• ロー、ジョセフ・ウィッカム（1916年）、イギリスとアメリカの工具製造業者、ニューヘブン、コネチカット：エール大学出版局、LCCN  160117531926 年にニューヨークとロンドンの McGraw-Hill 社 ( LCCN  27-24075) およびイリノイ州ブラッドリーの Lindsay Publications, Inc. ( ISBN 978-0-917914-73-7 ) によって再版されました。工作機械の歴史における重要な古典です。後の著作で広く引用されています。 
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• Parkhurst, EG (1901 年 1 月 3 日)、「交換可能な部品のシステムによる製造」、American Machinist、ニューヨーク、ニューヨーク、米国: Hill Publishing Company。

• 交換部品の起源