チャック（エンジニアリング）

チャックは、特に円筒などの放射対称の物体を保持するために使用される特殊なタイプのクランプです。ドリル、ミル、トランスミッションでは、チャックは回転する工具を保持します。旋盤では、チャックは回転するワークピースを保持します。^[1]

チャックは一般にジョーを使用して工具またはワークピースを保持します。ジョーは、通常、星の先端のような放射状対称パターンに配置されています。ジョー付きチャックを締めたり緩めたりするためにチャックキーと呼ばれるレンチのような装置が必要な場合がありますが、他のジョー付きチャックは手力だけで締めたり緩めたりすることができ、握る力を犠牲にして便利です。一部の旋盤のチャックには独立して動くジョーがあり、不規則な形状の物体を保持できます。より複雑な設計には、特殊な形状のジョー、より多くのジョー、またはクイックリリース機構が含まれる場合があります。

チャックはジョーの代わりに、磁気、真空、またはコレット（工具またはワークピースの周りにぴったりとフィットし、圧迫すると工具またはワークピースをつかむ柔軟なカラーまたはスリーブ）を使用する場合があります。^{[引用が必要]}

セルフセンタリングチャックとも呼ばれるスクロールチャック[^2]スクロールギアを介して相互接続されたジョーを使用して、ツールまたはワークピースを固定します。ほとんどの場合、ジョーは3つであるため、3ジョーチャック他の修飾語なしで機械工には自動センタリング3ジョーチャックを意味すると理解されています。ユニバーサルチャックTIR場合に、円形または六角形の断面をつかむのに最適です。^[要出典]

このタイプのチャックには、3 つではなく 4 つまたは 6 つのジョーが付いている場合があります。4 つのジョーが付いたチャックは主に四角形または八角形の材料をつかむのに役立ち、6 つのジョーが付いたチャックは薄壁のチューブやプラスチック材料を歪みを最小限に抑えて保持します。^{[引用が必要]}

3 つのジョーを備えた独立ジョー (非セルフセンタリング) チャックもありますが、利点が少なく、非常にまれです。^{[引用が必要]}

ハイブリッド セルフセンタリング チャックには、ワークピースがスクロール ジョーでつかまれた後に同心度をさらに向上させるために使用できる調整ネジが付いています。この機能は、スクロール プレートのセルフセンタリングのスピードと容易さを、独立ジョー チャックの振れをなくす制御性と組み合わせることを目的としています。このタイプの最も一般的な名前は、ブランド名 GripTru です。このブランド名が過度に一般化されるのを避けるため、一般名の提案には「exact-adjust」が含まれています。^{[引用が必要]}

3 爪チャックは、旋盤やインデックスヘッドでよく使用されます。

ドリルチャックは、ドリルビットやその他の回転工具を保持するために使用される、通常は 0.5 インチ (13 mm) 以下、まれに 1 インチ (25 mm) を超える容量を持つ、特殊なセルフセンタリング式の 3 爪チャックです。このタイプのチャックは、プロ用機器から家庭用の安価な手動ドリルや電動ドリルまで、さまざまな工具に使用されます。

一部の高精度チャックでは、ボールスラストベアリングを使用して、閉止機構の摩擦を減らし、掘削トルクを最大化します。このタイプのチャックのブランド名はスーパーチャックで、カタログには記載されていませんが、口語ではよく一般化されています。^{[引用が必要]}

ピンチャックは、通常のドリルチャックではしっかりと保持できない小さなドリル（直径1mm（0.039インチ）未満）を保持するために設計された特殊なチャックです。ドリルをピンチャックに挿入して締め付けます。ピンチャックにはシャフトがあり、これを大きなドリルチャックに挿入してドリルをしっかりと保持します。ピンチャックは、ドリル以外のダイグラインダーやジググラインダーなどの高速回転工具にも使用されます。

に独立爪チャックでは、各爪を独立して動かすことができます。ほとんどの場合、4 つの爪があるため、4 爪チャックは、独立した 4 つの爪を備えたチャックを意味します。爪が独立しているため、これらのチャックは、(a) 非円形断面をつかむ場合、および (b) 円形断面を非常に正確につかむ場合 (最後の数百分の 1 ミリメートル [または 1000 分の 1 インチ] の振れを手動で除去する必要がある場合) に最適です。独立した爪の非自動センタリング動作により、センタリングを高度に制御できます (経験豊富なユーザーの場合) が、速度と容易さが犠牲になります。4 爪チャックは、ツールの保持にはほとんど使用されません。4 爪チャックは、旋盤やインデックス ヘッドに使用されています。

4 つのジョーを備えたセルフ センタリング チャックも入手できます。これらのチャックには、六角形の素材を保持できないことと、楕円形の素材をうまくつかめないことという 2 つの欠点があるとよく言われますが、後者だけが真実です。3 つのジョーを備えたセルフ センタリング チャックであっても、ワークに沿って均一な断面を持たないワーク (および螺旋や「巻き」のないワーク) はつかまないでください。ジョーが歪んで精度が永久に損なわれる可能性があります。

偏心機能を加工する必要がある場合、4 爪チャックを使用すると、ワークピースを偏心させて簡単に保持できます。

「キャッツポー」は、独立ジョーチャックのシンプルで比較的安価な限定機能バージョンです。これは通常、放射状にねじ山が刻まれた金属リングで構成され、その中でねじ (六角キャップ、ソケット六角キャップ、またはセットスクリュー) が独立ジョーとして機能します。キャッツポーはさまざまな用途に使用できます。

• メイン旋盤チャックを補完する補助機能として:
  • バーまたはワークピースをスピンドルボアの後端で保持し、同心円状に支持して、スピンドルの回転中にぐらつきや振動が生じないようにします。銃身やオイルパイプなどが、この利点を享受できるワークピースの例です。
  • バーまたはワークピースをテールストックの端で保持する（したがって、固定レストとして機能する）、またはツールに追従する（したがって、フォロワーレストとして機能する）。
• メイン旋盤チャックの代わりに（銃器製作作業など、特定のワークピースに有効）

特殊な用途には、 6 個または8 個のジョーを備えたチャックがあります。これらは通常、セルフセンタリング設計で、非常に高い精度基準で製造できます。ただし、このようなチャックは、従来の 3 ジョー セルフセンタリング チャックよりも、固体ワークピースを固定する際に必ず精度が高いというのは誤解です。実際、熱間圧延されたワークピースやその他の不完全な円形ワークピースは、偶数のジョーを備えたスクロール チャックの反対側のジョーの間で不安定に「ぐらぐら」することがあります。これは、4 本足のスツールが粗い床の上でぐらぐらするのに対し、3 本足のスツールはぐらぐらしないのと同じです。6 ジョーおよび 8 ジョー チャックの主な目的は、薄壁のチューブを最小限の変形で固定することです。6 ジョー チャックはクランプ ポイントが 2 倍あるため、薄壁のワークピースのクランプ歪みは、3 ジョー チャックの半分以下になります。

2 ジョー チャックは、特定のワークピースに合わせて機械加工できるソフト ジョー(通常はアルミニウム合金)と一緒に使用できます。これらからカスタム固定具を保持するフェースプレートへの概念的な飛躍は短く、部品は固定ストッパーに対して配置され、トグル クランプまたはつま先クランプで保持されます。

多くのチャックには取り外し可能なジョーが付いており (多くの場合、上部は取り外し可能で、ベースまたは「マスター ジョー」はスクロールと組み合わされたままです)、ユーザーは新しいジョー、特殊なジョー、またはソフト ジョーと交換できます。ソフト ジョーは、柔らかい (硬化していない) 金属、プラスチック、木材などの柔らかい材料で作られています。特定の設定に合わせて機械加工できます。マスター ジョーと取り外し可能なジョーの間の一般的なインターフェイスは、鋸歯状の面のペアで、取り付けネジで締め付けられると、2 つの部分の間で相対的に滑ることはありません。

チャックの一種であるコレットは、（通常は）円筒形の内面と円錐形の外面を持つスリーブです。コレットを対応するテーパーに押し付けると、内面がわずかに小さい直径に収縮し、しっかりと保持したい工具またはワークピースを圧迫します。これは、ほとんどの場合、伸縮できるように長さに沿って 1 つ以上の切り込みが入ったバネ鋼製のスプリング コレットによって実現されます。別のコレット設計では、柔軟な結合媒体（通常は合成ゴムまたは天然ゴム）によって円形の位置（星の先端、またはジョー付きチャックのジョーのように）に保持された複数のテーパー付き鋼ブロック（基本的にはテーパー付きゲージブロック）があります。Jacobs Rubber-Flex ブランドは、ほとんどの機械工がこのタイプのコレット チャック システムに対して認識している名前です。

コレットの設計に関係なく、動作原理は同じです。つまり、保持するツールまたはワークピースに対してコレットを放射状に圧迫し、高い静摩擦を発生させます。適切な条件下では、非常にしっかりと保持されます。ほぼすべてのコレットチャックは、1 組以上のオスとメスのテーパー (円錐) 面を軸方向に移動させることで放射状の圧迫動作を実現し、高度に同心円状の方法で放射状の圧迫を生成します。コレットの設計に応じて、コレットを (コレットの背面にあるねじ部分を介して) 引っ張るか、(2 番目のテーパーが付いたねじ付きキャップを介して) 対応する円錐ソケットに押し込むことで、クランプ動作を実現できます。コレットがテーパーソケットに押し込まれると、コレットが収縮し、内側のシリンダーの内容物を掴みます。 (ただし、コーンの軸方向の動きは必須ではありません。直線的な力で放射状に圧縮されたスプリット ブッシング (セット スクリュー、ソレノイド、スプリング クランプ、空気圧シリンダーまたは油圧シリンダーなど) は、コーンなしでも同じ原理を実現します。ただし、同心度は、ブッシングの直径が保持される特定のオブジェクトに完全である場合にのみ得られます。したがって、工作機械のツールの作成やセットアップなどのツールルームのコンテキストでのみ、これが一般的です。)

円錐状の動作の必然的な結果の 1 つは、コレットが閉じるときに、ワークを軸方向にわずかに引き込む可能性があることです。この引き込みを防ぐための対策を講じていないコレット チャック システムは、この動きを回避するシステム (通常は、コレットをリングに引き込むのではなく、テーパー状の閉じリングをコレットの方に押し込む) とは対照的に、引き込みコレット チャックと呼ばれることがよくあります。このような引き込みのないタイプは、多くの場合、「デッド レングス」または「非引き込み」コレット チャックと呼ばれます。引き込みは常に問題になるわけではありませんが、引き込みを考慮しないと部品の全体の長さ、肩の長さなどに不正確さが生じる可能性がある作業では、引き込みを回避することが役立つ場合があります。

コレットは、フライス盤、旋盤、木工ルーター、精密グラインダー、およびダイグラインダーや回転工具などの特定の手持ち式電動工具で最もよく見られます。さまざまなシステムがあり、一般的な例としては、ER、5C、およびR8システムがあります。モールスまたはブラウンアンドシャープテーパーソケットに適合するコレットも入手できます。

通常、コレットはセルフセンタリングチャックよりも高い精度と正確性を提供し、独立ジョーチャックよりもセットアップ時間が短くなります。欠点は、ほとんどのコレットが 1 つのサイズのワークピースしか収容できないことです。例外は ER コレットで、その作業範囲は通常 1 mm (約 0.04 インチ) です。

コレットは通常、円筒形のワークを保持するために作られていますが、四角形、六角形、または八角形のワークを保持するためにも使用できます。ほとんどのコレットは硬化されていますが、ユーザーが特別なサイズや形状に機械加工できる「緊急用」コレットも用意されています。これらのコレットは、スチール、真鍮、またはナイロンで入手できます。通常のコレットの容量よりも大きい短いワークを保持できるように機械加工できるステップ コレットも用意されています。

1975年にボッシュがハンマードリル用に開発したSDSシステムは、チャックで保持されるくぼみのある円筒形のシャンクであるSDSシャンクを使用します。 ^[3] ツールをチャックに挿入し、ロックが解除されるまで所定の位置に固定します。回転力は、2つまたは3つの開いた溝に収まるくさびを介して伝達されます。ビットは短い距離を自由に移動でき、ハンマーの動作によりビットがチャック内で上下に動きます。2つのスプリングボールが閉じた溝に収まり、ビットを保持しながら移動できるようにします。シャンク径が異なる4つの標準サイズがあります。

SDSクイック

6 mmのシャンクには、駆動ウェッジと相互作用する2つの開いた溝と、ロックボールで保持される2つの閉じた溝があります。これは、2011年にボッシュUneoシリーズに導入された最新のサイズで、直径10 mmまでのコンクリートドリルに対応しています。^[4]

10 mm シャンクには、駆動ウェッジと相互作用する 2 つの開いた溝と、ロック ボールによって保持される 2 つの閉じた溝があります。これは最も一般的なサイズで、最大 4 kg のハンマーをつかみます。ウェッジは 75 mm ² (0.116 平方インチ) の領域をつかみ、シャンクはチャックに 40 mm 挿入されます。

SDSトップ

SDSプラスに似た14mmのシャンクで、2～5kgのハンマー用に設計されています。グリップ面積は212mm2（0.329平方インチ）に拡大され^、シャンクは70mm挿入されます。このサイズは珍しいため、2009年に製造中止となりました。^[5]

SDS-マックス

^{18 mmのシャンクで、3つの開いた溝とボールではなくロックセグメントが付いています。5 kg以上のハンマー用に設計されています。ウェッジは389 mm 2} (0.603 平方インチ)の面積をつかみ、シャンクは90 mm挿入されます。^[6]

多くのSDSドリルには「回転オフ」設定があり、ドリルをチゼル加工に使用できます。SDSという名前はドイツ語のSteck-Dreh-Sitz（挿入-ドリル-アタッチメント）に由来しています。ドイツ語圏の国では頭字語Spannen durch System（クランプシステム）も使用されていましたが、ボッシュは現在、国際的にSpecial Direct Systemを使用しています。^[7]

商業生産機械加工では、インデックス可能な位置決めだけでなくインデックス可能なクランプも備えた、ますます高度なチャックが使用されるようになりました。^[8]両方の機能は通常、油圧制御されます。クランプは、多くの場合、1つの固定ジョーと1つの可動ジョー（油圧作動）で構成される各ジョーのペアで行われ、テーマ的には高度なフライス加工バイスに似ています。このクランプ方法により、チャッキングアプリケーションにこのようなバイスの高い精度と再現性をもたらします。このようなチャックは、従来の独立ジョーチャックのセンタリング精度と、従来の3ジョーセルフセンタリングスクロールチャックのチャッキング速度と使いやすさを提供します。初期コストは高価ですが（従来のチャックと比較して）、そのような初期コストはそれ自体を回収し、商業生産環境での継続的な限界費用を削減します。

また、最近では、閉ループ位置決めと負荷監視を介して、各ジョーの位置と締め付け圧力を CNC で正確に制御できる CNC チャックを構築することもできます。本質的には、各ジョーは 1 つの独立した CNC 軸、つまりリードスクリュー付きの機械スライドであり、4 つまたは 6 つのすべてが互いに連携して動作できます。このアイデアは概念的には興味深いものですが、前の段落で説明したより単純なチャッキング システムは、より単純で安価なソリューションを介して同じ機能を提供するため、ほとんどのアプリケーションでこの代替案よりも市場で勝者となる可能性があります。

強磁性ワークピースを保持するために使用される磁気チャックは、正確に中心に配置された永久磁石面で構成されています。電磁石または永久磁石は、ハウジング内に含まれる固定された鉄板、または磁極片と接触します。これらの磁極片は通常、ハウジングの表面と同じ高さにあります。保持される部品 (ワークピース) は、これらの固定プレート上で磁気ループまたは磁気パスの閉鎖を形成し、ワークピースの安全な固定を提供します。

静電チャックは、リソグラフィー工程中にシリコンウエハーを保持するために一般的に使用され、金属ベースプレートと薄い誘電体層で構成されています。金属ベースプレートはウエハーに対して高電圧に維持され、静電力によってウエハーがベースプレートに固定されます。静電チャックにはピンまたはメサが付いている場合があり、その高さは報告されている誘電体の厚さに含まれています。サンディア国立研究所の設計では、パターン化された二酸化シリコン誘電体を使用してピンを形成しています。^[9]

真空チャックは、主に銅、青銅、アルミニウム、チタン、プラスチック、石などの非鉄金属に使用されます。真空チャックでは、ワークピースの後ろの空洞から空気が送り出され、大気圧によって保持力が生まれます。真空によって海面で 14.7 psi (101 kPa) の保持圧力が生じますが、大気圧が低い標高の高い場所では圧力が低下します。保持圧力は、海抜 1000 フィートごとに約 0.5 psi 低下します。^{[引用が必要]}

工作機械や電動工具のスピンドルやテーブルにチャックを接続することは、長年にわたってさまざまな方法で行われてきました。

• ねじ付きアーバーはチャック本体にねじ込むことができます。
• テーパアーバー（自己保持テーパ付き）をチャック本体に 押し込むことができます。
  • 除去と挿入にはさまざまなツールや方法が必要になる場合があります。
    • ツール:バイス(特にこの目的のために作られた木製の治具またはソフトジョー付き)、ハンマー(特に傷をつけないハンマーまたはゴム製の木槌)、アーバー プレスまたはショップ プレス(最後の 2 つはチャックを損傷しないようにスキルが必要です)。
    • 方法: 加熱 (ヒートガン、トーチ、またはオーブンを使用) と冷却 (キッチンの冷凍庫、冬の天候、または圧縮空気や窒素の減圧を使用)。
• ドリルチャックには、旋盤のねじ付きスピンドルノーズに直接ねじ込む中空の本体が付いている場合があります。(特に最近では、このようなものはかなりまれです。)

• ねじ山付きのバックプレートは、ねじ山付きスピンドルノーズ (旋盤作業用) または同じノーズを持つアダプタプレートにねじ込まれ、フライス盤または表面研削盤のテーブルに取り付けられます。この「ねじ山付きスピンドルノーズ」タイプの取り付けは、19 世紀から 1930 年代にかけての一般的な方法でした。これはシンプルで便利ですが、同心度の制御の程度が、高速で高精度の作業を確実に行うには十分ではありません (高精度は達成できますが、セットアップに必要な時間とスキルを考えると、以下で説明するカムロックスピンドルノーズなどのより優れたオプションが存在する現在では、適切な選択ではありません)。ねじ山付きスピンドルノーズは、今でも新しい工作機械に取り付けられていますが、ローエンドの種類 (趣味人、最も費用のかからない MRO など) のみです。高資本製造 (高い初期費用により、中量から大量生産の高精度部品の単位費用が可能な限り低く抑えられる) では、このタイプの取り付けは使用されなくなりました。正確調整 (Set-Tru) コンセプトは、比較的容易にねじ付きスピンドルのノーズで高い同心度を実現する方法の 1 つです。
• 小型旋盤で一般的なソリューションは、スピンドルの端に幅広のフランジを取り付け、チャックまたはそのバックプレートの凹部に一致する同心の円形レジスターを取り付けたものです。レジスターは通常、浅く、側面が平行で、チャックのメス レジスターに軽く押し込んでフィットします。チャックは、レジスターによって完全に提供される位置合わせに影響を与えないクリアランス ホールを介してボルトで固定されます。この配置は優れた再現性を備えていますが、生産状況では時間がかかります。
• メス型（セルフリリース）テーパー付きのバックプレートは、テーパースピンドルノーズ（旋盤作業用）の対応するオス型テーパー、または同じノーズを持つアダプタプレートに装着して、テーブルに取り付けることができます。このシステムにより、取り付け同心の再現性が、非常に小さな総指示振れ（TIR）値まで向上します。サブタイプ：
  • チャックは、通常、ピン型またはフック型のスパナレンチで締められる、ねじ付きリテーナーリング（大きな薄いナット）でテーパーに固定されます。このタイプのスピンドルノーズの製造は、1940 年代から 1950 年代にかけて人気がピークに達しました。
  • チャックは、固定位置にくさび止めするカムロック ポストを使用してテーパーに固定できます。業界標準のスピンドル ノーズ設計により、幅広い互換性が実現します。このカムロック スピンドル ノーズ システムは、1960 年代のほとんどの工作機械で以前のシステムに取って代わりました。

• バックプレートに取り付けられたコレットチャックの場合も、上記と同じ方法がすべて適用できます。
• コレット チャックを使用する多くの旋盤には、専用のコレット クローザーセットアップがあり、バックプレートはなく、スピンドル ノーズには、コレットのオスの外側テーパー用のメス テーパー、またはそれを保持するスリーブが含まれています。中空のドローバーがヘッドストックを通り、その背面にクローザー メカニズムが取り付けられています。クローザー メカニズムにより、コレットを簡単かつ迅速に開閉できます。ドローバーの内径によって、旋盤のスピンドルを通したバーの直径容量が決まります。一部のコレット クローザー システムでは、スピンドルの回転を停止せずに開閉することもできます。手動旋盤のクローザーは、レバー スタイルまたはハンドホイール スタイルのいずれかです。CNC 旋盤のクローザーは動力源 (電気、油圧、または空気圧) があり、さまざまな方法で制御できます。必要なときにオペレーターが踏むフット ペダル、プログラム内の行 (プログラム制御による開閉用)、またはコントロール パネルのボタンです。

旋盤におけるワークの保持の元々の形式は、センター間の保持と主軸へのアドホックな固定でした。 ^{[説明が必要]}木工旋盤で現在も使用されているスパイク型センターは、古代の手法を表しています。数世紀前のアドホックな固定方法には、締め付けやくさびによるピン留め、釘打ち、革や繊維の紐による縛り付け、ドッギングダウン（これもピン留め/くさび留め/締め付けを含む）、その他のタイプなど、あらゆるものが含まれていました。フェイスプレートは、少なくとも中世の時計職人の時代から存在していると思われます。

今日のチャックに似た工具は、フェイスプレート作業から発展したと思われる。フェイスプレートを反復作業に使用している作業員は、フェイスプレートを何度も完全に分解して組み立て直すよりも、もっと便利な方法で開閉できるタイプのクランプやドッグを思い描き始めた。チョックはもともと木の塊だった。しかし、1703年までに「…スクリューマンドレルに属するチョック」となった。^{[10] 1807年までに、この言葉はより馴染みのある「}チャック」 に変わった。「スピンドルの端に…ねじ込まれ…あらゆる種類の作業を保持するためのユニバーサルチャック」。^[11]

1818年後半か1819年初頭、芸術・製造・商業奨励協会は、3つ爪の旋盤チャックを製作したアレクサンダー・ベル氏に銀メダルと10ギニー（10.5ポンド、2023年の価値で1,006ポンドに相当^[12]）を授与した。

この器具は旋盤の心棒にねじ込むことができ、平らな面から正三角形を形成する 3 つのスタッドが突き出ており、中心に向かって均等に動かしたり、中心から均等に動かしたりすることができます。

スクロールか他の手段か、どのように「均等に」動かされたのかは明らかではない。^[13] 1819年後半、同じ団体はT.ハック氏の4つ爪チャックにさらに銀メダルを授与した。^[14] 米国では、サイモン・フェアマン（1792–1857）が旋盤で使用される現代のスクロールチャックを開発した。^[15] この特許は組み立ての技術的側面に言及しており、彼はスクロール（「渦巻き状の溝」）の発明を主張していない。^[16] 彼の義理の息子オースティン・F・クッシュマン（1830–1914）がこのアイデアを開発し、彼の会社であるクッシュマン・インダストリーズを通じてチャックを販売した。^[17]

20世紀初頭、アーサー・アーヴィング・ジェイコブスは現代のドリルチャックを開発しました。旧式のスパナで調整するドリルチャックで指の関節を痛めた後、彼は傾斜したスロット内でジョーが軸方向に動くチャックを開発しました。1902年の彼の特許にはそのメカニズムが詳しく記されています。^[18]ドリルチャックという用語は彼が考案したものではないことは明らかですが、彼の新しいタイプのドリルチャックは、現在一般的なドリルチャックに見られる角度付きジョーの動きと外側のスリーブのない以前のタイプをずっと前に置き換えました。

チャックの性能評価に使用される定義、要件、試験方法を標準化するために、国家規格と国際規格が使用されています。使用する規格の選択は、サプライヤーとユーザーの間の合意であり、チャックの設計において重要な意味を持ちます。米国では、ASME が「ワークホールディングチャック：ジョータイプチャック」と題する B5.60 規格を開発しました。この規格は、主に旋削加工で使用されるワークホールディングチャックの性能を規定し、試験するための要件と方法を規定しています。^[19]

ウィキメディア・コモンズには、チャックスに関連するメディアがあります。

• Brown, Chris (2011 年 4 月 25 日)、「インデックス可能なチャックの詳細」、Production Machining。