CNC加工用治具・固定具 - 完全エンジニアリングガイド

CNC治具と冶具の紹介

CNC加工治具とは？

CNC加工用治具は、切削工具をワークピースの正しい位置にガイドするカスタム設計のツールです。加工中にワークピースを確実に位置決めすることができます。治具の主な機能は工具の正確な動きを確保することですが、正確な穴あけやプロファイルカットのために工具をガイドするブッシュのような機能を含めることもできます。治具は、特に大量生産において、再現性と精度を維持するために非常に重要です。

CNC加工用治具とは？

一方、CNC加工用治具は、加工作業中にワークを所定の位置にしっかりと固定します。治具とは異なり、フィクスチャーは切削工具をガイドするのではなく、パーツを安定させ、機械の切削工具とのアライメントを確保することに重点を置きます。冶具は各パーツに一貫した基準を提供し、ばらつきの少ないパーツを製造するために不可欠です。

CNC製造においてワークホルダが重要な理由

CNC製造において、精密なワークホールディングは、高品質で再現性の高い部品を実現するための鍵となります。効果的な 治具と固定具、 部品は加工中にずれる可能性があり、エラー、ミスアライメント、スクラップの原因となります。ワーク保持装置は、ワークを所定の位置に固定し、切削工具と正確に位置合わせし、作業中の移動を防止することで、こうしたリスクを軽減するのに役立ちます。このレベルの精度は、厳しい公差や複雑な形状を実現する場合に特に重要です。

手動、半自動、CNC駆動治具の違い

フィクスチャーは、手動、半自動、CNC駆動の3つのタイプに分類できる。手動フィクスチャーは、手動機械で使用され、オペレーターがワークピースを手動で位置決めし、調整する必要があります。半自動フィクスチャーは、空気圧や油圧によるクランプなど、ある程度の自動化を提供することでオペレーターを支援します。CNC駆動フィクスチャーは、CNC機械と完全に統合され、加工プロセスを最適化するために、ワークを自動的に位置決めし、クランプします。

なぜCNCには特殊な治具と固定具が必要なのか

高速切削力と振動

CNC加工は、大きな力と振動を発生させる高速切削を伴います。特殊な治具や冶具は、これらの力を吸収し抵抗するように設計されており、加工中のワークの安定性を確保します。この安定性は、部品の品質を維持し、振動による歪みや不正確さを防ぐために非常に重要です。

多軸モーション制約（3軸、4軸、5軸）

最新のCNCマシンは、3軸、4軸、5軸などの多軸機能を持つことが多い。多軸機用の治具は、これらの複雑な動きに対応できるように設計されていなければなりません。冶具は、切削工具が複数の軸を自由に移動できるようにしながら、加工物をしっかりと保持しなければなりません。専用治具は、単純な3軸加工であれ複雑な5軸加工であれ、各加工作業でワークが正しく位置合わせされるようにするために不可欠です。

繰返し精度と±0.001″公差の達成

CNC加工では、±0.001″またはそれ以上の極めて厳しい公差での繰り返し精度が要求されます。このレベルの精度は、各部品に固定基準を提供するカスタム設計の治具と固定具を使用することで達成されます。精密なワークホールドがなければ、複数の部品や生産工程にわたってこのような高レベルの一貫性を実現することは不可能です。

ワークの歪み、工具のたわみ、熱影響

加工中、切削力や熱膨張がワークの歪みや工具のたわみを引き起こし、部品の品質に影響を与えることがあります。治具や冶具は、ワークを確実に固定し、工具のたわみを補正することで、これらの影響を最小限に抑えるように設計されています。さらに、治具は、熱を吸収する材料を組み込んだり、熱膨張を緩和する冷却システムを可能にしたりすることで、熱影響に対応するように設計されることもあります。

CNC治具・冶具の種類

• CNC治具
  
  • CNCドリルサイクル用穴あけ治具:これらの治具は、ドリルビットをガイドし、穴が正確な位置と正しい角度で開けられるように設計されています。大量の穴あけ作業には欠かせません。
    
  • ロボット/CNCアライメント用位置決め治具:これらの治具は、ロボットアームやCNCマシンのワークピースを正確に位置合わせするのに役立ち、部品が加工のために正しい位置に配置されることを保証します。
    
  • 迅速なセットアップのためのモジュラー治具:モジュール式治具は、交換可能な部品で構成されており、迅速な再構成が可能です。このような治具は、部品交換が頻繁に行われる環境で特に役立ちます。
    
  • 穴あけ治具 - 種類、用途、エンジニアリング設計ガイド:ジグに特化したタイプ 掘削作業様々なCNCアプリケーションに正確な穴位置とアライメントを提供します。

CNC治具

フライス治具

• ベースプレート： フライス加工中にワークを固定するための安定した土台を提供します。
  
• モジュラー器具： 迅速な再構成と調整が可能なため、さまざまな部品サイズや加工作業を行う店舗に最適です。
  
• Tスロット・フィクスチャー： ワークピースをしっかりと保持するために、クランプなどを設置できるスロットを備えている。
  
• バイスマウント器具： 標準的なCNCバイスを使用して部品を固定する。
  

回転治具

• 柔らかい顎： ワークピースを傷つけることなく把持する特注形状のジョーで、旋盤加工によく使用される。
  
• マンドレル： ワークピースを回転させながら確実に保持する装置で、特に円筒部品に有効。
  
• コレット治具： コレットで部品を保持し、旋盤作業に確実なグリップを提供。
  

5軸および多軸治具

• トラニオン固定具： 5軸CNC加工に理想的な多軸回転加工が可能。
  
• 墓石の備品： 複数のワークを同時に保持し、多面加工の効率を向上。
  
• セルフセンタリングバイス： これらのバイスは自動的にワークをセンタリングするため、高精度な5軸加工に最適です。
  
• ゼロポイントフィクスチャー： 高精度CNCマシンの迅速なセットアップ変更と正確な位置決めを可能にします。
  

真空治具（薄物部品用）

真空フィクスチャーは、機械加工中に薄くて平らな部品を所定の位置に保持するために吸引を使用します。従来のクランプ方法では破損してしまうような、デリケートな素材や柔軟性のある素材に最適です。

マグネット固定具（強磁性部品用）

マグネット固定具は、磁場を利用して強磁性ワークを保持し、迅速なセットアップ時間と機械的クランプを使用しない確実な保持を提供します。

自動化対応治具（ロボットCNCセル）

ロボットCNCセル用に設計されたフィクスチャーは、部品の自動ローディングとアンローディングを可能にします。これらの治具は一般的にモジュール式で、異なる部品サイズに適応可能です。

CNC加工用治具の構成部品

フィクスチャー・ベース（プレート／サブ・プレート）

ベースプレートは、フィクスチャーの剛性の基礎を提供します。部品の正確な配置と加工を保証するために、平らで安定したものでなければなりません。

ロケータ（CNCの3-2-1の原理）

ロケーターは、フィクスチャー内のワークピースの位置決めに使用され、ワークピースと切削工具の位置が合っていることを確認します。ロケーターは 3-2-1の原則 この場合、3つのロケータがワークピースを空間的に拘束し、正確な位置決めを保証する。

クランプ装置（手動/油圧/空圧）

クランプ装置は、加工中にワークをしっかりと保持します。クランプ装置には次のようなものがあります。 マニュアル (トグルクランプなど）、 油圧あるいは ニューマチックそれぞれ用途によって異なる利点がある。

これらの装置が治具や冶具とどのように連動するのか、さらに深く掘り下げるには、以下をご参照ください。 治具と固定具におけるクランプと位置決め装置-完全ガイド.

このガイドブックは クランプ＆位置決め装置 CNC加工の精度と効率を向上させます。

サポーター＆レストパッド

サポートエレメントがワークを歪みなく固定します。レストパッドは、クランプ力を均等に分散することで、薄い部品やデリケートな部品の変形を防ぎます。

ブッシング＆ガイドエレメント（ジグ用）

ブッシングは切削工具を所定の経路に沿ってガイドし、ドリル加工やフライス加工などの作業を正確に行うことを保証します。

アライメントキーとゼロ点モジュール

アライメント・キーは、フィクスチャーが工作機械に対して正しく配置されていることを確認します。ゼロ点モジュールは、フィクスチャーの位置決めに正確な基準を提供し、再現性を向上させます。

横型CNC用治具コラム/墓石

フィクスチャーの柱と墓石は、水平方向に使用される。 CNCマシン 複数の部品を保持できるため、同時加工が可能になり、生産性が向上する。

カスタムCNCマシニング治具 - いつ、なぜ必要なのか？

多品種少量生産

カスタム治具は、多種多様な部品を扱うために治具のセットアップを素早く変更する必要がある、多品種少量生産に最適です。

バイスでは保持できない複雑な形状

部品が不規則な形状や複雑な形状の場合、標準的なバイスやクランプでは十分な保持ができないことがあります。カスタム治具は、部品に完璧にフィットするように設計され、加工中の確実な配置を保証します。

薄肉またはデリケートな部品

薄肉部品やデリケートな部品の場合、カスタム治具は最小限の圧力を加えるように設計することができ、損傷を防ぎながら部品をしっかりと保持することができます。

複合加工（3面、4面、6面）

カスタム治具は、複数の加工作業用に部品を固定することで、複数作業による加工を可能にします。これらの治具は、様々な角度でワークを固定することができ、すべての面で一貫性と精度を保証します。

ロボティクスとオートメーションの要件

カスタム治具は、オペレーターの介入なしに部品をロード・アンロードしなければならない自動化セルやロボットCNCセルには不可欠です。これらの治具は、自動化されたシステムでの高速で再現性のある操作のために設計されています。

CNC加工のための効果的な治具と固定具の設計ステップ1 - 加工オペレーションとツールパスの定義

治具と固定具を設計する最初のステップは、加工オペレーションとツールパスを定義することです。必要なオペレーションを理解することで、正確な治具設計と最適なワークホールドストラテジーが可能になります。

力の決定（切断、せん断、クランプ）

次に、エンジニアは加工中にかかる力を計算する必要がある。これには、切削力、せん断力、クランプ力などが含まれます。冶具は、変形やミスアライメントを起こすことなく、これらの力に耐えられるように設計されていなければなりません。

3-2-1ロケの原則を適用する

エンジニアは、3-2-1原理を使用して、ワークを拘束するロケータの最適な数と配置を決定します。この原理により、加工中のワークピースの正確な位置決めと安定が保証されます。

クランプ戦略の選択

適切なクランプ戦略を選択することが重要です。トグルクランプ、自動調整クランプ、油圧クランプ、クイックチェンジクランプなどのオプションがあります。その選択は、部品の形状、必要なクランプ力、自動化のニーズなどの要因によって異なります。

チップクリアランスとクーラントフローの確保

効率的な切り屑排出とクーラントの流れは、部品の品質を維持し、オーバーヒートを防ぐために不可欠です。フィクスチャーは、効率的な切り屑の排出とクーラントの流通を可能にする溝や開口部を持つように設計されるべきである。

サイクルタイムの最適化

冶具の設計は、部品の迅速なロードとアンロード、効率的なクランプ、および部品への容易なアクセスを確保することによって、サイクルタイムを最小化することに重点を置くべきである。

デジタルツイン／CADシミュレーションによる検証

フィクスチャーを製造する前に、エンジニアはCADシミュレーションやデジタルツイン技術を使って設計を検証することができます。このステップにより、冶具が期待通りに機能し、精度と安定性に関するすべての要件を満たすことが保証されます。

CNC治具に使用される材料

アルミニウム（軽量・高速加工）

アルミニウムは、軽量な素材と速い加工時間を必要とする治具によく使用されます。特に試作品や小ロット生産に有効です。

スチール / 工具鋼 (重負荷CNC)

工具鋼を含む鋼は、高負荷のCNCアプリケーションに使用されます。工具鋼は耐久性、耐摩耗性に優れ、重い加工力に耐える必要がある治具に最適です。

鋳鉄 (制振)

鋳鉄は加工中の振動を減衰させるのに優れているため、切削力をワークピースに伝えることなく吸収する必要のある治具に最適です。

硬化鋼インサート

硬化鋼インサートは、切削工具からの損傷に耐える耐久性のある表面を提供し、治具の高摩耗領域に使用されることが多い。

ポリマー/複合材フィクスチャー（3Dプリント、カーボン充填ナイロン）

3Dプリント部品を含むポリマーや複合材料は、カスタム治具や冶具に使用されます。これらの材料は、特に少量生産品や複雑な部品に柔軟性と費用対効果を提供します。

CNCワークホールディング・テクニック（上級）

ゼロポイントワーク保持（クイックチェンジ）

ゼロポイントワークホールドシステムは、迅速な治具交換を可能にします。これらのシステムは、正確な基準点を使用し、迅速なアライメントを行うことで、ダウンタイムを削減し、機械効率を向上させます。

モジュラー固定システム

モジュール式フィクスチャー・システムは、異なる部品サイズや形状に対応するために、フィクスチャー・コンポーネントを素早く再構成できるようにすることで、柔軟性を提供します。

ボールロック・システム

ボールロック・システムは、ロック・ピンを使用して、フィクスチャー・コンポーネントを迅速かつ正確に固定します。これらのシステムは、フィクスチャーの頻繁な交換が必要な大量生産に最適です。

5軸用セルフセンタリングバイス

セルフセンタリングバイスは、パーツを自動的にセンタリングし、セットアップ時間を短縮し、5軸CNC加工の正確なアライメントを保証します。

微細加工用ワークホルダ

微細加工では、小さな部品を傷つけることなく確実に保持するために、特殊な固定具が必要になる。このような固定具には、多くの場合、真空または磁気によるワークホールドメソッドが使用される。

オートメーションパレットとロボット冶具

パレットやロボット冶具を含む自動ワークホールドシステムは、部品のローディングとアンローディングを完全に自動化することで生産を合理化し、CNCセルの効率を高めます。

CNC加工のための治具と冶具の例

アルミブラケット用3軸フライス治具

3軸ミリングフィクスチャーは、3軸すべてで加工するためのアルミ製ブラケットを固定します。このフィクスチャーは、フライス加工中に正確な位置決めと安定性を提供します。

航空宇宙インペラ用5軸治具

5軸治具を使用して航空宇宙用インペラーを保持し、多軸加工中も安定した状態を保ちます。この治具により、複雑な形状を高精度に加工することができます。

薄板用真空治具

バキュームフィクスチャーは、機械加工中に薄い金属板をしっかりと固定し、変形を防ぎながら正確なカットを行うために使用される。

管部品旋削用マンドレル治具

マンドレル冶具は、円筒形状の部品を保持する。 回転 チューブの長さに沿って正確なカットを可能にしながら、確実なグリップを提供する。

複雑な輪郭用ソフトジョーカスタムフィクスチャー

カスタムソフトジョー固定具は、複雑な輪郭を持つ部品を保持するように設計されており、繊細な部品でも表面を傷つけることなく確実に保持することができます。

生産性を高めるCNC治具の最適化

モジュラー設計でセットアップ時間を短縮

モジュラー設計は、フィクスチャーの迅速な再構成を可能にし、生産稼働間のセットアップ時間を短縮します。これは、多品種少量生産環境において特に価値があります。

多面加工におけるツールアクセスの改善

多面加工用に設計された冶具は、部品のすべての領域に簡単にアクセスできるため、効率が向上し、サイクルタイムが短縮されます。

振動とチャタリングを低減

振動を吸収し、びびりを防止する治具は、特に高速加工において、工具寿命と部品の品質を維持するのに役立ちます。

スマートクランプによるサイクルタイム短縮

スマートクランプシステムは、最適なクランプ力と位置決めを提供し、部品のローディング、クランプ、アンローディングを高速化することで、サイクルタイムを短縮します。

自動化に適した設計（ロボットローディング）

ロボットによるローディングとアンローディングのために設計された冶具は、自動化されたCNCセルの効率を改善し、手作業の必要性を減らし、スループットを向上させます。

CNC治具・冶具のよくある問題（とその解決策）

ワークのスリップ

ワークのスリップを防ぐには、クラン プ力を強くするか、ロケータを追加してパーツを 安定させる。

フィクスチャーのたわみ

冶具のたわみは、より強い材料を使うか、弱い部分に補強を加えることで最小限に抑えることができる。

悪い再現性

ロケーターとクランプ装置が正しく配置され、定期的にメンテナンスされていることを確認し、再現性の誤差を防ぐ。

ワークのクランプマーク

クランピングマークを防ぐには、柔らかいジョーや保護パッドを使用して、クランピング力を部品全体に均等に分散させます。

熱膨張の問題

熱膨張は、熱を吸収する材料を使うか、熱補償機能を備えた器具を設計することで対処できる。

チップ集積ブロックロケーター

破片がロケーターに干渉しないように、フィクスチャーが十分なチップクリアランスを持つように設計されていることを確認してください。

CNC治具のメンテナンスと検査

クリーニング・ロケーター＆クランプ

ロケーターとクランプを定期的に清掃することで、精度や性能に影響を及ぼす可能性のあるゴミが残らないようにします。

接触面の摩耗チェック

接触面に磨耗や損傷がないか点検し、必要に応じて磨耗した部品を交換して精度を維持する。

ブッシュとガイドの交換

ブッシングとガイドは定期的に点検し、摩耗を防いで適切なツールガイダンスを維持するために交換する必要があります。

潤滑ポイント

摩擦と磨耗を減らすために、クランプとガイドを含むフィクスチャーのすべての可動部分に適切な潤滑が施されていることを確認してください。

ゼロ点システムの校正

ゼロ点システムの定期的な校正により、冶具が工作機械と正確に位置合わせされ、一貫した結果が得られます。

CNC治具 vs. 固定具 - いつ、どちらを使うべきか？

治具がまだ役立つCNC加工のシナリオ

冶具は、穴あけ加工のように、正確な穴の位置決めのためにツールガイダンスが必要な作業にも有用である。また、多品種少量生産にも有効です。

冶具がCNCフライス加工と旋盤加工を支配する理由

でフィクスチャーが支配的である。 CNCフライス加工 複雑な切削作業において、安定した確実な把持を提供し、精度を保証するからである。

ハイブリッド治具システム

ハイブリッドシステムは、治具と固定具の両方の利点を兼ね備えており、ワークピースを確実に保持しながらツールガイダンスを提供します。これらのシステムは、多工程加工に最適です。

結論

CNC治具と冶具は、CNC加工で精度、再現性、効率を達成するために不可欠です。パーツを固定し、工具をガイドし、誤差を減らし、最小限のセットアップ時間とオペレーターのスキルで高品質の結果を保証します。

現代のリーン生産とオートメーションにおける役割

治具と固定具は、無駄を省き、効率を向上させ、自動生産をサポートすることで、リーン生産において重要な役割を果たしています。その適応性と精度は、最新のCNC加工環境において不可欠なものとなっています。

よくあるご質問