報道機関向けのベストプラクティス

この用途では、ピンを挿入する前に、ピストン アセンブリが固定具にロードされます。 右側のスペーサー ブロックにより、さまざまなピストンの高さとサイズに対応できます。 写真提供：BalTec Corp.

小型部品から大型部品まで圧入を使用します。 ここでは、スタッドがフォークリフトのホイールハブに挿入されます。 写真提供：FEC オートメーション システムズ

自動車メーカーはプレスフィットアセンブリを頻繁に使用します。 ブレーキディスクに部品を圧入する装置です。 写真提供：キスラー・インスツルメント社

製造業では、成功のための鉄則を見つけるのは困難です。 これは、1 つの部品を 1 回の素早いストローク (1 ～ 2 秒) で別の部品の穴にしっかりと挿入するプロセスである圧入アセンブリに特に関係します。 設計エンジニアは、多くの公式を使用して、各圧入用途に必要な力、関連する圧力と応力を推定します。 ただし、これらの計算は、実際の実験室でのテストや生産ラインでの試行錯誤に代わることはできません。

BalTec Corp のゼネラルマネージャーである Chuck Rupprecht 氏は、「式は、圧入用の部品を設計するプロセスの開始点にはなりますが、組み立て中に影響する多くの変数を考慮していません」と述べています。一貫性のない材料品質、異なる表面仕上げ、および周囲湿度により、計算が大きく外れる可能性があります。実際のところ、アプリケーションに適切な材料と力の要件を決定するには、実際の部品を取り付ける必要があります。」

BalTec では、圧入用に手動、空気圧、液圧プレスをいくつか提供しています。 顧客には、自動車、医療、HVAC コンポーネント メーカーなどのその他の産業メーカーが含まれます。 後者の企業の 1 社は最近、HVAC コンプレッサーを改修するために 40 個の異なる高さのピストンにピンを圧入できるように、2 台の DA-850 空気圧プレスをカスタマイズするよう BalTec に依頼しました。

各直動プレスには、最大 8.5 キロニュートンの力と最大 80 ミリメートルのストロークを生み出すラムが搭載されています。 プレスの上部ツールはあらゆる高さのピストンにピンを挿入でき、その治具には高さの変化に対応するクイック交換スペーサー ブロックが付いています。 空気圧クランプ装置は、ピン挿入中にピストンを所定の位置に固定します。 力と距離のモニタリングにより、特定のプロセスが OK であるかどうかを示す音声と視覚的なメッセージがトリガーされます。

ピストンは、ベアリング、ローター、ギア、シャフト カラー、ブッシュなどの他の多くの種類の部品と同様に、圧入アセンブリの優れた候補です。 メーカーがこのプロセスを好む主な理由は、シンプルで比較的安価であることです。 プレスフィットの魅力をさらに高めるのは、さまざまな形状、サイズ、材質の部品に対して数種類のプレスを使用して実行できることです。

「圧入用の部品を設計するとき、エンジニアは 1 つの質問に集中する必要があります。それは、アセンブリ内での部品の機能は何ですか?」 キスラー・インスツルメント社の IPC 部門のシステム・チーム・リーダーに加わった夏目博之氏は、「この問題は、アセンブリが単純か複雑かに関係なく、部品設計のあらゆる側面で強調されなければなりません」と述べています。

最初の設計要素はサイズです。 圧入アセンブリでは、嵌合穴よりわずかに大きい 1 つの部品を挿入します。 アセンブリは、摩擦と 2 つの部品が互いに押し付け合う力によって所定の位置に留まります。 穴に対して挿入部品をどのくらい大きくする必要があるかは状況によって異なりますが、通常は 0.0005 ～ 0.002 インチです。

Aries Engineering 社の営業担当副社長、Mike Brieschke 氏によると、軟鋼の穴に圧入される直径 0.25 インチの金属ダボのしめしろは通常、±0.0015 インチです。 重要ではないアセンブリの部品は、公差が緩くなる傾向があります。

「一般的な経験則として、ベアリング、ブッシュ、またはピンの直径が大きいほど、公差範囲は大きくなります」とブリーシュケ氏は指摘します。 「直径が小さい部品の場合はその逆が当てはまります。」

ブリーシュケ氏によれば、たとえば、金属シャフトに圧入された直径 2 インチのベアリングは、2 つの部品の相対直径が大きいため、公差範囲が 0.001 ～ 0.01 インチになる可能性があります。 対照的に、トランスミッションハウジングやエンジンコンポーネントなどの自動車部品に使用される小型ベアリングの公差範囲は、わずか数ミクロンであることがよくあります。

形状としては、圧入部の形状は円形が多いですが、楕円形、正方形、長方形、三角形などの形状も可能です。 挿入される部品は中実または中空の場合があります。 FEC Automation Systems のサーボ プレス製品スペシャリストである Keith Lowery 氏は、非円形部品では適切な方向を確保するために追加の手順が必要となり、結果としてサイクル タイムが長くなる可能性があると指摘しています。 大型部品には、より高く安定した力と十分な部品へのアクセスを提供するプレスが必要です。

夏目氏によると、部品の位置合わせも良好な圧入アセンブリにとって同様に重要です。 彼は、位置ずれを防ぐ最善の方法は、適切な工具と治具を使用することだと言います。

接合強度を高めるために、部品の端にくぼみや突起を設計する場合があります。 ロウリー氏は、ローレットにより挿入部品が嵌合部品に食い込み、高トルク力が加わったときにジョイントが動くのを防ぐことができると述べています。 プラスチックや電子部品の組み立てでは、嵌合部分の溝や返しが、接合部が引き離されるのを防ぎます。

圧入部品の材質は金属、プラスチック、ゴムであり、同種または異種材料の部品を接合することができます。 それらが異なる場合、エンジニアは、熱膨張係数は似ているが、硬度評価が異なる材料を選択する必要があります。

プロメス社のエンジニアリングマネージャー、ジョン・ライトル氏は、「最良のシナリオは、両方の部品が同じ材料と硬度で作られている場合です。最悪のシナリオは、一方の材料が他方よりはるかに硬い場合です。」と述べています。

ライトル氏は一例として、車両用のアルミニウム製コントロールアームステアリング部品にスチールで包まれたゴムブッシュをプレス加工することを挙げている。 一方の部品がスチールで作られ、もう一方の部品がアルミニウムで作られている場合、非常に高い圧入力が必要になります。

Lowy 氏は、圧入が広範囲の温度変化にさらされる場合、同様の熱膨張係数を持つ材料を選択することが重要であると述べています。 たとえば、アルミニウム製ハウジングにスチール製ベアリングを圧入するときにこれを怠ると、後者がスチール製よりも膨張し、ベアリングが脱落する可能性があります。

Rupprecht 氏によると、ダイカスト金属とガラス繊維強化プラスチックは脆い素材なので、正確な力で圧入する必要があります。 硬い部品を薄肉のアルミニウムまたはプラスチック部品に押し込む力が強すぎると、嵌合部品の外観が簡単に損傷する可能性があります。 挿入部分のバリや粉塵も損傷の原因となります。

他の種類のプラスチックにも制限があります。 ある程度柔軟性のあるポリカーボネートは、過度の円周方向の応力に耐えられないため、シャフト ハブには推奨されません。 ナイロン、ABS、熱可塑性ポリウレタンなどのより柔軟なプラスチックは、この応力にうまく対処できますが、時間の経過とともにより大きな応力緩和を示す可能性があります。

「自動車業界では、車両の重量を軽減するために、より軽量な材料で作られた部品の使用が増えており、この変化により、留め具を排除するための圧入用途の増加が生じています」と夏目氏は説明します。 「場合によっては、リアスポイラーウィングやその他の外装および内装部品など、カーボンファイバー強化プラスチック製の部品にプラスチックまたは金属部品を挿入する必要があります。」

圧入部品は必ずしもスムーズに結合するとは限りません。 そのような場合、メーカーには問題を克服するための選択肢がいくつかあります。 1 つは、挿入部分にテーパーを配置し、嵌合部分に面取りを配置することです。 もう 1 つは、潤滑剤を塗布することで、硬い部品の傷やかじり (摺動面間の摩耗) や、いずれかの部品のスティックスリップ (ジャーキング) 動作を防止します。 また、部品のたわみを防ぐために必要な挿入力も軽減されます。 ライトル氏によると、アルミニウムのシリンダーヘッドに圧入されるスチールやチタンのバルブガイドと同様に、金属に圧入されるゴムブッシュは少量の潤滑剤として適しているという。

Lowery 氏によると、PCB のコンプライアンス ピンの圧入では、過度の押し付け力による基板のストレスを軽減するために潤滑剤が頻繁に使用されます。 こうした用途では潤滑剤の軽いスプレーが使用されると彼は言います。

ピンには少量の潤滑剤が必要な場合とそうでない場合がありますが、他の部品では良好な圧入を可能にするためにより大量の潤滑剤が必要であるとブリーシュケ氏は主張します。 たとえば、幅広のブッシュや長いブッシュは、それぞれのスリーブにスムーズに挿入できるように、全体に潤滑する必要があります。 Aries は、プレス前にブッシングとベアリングに潤滑剤を自動的に塗布するサーボ アクチュエータを備えたオプションの潤滑油トレイを提供しています。

大部分の圧入は自立するのに十分な強度を備えていますが、一部の接合には接着が必要です。 接着剤は接合部を完全に密閉し、腐食を防止し、応力をより均等に分散します。 また、エンジニアは部品の公差要件を緩和し、部品を固定する圧力を生成するために必要な部品のかさばりを軽減することもできます。

ただし、接着剤の使用には欠点があります。接着剤を使用すると、部品を組み立てるのに必要な力が大幅に増加します。 その結果、組立業者はプレス力やラム速度を増やす必要がある場合があります。

「圧入アセンブリで接着剤が頻繁に使用されているのを見たことがありません」とシュミット テクノロジーのセールス マネージャー、デイブ ザブロスキー氏は言います。 「しかし、それができるのは、熱膨張係数が異なる 2 つの異種材料をより適切に保持するためです。」

圧入の組み立てには、手動、空気圧、油圧空気圧、および電気サーボ プレスを使用できます。 ザブロスキー氏は、手動プレスは比較的低コストで、部品の固定が簡単で、力と距離の監視を装備できると述べています。 マイナス面は、生産性が低いことと、組立業者にとって人間工学的に劣っていることです。

空気圧プレスは、手動モデルよりも加えられる力とラム速度の一貫性が高くなりますが、サーボの制御やプログラム可能性はありません。 さらに、ザブロスキー氏は、空気の生成にはコストがかかると指摘しています。 油圧空圧プレスは、短い距離で最大の力を生成するため、短い動力ストロークを必要とする高力用途に適しています。

「間違いなく、サーボはラムの位置と速度を最も正確に制御し、精度と再現性を実現します」とザブロスキー氏は言います。 「ただし、高レベルの精度が必要ない場合は、代わりに手動または空気圧プレスを使用することをお勧めします。なぜなら、それらの方が安価でメンテナンスも少なくて済むからです。」

サーボの高い初期費用を正当化するには、大量の組み立てが必要である、とLowery氏は認めます。 サーボ プレスのその他の利点としては、多品種操作に対する柔軟性、エネルギー効率、静かな操作、比較的小さな設置面積が挙げられます。

部品を互いに押し付けるのに必要な力はいくつかの要因によって決まります。 部品のサイズ、厚さ、形状は、コンポーネント材料の硬度、滑りやすさ、表面仕上げとともに重要です。 さらに、設計者は、部品間の正確な干渉量 (つまり、挿入部品と穴のサイズの差) と圧入の長さを知る必要があります。

プレスフィットの最大のユーザーは、自動車、医療、白物家電、太陽エネルギー、消費者製品を組み立てるメーカーです。 ライトル氏によると、高、中、低のプレス力を必要とする自動車製品の例としては、車軸チューブの挿入（250 キロニュートン）、シリンダー ヘッドへのバルブ ガイド（20 キロニュートン）、シャフトへのモーター ステーター（300 ニュートン）などがあります。 ）。

「メーカーは、圧入アセンブリに使用されるプレスには 20% の安全率が必要だとよく言います」と Zabrosky 氏は言います。 「しかし、私たちの部品テストでは、50パーセントがより適切であることが示されています。」

圧入アセンブリを大幅に強化するもう 1 つのツールは、力と距離 (変位) のモニタリングである、とザブロスキー氏は言います。 力センサーはシリンダーとラムの間に取り付けられ、組み立てサイクル全体で発生する力を測定します。

距離センサー (またはトランスデューサー) は力センサーの近くに配置されているため、プレス コントローラーは距離に対する力の曲線、または時間に対する力の曲線を表示できます。 エンジニアはコントローラーを介して、押し付け力の上限と下限を設定することもできます。 設定値を上回ったり下回ったりすると、アラームが発せられます。

「力と距離のモニタリングは、プレスフレームが適切に設計されている限り、部品とアセンブリの品質に関する貴重な情報を得る優れた方法です」とブリーシュケ氏は結論づけています。 「フレームが過度にたわむと、力と距離の曲線が実際の結果から歪んでしまいます。たわみを防ぐ最善の方法は、フレーム設計内で十分な強度を設計するか、補強材を使用することです。」

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前は、PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。