はじめに
今回から、
「機械設計で失敗しない部品設計の考え方｜形状・強度・組立・メンテナンスの基本」
というテーマで、部品設計の基本を解説していきます。
機械設計では、ブラケット、プレート、シャフト、カラー、ピン、ベース、カバー、治具部品など、さまざまな部品を設計します。
初心者のうちは、部品を設計するときに、
「とりあえず形を作る」
「厚めにしておけば安心」
「CAD上で干渉していなければ大丈夫」
と考えてしまうことがあります。
しかし実務では、部品は形だけで成立するものではありません。
その部品が何のためにあり、どのように取り付き、どのような力を受け、どうやって加工・組立されるのかを考える必要があります。
第1回では、部品設計で最初に考えるべき基本について解説します。
まず部品の役割を考える
部品設計で最初に考えるべきことは、
その部品が何のためにあるのか
です。
同じような形のブラケットでも、役割によって設計の考え方は変わります。
たとえば、センサーを軽く固定するブラケットと、重いシリンダを支えるブラケットでは、必要な強度や板厚が違います。
カバーを固定するプレートと、リニアガイドを取り付けるベースでは、必要な精度も違います。
まずは、
固定する部品なのか
位置決めする部品なのか
荷重を受ける部品なのか
調整や交換が必要な部品なのか
を確認します。
部品の役割がはっきりすると、形状、材質、板厚、取付方法、加工方法を決めやすくなります。
反対に、役割があいまいなまま形を作ると、必要以上に大きくなったり、逆に弱くなったりします。
部品設計は、形からではなく、役割から考えることが大切です。
荷重がどこにかかるかを見る
部品には、必ず何らかの力がかかります。
大きな力ではなくても、自重、相手部品の重さ、ボルトの締付力、振動、衝撃、ワークからの反力などがあります。
たとえば、片持ちのブラケットに部品を取り付ける場合、取付位置が遠くなるほど曲がりやすくなります。
薄いプレートに重い部品を取り付けると、たわみや振動が出ることもあります。
シリンダやストッパの取付部では、動作端で衝撃荷重を受ける場合もあります。
設計時には、
力はどこから入るのか
どの方向に力がかかるのか
曲げられるのか、押されるのか、引っ張られるのか
を考えます。
強度が不安だからといって、単純に厚くすればよいわけではありません。
リブを入れる。
支持点を増やす。
荷重位置を取付面に近づける。
曲げに強い形状にする。
このように、力の流れを考えて形状を決めることが重要です。
取付方法と工具スペースを考える
部品は、実際に取り付けられなければ使えません。
部品形状を作ったあとでボルト穴を入れようとすると、工具が入らなかったり、ボルト座面が足りなかったりすることがあります。
設計時には、
どこに取り付けるのか
何本のボルトで固定するのか
ボルトはどの方向から入れるのか
六角レンチやスパナは入るのか
取り外しできるのか
を確認します。
CAD上ではボルトが入っていても、実際には工具が入らないことがあります。
特に、装置の奥まった場所やカバーの内側にある部品では注意が必要です。
また、メンテナンスで外す可能性がある部品は、取り外す方向も考えておく必要があります。
部品設計では、形状だけでなく、
取付作業ができるか
まで考えることが大切です。
相手部品との関係を見る
部品は単体で使われるわけではありません。
必ず相手部品や周辺部品があります。
ボルトで固定する相手。
位置決めする相手。
接触するワーク。
動く部品。
配線やチューブ。
周辺のカバーやフレーム。
部品単体では問題なく見えても、組立状態で見ると問題が出ることがあります。
たとえば、動く部品とのすき間が少なすぎる。
ワークに触れる角が鋭い。
配線を通すスペースがない。
相手部品と干渉して工具が入らない。
このような問題は、設計段階で周辺部品を確認することで防ぎやすくなります。
設計時には、
相手部品はどこにあるのか
相手部品は動くのか
接触してよい部分か
逃げやすき間は必要か
を確認しましょう。
部品設計では、部品単体ではなく、周辺部品との関係を見ることが重要です。
加工方法を早めに考える
部品の形を決めるときは、加工方法も考える必要があります。
フライス加工で作るのか。
旋盤加工で作るのか。
板金で曲げるのか。
溶接で作るのか。
製缶後に機械加工するのか。
標準品を使えるのか。
加工方法によって、作りやすい形状は変わります。
たとえば、薄いカバーであれば板金加工が向いています。
シャフトやカラーであれば旋盤加工が基本です。
大きな架台やフレームであれば、製缶構造が向いています。
ブロック形状の取付座であれば、フライス加工が自然です。
加工方法を考えずに形状を決めると、必要以上に加工費が高くなったり、加工しにくい形になったりします。
部品設計では、早い段階で
この部品はどう作るのが自然か
を考えることが大切です。
組立とメンテナンスを考える
機械は、部品を作って終わりではありません。
組み立てて、調整して、使い続けるものです。
そのため、部品設計では組立性とメンテナンス性も考える必要があります。
たとえば、
後からボルトを締められるか
調整するスペースはあるか
交換部品を外せるか
摩耗したときに再製作しやすいか
清掃や点検の邪魔にならないか
を確認します。
特に、ワーク受け、ガイド、ストッパ、パッド、ローラー、シール、センサーなどは、交換や調整が必要になることがあります。
こうした部品を外せない構造にしてしまうと、現場で困ります。
部品設計では、完成状態だけでなく、
組み立てるとき
調整するとき
交換するとき
のことまで考えることが大切です。
図面を描く前に確認したいこと
部品の形状を描き始める前に、次の内容を確認しておくと設計ミスを減らしやすくなります。
- この部品の役割は何か
- どの方向に荷重がかかるか
- どこに取り付けるか
- ボルトや工具は入るか
- 相手部品と干渉しないか
- 動く部品とのすき間は十分か
- 加工方法は何が自然か
- 組立順序に無理はないか
- 調整や交換はできるか
- 材質や板厚は用途に合っているか
- 標準品で代用できないか
この確認をせずに部品を描き始めると、あとから大きな修正になることがあります。
部品設計では、CADで形を作る前の考え方がとても重要です。
まとめ
部品設計で最初に考えるべきことは、形状ではありません。
まず考えるべきことは、
その部品の役割
です。
そのうえで、
荷重
取付方法
相手部品との関係
加工方法
組立性
メンテナンス性
を確認します。
良い部品設計とは、CAD上で形がきれいにできている設計ではありません。
必要な役割を果たし、加工しやすく、組み立てやすく、使いやすい設計
です。
初心者のうちは、部品を描き始める前に、
この部品は何のためにあるのか
と考える習慣を持つだけでも、設計の質は大きく変わります。
次回は、実務で非常によく使う部品として、
「ブラケット設計の基本」
について解説します。
