接合工程と設計適用基準

接合工程と設計適用基準

1. 概要

Joiningとは、2つ以上の部品をひとつの構造または機能単位へ接続する製造工程群である。Primary Shapingが原材料から基本形状を作り、Formingが材料を変形させ、Material Removalが材料を除去して精密形状を完成させる工程であるなら、Joiningは個別部品を統合し、より大きな構造、組立体、モジュール、装置を完成させる役割を持つ。

機械設計において、Joiningは単に「部品を取り付ける工程」ではない。接合強度、熱変形、残留応力、疲労寿命、腐食、分解性、密封性、洗浄性、検査性、保守性を同時に考慮しなければならない重要な製造判断である。

代表的なJoining工程は次のとおりである。

  • 溶接

  • ろう付け

  • はんだ付け

  • 接着

  • リベット接合

  • ボルト締結

  • ピン接合

  • クランプ接合

  • 圧入

  • かしめ

  • スナップフィット

  • インサート接合

Joiningは、永久接合と分解可能な接合の両方を含む。溶接、ろう付け、接着、リベットは一般的に永久接合に近く、ボルト、ピン、クランプは分解可能な接合に近い。したがって設計者は、部品を永久的に接続するだけでよいのか、後で分解や交換が可能であるべきなのかを最初に判断しなければならない。

2. Joiningの役割

Joiningの核心的な役割は、個別部品を機能的にひとつの構造へ統合することである。

ひとつの製品は、多くの場合、単一部品だけで構成されない。フレーム、カバー、ハウジング、シャフト、ブラケット、配管、センサーブラケット、モーターマウント、ガイド、シール構造など、複数の部品が互いに接続されて最終機能を実行する。このときJoiningは、部品間の力、位置、運動、密封、電気的接続、保守構造を決定する。

Joiningの役割は次のように整理できる。

  • 複数の部品をひとつの構造へ結合する。

  • 大型構造物を分割製作した後に統合する。

  • 異なる材料を接続する。

  • 荷重を伝達する構造を作る。

  • 密封または気密構造を作る。

  • 分解と保守が可能な構造を作る。

  • 製造、輸送、組立上の制約を解決する。

  • 製品の強度、剛性、精度、寿命に影響を与える。

例えば大型機械フレームは、主に溶接で製作した後、基準面を後加工する。カバー類は、保守が可能になるようにボルト締結またはクランプで固定する。食品機械の食品接触部では、隙間を減らすために溶接と研磨を適用できるが、洗浄のために分解が必要な部位には、クランプや衛生用締結構造を選択する必要がある。

3. Joiningの基本原理

Joiningは、部品間に機械的、金属学的、化学的、物理的な結合を形成する工程である。

基本的な接合原理は次のように分類できる。

接合原理

説明

代表工程

金属学的接合

熱を利用して材料を溶融または拡散させて接合する

溶接、ろう付け、はんだ付け

機械的接合

形状、摩擦、締結力によって部品を接続する

ボルト、リベット、ピン、クランプ、圧入

化学的接合

接着剤の化学的または物理的な結合力を利用する

接着、シーラント

弾性接合

材料の弾性変形を利用して固定する

スナップフィット、クリップ、クランプ

複合接合

複数の接合原理を組み合わせる

接着+ボルト、溶接+後加工、圧入+ピン

基本的なJoining工程フローは次のとおりである。

部品準備
→ 接合面の加工または洗浄
→ 位置決め
→ 固定または治具セット
→ 接合工程の実行
→ 冷却、硬化、または締結安定化
→ 後処理
→ 検査
部品準備
→ 接合面の加工または洗浄
→ 位置決め
→ 固定または治具セット
→ 接合工程の実行
→ 冷却、硬化、または締結安定化
→ 後処理
→ 検査

Joiningで重要な共通要素は次のとおりである。

  • 接合面が正確に合っていなければならない。

  • 接合中に部品位置が維持されなければならない。

  • 熱変形または締結変形を考慮しなければならない。

  • 接合部が荷重を伝達できなければならない。

  • 接合部の検査と品質確認が可能でなければならない。

  • 必要に応じて分解と保守が可能でなければならない。

  • 接合部が腐食、汚染、漏れの原因になってはならない。

4. 代表工程の分類

Joiningは、接合方式と分解可能性によって複数の工程に分けることができる。

工程

接合方式

分解可能性

主な特徴

溶接

母材または溶加材を溶融して接合

困難

強い永久接合、熱変形が発生

ろう付け

母材より低い融点の溶加材で接合

困難

異種金属接合に有利

はんだ付け

低温のはんだで接合

限定的

電気・電子接合に使用

接着

接着剤による面接合

困難

異種材料、広い面接合に有利

リベット

リベット変形による機械的固定

困難

板材構造接合に適している

ボルト締結

ねじ締結力で固定

可能

分解と保守に適している

ピン接合

ピンによる位置決めまたは回転接続

可能または限定的

位置決め、ヒンジ、リンクに使用

クランプ接合

クランプ力で固定

可能

迅速な分解と洗浄に有利

圧入

しまりばめによって固定

限定的

軸、ベアリング、ブッシュ固定に使用

スナップフィット

弾性変形によって結合

可能または限定的

プラスチック部品組立に適している

これらの工程はいずれも部品を接続するが、設計基準はそれぞれ異なる。溶接では強度と熱変形が重要であり、ボルト締結では締結力と緩み止めが重要である。接着では表面前処理と接着面積が重要であり、圧入ではしめしろと組立荷重が重要である。

5. 溶接, Welding

溶接は、熱、圧力、またはその両方を用いて金属部品を接合する工程である。母材を溶かして直接接合する場合もあれば、溶加材を追加して接合部を形成する場合もある。

代表的な溶接方式は次のとおりである。

  • アーク溶接

  • TIG溶接

  • MIG溶接

  • MAG溶接

  • スポット溶接

  • レーザー溶接

  • プラズマ溶接

  • 抵抗溶接

  • 摩擦溶接

  • 超音波溶接

溶接の利点は次のとおりである。

  • 強い永久接合を作ることができる。

  • 大型構造物の製作に適している。

  • フレーム、タンク、配管、ブラケット製作に広く使用される。

  • ボルトやリベットより外観を単純にできる場合がある。

  • 密封構造を作ることができる。

溶接の制約は次のとおりである。

  • 熱変形が発生する。

  • 残留応力が残る。

  • 溶接部品質にばらつきが発生する場合がある。

  • 後処理と検査が必要である。

  • 分解が困難である。

  • 精密基準面は溶接後に後加工が必要になる場合がある。

設計者が検討すべき項目は次のとおりである。

  • 溶接方式

  • 溶接部形状

  • 溶接長さ

  • 溶接順序

  • 熱変形

  • 残留応力

  • 溶接アクセス性

  • 溶接治具

  • 後加工基準面

  • 非破壊検査可能性

  • 溶接後の研磨または表面処理

溶接設計では、溶接部が荷重をどのように伝達するかを理解する必要がある。単に溶接長さを増やすよりも、荷重方向、応力集中、溶接部位置、変形方向を考慮することが重要である。

溶接設計
→ 荷重方向の検討
→ 溶接部位置の決定
→ 変形方向の予測
→ 溶接順序の設定
→ 後加工基準の確保
溶接設計
→ 荷重方向の検討
→ 溶接部位置の決定
→ 変形方向の予測
→ 溶接順序の設定
→ 後加工基準の確保

6. TIG、MIG、スポット、レーザー溶接

6.1 TIG溶接

TIG溶接は、タングステン電極とシールドガスを使用して精密な溶接を行う方式である。ステンレス、アルミニウム、薄板、衛生配管の溶接に多く使用される。

TIG溶接の特徴は次のとおりである。

  • 溶接品質が優れている。

  • 薄い材料と精密溶接に適している。

  • ステンレス溶接に多く使用される。

  • 作業者の熟練度に大きく依存する。

  • 溶接速度はMIG溶接より遅い場合がある。

食品機械では、ステンレスの食品接触部、シュート、ホッパー、衛生配管、タンク類にTIG溶接が多く使用される。

6.2 MIG/MAG溶接

MIG/MAG溶接は、ワイヤー溶加材を連続供給しながらアークで溶接する方式である。生産性が高く、構造物製作に適している。

主な特徴は次のとおりである。

  • 溶接速度が速い。

  • 厚い構造物に適している。

  • 自動化が可能である。

  • スパッタが発生する場合がある。

  • 溶接後の後処理が必要になる場合がある。

6.3 スポット溶接

スポット溶接は、2枚の板材を電極の間に置き、電流と圧力を加えて局部的に接合する方式である。

主な特徴は次のとおりである。

  • 板材の大量生産に適している。

  • 自動車ボディや薄板構造に多く使用される。

  • 速い繰り返し生産が可能である。

  • 接合位置と電極アクセス性が重要である。

6.4 レーザー溶接

レーザー溶接は、高密度レーザーエネルギーを利用して、狭く深い溶接部を形成する方式である。

主な特徴は次のとおりである。

  • 熱影響部が小さい。

  • 精密溶接が可能である。

  • 自動化に適している。

  • 設備費が高い。

  • 接合隙間の管理が重要である。

7. 溶接設計基準

溶接構造を設計する際には、単に溶接できるかどうかだけを判断してはならない。溶接後の変形、後加工、検査、組立まで考慮する必要がある。

主な設計基準は次のとおりである。

7.1 溶接アクセス性

溶接トーチまたは電極が接合部にアクセスできなければならない。接合部が深い内部にあったり、干渉構造があったりすると、溶接品質が低下する可能性がある。

7.2 溶接変形

溶接は局部的に高い熱を加えるため、収縮と変形が発生する。特に長いフレーム、薄板、非対称構造では変形が大きくなる可能性がある。

溶接熱入力
→ 局部膨張
→ 冷却収縮
→ 残留応力
→ 反りと寸法変形
溶接熱入力
→ 局部膨張
→ 冷却収縮
→ 残留応力
→ 反りと寸法変形

7.3 溶接順序

溶接順序は変形量を大きく左右する。対称溶接、分散溶接、治具固定、仮付け溶接によって変形を低減できる。

7.4 後加工基準

精密基準面が必要な溶接構造物は、溶接後の加工を前提として設計する必要がある。LMガイド取付面、ベアリング取付面、組立基準面は、溶接後にフライス加工または研削が必要になる場合がある。

7.5 溶接部検査

溶接部は、外観検査、浸透探傷、超音波探傷、放射線検査、漏れ検査などによって確認できなければならない。検査できない溶接部は、品質保証が困難である。

8. ろう付けとはんだ付け

8.1 ろう付け, Brazing

ろう付けは、母材を溶かさず、母材より低い融点を持つ溶加材を溶かして部品間を接合する工程である。

ろう付けの利点は次のとおりである。

  • 異種金属接合に有利である。

  • 複雑な組立体を一度に接合できる。

  • 母材への損傷が少ない。

  • 薄い部品の接合に適している。

  • 比較的均一な接合部を作ることができる。

ろう付けの制約は次のとおりである。

  • 接合強度は溶接より低い場合がある。

  • 接合隙間の管理が重要である。

  • 高温使用環境では制限がある場合がある。

  • フラックス残留物の除去が必要になる場合がある。

ろう付けは、熱交換器、配管、超硬工具チップ、異種金属接合、精密組立体に使用される。

8.2 はんだ付け, Soldering

はんだ付けは、低融点のはんだを使用して部品を接合する工程である。主に電気・電子部品の接合に使用される。

はんだ付けの利点は次のとおりである。

  • 低温で接合できる。

  • 電気的接続に適している。

  • 小型部品の接合に有利である。

  • 修理と再作業が可能な場合がある。

はんだ付けの制約は次のとおりである。

  • 機械的強度は限定的である。

  • 高温環境に弱い場合がある。

  • 酸化と表面清浄度が品質に影響する。

  • 振動環境では補強構造が必要になる場合がある。

機械設計では、はんだ付けそのものよりも、電装部品、センサー、コネクタ、PCB組立との関係で理解することが重要である。

9. 接着, Adhesive Bonding

接着は、接着剤を用いて2つの部品の表面を結合する工程である。金属、プラスチック、ゴム、ガラス、複合材など、多様な材料を接合できる。

代表的な接着剤は次のとおりである。

  • エポキシ

  • アクリル

  • ウレタン

  • シリコン

  • 瞬間接着剤

  • 構造用接着剤

  • 嫌気性接着剤

  • シーラント

接着の利点は次のとおりである。

  • 異種材料接合に有利である。

  • 広い面積で荷重を分散できる。

  • 穴を開けないため応力集中を低減できる。

  • 密封機能を同時に提供できる。

  • 外観がきれいである。

接着の制約は次のとおりである。

  • 表面前処理が重要である。

  • 硬化時間が必要である。

  • 温度、湿度、化学物質の影響を受ける。

  • はく離荷重に弱い場合がある。

  • 長期耐久性の検討が必要である。

  • 分解が困難である。

設計者が検討すべき項目は次のとおりである。

  • 接着面積

  • 接着層厚さ

  • 表面粗さ

  • 表面洗浄

  • 硬化条件

  • せん断荷重

  • はく離荷重

  • 温度条件

  • 耐薬品性

  • 食品接触適合性

  • 検査可能性

接着設計では、荷重方向が重要である。接着は一般的にせん断荷重には強いが、はく離荷重や段階的な剥がれには弱い場合がある。

せん断荷重
→ 接着面全体が荷重を分担
→ 有利な条件

はく離荷重
→ 接着端部に応力集中
→ 不利な条件
せん断荷重
→ 接着面全体が荷重を分担
→ 有利な条件

はく離荷重
→ 接着端部に応力集中
→ 不利な条件

10. 機械的締結, Mechanical Fastening

Mechanical Fasteningとは、ボルト、ナット、ねじ、ピン、リベット、クランプなどの機械要素を用いて部品を接続する方式である。

代表的な機械的締結方式は次のとおりである。

  • ボルト締結

  • ナット締結

  • タップ穴締結

  • スタッド締結

  • リベット接合

  • ピン接合

  • クランプ締結

  • スナップリング

  • セットスクリュー

  • キーとキー溝

機械的締結の利点は次のとおりである。

  • 分解と再組立が可能である。

  • 保守に有利である。

  • 接合品質の確認が比較的容易である。

  • 熱変形が発生しない。

  • 異種材料接合に使用できる。

  • 組立現場で適用しやすい。

機械的締結の制約は次のとおりである。

  • 締結空間が必要である。

  • 部品点数が増加する。

  • 緩みが発生する可能性がある。

  • 応力集中が生じる場合がある。

  • 組立時間が必要である。

  • 密封が必要な場合は追加構造が必要である。

設計者は、締結方式が単に部品を固定するだけでなく、組立順序、保守性、安全性、振動条件、作業アクセス性を決定することを考慮しなければならない。

11. ボルト締結, Bolted Joint

ボルト締結は、最も広く使用される分解可能な接合方式である。ボルトの軸力と接触面の摩擦を利用して部品を固定する。

ボルト締結の核心要素は次のとおりである。

  • ボルト径

  • ボルト強度区分

  • 締付トルク

  • 軸力

  • 摩擦係数

  • ワッシャ使用

  • ねじのかかり長さ

  • 締結方向

  • 工具アクセス性

  • 緩み止め

  • 繰り返し分解可能性

ボルト締結設計で重要なのは、ボルトが単純に「せん断力を直接受けるピン」のように作用しないようにすることである。一般的な摩擦接合では、ボルト軸力で接触面を押し付け、接触面摩擦によって荷重を伝達する。

締付トルク
→ ボルト軸力発生
→ 接触面圧着
→ 摩擦力形成
→ 荷重伝達
締付トルク
→ ボルト軸力発生
→ 接触面圧着
→ 摩擦力形成
→ 荷重伝達

設計者が検討すべき項目は次のとおりである。

  • 十分なねじのかかり長さを確保する。

  • 締結工具のアクセス空間を確保する。

  • ワッシャまたは座面品質を確保する。

  • 振動に対する緩み止めを行う。

  • 繰り返し分解時のねじ損傷を防ぐ。

  • 締結順序とトルクを管理する。

  • 異種金属接触による腐食を防ぐ。

  • 密封が必要な場合はガスケットを適用する。

振動のある装置では、スプリングワッシャだけでは緩み止めが十分でない場合がある。この場合、ねじ固定剤、ダブルナット、緩み止めナット、Nord-Lockワッシャ、ピン固定、構造的な緩み止め設計を検討できる。

12. リベット、ピン、クランプ接合

12.1 リベット接合

リベット接合は、リベットを変形させて部品を固定する方式である。板材構造、薄い金属板、航空機構造、カバー類に使用される。

リベット接合の特徴は次のとおりである。

  • 永久接合に近い。

  • 薄板材の接合に適している。

  • 溶接が難しい材料にも使用できる。

  • 熱変形が発生しない。

  • 分解が困難である。

12.2 ピン接合

ピン接合は、ピンを用いて部品の位置を決める、または回転可能な接続を作る方式である。

ピン接合は次の部位に使用される。

  • ヒンジ

  • リンク

  • 位置決め構造

  • 回転接続部

  • 着脱式固定構造

  • せん断荷重伝達部

ピン接合では、ピン径、穴公差、せん断荷重、摩耗、潤滑、抜け止め構造を考慮する必要がある。

12.3 クランプ接合

クランプ接合は、クランプ力を利用して部品を固定する方式である。迅速な分解と組立が必要な構造に適している。

クランプ接合の利点は次のとおりである。

  • 迅速な分解が可能である。

  • 工具なしで操作できる構造も可能である。

  • 洗浄と保守に有利である。

  • 配管、カバー、ガイドの固定に適している。

食品機械では、衛生配管、カバー、ガイド、洗浄が必要な部品にクランプ構造が多く使用される。

13. 圧入としまりばめ

圧入は、軸と穴の間にしめしろを与えて強制的に組み立て、摩擦力と接触圧によって部品を固定する方式である。

代表的な適用例は次のとおりである。

  • ベアリング圧入

  • ブッシュ圧入

  • ピン圧入

  • ギアとシャフトの結合

  • ハブと軸の結合

  • インサート挿入

圧入の利点は次のとおりである。

  • 別の締結部品が不要である。

  • 構造が単純である。

  • 同心度の確保に有利な場合がある。

  • 繰り返し生産に適している。

  • 空間を節約できる。

圧入の制約は次のとおりである。

  • 組立荷重が必要である。

  • 分解が困難である。

  • 過大なしめしろは部品破損を引き起こす可能性がある。

  • 薄いハウジングは変形する可能性がある。

  • 再組立時に品質が低下する場合がある。

設計者が検討すべき項目は次のとおりである。

  • しめしろ

  • 材料の弾性係数

  • 表面粗さ

  • 組立荷重

  • 熱膨張差

  • ハウジング厚さ

  • 分解可能性

  • 潤滑の有無

  • 圧入方向

  • 組立治具

圧入設計では、しめしろが非常に重要である。しめしろが不足すると滑りが発生し、過大であれば組立中に割れ、変形、ベアリング損傷が発生する可能性がある。

14. 異種材料接合

異種材料接合とは、異なる物性を持つ材料を接続することである。金属とプラスチック、アルミニウムとステンレス、ゴムと金属、複合材と金属の接合がこれに該当する。

異種材料接合で重要な問題は次のとおりである。

  • 熱膨張係数の差

  • 電気化学的腐食

  • 剛性差

  • 表面エネルギーの差

  • 接着性の差

  • 温度変化による応力

  • リサイクル性と分解性

  • 食品接触適合性

代表的な異種材料接合方式は次のとおりである。

  • ボルト締結

  • インサート締結

  • 接着

  • オーバーモールディング

  • ろう付け

  • クランプ構造

  • ゴム・金属接着

  • プラスチックスナップフィット

例えばアルミニウムとステンレスが直接接触すると、環境によってはガルバニック腐食が発生する場合がある。この場合、絶縁ワッシャ、コーティング、シーラント、材料組合せの変更を検討する必要がある。

プラスチックと金属を接合する際には、熱膨張差と締結部のクリープを考慮しなければならない。繰り返し荷重や温度変化がある構造では、インサートナット、金属ブッシュ、広い締結面を適用することが望ましい。

15. Joiningの設計基準

Joiningで設計者が検討すべき核心基準は次のとおりである。

15.1 荷重伝達経路

接合部は荷重が通過する経路上に存在する。荷重方向、せん断、引張、曲げ、ねじり、疲労荷重を考慮する必要がある。

15.2 接合部アクセス性

溶接トーチ、締結工具、接着剤塗布装置、検査装置が接合部にアクセスできなければならない。

15.3 変形管理

溶接、圧入、締結は部品に変形を生じさせる可能性がある。精密組立構造では、接合後の基準面変化と位置変化を考慮しなければならない。

15.4 分解可能性

保守、洗浄、交換が必要な部品には、溶接や永久接着よりも、ボルト、クランプ、ピン構造が適している。

15.5 密封性

流体、空気、粉塵、食品残渣の漏れまたは侵入を防ぐ必要がある場合は、ガスケット、O-ring、シーラント、溶接密封構造を考慮する必要がある。

15.6 腐食と汚染

接合部は、すきま腐食、ガルバニック腐食、汚染物蓄積、洗浄不良の原因になる可能性がある。特に食品機械では、接合部形状が衛生性と直接つながる。

15.7 検査可能性

接合部の品質を確認できなければならない。溶接部、接着部、圧入部、締結部は、それぞれ異なる検査方法を必要とする。

16. 欠陥と品質問題

Joining工程では、接合方式によってさまざまな欠陥が発生する可能性がある。

欠陥

主に発生する工程

原因

溶接割れ

溶接

材料、熱入力、冷却速度、残留応力

気孔

溶接、ろう付け

ガス巻き込み、汚染、シールドガス不良

溶込み不足

溶接

熱入力不足、不適切な溶接条件

変形

溶接、圧入、締結

熱収縮、過大な締結力、組立荷重

緩み

ボルト締結

振動、軸力不足、座面沈み込み

接着はく離

接着

表面前処理不良、はく離荷重、硬化不良

漏れ

溶接、締結、ガスケット

接合面不良、圧着不足、表面欠陥

ガルバニック腐食

異種金属接合

電位差と電解質環境

摩耗

ピン、ヒンジ、クランプ

繰り返し運動、潤滑不足、公差不良

これらの欠陥は、生産条件だけでなく設計構造と直接関係する。接合部位置、荷重方向、材料組合せ、アクセス性、公差、後処理、検査方法を設計初期から考慮する必要がある。

17. Joiningと後処理

Joining後には、接合部の機能と品質を確保するために後処理が必要になる場合がある。

代表的な後処理は次のとおりである。

  • 溶接ビード除去

  • 研磨

  • 応力除去熱処理

  • 表面処理

  • 防錆処理

  • 不動態化

  • 洗浄

  • 漏れ検査

  • トルク検査

  • 非破壊検査

  • 組立検査

溶接構造物は、溶接後に変形を補正したり、基準面を後加工したりする場合がある。ステンレス溶接部は、焼け色除去、研磨、不動態化が必要になる場合がある。ボルト締結部は、トルク確認、マーキング、緩み止め確認が必要になる場合がある。

接合完了
→ 変形確認
→ 後処理
→ 洗浄
→ 検査
→ 組立または出荷
接合完了
→ 変形確認
→ 後処理
→ 洗浄
→ 検査
→ 組立または出荷

後処理を考慮しない接合設計は、製造現場で大きな問題を生む。特に溶接後の研磨が不可能な狭い空間や、洗浄が困難な接合隙間は、品質と衛生問題につながる可能性がある。

18. 生産数量と経済性

Joining工程の経済性は、生産数量、接合方式、自動化可能性、後処理の必要性によって変わる。

生産数量とJoiningの関係は次のとおりである。

少量生産
→ 手動溶接、ボルト締結、接着、簡易治具が有利

大量生産
→ スポット溶接、自動溶接、自動リベット、プレス後接合が有利
少量生産
→ 手動溶接、ボルト締結、接着、簡易治具が有利

大量生産
→ スポット溶接、自動溶接、自動リベット、プレス後接合が有利

Joiningを選択する際に検討すべきコスト要素は次のとおりである。

  • 接合設備費

  • 作業時間

  • 作業者の熟練度

  • 治具製作費

  • 接合材費

  • 締結部品費

  • 後処理費

  • 検査費

  • 不良率

  • 再作業可能性

  • 保守費

  • 分解と交換費

溶接は部品点数を減らせるが、後処理と変形補正費用が発生する場合がある。ボルト締結は分解可能であるが、部品点数と組立時間が増加する。接着は外観と異種材料接合に有利であるが、硬化時間と表面前処理費用が発生する。

19. 食品機械におけるJoiningの適用

食品機械や食肉加工機械では、Joiningが衛生性、洗浄性、耐食性、分解性に直接影響する。したがって、一般産業機械よりも接合部設計が重要である。

代表的な適用部位は次のとおりである。

  • ステンレスフレーム

  • 食品接触シュート

  • ホッパー

  • タンク

  • 衛生配管

  • カバー

  • ガイド

  • 分解洗浄部品

  • シール構造

  • モーターブラケット

  • センサーブラケット

食品機械でJoiningを適用する際には、次の点を考慮する必要がある。

  • 接合部に隙間があってはならない。

  • 溶接ビードが汚染物蓄積源になってはならない。

  • 溶接部を研磨できなければならない。

  • 水溜まりと洗浄液残留を防止しなければならない。

  • 分解洗浄が必要な部位にはクランプまたはボルト構造を適用しなければならない。

  • 食品接触部には不適合な接着剤やシーラントを使用してはならない。

  • 異種金属接触による腐食を防止しなければならない。

  • 締結部からの異物発生可能性を減らさなければならない。

  • 洗浄後の再組立が容易でなければならない。

例えば食品接触シュートは、溶接後に研磨して隙間とビードを除去することが望ましい。一方、清掃のために頻繁に分解する必要があるガイドやカバーには、衛生用ボルト、クランプ、クイックリリース構造が適している。

食品機械におけるJoiningは、単なる構造接合ではない。衛生設計と保守設計の核心要素である。

20. 他のKnowledge Tracksとの接続

Joiningは、他のKnowledge Tracksと密接に接続される。

20.1 Materialとの接続

材料は、溶接性、接着性、腐食性、熱膨張、締結強度に影響を与える。

Material
→ 溶接性、接着性、腐食性、熱膨張特性を決定する

Joining
→ 材料に適した接合方式を選択する
Material
→ 溶接性、接着性、腐食性、熱膨張特性を決定する

Joining
→ 材料に適した接合方式を選択する

20.2 Mechanism & Motionとの接続

運動部品の接合部は、繰り返し荷重、振動、摩耗、整列精度の影響を受ける。リンク、ヒンジ、ピン、シャフト結合部ではJoining設計が重要である。

Mechanism & Motion
→ 荷重、運動、振動、摩擦条件を定義する

Joining
→ その条件に耐える接合構造を形成する
Mechanism & Motion
→ 荷重、運動、振動、摩擦条件を定義する

Joining
→ その条件に耐える接合構造を形成する

20.3 Assemblyとの接続

JoiningはAssemblyの核心要素である。接合方式は、組立順序、工具アクセス性、分解可能性、公差累積に直接影響を与える。

Joining
→ 接合方式と固定構造を決定する

Assembly
→ 組立順序、工具アクセス性、保守性を適用する
Joining
→ 接合方式と固定構造を決定する

Assembly
→ 組立順序、工具アクセス性、保守性を適用する

20.4 Manufacturing Qualityとの接続

接合部品質は、製品の安全性と寿命に直接つながる。溶接検査、トルク検査、漏れ検査、接着強度検査が必要になる場合がある。

Joining
→ 接合強度、変形、漏れ、緩みを管理する

Manufacturing Quality
→ 接合部検査と機能検証を行う
Joining
→ 接合強度、変形、漏れ、緩みを管理する

Manufacturing Quality
→ 接合部検査と機能検証を行う

21. 核心的な考え方

Joiningにおける核心的な考え方は次のとおりである。

部品を接続する方式は、製品の構造と保守方式を決定する。

強い接合が常に良い接合とは限らない。

分解が必要な部位に永久接合を適用してはならない。

溶接は強いが、熱変形と残留応力を発生させる。

ボルト締結は分解可能であるが、緩みと締結空間を考慮しなければならない。

接着は異種材料接合に有利であるが、表面前処理と荷重方向が重要である。

圧入は単純であるが、しめしろと組立荷重が重要である。

接合部は荷重伝達経路上に存在する。

接合部は検査可能でなければならない。

食品機械では、接合部が汚染物蓄積源になってはならない。

良いJoining設計は、強度、変形、分解性、衛生性、検査性、保守性を同時に考慮する。

22. 結論

Joiningは、2つ以上の部品をひとつの構造または機能単位へ接続する製造工程群である。溶接、ろう付け、はんだ付け、接着、リベット、ボルト締結、ピン、クランプ、圧入といった工程は、機械製品の構造、強度、組立性、保守性に直接影響を与える。

しかしJoiningは、単に部品を取り付けたり固定したりする工程ではない。設計者は、接合強度、荷重方向、熱変形、残留応力、分解性、密封性、腐食、工具アクセス性、後処理、検査可能性を同時に考慮しなければならない。

機械設計の観点から、Joiningの核心は次のとおりである。

  • この接合部はどのような荷重を伝達するのか。

  • 永久接合が必要なのか、分解可能な接合が必要なのか。

  • 溶接または締結後の変形は許容できるのか。

  • 接合部に工具と検査装置がアクセスできるのか。

  • 接合部が腐食、漏れ、汚染の原因にならないか。

  • 後処理と洗浄が可能か。

  • 保守と交換が可能か。

  • 生産数量とコストに適した接合方式か。

したがってJoiningは、Manufacturing Trackにおいて個別部品を実際の製品構造へ統合する核心項目であり、Material、Mechanism & Motion、Assembly、Manufacturing Qualityと密接につながる製造知識である。