治具の位置決めの基本——3-2-1の原則と、丸ピン・ダイヤピンの使い方

治具の設計を頼まれて、ワークを置く台と、押さえるクランプを描いた。ところが、実際に使ってみると、ワークを置くたびに位置が少しずつずれる。ピンを2本立てたら、今度はワークによって入ったり入らなかったりする。

治具で困ることの多くは、「どこで、何点で、ワークの位置を決めるか」が決まっていないことから起きます。

この記事では、治具の位置決めの基本である「3-2-1の原則」と、穴で位置を決めるときの「丸ピンとダイヤピン」の使い方、はめあいの数字、図面のデータムとの合わせ方までを整理します。

考え方：ワークの動きは6つある

空中に置いたワークは、6つの方向に動けます。

まっすぐ動く  X方向・Y方向・Z方向            の3つ
回る          X軸まわり・Y軸まわり・Z軸まわり の3つ
合計          6つ（6自由度）

位置決めとは、この6つの動きを、すべて1回ずつ止めることです。

足りなければワークは動きます。多すぎれば、どこかが浮いたり、無理に押しつけてワークが変形したりします。「ちょうど6つ」がポイントです。

3-2-1の原則

6つの動きを止める、いちばん基本の置き方が「3-2-1の原則」です。四角いワークで考えます。

第1基準面（いちばん広い面）  3点で受ける  → 上下の動きと、2方向の傾きを止める（3つ）
第2基準面（長い側面）        2点で当てる  → 横の動きと、水平の回りを止める（2つ）
第3基準面（短い側面）        1点で当てる  → 残りの前後の動きを止める（1つ）
合計                         6点         → 6つの動きが止まる

3点を広い面にするのは、3点が作る三角形が大きいほど、ワークが安定するからです。同じように、第2基準面の2点も、できるだけ離して置きます。

4点で受けてはいけない理由

「3点より4点のほうが安定しそう」と思うかもしれません。でも、面は3点で決まります。4点で受けると、ワークや受け台のわずかなそりで、どこか1点が浮きます。浮いた点を押さえつければワークがゆがみ、押さえなければガタつきます。

これを「過拘束」と言います。受けを増やしたいときは、4点目を「高さを合わせて当てるだけ」の補助の支え（ワークが押されてたわむのを防ぐもの）として、位置決めとは分けて考えます。

図面のデータムに合わせる

基準面をどこにするかは、自分で自由に決めてよいわけではありません。まず図面のデータム（寸法や幾何公差の基準）を見ます。

▪ データムA（第1データム）→ 3点で受ける面
▪ データムB（第2データム）→ 2点で当てる面
▪ データムC（第3データム）→ 1点で当てる面

治具の基準と図面のデータムがずれていると、治具の上では正しく加工・組立できていても、図面どおりに測ると外れる、ということが起きます。治具の基準は、原則としてデータムに合わせます。どうしても合わせられないときは、そのずれで寸法がどれだけ動くかを計算しておきます。

▼ 幾何公差の読み方入門——寸法公差との違いと、なぜ公差域が57%広がるのか

穴で位置を決める：丸ピンとダイヤピン

ワークに穴が2つあるなら、ピンを2本立てて位置を決めることができます。このとき、2本とも丸いピンにすると困ったことが起きます。

穴と穴の間隔（ピッチ）にも、ピンとピンの間隔にも、必ず誤差があります。2本とも丸ピンだと、その誤差を逃がす場所がないので、ワークによっては入らなかったり、無理に押し込んでかじったりします。

そこで、1本を丸ピン、もう1本をダイヤピン（ひし形ピン）にします。

丸ピン      X方向・Y方向の位置を決める（2つの動きを止める）
ダイヤピン  丸ピンのまわりに回る動きだけを止める（1つの動きを止める）
            2つの穴を結ぶ方向には逃げがあるので、ピッチの誤差を吸収できる

ダイヤピンは、丸いピンの両側を平らに削った形をしています。削った側を「2つの穴を結ぶ方向」に向けて取り付けます。向きを90度間違えると、逃げが効かず、回り止めにもなりません。取り付けの向きは、図面にはっきり書いておきます。

穴の位置決めと面の受け（3点）を組み合わせると、「面で3つ＋丸ピンで2つ＋ダイヤピンで1つ」で、6つの動きが止まります。3-2-1と同じ考え方です。

ピンと穴のすきま：はめあいで決める

ピンと穴の間には、すきまが要ります。すきまがなければワークが入らず、大きすぎれば位置がずれます。ピンには、ワークを抜き差しする側と、治具の板に固定する側の2か所があり、それぞれ目的が違います。

ワークの穴とピン（毎回抜き差しする）
　目安：H7/h7（すきまばめ）
　φ6の場合　穴 6.000〜6.012　ピン 5.988〜6.000
　　　　　　すきま 0.000〜0.024 mm

　入れにくいとき：H7/g6
　φ6の場合　ピン 5.988〜5.996　すきま 0.004〜0.024 mm

治具の板とピン（抜けては困る）
　目安：H7/p6（しまりばめ）で圧入して固定する

すきまが最大0.024 mmあれば、ワークは中心から最大で0.012 mmずれえます。治具で決まる位置の精度は、このすきまより良くはなりません。必要な精度に対してすきまが大きすぎないかを、先に計算します。

ずれがいくつも重なる場合（ピンの位置の誤差＋すきま＋ワーク側の穴の位置の誤差）の足し方は、こちらで書いています。

▼ 積み上げ公差の計算方法——ワーストケースと二乗和（RSS）の使い分け

クランプの押し方

位置を決めたら、クランプで押さえます。押し方にも決まりがあります。

▪ 押す向きは、基準面に向ける（ワークを基準に押しつける方向）
▪ 押す位置は、受けの点の真上にする（受けのない場所を押すと、ワークがたわむ）
▪ 押す力は、加工や組立の力に負けない、必要な分だけにする（強すぎると変形する）
▪ 押す順番は、第1基準面 → 第2 → 第3の順

基準面から離れる向きに押すと、位置決めの意味がなくなります。

現場で長く使うための工夫

▪ 受けの面は小さくする：切粉やごみが乗る面積を減らす。受けの周りに逃げの溝をつける
▪ 受けとピンは交換できる部品にする：使ううちに摩耗するので、焼入れした部品を交換式にする
▪ 逆向きに置けないようにする：左右や表裏を間違えやすいワークは、ピンの位置や形をずらして、間違った向きでは入らないようにする（ポカヨケ）
▪ ワークの有無を見る：センサで、ワークが正しく座っているかを確かめてから動かす

▼ 治具の材料選びで「なんでもいい」と言われたときの選定根拠【ステンレス・アルミ・鉄・焼き入れ鋼の比較】

設計のときのチェックリスト

□ 6つの動きを、それぞれ1回ずつ止めているか（多すぎない・少なすぎない）
□ 第1基準面は3点、いちばん広い面で、3点の間隔を広く取っているか
□ 治具の基準は、図面のデータム（A・B・C）と合っているか
□ 穴で決めるなら、丸ピン1本＋ダイヤピン1本か。ダイヤピンの向きは合っているか
□ ピンと穴のすきまは、必要な位置の精度に対して大きすぎないか
□ クランプは基準面に向かって、受けの真上を押しているか
□ 受けとピンは摩耗したら交換できるか。切粉が逃げるか
□ ワークを逆向きに置けないようになっているか

まとめ

▪ 位置決めは、ワークの6つの動きを、ちょうど1回ずつ止めること
▪ 基本は3-2-1。広い面を3点、長い側面を2点、短い側面を1点
▪ 4点で受けると過拘束。補助の支えは位置決めと分けて考える
▪ 治具の基準は、図面のデータムに合わせる
▪ 穴で決めるときは、丸ピン＋ダイヤピン。ダイヤピンの向きに注意
▪ ピンと穴のすきま（例：φ6 H7/h7で0〜0.024 mm）が、位置の精度の限界。ピンを治具に固定する側はしまりばめ

手元の治具を1つ選んで、ワークを何点で受けているかを数えてみてください。4点以上で受けていたら、ガタつきやゆがみの原因になっていないかを確かめてみてください。

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