Kevin Yu's Blog: 夾具、治具、模具？

在製造上，經常會出現夾具、治具、模具這三個專有名詞，
對非製造、機械背景或者是實務經驗不多的機械工程師來說，
這三個名詞有時會很容易混淆。

簡單的說明希望能幫助有興趣的人能夠有個基本認識。

夾具

常見的英文翻譯為 Clamp ，主要的用途就是固定物件；
夾具不僅僅出現在生產機械設備上，其實也很廣泛被用在很多領域，
例如槍枝上固定瞄準鏡的結構就稱為夾具；
在自動化機械設備中固定移動中的物件是非常基本的功能，
只要原料是固體類的就免不了需要在加工、組裝或移動過程中固定住物件，
目的在避免受力或慣性變化(加減速度變化)時物件不會任意移位，
夾持是就是其中一個最主要的固定方式；
仔細思考物件固定的原理，
其中之一是給予幾何限制，使固體被卡住無法移動，
另外一種是提供最大靜摩擦力超過物件慣性力作用來避免移動。

輸送夾持旋轉，影片來源：Misumi網站

第一種方式幾何限制，在理論上是最好的方法，
道理很簡單，就是傳統物理上認知的"固體無法穿越固體"，
物件除了慣性力以外，在移動過程中不會受到額外的作用力，
可以避免物件受到額外作用力的影響，
但是夾具必須配合物件的形狀進行設計，
又需要保留公差以因應物件製作上的公差、裕度，
所以實務上很少看到完全用這一種概念設計的夾具，
原因是變化彈性太小，而且裕度會造成物件與夾具碰撞的可能。

第二種方式以提供最大靜摩擦力超過慣性力作用的方式來維持物件的固定位置，
這種方式提供的摩擦力需要克服至少兩個方向的慣性作用，
一個是重力方向，物件不會往下掉，
一個是運動方向(平移、旋轉都要考慮)，讓物件不會在加減速時移位，
這是目前最主要的應用方式。

傳統上對金屬材質，
因為材料本身的強度高，可以施加很大的力量用以確保物件不會移動，
所以在一些金屬處理的自動化設備上經常會使用油壓夾具來固定物件，
在有些木頭材質物件的固定上也很常見，只是固定力量會比較小。

台灣氣立可的夾爪氣缸，可以直接夾持並旋轉小型物件進行搬運
圖片取自氣立可網站下載的PDF型錄

提供最大靜摩擦力的方式，
除了夾持動作提供正向力再乘以摩擦係數計算出最大靜磨擦力以外，
其實還可以利用真空吸力產生壓力差來提供正向力，
再配合高摩擦係數材質來提供超過慣性力所需要的最大靜摩擦力，
這種方式有機會可以減少對物件的施力大小，
因此在一些精密元件或易脆性材質的固定上經常被拿來使用，
缺點是高摩擦係數材質會殘留並汙染到物件的表面，
這在某些要求超高潔淨度的產品上就要注意。

真空吸附物件，影片來源：Misumi網站

從移動過程中固定物件的角度來看，對鐵材，包括其他具磁性的鐵、鈷、鎳等，
還有一種特別的方式是利用電磁力，
常見於銑、磨、刨等工具機的工作台上(磁性固定座)，
不過這種力量很大，通常不是用來克服移動的慣性力，
而是用來克服切削加工的力量。

少數特別的例子是用在高溫環境下，無法使用軟材質，如下影片所示：

磁力吸附夾具示意影片，影片來源：Misumi網站

也有一些例子會混合使用以上兩種方法，
在其中一個方向改成幾何限制(例如重力方向)，
以儘量降低施力對物件的影響。

有關"夾具"，可以參考另外一篇網誌：固定&吸附元件(Chuck)簡介

治具

通常的英文名稱是 Jig ，治具是從日文的發音沿用而來；
治具的主要功能是固定並定位物件的位置，
相對夾具來說，在功能上多了一個定位的作用，
經常看到的治具會使用幾何限制的方式來定位物件，
所以像定位塊、定位銷經常會有斜面設計，
用來引導物件進入一個比較小的空間範圍，限制住物件的位置。

定位導引塊，圖片來源：Misumi網站

導引定位銷，圖片來源：Misumi網站

為了更精確的固定物件有時還會加上強制推動的動作，
使物件抵靠在基準面/邊上；
這個動作如果還有持續並防止物件移動，
功能上就有點像夾具的延伸；
或者以夾持方式進行中心定位等，
所以也經常造成誤解，把夾具跟治具混為一談。

使用氣缸與連桿機構作中心定位，影片來源：Misumi網站

所以夾具跟治具嚴格上來說其實功能用途上是略有不同的，
夾具著重在固定，治具著重在"精確"定位，
但是因為治具有時會多了夾持固定的需求，
所以有時跟夾具會有點像；
實務上，兩者的機構設計在工廠內常常被放在同一個部門，稱為夾治具設計，
這個部門可能放在生技，也可能放在設備維護，甚至放在廠務或產品研發，
基本上的學經歷背景都是以機械工程師為主。

夾治具改善與設計在台灣的自動設備發展過程中是一個非常重要的起始點，
很多自動化設備公司的源頭都是從幫工廠作國外進口的夾治具改善與設計開始，
加上驅動裝置、控制迴路等一路過來，
累積產品與設備經驗成為完整自動化設備公司。

有關自動化設備可以參考：
有關自動化設備的一些概念分享

模具

英文名稱Mold，又是甚麼？

從另外一篇介紹設備系統與規格文章中，有描述到所謂的"製程"，
前面的夾治具功能主要就是固定與定位，基本上對產品並沒有其他的作用，並不會直接影響到產品本身，
但是模具就不同了，模具會直接參與製造的過程。

坦白說，我先前的工作經驗主要是客製化自動化設備與面板設備為主，
幾乎是不碰模具的，對模具的了解是因為第三份工作在CAx軟體公司，
才接觸到其他產業用到的模具，
所以對模具僅略知一二，挑簡單的來作介紹，更詳細的資料可以參考"模具公會"網站。

模具有很多種，但是基本上的作用就是限制產品生產製造出來的形狀，
或者是說將原料塑形成所需要的形狀，
從這個角度來看，夜市賣的雞蛋糕、鯛魚燒、紅豆餅模等等就是最通俗易懂的例子：

圖片來源：PCHome商店街

所以模具在商品製造上可以說無所不在，
只要最後銷售到終端消費者手中的大量製造商品，會一定的形體存在，
這個形體就必須依靠模具來完成。

模具的分類會依據產業與選用製程決定，撇開食品類的模具，
在製造業上的模具主要處理的材料有兩大類：
塑膠與金屬(當然還有其他陶瓷、複合材料等也會用到模具，但是量比較少)，
所以先簡單介紹近幾十年來數量最多的塑膠製造模具。

不論金屬製造或塑膠製造用的模具可以依據製程不同而有不同的分類，
以塑膠製造最主要的三種製程為例：

射出，Injection，
形狀比較複雜，以薄殼狀最多，3D厚件也有，可能會有內嵌的金屬件，
算是目前最大宗的模具，
也是大量製造與自動化製造很重要的基礎，
一般消費者使用到的產品幾乎都不免會有使用射出模具製造出來的零件；
模具形狀與構造可能都會很複雜，
一套模具的設計與製造費用很高，通常由數十萬到數百萬，
少數大型特殊模具(如汽車保桿、儀表板等)甚至可高達數千萬，
模具使用次數必須可到幾千甚至數百萬次以上，
才能將模具費用合理的攤到製造出來的零件中。

押出(或擠出)，Extrusion，
固定斷面形狀的塑膠製品，金屬製造也有同樣的製程，
像塑膠平板、圓棒、圓管、浪板等都是以擠出製程所生產出來再作裁切成型的產品，
但是因為一般消費者比較少會直接接觸到這種原物料，
所以會比較不孰悉；模具成本最低，
小型、簡單形狀、單孔斷面的擠出模價格通常不用5萬。

吹塑，Blowing，
各式各樣的瓶子跟塑袋主要都是以吹塑製程作出來，
塑膠袋的吹塑比較像押出的方式，
只是改用氣體帶動融化的塑料成為薄膜，並不斷延伸，
在嘉義有一家塑膠袋吹塑設備的廠商，
看到塑膠袋是被空氣吹出來然後定形捲成一大捲，其實還蠻療癒的，
但是要有多層膜又要均勻厚度那可就不是一般的容易了，很多細節要注意。
回到正題，吹塑的模具以瓶子類最多，
幾乎所有的塑膠瓶都是以吹塑的方式做出來，
吹塑模相較押出模形狀來得複雜，但是比射出模簡單，
可以參考標題的維基百科連結。

以下連結影片有介紹以上提到的幾種塑膠模具：