設計者はしばしば、部品が計画通りにフィットしなかったり、機能しなかったりする問題に直面します。これは通常、公差と許容差という2つの重要な概念が混同されているために起こります。エンジニア、機械工、バイヤーは、これらの用語が製品の結果にどのような影響を与えるかを知っておく必要があります。どんなに高度な製造プロセスであっても、明確なガイドラインがなければ、手戻りや故障につながる可能性があります。
公差とは、部品の寸法の許容できるばらつきの範囲。許容差とは、2つの嵌合部品間の計画された差のこと。許容差は、何が許容されるかを管理する。許容差は、部品間の隙間やはめあいを設定します。この2つを知ることで、チームは部品がどの程度緩んでいるか、あるいは締まっているかを判断することができます。これにより、スムーズな機能、良好な組み立て、最小限の無駄が保証されます。
この2つの言葉は似ているように聞こえる。しかし、設計と製造における役割は大きく異なる。この2つを分解してみよう。
デザインにおける公差：知っておくべき基礎知識
設計する部品にはすべてサイズがある。しかし実際の生産では、そのサイズが毎回完璧であることはありえません。そこで登場するのが公差です。
エンジニアリングにおける許容範囲とは何か？
公差とは、寸法がその寸法から変動する許容範囲を意味します。この部品は正確である必要はないが、この範囲内に収まる必要がある」ということです。公差がなければ、すべての部品が完璧でなければなりません。それは現実的ではありません。
例えば、穴が10mm±0.1mmと表示されている場合、9.9mmから10.1mmの間であり得る。この小さな範囲であれば、安心して部品を量産することができる。
公差の種類：ユニラテラル、バイラテラル、リミット
公差はいくつかの方法で示すことができ、それぞれ異なる設計ニーズに適している：
- 一方的な寛容 は、一方向の変動を許容する。例えば、10 mm +0.2 / -0.0は、部品が大きくなることだけを意味し、小さくなることはありません。
- 二国間寛容 は、両方向のばらつきを許容する。一般的な形は±0.1mmで、10mmの部品は9.9mmから10.1mmになる。
- 限界公差 は上限と下限を直接示します。10mm±0.1mmではなく、9.9mmから10.1mmと言うのです。
幾何学的寸法および公差（GD&T）の基礎
GD&Tは公差にもう1つのレイヤーを追加します。単にサイズを管理するだけでなく、形状、方向、位置を管理します。これは、部品が特定の方法でフィットしたり動いたりする必要がある場合に便利です。
記号は、平面度、平行度、同心度などを示すために使われる。例えば、円柱はその長さにわたって0.02mm以内でまっすぐである必要があるかもしれない。
エンジニアリングにおける手当：最初から適切な手当を設定する
アローワンスは、2つの嵌合部品間の計画差を制御する。これは、部品がどの程度きつく、あるいは緩く組み合わされるかを決定する。
エンジニアリング用語でアローワンスとは何か？
アローワンス（Allowance）とは、組み立て前の部品間に意図的に設ける隙間や重なりのこと。ばらつきを許容する公差とは異なり、アローワンスは固定された設計上の決定事項である。クリアランスの最小値や干渉の最大値を設定します。
シャフトが10mmで穴が10.1mmの場合、許容差は0.1mm。穴の大きさが9.9mmなら、取り代は0.1mmの干渉となる。これは、部品がどのようにフィットするか（スライドするか、しっかり固定するか、押し込むか）をコントロールします。
ホール・シャフト・システムにおける引当金
ほとんどの設計では、一方の部品は一定で、もう一方の部品が変化します。これが、ホール・ベーシスとシャフト・ベーシスの考え方です。
- ホール・ベース・システム:穴の大きさは変わりません。シャフトを調整することでフィット感をコントロールする。標準的な工具やドリルで固定サイズの穴が開けられるため、この方式が一般的です。
- シャフト・ベース・システム:シャフトのサイズは変わりません。必要なフィット感を得るために穴を変える。あまり一般的ではないが、特殊な場合に有効。
フィットの種類：クリアランス、トランジション、インターフェアランス
フィットは、パーツの組み合わせのしやすさをコントロールする。主に3つのタイプがある：
- クリアランスフィット:シャフトは常に穴より小さい。部品は容易にスライドまたは回転する。
- トランジションフィット:シャフトと穴の大きさは非常に近い。実際の数値によって、部品が滑ったり、組み立てに軽い力が必要な場合があります。
- 干渉フィット:シャフトは穴より大きい。部品同士をプレスしなければならない。こうすることで、強固で堅いジョイントになる。
固定ファスナーと浮動ファスナーの条件
アセンブリでは、ファスナーは穴を貫通する。両方の穴の位置が固定されている場合は、固定ファスナーの状態です。片方の穴が動いたりずれたりする場合は、フローティングファスナーの状態です。
固定条件は、より厳しいアライメント公差を必要とする。フローティングコンディションは、組み立て中に調整する余地がある。
寛容と許容：知っておくべき明確な違い
どちらも部品がどのようにフィットするかに影響する。しかし、公差と許容差は同じではありません。それぞれが設計と製造において異なる役割を果たしています。
概念の違い
公差とは、ばらつきのことである。部品が理想的なサイズから逸脱する許容範囲を設定します。
アローワンスとは意図のことである。それは、ばらつきが起こる前であっても、相手部品間の計画された差異を定義するものである。
要するにだ、 許容範囲は柔軟である, 手当は固定.
組み立ての機能的な違い
アローワンスは、ルーズ、タイト、プレスといったフィットのタイプを決定する。2つのパーツが接合されたときにどのような挙動を示すかを示します。
公差は、最終的な部品が制限内に収まるようにする。この公差は、部品が微妙に異なっていても、設計通りにフィットすることを保証します。
許容は目的を果たす。寛容は目的が達成されるようにする。
製造と検査への影響
公差が厳しいということは、それだけ精度が高いということだ。その分、コストも検査時間も上がる。
アローアンスは、部品がどのようにフィットするように設計されるかに影響する。プレスフィットとスリップフィットの違いや、組み立てに必要な力の大きさなどに影響します。
検査では公差が測定され、検証される。公差は設計段階で見直される。
実世界での応用例
スリップフィットギア わずかなクリアランスが必要です。公差は、滑るがぐらつかないことを保証する。
圧入ベアリング 干渉許容差が必要です。公差は、部品が緩すぎたり、きつすぎたりしないようにする。
ノートパソコンのヒンジ トランジション・フィットを使用する。許容範囲はスムーズな動きを生み出します。許容範囲は、時間が経ってもその状態を保つことを保証します。
| アスペクト | 許容範囲 | 手当 |
|---|---|---|
| コンセプト | 部品サイズの許容可能なばらつき | 意図的な相手部品の違い |
| 目的 | 製造精度を管理 | 部品間の適切な嵌合を確保 |
| 適用対象 | 個々の部品の特徴 | 2つの部品の関係 |
| 定義時 | 部品寸法測定中 | 適合設計中（シャフトと穴など） |
| 組み立てへの影響 | 部品が機能限界内に収まっていることを確認する | 部品がスライドするか、圧入されるか、保持されるかを判断する |
| コストへの影響 | 許容範囲が狭い＝コストが高い | 手当は主に機能に影響し、コストには影響しない |
| 検査 | 測定ツールで検証 | 設計段階での見直し |
| 例 | 10mm±0.1mmホール（範囲9.9～10.1mm） | 10mmシャフトと10.1mm穴の間の0.1mmクリアランス |
公差は製造の意思決定とコストにどう影響するか？
公差の選択はすべて、部品の製造、測定、組み立てに直接影響する。
加工プロセスへの影響
公差が緩い方が加工しやすい。ほとんどの標準的な工具は、それほど設定しなくても目標に当てることができる。
公差が厳しい場合は、特殊な工具、低速回転、より精密な制御が必要になる。つまり、時間とコストがかかるということだ。
CNC加工で±0.01mmの公差を維持するのは、±0.1mmよりもはるかに難しい。特注の治具や余分な工程が必要になることもあります。
厳しい公差はいかにしてコストを増大させるか？
公差が厳しいということは
- 工具の摩耗が激しい
- より多くのスクラップ
- セットアップと測定に多くの時間をかける
- より高い検査要件
これらはそれぞれ、労力や遅れを増加させる。だからこそ設計者は、機能上必要な場合にのみ、厳しい公差を使用すべきなのです。
アセンブリ設計における公差スタックアップ
アセンブリの各部品には公差があります。それらを足し合わせると、最終的なフィットや動きに影響を与えることがある。これを トレランス・スタックアップ.
コントロールしないと、部品の位置がずれたり、詰まったりすることがある。スタックアップは、大型アセンブリの隠れたリスクです。設計者は早めに対策を立てなければなりません。
公差解析ソフトウェアの使用
最新のCADツールは、公差がアセンブリにどのような影響を与えるかをシミュレートすることができます。
CETOL、SolidWorks TolAnalyst、またはSigmetrixのようなソフトウェアが表示できます：
- 最悪のケース
- 統計的成果
- リスク領域
実際の機械設計において、許容範囲はどのように選択されるのか？
許容差は、部品の動き、保持、摩耗に大きく影響する。適切な許容差は、スムーズなアセンブリと故障した部品を区別することができます。
嵌合部品の設計
2つの部品が組み合わされるとき、その相互作用は許容範囲によって決まる。自由に滑るのか、しっかり固定されるのか、それとも接合に力が必要なのか。
エンジニアは、シャフト、穴、ピン、ファスナーの正確な適合を計画するために許容誤差を使用します。これにより、緩いジョイントや複雑なアセンブリを避けることができます。
アローアンスは摩耗、負荷、プレーにどのように影響するか？
クリアランス・フィットは摩擦を減らす。しかし、クリアランスが大きすぎると、振動やノイズ、早期摩耗の原因になります。
干渉フィットは、負荷がかかってもしっかりと固定される。しかし、注意深く設計しなければ、組み立て時に応力の蓄積や破損につながる可能性がある。
ケーススタディシャフト、ベアリング、ブッシュ
- シャフトとベアリング:ガタつきのないスムーズな回転のためには、わずかなクリアランスが必要です。
- ブッシング:多くの場合、干渉フィットを使用しているため、力や回転がかかっても所定の位置に留まる。
- ギアアセンブリ:トランジションフィットを使用することで、バックラッシュを最小限に抑え、正確な動きを実現。
それぞれのケースが意図したとおりに機能するためには、手当計画が必要だ。
3DプリンティングとCNC加工における手当
で 3Dプリントその際、材料の収縮とプリンターの精度を考慮する必要があります。一般的には、部品と部品の間に0.2～0.5mmの隙間を空ける。
で CNC加工そのため、許容誤差をコントロールしやすくなっている。しかし、熱膨張、工具のたわみ、仕上げパスは最終サイズに影響を与えます。適切な計画を立てることで、余分な手直しをすることなく部品がフィットするようになります。
なぜ公差と許容誤差を加えると設計が向上するのか？
良いデザインとは、形や機能だけではありません。部品が問題なく作られ、組み立てられ、使用されることを保証するものでもある。
組み立ての問題を防ぐ
見かけの公差と許容差の値により、部品が理想通りに組み合わされます。当てずっぽうの作業はありません。無理に部品をはめ込むこともありません。つまり、組み立ての遅れが少なくなり、故障のリスクも低くなります。
製品性能の向上
よく計画された許容差は、遊びを減らし、安定性を高め、スムーズな滑りを保証します。正しい公差は、製品を早く摩耗させることなく、安定した走行を維持します。
スクラップとリワークの削減
公差が厳しかったり、不明確であったり、不足していたりすると、不合格になることがよくあります。正確なスペックを追加することで、メーカーは目標を達成し、コストのかかる手戻りを避けることができます。
製造のスピードアップ
マシニストが許容範囲を知ることで、より速く、より自信を持って作業することができます。その結果、サイクルタイムが短縮され、セットアップの手間も軽減されます。
検査を容易にする
定義された限界値により、検査員は部品のサイズを簡単にチェックできます。適切なゲージやCMMツールを使用すれば、適合性を迅速に確認できます。
互換性をサポート
標準的なフィットと公差で設計された部品は、より簡単に交換したり取り替えたりできる。これは大量生産や修理作業において鍵となる。
エンジニアと設計者が公差と許容誤差を効果的に適用するには？
公差と許容差を正しく適用することで、ミスを防ぎ、コストを管理し、部品の品質を向上させることができます。
実用的な公差を指定するためのヒント
- 公差を機能に合わせてください。必要以上にきつくしないでください。
- 可能な限り標準的な公差範囲を使用する。これにより、コストを節約し、複雑さを軽減することができます。
- 製造チームに確認してください。彼らのマシンにとって何が妥当か、彼らが知っているはずだ。
"念のため "に厳しい公差を使うという罠を避けること。それは多くの場合、益よりも害をもたらす。
コスト、精度、性能のバランス
その部品が何をしなければならないかを問うことから始める。それから、どの程度近いサイズが必要かを決める。
公差を厳しくするとコストが高くなる。製品の性能や寿命を向上させる場合にのみ使用する。
ほとんどの機械部品では、±0.1 mmで十分です。フィット、シール、モーション・コントロールのために必要な場合のみ、それを減らしてください。
技術図面における公差の伝達
明確な記号と一貫性のある単位を使用する。
などの標準的なフォーマットに従う：
- リニア：50.00 ± 0.05 mm
- リミット：49.95～50.05mm
- GD&T：幾何公差にフィーチャーコントロールフレームを使用
特定の機能が例外的な制御を必要とする場合は、メモを追加してください。リリース前に必ず図面をダブルチェックしてください。
明確なアローアンス仕様でリワークを削減
特に圧入部品や摺動部品では、はめあいを設計する際に許容値を明確に記載すること。
システムがホールベースかシャフトベースかを表示する。はめ合いのタイプ（クリアランス、トランジション、干渉）についてのメモを追加する。
0.1mmのクリアランスフィットが必要」というような簡単なメモがあれば、後で何時間も手直しする必要がなくなる。
結論
公差と許容差は似ているように聞こえるかもしれませんが、設計における役割は異なります。公差は、部品のサイズがどの程度変化するかを管理します。許容差は、2つの部品の間に計画された隙間や干渉を設定します。公差は、部品が安全な範囲内で作られることを保証します。許容誤差は、部品が意図したとおりにフィットし、機能することを保証します。
両者を明確かつ実用的に使い分けることで、組み立ての問題を回避し、スクラップを減らし、コストを抑えることができる。設計者は、精度と製造可能性のバランスをとり、図面ではめあいや公差を明確に伝えるべきです。
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よくあるご質問
寛容と許容はゼロになり得るのか？
理論的にはそうだ。しかし実際には、許容範囲や許容量がゼロというのは非現実的だ。すべての製造工程には限界がある。ゼロ値ということは、部品が完璧でなければならず、コストと複雑さを押し上げることになる。
許容範囲があるのに、なぜ公差が必要なのか？
許容差は、2つの部品間の意図された適合を設定する。公差は、製造中のばらつきを制御します。公差がなければ、公差を確実に達成することはできません。信頼できる結果を得るためには、この両方が必要です。
設計者はどのようにして適切な公差を選ぶのか？
まずは機能から。その部品が何をする必要があるのかを問う。そして、それが他の部品とどのように適合するかを見る。標準公差表を参考にしてください。わからない場合は、機械工やメーカーに相談する。
公差に関しては、常にタイトな方が良いのか？
公差を厳しくすると、コスト、時間、難易度が増します。公差は、密閉性、アライメント、動作制御が必要な場合にのみ使用する。多くの部品では、緩い範囲で十分です。
ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
