公差設計の基本と考え方

2023年11月28日




今日は 「公差設計の基本と考え方」 についてのメモです。

 

公差設計技術が日本のものづくりを支えた というのを聞いたことがあります。

 

最近では目的をもって公差を入れていますが、 設計駆け出しの頃は右に倣え で、過去の図面表現をそのまま引用していました。 公差というのは 具体的な表現が沢山あるし、そもそもの構造設計が良いか悪いかというのも公差表現に影響するし、本当に難しいと思っています。

 

公差は 適切な表現方法に加えて、そもそも公差が必要な理由とか、入れないとどうなるのとかの基本的な考え方も重要 だと思っているので、今日は 公差設計の基本と考え方 のポイントをメモとして残しておきます。

公差設計とは

対象となる組立製品に求められる要求に品質を落とし込むために、設計者が各部品の 寸法許容値や形状許容内容を製造コストと品質のバランスを取り、統計的な考えを含めて公差計算をすることを 公差設計 と呼びます。

 

 

公差の基本

そもそも公差が必要な理由

製造現場において 実際の製品の部分寸法や部分形状にはバラツキが必ず発生し、それをゼロにはできないことが 公差が必要な理由 になります。 求められる品質を満たす為には、その目標寸法に対してばらついても許される上限と下限の許容値(許容範囲)を決める必要があります。

 

その許容範囲を 公差 といいます。

 

 

公差にはどんな種類があるのか

公差には大きく分けて 寸法公差 と 幾何公差 の 2種類があります。

 

 

寸法公差とは

寸法公差とは、基準(設定)寸法に対して許容できる範囲を指示すること です。

 

基準(設定)寸法を100mmとした時 

  • 100 ±0.1:寸法100に対して上下で0.1の範囲で製造して欲しいという意思表示
  • 100 +0.1+/-0.1:寸法100に対して上下で0.1の範囲で製造して欲しいという意思表示
  • 100 +0.1/0:寸法100に対して上限0.1、下限0の範囲で製造して欲しいという意思表示
  • 100 -0.1/-0.2:寸法100に対して上限-0.1、下限-0.2の範囲で製造して欲しいという意思表示

などです。

 

 

幾何公差とは

幾何公差とは 寸法公差と違い 平行や直角などの形状を公差域内で規制するもの です。(下記はイメージ)

 

評価の仕方として、寸法公差は ノギス・マイクロメータなどの一般的な測定器で計りやすい ですが、この幾何公差は 各姿勢が測れる測定器の準備が必要になります。

 

 

公差設計は全員が出来るのか

少し、公差設計の実際に触れてみます。 設計者の私がいうのもアレですが、 公差設計が出来ない設計者も多いと思っています。

 

公差設計入門 という書籍の中で幅広い業種18000人(2016年)アンケートがあって

 

引用:日本の実態

①公差設計・解析の実施状況

  • 確実に実施している:2%
  • たまに実施している:20%
  • 実施していない:50%
  • わからない:28%

 

②幾何公差は?

  • 使っている:20%
  • 使っていない:80%

 

但しこれは 少し前なのと、そのあたりから 公差設計セミナーや、WEB情報も発展してきたことから、これよりは使っている人が多い と思います。

 

重要なのは 実施しているからOKではない 事だと思っていて、 正しく使えていないとやはり製品に影響が出てくるのが各公差です。 私は仕事上他の方が書いた図面も見るのですが、やはり業界別に 図面における公差の在り方に差がある印象を持っています。

 

この表現素晴らしいな と思う設計もあれば 使い方が間違っている図面もあります。 つまり、加工者にとって 公差(ここでは特に幾何公差)というものが入ることによって 部品製作をむずかしくしているのも事実 です。

 

 

公差はどんな場所に設けるものか

バラツキが全ての部品に起こるのならば全ての部品を構成する部位に全て寸法公差と幾何公差が必要になりますが、 一般的な図面では JISに基づき 一般公差が定められていて、図面の対象部品において 無記入の寸法一般公差 と、 一般公差から外れる場合に記載する 記入の寸法公差 があります。

 

この記入寸法公差で代表的なものは はめあい公差(部品同士のはめあい) や 工具などが入るように指示する一般的な公差 で、これらを状況に応じて適用していきます。

 

 

 

全部に公差を記載することによる弊害

公差は設計者が決めるわけですが、その公差の実現は 製造の現場で行われます。

 

例えば 100±0.1 と 100±0.02 を比べた場合、許容が狭くなることで製造上実現が難しくなり、段取りが増えたり ジグをより良いものにしたり 加工工具(刃物)を管理したり 高価な測定器が必要だったり 測定方法の妥当性を検討したり とにかく工数が増えるので

 

公差が多いまたは厳しい=部品単価が高い

 

という事になります。

 

 

逆に公差を入れなかった場合に起きる問題

公差が厳しいと製造コストが上がるので、出来るだけ公差が緩いほうが製造側には受け入れられやすいです。

 

しかし、公差が緩い(許容値が大きい)場合は その部品で構成される アッセンブリの組付け状態が悪くなるので、設計者は 組立品において 全ての部品が公差許容値内でバラついても 求める品質と生産コストを満足できる公差を設定していくことになります。

 

 

どんな部品に公差設計が必要なのか

公差設計の必要な場面は以下の通りです。

  • 量産品:公差設計が必要
  • 単発組立品:完成後に重要な目標値がある場合は公差設計が必要、ない場合は不要
  • 単発単品部品:公差設計基本的に不要

つまり、 全部品に必要ではないですが、組立品になると公差計算をする と考える方が設計者として正しいです。

 

 

公差計算の方法は二つ

公差計算には 互換性の方法 と 不完全互換性の方法 があります。 この記事では簡単に例を挙げておきます。

 

 

① 互換性の方法(理解しやすい)

全ての部品が 公差最大値or最小値(最悪値の積み上げ) で組み立てられた場合の計算方法

 

①-1 公差計算例:目標とする寸法Aの 許容差が ±0.5 で、その間に5部品を積み上げる場合のBの公差は?

5B=0.5
B=±0.1

 

①-2 公差計算例:目標とする寸法Aの 許容差が ±0.5 で、その間に 確定±0.2の部品と 他公差が決まっていない5部品を積み上げる場合のBの公差は?

0.2+5B=0.5
5B=0.5-0.2
5B=0.3
B=±0.06

互換性の方法の特徴として 公差範囲が狭くなり製作コストが上がる傾向になります。

 

② 不完全互換性(少し難しい)

バラつきとの統計理論を基に計算する方法を不完全互換性の方法(各変数の合計の分散の値は、各変数の分散の和に等しい という分散の加法性によって公差を求める方法)

 

②-1 公差計算例:目標とする寸法Aの 許容差が ±0.5 で、その間に5部品を積み上げる場合のBの公差は?

5B^2=0.5^2
B^2=0.05
B=±0.22

 

②-2 公差計算例:目標とする寸法Aの 許容差が ±0.5 で、その間に 確定±0.2の部品と 他公差が決まっていない5部品を積み上げる場合のBの公差は?

0.2^2+5B^2=0.5^2
5B^2=0.5^2-0.2^2
5B^2=0.21
B^2=0.042
B=±0.204

 

となります。

 

公差の計算方法で答えが違うことを理解し実践する

この 互換性の方法で求めた公差と不完全互換性の方法で求めた公差に違いがある ことをどう把握すれば良いか。

 

公差設計入門 からの引用になりますが

略・・・・・お互い相反する計算をしている。そのため実際には 互換性の方法と不完全互換性の方法を組み合わせた独自の計算式を使う企業は少なくはない。 これら計算方法をどのように使い分けるかが、各企業のノウハウであり、競争力のある製品開発の肝となるところである

 

そう書いてあります。

 

一見、難しいように思いますが、 難しいかもしれない公差設計を避けてきた設計者にとって 答えが一つのようで一つではない現実が見えただけでも良いのではないでしょうか。

 

 

公差に頼る前に見直すべきポイントと頼る必要があるポイント

公差の扱いは大切です。 ある特定の構造や部品に対して それを変えることができないから公差設計でレンジをずらすことが必須になっているのかもしれません。 

 

例えば私が扱うような 生産機械は多くの部品を扱い、それらがほぼ新規設計・オリジナルの場合、 部品のバラツキを考慮して最後に調整機構を設けるなどします。

 

逆にいうとそうしないと絶対に上手くいきません。 部品積み上げ最終ポイントで±0.05の精度 とか普通にあるので、それを各部品互換性の方法で公差設計しても 非現実的な精度部品が作図されてしまうのです。

 

対して、量産品などの 構成部品点数や調整機構を少なくしてコストを下げたい場合は 公差設計が重要になってくるんです。 公差設計は全体を通して必要だとしても、そのやり方が正しいかわからない場合は、まさに その事例を持ち込んで正しい公差設計を教わって適用する などの認識の方が良いと思っています。

 

 

最後に

公差設計って難しいですよね。 今後はもう少し 深く学んだ内容をメモ出来たらと思っています。

 

以上です。

 

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