許容差スタッキングを理解する：方法と実用的なヒント

公差は製造業における中核概念です。設計者は公差によって、部品の許容誤差を指定できます。製品の個々の部品が適切に組み合わさるようにするために、エンジニアは幾何公差（GD＆T）。GD&T における重要な技術の 1 つに、公差スタッキングがあります。これは、メーカーが一連の関連するフィーチャ間で寸法のばらつきがどのように蓄積されるかを予測するのに役立つ方法です。

この記事では、公差の積み重ねに関する実践的なガイドを提供します。公差の積み重ねとは何か、どのように機能するか、使用される主な解析手法、そしてエンジニアがコストのかかる設計・製造上の問題を回避するために用いる重要な戦略について説明します。

許容値の積み重ねとは何ですか?

公差の積み重ね（または公差の積み重ね）とは、個々の部品の公差がフィーチャの連鎖全体にわたって複合的に影響することを指します。アセンブリ内でフィーチャが互いに整列または隣接して配置されている場合、それらの公差が累積する可能性があります。この累積により、個々の部品が公差範囲内であっても、最終製品が仕様外になる可能性があります。

簡単に言えば：

公差の積み重ねとは、寸法パスに沿って複数の公差を積み重ねることによって生じる変動の総量です。例えば、シャフトの公称長さが100.0mmで公差が±0.2mmであるとします。嵌合部品の穴は100.5mm±0.3mmとします。簡単なチェックで、考えられる最悪の公差を加算できます。

	シャフト最小	シャフト最大	穴の最小値	最大穴
値 (mm)	99.8	100.2	100.2	100.8
クリアランス（mm）	0.0	0.4	-	-

最悪の場合、最も締め付けのきつい組み立てでもクリアランスはゼロになります（シャフト = 100.2、穴 = 100.2）。この簡単なチェックで、部品が常に適合するかどうかを確認できます。

フィットチェックがスタックアップに依存する理由

公差の積み重ねは、「部品は常に適合するのか？」というシンプルな疑問に答えます。エンジニアは主に2つの方法でこのチェックを行います。

1. ゴー・ノー・ゴー・フィット: エンジニアは、嵌合する部品が干渉や過度の隙間なく組み立てられるかどうかを検証します。
2. パフォーマンスフィット: エンジニアは、ラッチやスライダーなどの可動部品が、必要なクリアランス内で引き続き動作することを確認します。

許容値の積み重ねがなぜ重要なのか?

あらゆる製造工程には、小さな誤差が生じます。例えば、穴あけ加工では、中心から数ミクロンずれてしまうことがあります。部品に複数の形状が並んでおり、それぞれに小さな誤差がある場合、これらの誤差が積み重なっていく可能性があります。これを「公差の積み重ね」と呼びます。これらの小さな誤差がどのように積み重なるかを無視すると、部品がうまく噛み合わなくなったり、負荷がかかったときに破損したりする可能性があります。

許容スタックを早期に処理すると、次のことが可能になります。

1. エンジニアは、最悪の状況と一般的な状況下で部品が正しく組み立てられるかどうかを予測できます。
2. どの許容差が本当に重要かを理解することで、エンジニアは生産コストを増加させる不必要に厳しい許容差を指定することを回避できます。
3. 早期の分析により、プロトタイプまたは生産実行後のコストのかかる再設計を回避できます。

徹底的なスタックアップ チェックを実行することで、部品が製造可能であり、最終アセンブリで機能することを確認できます。

公差スタックアップ解析の方法

エンジニアがスタックアップを評価するために使用する主なアプローチは 2 つあります。

方法	仮定	以下のためにベスト	複雑	ユースケースの例
最悪のケース分析	すべての許容範囲は極限に達している	高精度少量生産部品	ロー	航空宇宙コンポーネント
統計（RSS）分析	許容範囲は正規分布に従う	大量生産	穏健派	家電製品の組み立て

それぞれの方法をさらに詳しく見てみましょう。

最悪のケースの許容範囲分析

この方法は、起こり得るすべての最大偏差を合計して最悪のシナリオを推定します。言い換えれば、すべての許容範囲が、その範囲の最大値または最小値のいずれかの極値に達すると仮定します。

式：

一連の n 個々の両側公差 ±T₁、±T₂、…、±Tₙ を持つフィーチャーの場合、全体のアセンブリ公差 Tₐₛₘ は次の単純な合計に従います。

機能	許容範囲（±）
F₁	た₁
F₂	た₂
...	...
Fₙ	Tₙ
アセンブリ	∑Tᵢ

方程式：
Tₐₛₘ = T₁ + T₂ + … + Tₙ

例：

部品 A が ±0.2 mm、部品 B が ±0.1 mm の場合、合計のスタックアップは次のようになります。
±(0.2 + 0.1) = ±0.3 mm

使用する場合：

• 失敗は許されないとき
• 航空宇宙、医療、防衛用途
• 常に正確にフィットする必要があるコンポーネントの場合

長所：

• スタックアップが合格すれば適合が保証される
• 簡単な計算

短所：

• 不必要にコストが上昇する可能性がある
• 多くの場合、許容範囲が狭すぎる

統計（平方和平方根 – RSS）分析

この手法はより現実的なアプローチを採用しています。すべての変動が極値に達すると仮定するのではなく、それが起こる可能性（稀ですが）を考慮します。標準偏差や二乗和平方根などの統計値を用いて、最も可能性の高い総変動を推定します。

一般的なテクニック:

• 平方和平方根（RSS）
• モンテカルロシミュレーション

式：

独立した正規分布の偏差の場合、組み立て許容誤差 Tₐₛₘ は次のようになります。

方程式：
Tₐₛₘ = √(T₁² + T₂² + … + Tₙ²)

ここで、各 Tᵢ は特徴許容誤差の 3 シグマ限界 (または合意された倍数) を表します。

使用する場合：

• 大量生産の実行
• 少量のスクラップが許容されるプロジェクト
• コスト重視の設計

長所：

• より緩い許容範囲を許容する
• より費用効果が高い
• 現実世界の製造業によく適合

短所：

• 統計知識またはソフトウェアツールが必要
• すべての部品が適合することを保証するものではなく、ほとんどの部品が適合することを保証するものです。

両方の方法を適用する

フランジアセンブリには、カバープレートの嵌合位置に影響を与える重要な穴が0.1つあります。各穴の位置の許容差は±XNUMX mmです。設計者は、ある軸に沿ったずれの総量を把握したいと考えています。

1. 最悪の場合:
   • 0.1つの±0.5 mmの許容差の合計 → ±XNUMX mm
2. RSS:
   • √(5 × 0.1²) ≈ ±0.22 mm

方法	総許容差（± mm）	リスクレベル
最悪の場合	0.50	許容範囲外のリスクゼロ
統計的	0.22	限界を超える確率は約0.27%¹

正規分布を想定すると、アセンブリの約 0.27% が ±0.22 mm の範囲外になる可能性があります。

この例では、RSS 方式により、高品質を維持しながら、許容誤差を緩くしてコスト効率を高めることができる方法を示しています。

許容差スタックアップの管理に関するベストプラクティス

スタックアップとは何か、そしてそれをどのように計算するかがわかったので、次に、設計でスタックアップを効果的に管理するための実用的なヒントをいくつか紹介します。

1. 過剰な寸法設定を避ける

すべてのフィーチャにカスタム公差が必要なわけではありません。寸法を過度に大きくすると、混乱や不必要な精度低下につながる可能性があります。適切な箇所には一般公差を適用し、厳密な公差は重要な寸法にのみ適用するようにしてください。

2. 各許容範囲の役割を理解する

それぞれの機能が最終製品にどのような影響を与えるかをよく考えてみましょう。その公差は機能上必須でしょうか、それとも緩和できるでしょうか？性能と製造可能性の両方の観点から設計を評価しましょう。

3. 精度とコストのバランスをとる

許容誤差を厳しくするには、通常、次のようなより高価なプロセスが必要になります。 研削 or 精密加工追加コストに見合うだけのメリットがあるかどうかを確認してください。

4. 組み立てと使用の計画

組み立て中に部品がずれたり、荷重がかかった際に形状がわずかに変化したりする可能性があることを忘れないでください。以下の点を考慮してください。

• 熱膨張
• 機械的ストレス
• 時間の経過とともに摩耗する

5. メーカーと明確にコミュニケーションをとる

設計は、生産パートナーが理解して初めて意味を持ちます。一貫した記号を使用し、必要に応じてスタックアップ計算を提供し、許容誤差がパートナーの設備で達成可能であることを確認してください。

公差スタッキングのための実用的なツール

CADおよびCAEソフトウェアの進歩により、公差解析の効率が向上しました。今日のツールは、公差チェーンを自動的に識別し、スタック結果を計算し、最悪ケースおよび統計シナリオを視覚化できます。

人気のツール:

ソフトウェア	重要な特徴
SolidWorks	スタックアップ用のTolAnalystモジュール
Autodesk Inventor	公差解析ツール
CATIA	機能的許容と注釈
シグメトリックス CETOL	専用の公差解析プラグイン

これらのツールは次のことに役立ちます。

• スタックアップシナリオのシミュレーション
• バリエーションを視覚化する
• 実際のデータに基づいて許容範囲を最適化

主要部品特性（KPC）の特定

スタックアップ調査では、どの部品の公差が組立に最も影響を与えるかを明らかにします。エンジニアはこれを 主要部品特性 （KPC）。KPC は、組み立てのニーズを満たすために厳密な制御を必要とします。

アセンブリでの役割	機能タイプ	ターゲット能力	例
重要なKPC	厳しい公差	Cpk ≥ 1.67	取付穴位置
重要でない機能	中程度の耐性	1.33以上	ハウジングの壁の厚さ

KPC に重点を置くことで、チームは不必要な精度に過剰な費用をかけずに製品の品質を確保できます。

スタックアップが製造性とコストに与える影響

エンジニアは厳しい公差と生産コストのバランスを取らなければなりません。公差が厳しいほど、部品のコストは高くなります。綿密に計画された公差配分は、次のようなメリットをもたらします。

• 廃棄物の削減: 許容範囲が厳しすぎるために検査に不合格になる部品を避けます。
• 検査を簡素化: いくつかの重要な機能に測定の取り組みを集中させます。
• リードタイムの​​短縮: フィットの問題による複数回の再設計を防止します。

初期の設計レビューでは、許容範囲の積み重ねがコストとスケジュールを確定する決定を導きます。

まとめ：

公差の積み重ねは、図面上の数字だけではありません。部品が計画通りに組み立てられ、製品が確実に機能し、生産効率が維持されるようにするための設計ツールです。公差がどのように積み重ねられるかを理解することで、エンジニアは問題が発生する前に予測し、無駄を削減し、製品の信頼性を向上させることができます。

BOYIは、 CNC機械加工サービス精密部品の加工に最適なソリューションをご提供いたします。ご興味のある方は、ぜひお問い合わせください。 お問い合わせ いつでも。

FAQ