工学における公差とは何か：意味、種類、標準

製造されるすべての部品は、理想的な寸法からわずかにずれています。これらのわずかなずれは工学公差と呼ばれ、特定のサイズまたは測定値からの許容される変動範囲を定義します。エンジニアは、部品が適切に組み合わされ、意図したとおりに機能し、どの工場や機械で製造されても互換性が維持されるように、公差を設定します。

この記事は、エンジニアリング許容差とは何か、さまざまなタイプの許容差、部品の適合との関連、およびそれらを適用するための実用的なヒントを理解するのに役立ちます。

エンジニアリングにおける許容差とは何ですか?

工学公差とは、寸法が公称（目標）サイズからどの程度ずれるかを指します。完璧な製造工程は存在しないため、これらの許容範囲は不可欠です。高精度の装置を用いても、部品の実寸がCADモデルの寸法と完全に一致することは決してありません。

例えば、シャフトの直径が25mmに設計されている場合、公差が±0.1mmであれば、最終部品の寸法が24.9mmから25.1mmの範囲であれば合格となります。これらの数値は、機械工が切削工具や検査工程を設定する際に指針となり、品質管理チームは部品を不合格とすべき正確なタイミングを把握できます。

許容差は、次のようなさまざまな寸法に適用されます。

• 長さ
• 直径
• 角度
• 平坦
• 平行度

この記事では機械加工部品の寸法公差に焦点を当てていますが、公差は電気値 (電圧、電流)、熱特性 (温度)、およびその他の測定可能な量にも影響することに注意してください。

エンジニアリングにおいて許容差が重要なのはなぜですか?

許容差は製品の品​​質と機能性に大きな役割を果たします。許容差がないと、

• 組み立て時に部品が合わない場合があります。
• 可動部品が固着したり、擦れたりする恐れがあります。
• 電気部品が過熱したり、ショートしたりする可能性があります。
• やり直しや廃棄により生産コストが上昇する可能性があります。

許容差を明確にすることで、エンジニアは許容できる変動と許容できない変動の間に明確な境界を設定できます。これにより、メーカーは信頼性を犠牲にすることなく、部品を効率的に製造できます。

知っておくべき重要な用語

さまざまな種類の許容範囲について詳しく説明する前に、いくつかの基本的な用語を理解しておくと役立ちます。

• 公称値: 部品の目標サイズまたは理想的なサイズ。
• 上部偏差: 実際の部品サイズが公称値よりどれだけ大きくなる可能性があるか。
• より低い偏差: 部品が公称サイズよりどれだけ小さくなれるか。
• 公差: 上限から下限を引いて計算される、許容される変動の合計範囲。
• フィット: 2 つのパーツ (シャフトと穴など) がそれぞれの許容差に基づいて相互作用する方法。

次に、工学公差の種類の各部分を詳しく見ていきましょう。

工学公差の種類

公差は設計目標に応じて様々な方法で適用されます。機械工学で最も一般的な公差の種類は以下のとおりです。

標準エンジニアリング公差等級（ISO 2768）

時々、 エンジニアリング図面 すべての寸法に公差を記載しないでください。記載されている場合は、一般公差が適用されます。特に記載がない限り、これらは図面全体に適用される標準的な許容範囲です。

これらの許容差は「ISO 2768-m」のように注記として記載されることが多く、これは中程度の許容差クラスを意味します。 ISO 2768規格 指定されていないすべてのディメンションに適用されます。

図面上の注記には、許容差クラス（細かい (F)、中程度 (M)、粗い (C)、非常に粗い (V)）が示され、表には標準的なサイズ範囲の許容差値が示されています。

直線範囲（mm）	Fクラス	Mクラス	Cクラス	Vクラス
0.5 – 3	±0.05	±0.10	±0.20	-
3～6歳	±0.05	±0.10	±0.30	±0.50
6～30歳	±0.10	±0.20	±0.50	±1.00
30～120歳	±0.15	±0.30	±0.80	±1.50
120～400歳	±0.20	±0.50	±1.20	±2.50
400～1000歳	±0.30	±0.80	±2.00	±4.00
1000～2000歳	±0.50	±1.20	±3.00	±6.00
2000～4000歳	-	±2.00	±4.00	±8.00

図面に「ISO 2768-m」と記載されている場合、指定されていないすべての長さ寸法は、上記の表のM（中）列の値に従います。設計者は、精度が重要な場合、一般的な公差を具体的な公差で上書きすることがあります。

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寸法許容差

これらの公差は、部品の長さ、幅、高さ、直径、または深さに適用されます。これにより、全体のサイズを管理し、部品が適切にフィットまたは組み立てられるようになります。

寸法公差は次のようになります。

• 片側: 偏差は一方向（公称値の上または下）のみに許可されます。
• 二国間: 両方向の偏差が許容されます。

エンジニアは機能的なニーズに基づいてこれらの形状を選択します。穴が大きすぎる場合（そしてそれが許容範囲内である場合）、 一方的 +0/–サイズ。どちらの方向も同等に重要な場合は、±サイズを選択します。

幾何公差 (GD&T)

寸法公差はフィーチャのサイズを制御しますが、幾何公差は、 GD&Tシステム—形状、方向、位置を制御します。

幾何公差（GD&T）は、記号を用いて公差を定義する標準化された方法です。これにより、異なるサプライヤーから部品を調達した場合でも、部品の製造と測定の一貫性が確保されます。

幾何公差の例としては次のようなものがあります。

• 平坦 – 表面がどの程度平らでなければならないか
• 平行度 – 2つの面がどの程度平行でなければならないか
• 同心 – 円の中心点がどの程度揃っているか
• 真の位置 – 特徴がどれだけ正確に位置しているか

GD&T は、エンジニアがどの機能が最も重要なのかをより具体的に把握できるため、複雑な部品に特に役立ちます。

フィット：部品がどのように組み合わされるか

多くの機械システムでは、シャフトを穴に挿入するなど、部品が組み合わされます。このような場合、部品間の適合性は最終的な組立ての性能に不可欠です。

はめあいは、2つの嵌合部品のサイズ差によって決まり、公差によって制御されます。主なはめあいには3つの種類があります。 フィットタイプ:

干渉フィット

干渉嵌合は、シャフトを意図的に穴よりも大きくするものです。一方の部品を押したり加熱したりすることで、もう一方の部品に滑り込み、その後収縮したりしっかりと固定したりします。干渉嵌合は、以下の用途に使用できます。

• 永久関節または半永久関節
• ハウジングに圧入されたベアリング
• シャフト上の滑車

組み立てにおいて、メーカーは穴を熱で拡張したり、シャフトに力を加えて押し付けたりすることがよくあります。最小干渉は最小の重なり（シャフトの最小値から穴の最大値を引き算したもの）であり、最大干渉は最大の重なり（シャフトの最大値から穴の最小値を引算したもの）です。

トランジションフィット

中間ばめは、部品が公差域のどこに位置しているかに応じて、小さなクリアランスまたは小さな干渉を生み出します。これにより、組み立ての容易さと位置安定性のバランスが保たれます。

使用事例： 精密シリンダー内のピストンは、緩すぎるとガス漏れを招き、締めすぎると余分な圧力が必要になります。

フィットタイプ	クリアランス範囲	干渉範囲
すきまばめ	常に≥ 0	なし
トランジションフィット	やや肯定的	やや否定的
干渉フィット	なし	常に≤ 0

設計者は、動作環境、負荷要件、メンテナンスのニーズに基づいて適合を選択します。

すきまばめ

すきまばめは、穴とシャフトの間に必ず一定の隙間を残します。この隙間により、一方の部品がもう一方の部品の中にスムーズに滑り込むようになります。すきまばめは、以下の用途に適しています。

• ベアリング内の回転軸
• 素早い接続や調整
• 潤滑が必要なアセンブリ

最小クリアランスは、最小穴サイズから最大シャフト サイズを引いて計算される最小のギャップです。

最大クリアランスは、最大穴サイズから最小シャフト サイズを引いて算出される最大のギャップです。

適切なエンジニアリング許容差を選択する方法

許容差の設定は芸術であると同時に科学でもあります。エンジニアが適切な許容差レベルを選択する際に考慮すべき重要な点をいくつかご紹介します。

製造能力

あらゆる工作機械や工程には、寸法精度に実質的な限界があります。ドリルプレス、 CNCフライス盤または CNC旋盤加工 精度は±0.05mm程度ですが、放電加工（EDM）では±0.005mmを実現できます。設計者は、非常に厳しい公差を指定する前に、機械の仕様と現場での経験を十分に確認する必要があります。

検査・測定

部品をどのように測定しますか？公差が厳しいほど、より正確な測定ツールとより長い検査時間が必要になります。ノギスでは±0.02mmの寸法を測定できますが、 座標測定機 (CMM) ±0.002 mmまで測定可能です。品質管理者は、厳しい公差を承認する際に、検査機器のコストと時間を考慮する必要があります。

機能要件

エンジニアは常に「この形状はどのような機能を果たすのか？」と自問自答しなければなりません。穴がピンをガイドするだけであれば、緩いすきまばめで十分かもしれません。しかし、穴が高圧の流体を運ぶ場合、漏れを最小限に抑えた密閉性を確保するには、精密な締まりばめ、または追加のシール要素が必要です。まず機能を定義することで、不必要な精度によるコストを削減できます。

物質的影響

材料は温度変化によって膨張または収縮し、荷重を受けると変形することがあります。アルミニウムなどの金属は、同じ温度上昇で鋼鉄よりも大きく膨張します。プラスチック部品は湿度の高い環境で大きく膨張する可能性があります。エンジニアは、熱膨張や湿気による変化に対する許容度を高く設定することで、これらの影響を考慮します。

表面仕上げ

表面粗さ ばらつきがさらに増します。表面が粗いと、特に摺動面やシーリング面では、部品の有効寸法が数百マイクロメートルも大きくなる可能性があります。設計者は、機械加工や研削加工後の表面の平坦性や滑らかさを管理するために、表面仕上げ要件（例えばRa 0.8µm）を指定します。

エンジニアリング公差スタックを分析するためのツール

シャフト、スペーサー、ベアリングなど、複数の部品が直列に連結されたアセンブリでは、小さな公差が積み重なって大きな問題となります。公差スタックアップ解析は、最悪のケースと統計的に起こり得る累積変動を予測します。

• 最悪のケース分析: すべての寸法が極限に達すると仮定します。0.02つの部品がそれぞれ+0.06mmの高さで実装できる場合、最悪の場合、積層は+XNUMXmmになる可能性があります。この方法は適合性を保証しますが、予算が過度に厳しくなることがよくあります。
• 統計分析: 二乗和平方根（RSS）またはモンテカルロシミュレーションを用いて、最も可能性の高い変動を予測します。RSS: √(0.02² + 0.02² + 0.02²) ≈ 0.0346 mm。この手法はリスクとコストのバランスをとります。

重要なアセンブリに高い信頼性が求められる場合は、両方の解析を実施してください。そして、より厳しい公差のコストとスタックアップ故障のリスクを比較検討してください。

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まとめ：

工学公差は精密製造の根幹を成し、設計から最終検査まであらゆる工程を導きます。公称値、偏差、公差等級、幾何公差記号、はめあいの種類を理解することで、エンジニアは不必要な精度に過剰な費用をかけることなく、設計目標を満たす信頼性の高い製品を開発することができます。

公差を設定する際には、まず機能を第一に考え、製造の専門家に相談し、公差解析手法を用いて実際の動作を予測することを忘れないでください。このバランスの取れたアプローチにより、コストを抑え、各部品が計画通りにフィットし、動作し、耐久性があることが保証されます。

よくある質問