幾何公差: 何なのか、なぜなのか、どのように使うのか?

部品製造の最初の段階は図面作成であり、ここで寸法が決定されます。この図面は、原材料、加工工程、そして機械加工を選定した後、部品の製造に用いられます。基本寸法からの望ましくない変動を避けるために、幾何公差が使用されます。この記事では、幾何公差のすべてのパラメータについて説明します。

幾何公差の定義

幾何公差は、長さや幅などの許容される変動だけでなく、真直度や垂直度など、部品の各側面もカバーします。

幾何公差の発展

公差の使用の歴史は非常に古く、古くは伝統的な公差が使用されていました。部品の長さ、幅、厚さの許容変動はカバーされていましたが、材料の無駄や組み立ての問題を管理するには不十分でした。幾何公差は1960年代に正式に開発され、最初の規格であるASME Y 14.5 - 1966が制定されました。

幾何公差を使用する場合

一般的に、幾何公差は製品のライフサイクル全体にわたって使用されます。例えば、設計段階では、幾何公差は機能的な組み立てを保証するために使用され、加工段階では、加工プロセスの選択や加工順序の計画などに使用されます。組立段階では、部品が完全に組み合わさることを保証するために使用されます。

幾何公差の種類は何ですか?

部品には、平面度、表面のプロファイル、平行度など、部品の機能特性や組み立てに影響を与える複数の特徴があります。これらの特徴が正確に製造されるようにするために、以下で説明する様々な幾何公差が適用されます。

形状公差

形状公差は、部品のフィーチャの形状に関係します。形状公差には以下の種類があります。

• 平坦
• 真直度
• 真円度
• 円筒度

形状公差は、各フィーチャの位置や向きに関わらず、正しい幾何学的特徴を示すことを保証します。このタイプの幾何公差では、データム軸を定義する必要はありません。

プロファイル公差

このタイプの幾何公差では、通常、データム軸を定義することが重要です。この幾何公差は、以下のことを制御します。

• 線の輪郭
• 表面のプロファイル

このタイプの幾何公差は、線または面の形状、方向、および位置が理想的な CAD 定義のジオメトリに対して正確であることを保証する役割を果たします。

方向公差

平行度、垂直度、角度などの特性は、基準軸に対する特定の角度で指定されます。この公差タイプは、その角度からの許容偏差を制御します。このタイプでは、まず基準軸を描画する必要があります。

場所の許容範囲

これらの公差は、互換性、組立、および機能的な位置合わせに関係します。このタイプでは、データム軸の定義が必須です。以下のタイプがあります。

• 役職
• 同心

この幾何公差により、フィーチャの位置がデータム軸に対して円筒公差領域内に留まることが保証されます。

振れ許容値

この公差は、軸を中心に回転する部品に使用されます。この公差により、部品が回転してもぐらつかないことが保証されます。公差の種類には以下のものがあります。

• 円周振れ
• トータルランアウト

このタイプではデータム軸を定義することが重要であり、必須でもあります。

幾何公差はなぜ使用されるのですか?

従来は、部品の長さ、幅、厚さといった基本的な寸法をカバーする従来の公差が使用されていましたが、加工コストと材料の無駄が大きくなっていました。これらの損失を補うために、幾何公差が開発されました。

機能要件を満たす

機能要件は次のとおりです。

• 部品のフィット感
• 部品内の荷重の分布
• 基準軸を基準としてどのように位置づけられるか
• 漏れの防止
• 部品の摩耗の制御

これらの要件を満たすために、幾何公差が用いられます。例えば、平面度、平行度、垂直度の公差は、部品への均一な荷重分散に役立ちます。

信頼性の高い組み立てを保証するために

部品の機械加工に次いで、組立は部品の性能と寿命に影響を与える2番目に重要なパラメータです。幾何公差は、基準軸に対する部品の向き、位置、その他の特徴を効率的に制御することで、信頼性の高い組立を保証します。

製造コストを最適化する

幾何公差では、機能が必要な箇所のみに厳しい公差を適用することで、不要な加工を防止します。ホーニングなどの二次加工の代わりに、ワンパス加工を採用しています。これらのパラメータは製造コストの削減につながります。

幾何公差の使い方

部品に幾何公差を適用するには適切なプロセスがあり、それは機能要件の特定から始まります。各ステップについて、以下で簡単に説明します。

機能要件を特定する

部品が使用されるアプリケーションの中核となる機能がいくつかあります。例えば、シャフトの機能要件は強度です。シャフトは、たわむことなくトルクを伝達する必要があります。したがって、最初のステップは機能要件を特定することです。

適切な幾何公差の種類を選択する

2番目のステップは、幾何公差の種類（位置公差、形状公差、方向公差など）を選択することです。これは以下の基準に基づいて選択されます。

1. 機能要件
2. 組み立てと動作における部品の役割
3. 荷重パスの感度
4. データム関係
5. 製造可能性

データムを定義する

3番目のステップは、部品の形状におけるデータムを定義することです。部品のすべてのフィーチャーが円筒公差域内で方向付けられる単一の点または軸が選択されます。

図面に許容差を適用する

図面に幾何公差を適用するには、フィーチャーコントロールフレーム（FCC）が使用されます。FCCはさらに機能データムにリンクされています。そして、適切な組み立て、機能、製造を確保するために、方向、形状などの許容偏差を指定します。

組み立て時に許容誤差を検証する

組み立て時に適用される許容誤差を検証するために、ゴー/ノーゴーゲージ、ダイヤルインジケータ、プラグゲージ、座標測定機などのさまざまなツールが使用されます。

幾何公差の計算方法

幾何公差は、形状、方向、振れなどに関連する場合があります。これらは異なる計算式で計算されます。

形状許容差を計算する

形状公差には、平面度、真直度、真円度、円筒度が含まれます。

• 平坦

表面が完全に指定された平面からどれだけ逸脱しているかを測定します。

計算式: 平坦度 = 最大高さ − 最小高さ

• 真直度

線が完全な直線からどれだけ外れているかを直線度と呼びます。

計算式: 真直度 = 理想直線からの最大偏差

• 真円度

穴などの特徴が完全な円からどれだけ外れているかを測定します。

式：円形度 = R _max − R _min

• R_マックス 最大半径
• R_分 最小半径
• 円筒度

部品が軸に沿ってどの程度均一に丸く、まっすぐで、滑らかであるかを測定します。

式：円筒度 = _Rmax − _Rmin

方向許容差を計算する

• 平行度

表面が、指定されたデータに平行な 2 つの平行平面から逸脱してはならないことを測定します。

計算式: 平行度誤差 = 最大距離 − 最小距離

• 垂直性

データム軸に対して 90° で定義された円筒公差領域からの部品の軸の偏差を測定します。

公式: 垂直度誤差 = 90°からの最大偏差

• 角度

データム軸に対する基本角度で指定された円筒公差領域からのパーツの軸の偏差を測定します。

計算式: 角度誤差 = 指定角度からの最大偏差

位置許容差を計算する

• 役職

データム参照に対する 3D 公差領域からのパーツの軸の偏差を測定します。

位置 = 2 × (x ² +y ² ) ^1/2

• X²x軸の偏差です
• Y²y軸の偏差です
• 同心

パーツのすべての中点とデータム フィーチャの中点の位置合わせを測定します。

同心度=最大中心偏差

• 対称性

データム軸の両側の材料分布を測定します。

対称性=中線面の最大偏差

振れ公差を計算する

• 円周振れ

部品をデータム軸を中心に 360° 回転させたときの表面要素の変化を測定します。

円形振れ = 最大読み取り値−最小読み取り値

• トータルランアウト

部品の表面要素を基準軸を中心に360°回転させたときの偏差を測定します。表面全体にわたって検査されます。

総振れ = 最大読み取り値 − 最小読み取り値

幾何公差を使用する際のよくある間違い

幾何公差を使用する際によくある間違いとして、幾何学記号の誤解、実体状態修飾子の無視、そして機能要件の無視が挙げられます。これらの間違いは、最終的に部品の生産効率と性能の低下につながります。

幾何公差記号の誤解

これは、人々が平行度の記号を垂直度と理解し、それに従って機械加工を行うことを意味します。幾何公差記号の誤解は、ベアリングの不適切な摩耗など、機能特性の低下につながり、組み立て時に位置ずれを引き起こします。

物質的条件修飾子を無視する

物質的条件修飾子を無視すると、次の結果が生じます。

• 過度に厳しい許容範囲
• 機能特性の喪失
• 検査コストの上昇
• 組み立ての問題
• スクラップと手直しの増加

機能要件を無視する

機能要件を無視しても、検査関連の問題は発生しません。

• 最終的には部品のパフォーマンスに影響します。
• 修理中に部品が早く故障する
• パフォーマンスの低下
• 保証と現場での故障の増加

DFMとDFMAにおける幾何公差の役割

幾何公差は、製造性を考慮した設計（DFM）と製造・組立性を考慮した設計（DFMA）に適用できます。それぞれの役割は異なります。

DFMにおける幾何公差

DFMは製造性と工程能力に関連しています。幾何公差は、機械加工、研削などの加工工程において、必要な公差のみが一貫して適用されることを保証します。

DFMAにおける幾何公差

DFMAの場合、幾何公差は部品が組み立て時にエラーなく容易にフィットすることを保証します。そのため、幾何公差は検査だけでなく、組み立てや機能要件に関する寸法精度も管理します。一方、DFMでは、幾何公差は製造に関連する公差のみを扱います。

幾何公差を使用して部品を最適化する方法

幾何公差により、材料の無駄を減らして性能を向上させたり、加工を容易にしたり、コストを削減したりといった要件に合わせて部品を最適化できます。

重要な機能を適切に設計する

部品の重要な特徴とは、機能特性、組み立てやすさ、耐用年数に直接影響を与える特徴のことです。例えば、ベアリングの場合、軸は重要な特徴です。この場合、GD&T（幾何公差）は機能的な形状に公差を集中させることで、部品の製造公差を緩くします。GD &Tは、不良品や手直しを減らし、組み立てやすさを確保するのに役立ちます。

製造プロセスの制御

幾何公差は、部品製造​​において不必要に厳しい公差を回避することで製造プロセスを制御します。例えば、ベアリングのシャフトの場合、真直度や表面仕上げといった特徴のみが重要です。そのため、幾何公差はここにのみ適用され、それに応じて製造プロセスが選択されます。

正確な測定で検証

幾何公差は、実際のアプリケーションを基準に寸法を測定するため、測定値の検証に役立ちます。例えば、幾何公差では、シャフトの一般的な寸法だけでなく、基準軸に対する振れも測定されます。

幾何公差を正しく読み解くためのヒント

幾何公差をより深く理解することで、部品の製造効率を高め、スクラップや手直しを減らし、価格を抑えることができます。幾何公差を効果的に理解するためのヒントをいくつかご紹介します。

図面上のFCFを理解する

すべてのエンジニアリング図面には、フィーチャ管理フレームワークが含まれています。これには、必要な幾何公差とその確認方法に関する情報が含まれています。これは、フィーチャに付属するボックスです。したがって、製造や検査を行う前に、このフレームワークと各記号の意味などを完全に理解しておく必要があります。例えば、次の図をご覧ください。

幾何公差の記号を識別する

それぞれの幾何公差記号は、部品の異なる特徴を表します。例えば、上の図では、記号は直径を表します。ですから、それぞれの幾何公差記号を識別し、理解しましょう。

物質の状態を理解する

材料の状態を理解するということは、フィーチャのサイズが幾何公差にどのように影響するか、MMC、LMC、または RFS で何を使用するかを知る必要があることを意味します。

結論

幾何公差は、あらゆる部品の製造において核となるものです。これらの公差により、部品が機能要件と組立要件をすべて満たすことが保証されます。これらの公差は、加工コストの削減により、費用対効果の高い加工で高精度を実現するのに役立ちます。加工コストを削減できるもう一つの理由は、部品の図面作成と加工から不必要に厳しい公差を排除できることです。幾何公差には、形状公差、方向公差、振れ公差、プロファイル公差、位置公差の5つの主要な種類があります。これらの公差を理解することで、より短い時間で生産性を向上させることができます。

数十年にわたる製造経験を持つTuofa精密CNCサービスは、幾何公差を深く理解した上で、部品設計に関する専門的な提案を提供できます。

FAQ

寸法公差と幾何公差の違いは何ですか?

寸法公差は、部品のサイズの許容されるばらつきに関係します。例えば、長さ20mmのボルトでは0.2mmが許容されるばらつきです。幾何公差は、部品の向き、位置、形状、振れなどのばらつきを制限します。

GD&T は CAD スキルですか?

いいえ、CADは単にそれを伝達するためのプラットフォームです。部品の設計と製造におけるスキルです。

幾何公差の読み方

• 制御対象の機能を識別する
• 許容値を読み取る
• データム軸を確認する
• 許容範囲を理解する
• 機能と関連付ける

図面に GD&T を適用するにはどうすればよいでしょうか?

次の手順に従います。

1. 機能的特徴の特定
2. 適切な許容差タイプの選択
3. データム軸の定義
4. フィーチャ制御フレーム（FC）の作成
5. 正しいフィーチャへの許容値の添付