組立機能から考える幾何公差

機械設計 #30：幾何公差 — 寸法が合っていても組み付かないのはなぜか

直径が寸法限界内にある軸でも、曲がっていることがあります。穴径が正しいフランジでも、位置がずれて組み付かないことがあります。板厚を満たす面でも、反っていることがあります。寸法公差が管理するのは「大きいか小さいか」であり、形体の形状、姿勢、位置をすべて表現するものではありません。

幾何公差は、部品がどの程度「正しい形」で「正しい関係」にあるべきかを図面で伝えるための言語です。この記事では、記号を暗記するのではなく、必要な機能から管理項目を選ぶ考え方に焦点を当てます。

ピンと穴の寸法がどちらも合格していても、次のような場合は組み付かないことがあります。

そこで、問題を二つの質問に分けます。

通常はデータムを使わず、一つの形体そのものを管理します。真直度、平面度、真円度、円筒度などです。表面自体の形状が接触、運動、密封に影響するときに使います。

データムに対する形体の向きを管理します。平行度、直角度、傾斜度などです。たとえば、組立後の傾きを防ぐため、取付面を基準軸に対して直角にする場合があります。

データムまたはデータム系に対して形体がどこにあるかを管理します。たとえば、ボルト穴パターンは相手部品と組み付け可能な位置にある必要があります。

データム軸線の周りで部品を回転させたときの表面変動を管理します。軸、肩面、シール面、回転面などには意味がありますが、「同心にしたい」という理由だけで選ぶものではありません。

データムは、幾何学的要求の座標系を確立するために使う理想的な基準です。データム形体は、その基準を設定するために使う部品上の実在する表面または形体です。

良いデータム系は、部品が実際にどのように位置決めされるかを反映します。

一般的には、一次データムが最も多くの自由度を拘束し、二次データムが次の自由度を拘束し、三次データムが位置決めを完成させます。ただし、A–B–Cを慣習で選んではいけません。順序は組立機能に従って決めます。

小さい、柔らかい、ばりがある、または不安定な面を一次データム形体にすると、公差記入枠が形式的に正しくても測定の繰返し性が低くなることがあります。

左から右へ読みます。

さらに、次の点を確認します。

穴中心を±寸法だけで指示すると、合格域が四角形になります。しかし、ボルトの組付機能では、理論的に正確な位置の周囲にある円形領域が重要です。取付面と位置決め形体をデータムにした位置度公差の方が、機能を適切に表現できる場合があります。

直径が正しくても、作動面が真っ直ぐ、真円、または肩面と同軸であるとは限りません。振動、偏荷重、軸受寿命の低下を実際に引き起こす誤差を特定し、それに対応する幾何公差を選びます。「念のため」という理由で複数の要求を重ねないようにします。

取付面は安定して接触できるだけの平面度が必要です。その面に対して直角に立つ形体には姿勢管理が必要です。穴位置も同じデータム系に関連付け、加工・組立・検査が共通の考え方を使えるようにします。

幾何公差は、組立機能を加工・検査可能な言語へ変換する方法です。多くの記号を使うことに価値があるのではなく、正しい形体、データム、公差域、検証方法を選ぶことに価値があります。

寸法が正しいのに組立品が動かない、振動する、位置がずれる場合、図面に表現されていない幾何学的な情報が原因であることが少なくありません。故障モードと実際の位置決め方法から始めることで、より明確で、コストを抑え、合否判定しやすい図面になります。