機械設計 #103：機能で表面粗さを選ぶ — 全てを光らせる必要はない

機能表面粗さは境界が変わっても機能、製造、検査、費用、保全を守らなければならない。

数値より先に機能

幾何値、粗さ、はめあいを決める前に、入力、期待結果、合否限界、故障症状、測定方法を書く。全ての値と変更に担当を付ける。

基本チェック

機能：接触、密封、摩擦、外観のどれか： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
粗さの指標と、測定の方向： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
材料、工具、送り、工程能力： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
皮膜、ばり、筋目、縁の状態： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
測定器、カットオフ、不確かさ： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
供給元、費用、合否の証拠： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。

故障モード	症状	確認
機能が未定義	過剰公差または機能不足	機能スタックを再構築
基準が実在しない	検査と組立が不一致	実治具で試す
文書が不一致	数値は正しいが改訂違い	全資料を基準化

一つの算術平均粗さでは表面を言い表せません

面の種類ごとに粗さの水準をどう選ぶかは機械設計 #31 — 機能から算術平均粗さを選ぶで扱っています。ここではその次の問いに答えます。加工する側と検査する側が同じに読め、実際に確認できるようにするには、どう書けばよいかです。

問題の根は、算術平均粗さが平均値であることです。同じ値でも、一様にうねっている面と、平らだが鋭い山が数本ある面、深い傷が数本ある面はまったく違います。密封面や摺動面では、その孤立した山と谷こそが結果を決めます。

指標	何を表すか	使う価値がある場面
算術平均粗さ	凹凸の平均的な高さ	一般的な要求、大部分の面
最大高さ粗さ	高い山と深い谷の差	密封面、深い傷が漏れにつながる面
負荷長さ率	ある深さで実際に荷重を支える材料の割合	荷重を受ける摺動面、油を保持したい面

すべての面に三つとも指定する必要はありません。実務的な原則は、大部分には算術平均粗さを書き、密封面には最大高さ粗さを足し、負荷長さ率は明確な機能上の要求と測定手段がある場合に限る、というものです。

筋目の方向は粗さの数値と同じくらい重要です

同じ算術平均粗さでも、加工の筋目が摺動方向に沿っている面と、摺動方向を横切っている 面ではふるまいが違います。Oリングの密封面では、筋目が漏れの経路に沿っていると、流体が抜ける道になります。

表面性状の図示記号には筋目の方向を書く位置があり、投影面に平行、直角、二方向に交差、多方向、同心円、放射状といった記号が定められています。この記号を書くことは、見つけにくい不具合を一つ消すための最も安い方法です。筋目の方向が違っていても、粗さの測定はすべて合格してしまうからです。

受入：測定条件を書かなければ数値に意味はありません

粗さの測定結果は、思っている以上に測り方に左右されます。図面または検査文書に書くべき条件が四つあります。

測定方向。 標準の測定は筋目に直角に行います。別の方向で測ると、実際より小さい値が出ます。
基準長さとフィルタ。 同じ面でも基準長さを変えれば結果が変わります。受入で議論になりそう

な部品では、事前に取り決めます。

測定位置。 大きな面は一様ではありません。工具の入り口、出口、行程の途中で違います。どこ

を何点測るかを指定します。

測定時の表面状態。 表面処理の前か後か、洗浄の前か後かです。

測れない場合は別の指定方法にします

機械の中には、そもそも触針が入らない面が多くあります。細く深い穴、狭い溝、内側の曲面などです。そこへ粗さの数値を押し付けると、誰も検証できない条項ができます。代わりになる方法が三つあります。

工程を指定する。 許容する最終加工とその条件を書きます。結果を間接的に縛る方法ですが、記

録で確認できます。

比較見本を使う。 目と手で標準見本と比べる方法で、重要度の低い面に向きます。
外観には限度見本を使う。 美観の要求では、観察条件を添えた限度見本が各者の水準をそろえる

道具になります。日本の現場での呼び方と使い方は技術日本語 #10 にあります。

公差の等級と、それに伴う粗さの水準を対応させた表ははめあい公差と表面粗さの早見表にあります。

粗さパラメータは機能で選び、Raを既定にしない

前の節では、一つのRa値では表面を言い表せないと述べました。この節は、表面が果たす役目でパラメータを選びます。

表面の機能	使うべきパラメータ	理由
シール（パッキン、フランジ面）	Rz（最大高さ）	深い山や谷が一つあれば漏れる。Raは小さいままでも
すべり・潤滑面	Rk系（Rk、Rpk、Rvk）	早く摩耗する山と、油を保つ谷を分ける
摩耗・荷重を受ける面	Rmr（負荷長さ率）	ある深さで荷重を受ける材料を測る
意匠面	Ra	目や手で感じる滑らかさの確認には足りる

Rk系：すべり面がなぜそれを要するか

良いすべり面は、山が低く（高いと早くなじんで摩耗する）、谷は油を保つのに十分な深さがあります。一つの Ra値ではこの二つを分けられません。同じRaの二面が、一方は鋭い山ばかり、もう一方は油を保つ谷を持つ、ということがあり得ます。Rk系はこれを分けます。Rpk（山、初期摩耗の部分）、Rk（コア、主に荷重を受ける部分）、Rvk（谷、油を保つ部分）です。シリンダ内面やジャーナルは、まさにこの理由でRk系で指定されることが多いです。

すじ目の方向はシールで重要です

工具跡は表面に方向のあるすじ目を残します。回転シールでは、すじ目は漏れの方向を横切るべきで（ふつうは軸方向でなく円周方向）、軸方向のすじ目は油がシールを越える通り道になるからです。シールが要る箇所には、粗さの値だけでなく、すじ目記号（⟂、=、X、M など）を図面に記します。

MINATA発行チェック

[ ] 機能、境界、故障症状を記載した。
[ ] 基準、責任、工程、誤操作防止が明確である。
[ ] 六項目に証拠と合否限界がある。
[ ] 製造、組立、検査、保全を実機で試した。
[ ] 改訂、サプライヤー、材料、構成記録が一致する。

良い設計は、製造、運転、保全、変更を通過する前提の連鎖である。機能表面粗さでは、形状と機能が信頼できる証拠を残すことがMINATAの基準である。

よくある質問

すべての面で算術平均粗さだけで足りますか

大部分は足ります。ただし平均値であるため、鋭い山が数本あることや、孤立した深い傷を見つけられません。密封面には最大高さ粗さを足し、荷重を受ける摺動面では負荷長さ率が必要になることがあります。

筋目の方向は書く必要がありますか

摺動面と密封面では必要です。同じ粗さでも、筋目が摺動方向に沿うか横切るかで結果が変わり、漏れの経路に沿った筋目は流体の抜け道になります。表面性状の記号には筋目を書く位置があります。

同じ部品を両者が測って値が違う場合、どちらが正しいのですか

多くの場合、どちらも自分の方法では正しく測っています。結果は測定方向、基準長さ、フィルタ、測定位置に依存します。議論を終わらせる方法は、製作前に文書へこれらの条件を書いておくことであり、現物が出てから議論することではありません。

細い穴の内面はどう検査しますか

直接は測れないことがほとんどです。許容する最終加工を指定するか、比較見本を使います。検証できない粗さの数値を書いても、受入で保留の条項が増えるだけです。

粗さを厳しくすれば表面は丈夫になりますか

自動的には丈夫になりません。粗さを下げると工程が増えて価格が上がる一方、疲労強度を決めるのは深い傷と表面の残留応力の状態です。丈夫にしたいなら、数値を下げるだけでなく、傷の限度と表面の応力状態について書いてください。

よくある質問（続き）

シール面はRaで指定しますか、Rzで指定しますか。

Rzです。深い山や谷が一つあれば漏れますが、Ra（平均）はその山や谷があっても小さいままでいられます。 Rzは最大高さを捉えるので、漏れ止めの要求に合います。

Rk系はどの面に使いますか。

潤滑のあるすべり面（シリンダ内面、ジャーナル）です。早く摩耗する山（Rpk）、荷重を受けるコア（Rk）、油を保つ谷（Rvk）を分けます。同じRaの二面を、一つのRa値では区別できないものです。

すじ目の方向は記載が必要ですか。

シール面では必要です。すじ目は漏れの方向を横切らせ、油がシールを越える通り道を作らないようにします。シールの箇所には、粗さの値とともに、すじ目記号を図面に記します。

まとめ

機能で表面粗さを選ぶは、書類を整えるための手続きではない。設計意図を、繰り返し製作でき、組み立てられ、測定できる結果へ変えるための手段である。良い図面は、設計者がそばで説明しなくても伝わる。情報の構成そのものがその役割を果たさなければならない。

現場のための早見表

面粗さは、状況・選び方・目的を対応づけると決めやすくなります。

状況	選び方・制御の仕方	目的
密封面	ガスケット材に合わせてRa/Rzを選ぶ	ガスケットを痛めず密封する
すべり面	粗さと加工目の向きを組み合わせる	油を保ち、摩耗を減らす
外観面	必要なら見本を指定する	粗さを美観の基準の代わりにしない

実際の場面

表面はつるつるなほど良い、とは限りません。油を保つ面には適した加工目が要り、密封面は粗すぎると漏れますが、つるつるすぎても油膜を保ちにくいことがあります。指示は機能から出発します。

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