加工公差をマスターする：精密製造のための重要な洞察

公差とは？

加工公差、別名寸法精度は、部品サイズの許容変動量です。これは部品の最大・最小サイズ限界として表されます。部品のサイズがこれらの限界内にある場合、部品は公差範囲内と見なされます。しかし、部品の寸法がこれらの限界を超える場合、部品は許容公差を超えており、使用不能と見なされます。

CNC加工に関して、公差は2つの異なる文脈で使用されます：CNC工作機械の観点と、CNC加工設計の観点です。

CNC工作機械において、公差とは部品を加工する際に機械が達成できる寸法精度を指します。CNC工作機械は非常に精密で、一部の機械は±0.0025mmの精度を生み出せます。しかし、異なるCNC工作機械の公差は異なり、通常メーカーによって指定されます。例えば、0.02mmは典型的な平均公差です。CNC加工サプライヤーは、顧客が指定した公差を満たすために機械の公差を調整できます。

設計と製造において、公差は部品の完全な機能をまだ許容する部品寸法変化の許容範囲です。公差は設計者によって決定され、部品の機能、用途、形状に基づいています。

公差の種類

幾何公差

部品の寸法と公差を提供するだけでなく、公差が適用される部品の正確な幾何学的特性（平面度、真円度、円筒度、直線度、輪郭度など）も指定します。これは測定要素の幾何学的形状の公差、すなわち幾何学的形状の精度です。基準に対する誤差がなく、独立した誤差です。

寸法公差

寸法公差とは、部品の製造プロセスにおいて、加工や測定などの要因により、完成後の実際のサイズには常に一定の誤差があることを意味します。部品の互換性を確保するために、部品の実際のサイズを許容変動範囲内で制御する必要があります。この許容される寸法変動を寸法公差と呼びます。

上限は最大許容寸法を指定し、下限は最小許容寸法を指定します。この2つの間の値はすべて許容されます。同じ基本サイズの場合、寸法公差が小さいほど寸法精度は高くなります。

方向公差

方向公差は、基準に対する基準実体要素の方向における許容変動総量で、平行度、直角度、傾斜度を含みます。

平行度（∥）は、部品上の被測定要素（平面または直線）の方向が基準要素（平面または直線）から0°逸脱することを制御するために使用され、すなわち被測定要素が基準から等距離であることを要求します。

直角度（⊥）は、部品上の被測定要素（平面または直線）の方向が基準要素（平面または直線）から90°逸脱することを制御するために使用され、すなわち被測定要素が基準に対して90°であることを要求します。

傾斜度（∠）は、部品上の被測定要素（平面または直線）が基準要素（平面または直線）から与えられた角度（0°〜90°）逸脱する度合いを制御するために使用され、すなわち被測定要素が基準に対して一定の角度（90°を除く）を持つことを要求します。

位置公差

位置公差とは、関連要素が基準位置に対して許容される変動総量を指します。位置公差帯の基準に対するゾーンは固定されています。位置公差帯は、被測定要素の位置誤差だけでなく、方向誤差と形状誤差も制御します。

位置公差には3つのタイプがあります：同軸度、対称度、位置度。

同軸度公差は、軸部品の被測定軸が基準軸に対してどれだけ同軸であるかを制御するために使用されます。

対称度公差は、被測定要素の中心面（または軸線）が基準中心面（または軸線）に対してどれだけ同一平面上（または同一直線上）にあるかを制御するために使用されます。

位置度公差は、被測定要素（点、線、面）が基準に対してどれだけ位置ずれているかを制御するために使用されます。位置誤差は、一方向指定、二方向指定、任意方向の3タイプに分けられ、後者が最も多く使用されます。

振れ公差

円周振れと全振れに分けられます。

円周振れ：基準軸を中心として被測定実体面が軸方向移動なしで回転するとき、指定方向で指示計が測定した最大読み取り差を指します。

全振れ：被測定実体面が基準軸を中心として軸方向移動なしで回転し、同時に指示計が基準軸に平行または垂直に移動するとき、全プロセスで指示計が測定した最大読み取り差を指します。

公差の重要性

非公差寸法に標準公差を提供できますが、多くのメーカーはそれを使用しません。多くのメーカーは、エンジニアが公差付きで全機能を定義するまで部品製造を開始できません。これは、メーカーが部品が他の部品とどのように相互作用するかを理解するための参照フレームを持っていないためです。

情報不足により、メーカーは特定の寸法が最終設計にとってどれだけ重要かを知りません。生産を開始する方法がありません。

公差が提供されるかどうかにより、以下の可能性があります：

公差が提供される：公差が提供された後、メーカーは設計を受け取り、必要なサイズ限界を知った後、即座に部品加工を開始できます。これによりコストを最小限に抑え、ターンアラウンドタイムを短縮できます。

公差が提供されず、メーカーが生産を拒否：一部のメーカーは、顧客満足を確保し再生産コストを削減するため、公差なしでは部品に取り組みません。これはターンアラウンドタイムを増やす可能性がありますが、エンジニアの潜在的な再構築コストを節約できます。

公差が提供されず、メーカーが生産を継続：この場合、メーカーは設計の下限を理解していないため、例えば±0.005インチの標準公差が部品に適用される可能性があります。これは直径が指定直径より0.005インチ小さいか、0.005インチ大きい可能性があることを意味します。機械技師が設計した直径が必要直径より0.005インチ小さい場合、部品はシャフトに取り付けられず、再調整や再生産が必要になります。設計者とサプライヤーの時間とコストを大幅に浪費し、プロジェクトの遅延を招く可能性もあります。

公差を正しく使用することは、すべりあいとはめあいのどちらであっても、部品が適合することを意味します。他のコンポーネントと互換性のある部品を作る場合、公差を絶対に定義しなければなりません。わずかな測定誤差やサイズ変動でも、製品を機能的に無用または互換性のないものにします。

不必要に厳しい公差を使用すると、部品の製造コストが高くなります。+/- 0.002で十分に機能する場合、+/- 0.0002の公差を適用する理由はありません。

加工公差に影響を与える要因

公差を決定する際には多くの要因を考慮する必要があります。これらには以下が含まれます：

材料：

材料は圧力下で異なる挙動を示し、一部の材料は他より加工しやすいです。公差を決定する際、これらの材料特性を考慮する必要があります。

例えば、材料の研磨性により、これらの材料は切削機械を摩耗させる際に設計公差に影響を与えます。

硬度と剛性：一般的に、材料が柔らかいほど、切削中に材料がたわむため、指定公差を保持するのが難しくなります。ナイロン、HDPE、PEEKなどのプラスチックは、特殊な工具考慮なしでは鋼やアルミニウムほど厳しい公差を保持できない場合があります。

熱安定性：特にプラスチックなどの非金属材料は、加熱時に歪みます。これにより許容される加工プロセスのタイプが制限され、部品公差に影響を与えます。

特定の加工プロセスを選択する際にどの材料を使用するかを考慮することも重要です。なぜなら、一部の材料は特定の加工操作と互換性がないからです。例えば、EDMは非導電性材料を加工できません。

 

加工タイプ：

使用材料に加えて、部品を生産するために使用される機械と加工タイプは、完成部品の可能な公差に大きく影響します。右の画像はSANS Machiningにおける一般的な加工機械とその公差の一部です。

メッキと仕上げ：

部品の寸法と公差を決定する際、メッキや仕上げプロセスを考慮すべきです。メッキと仕上げは部品表面に少量の材料を追加しますが、これらの少量でも最終製品の寸法を変えるため、生産前に考慮すべきです。

厳しい公差を維持する方法

1. 適切な職場を見つける

ワークショップを探すとき、コミュニティだけに焦点を当てることはできません。どのフロアにいたいかも考慮する必要があります。1階（一階）が唯一の選択肢です。CNCショップの2階、3階、またはそれ以上の階では、CNC機械が稼働すると振動を感じ、震えるワークショップで精密CNC部品を製造することはほぼ不可能です。

2. 高品質CNC工作機械を使用する

機械公差は部品品質を確保する最も重要な要因の一つです。機械公差が+/- 0.02mmの場合、どうやって+/- 0.01mmの公差を保証できますか？

3. （正しい）鋭い切削工具を使用する

切削工具の品質と鋭さは、厳しい公差を達成する上で重要な役割を果たします。鈍い工具は機械エネルギーを消費するだけでなく、精度と精密さを得られなくします。

4. 経験豊富なエンジニア：

経験豊富なエンジニアは、シンプルで正確な加工のために設計を修正する方法を知っており、より良い結果を生み出します。経験豊富なエンジニアは、必要なCADファイルと公差を持った後、即座に部品製造の最良の方法を知っています。

5. 十分に訓練されたオペレーター

熟練した機械オペレーターは、切削工具の選択、機械のプログラミング、手動加工と旋盤操作の実行方法を知っています。また、切削工具の品質を認識し、必要に応じてパラメータを変更する方法も知っています。優秀なオペレーターが加工中と加工後に部品を保護する方法を知っていることも重要です。

6. 強力な品質管理部門：

優れた品質管理は自動的に公差を向上させるわけではありませんが、許容公差を超える部品が誤って顧客に送られないことを保証できます。

7. 良好なコミュニケーション：

顧客と従業員との良好なコミュニケーションは、工場でより良い結果を達成できます。生産部門は顧客のニーズを正確に理解し、実際の可能性を顧客に伝えることが非常に重要です。

SANS Machiningは10年以上にわたりカスタムCNC加工部品製造を専門としています。最も厳格な品質基準に基づき、出荷前にすべての部品を個別に検査し、部品が期待を超えることを保証します。関連プロジェクトがあれば、図面をお送りください。詳細なお見積もりを提供します。