はじめに
図面どおりに加工された部品なのに、組み立てようとすると入らない。
寸法を測ってみても、それぞれの部品は公差内に収まっている。
「全部図面どおりなのに、どうして組み付かないの？」
機械設計では、このような問題が起こることがあります。
今回は、寸法公差の積み重ねによって発生する組立不良と、その改善方法を紹介します。
こんな失敗が起きる
例えば、幅10mmのハウジング内部に、3つの部品A・B・Cを並べて組み込む構造を考えてみます。
それぞれの寸法は次のとおりです。
| 部品 | 寸法 |
|---|---|
| A | 3.0±0.1mm |
| B | 4.0±0.1mm |
| C | 3.0±0.1mm |
| ハウジング内幅 | 10.0±0.1mm |
CAD上では、
3.0＋4.0＋3.0＝10.0mm
となり、ぴったり収まります。
しかし、実際の加工品には寸法公差があります。
3つの部品がすべて最大寸法で仕上がった場合、
3.1＋4.1＋3.1＝10.3mm
となります。
一方、ハウジング内幅が最小寸法の9.9mmで仕上がると、最大で0.4mmの干渉が発生します。
すべての部品が図面公差内でも、組み付かない可能性があるのです。
なぜこの問題が起きるのか？
原因は、個々の部品公差だけを見て、組立状態での公差の積み重ねを確認していないことです。
CADでは通常、基準となる寸法で部品を配置します。
そのため、設計寸法どおりなら問題なく収まっているように見えます。
しかし実際の部品寸法には、許容された範囲内でばらつきがあります。
複数の部品が同じ方向に並ぶ構造では、そのばらつきが積み重なります。
特に注意したいのは、
- 複数のカラーを並べる構造
- ベアリングとスペーサを組み合わせる構造
- プレートを重ね合わせる構造
- ケース内部に部品を収める構造
などです。
部品単体では合格でも、組立状態では不合格になる可能性があることを理解しておく必要があります。
どう改善すればよい？
改善案①：公差の積み重ねを計算する
まず、組立に関係する寸法を拾い出します。
最も厳しい条件で組み立てられるか確認するには、部品の最大寸法と、組み込む側の最小寸法を比較します。
今回の例では、
- 部品合計の最大寸法：10.3mm
- ハウジング内幅の最小寸法：9.9mm
- 最大干渉量：0.4mm
です。
このように最悪条件を確認することで、組立不良の可能性を設計段階で発見できます。
改善案②：基準と公差配分を見直す
すべての寸法を厳しい公差にするのではなく、組立に必要な寸法を優先して見直します。
例えば、位置決めに重要な部品の寸法精度を確保し、それ以外の部品で必要なすき間を設けます。
公差を厳しくすると加工費が上がる場合もあるため、必要な精度を必要な部分に設定することが大切です。
改善案③：シムなどで調整できる構造にする
組立時に寸法を調整できるようにする方法もあります。
例えば、部品Cを固定寸法のスペーサではなく、適切な厚さを選べる調整用スペーサやシムに変更します。
ただし、今回の例ではハウジングの最小幅が9.9mmになるため、AとBだけでも最大7.2mmとなります。
したがって、Cに相当する調整部品の厚さは、実測した残り寸法から、必要なすき間や保持条件を考慮して決めなければなりません。
シムを入れれば必ず解決するのではなく、調整可能な寸法範囲を確保することが重要です。
設計時に確認したいポイント
寸法公差を設定するときは、次の項目を確認してみましょう。
- 組立に関係する寸法をすべて拾い出している
- 最大寸法と最小寸法の組み合わせを確認している
- 必要なすき間や締め代を確保している
- 公差を厳しくする部分を適切に選んでいる
- 必要に応じてシムや調整機構を検討している
特に複数の部品が連続して並ぶ構造では、寸法の合計がどこに影響するかを確認すると、組立不良の防止につながります。
まとめ
今回のポイントは、
「各部品が寸法公差内でも、組立状態で成立するとは限らない」
ということです。
機械設計では、部品単体の寸法だけでなく、組み合わせたときの最大・最小寸法を確認する必要があります。
設計時には、
「この部品が最大寸法で、相手側が最小寸法でも組み立てられるか？」
と考える習慣を持つことが大切です。
公差の積み重ねを意識することで、加工後の組立トラブルや現場での追加工を減らすことにつながります。
次回は、「シリンダに無理な力がかかっている」 という失敗事例を紹介します。
