幾何公差の“目的”とは何か？：産機設計者が解説「公差計算・公差解析」（3）（1/2 ページ）

機械メーカーで機械設計者として長年従事し、現在は3D CAD運用や公差設計／解析を推進する筆者が公差計算や公差解析、幾何公差について解説する連載。第3回のテーマは「幾何公差の“目的”とは何か？」だ。

[土橋美博／飯沼ゲージ製作所，MONOist]

幾何公差の“目的”とは何か？

　前回は、JIS規格（日本工業規格）の側面から「幾何公差とは何か？」について解説しました。今回はもう一歩掘り下げて「幾何公差の“目的”とは何か？」をテーマに解説を進めたいと思います。

図1　「寸法」と「幾何」の違いとは？

　設計の成果物である2次元図面や3次元図面には、「正しい形を伝える」という目的があります。前回、「形体」と「サイズ形体」について解説しましたが、サイズだけで示すものにはどうしても“曖昧さ”が残ってしまいます。すなわち、サイズ形体（大きさ寸法や角度寸法によって定義される形体）のみでモノの形（ありさま）を示した場合、その図面には“曖昧さ”が含まれてしまうということです。

　では、この図面を用いて加工を施す場合はどうなるでしょうか。残念ながら、図面に示されたサイズ形体が“理論的に正しい形”であったとしても、加工工程で「バラツキ」が生じてしまいます。

バラツキの要因

　バラツキの話題が出てきたので、ここで「バラツキの要因」について振り返ってみたいと思います。

図2　バラツキの要因（4M）について

　バラツキの要因として「4M」があります（図2）。設計者＝作業者とすると、“曖昧さ”を残す設計も“バラツキ”を生じさせている要因といえますが、加工工程ではバラツキの要因となる4Mが全て含まれます。

　当然のことながら、このバラツキを管理するために「サイズ形体を決める寸法に対する“許容値”」、すなわち「サイズ公差」が設計者によって設定されますが、これだけでは“理論的に正しい形”を加工することはできません。さらに、測定工程でも“理論的に正しい形”をサイズ公差だけから測定することは不可能です。

　なぜ、サイズ公差だけでは“曖昧”なのでしょうか？　まずは測定方法について考えてみましょう。

　長さを測定する際に使用するツールといえば

• ノギス（Vernier Caliper）
• ハイトゲージ（Hight Gauge）
• マイクロメーター（Micrometer）
• 角度計（Angle Gauge）
• 定盤（Surface Plate）

などがあります。

　その精度や測定範囲は“まちまち”ですが、共通点もあります。これらはいずれも対象物上の2点の距離や角度、対象物を置いた基準面からの2点の距離を測定しているにすぎず、必ずしも“正しい形体”を捉えているとはいえません。

　続いて、JIS規格を参考に「寸法とは何か？」について、その定義を確認してみましょう。

JIS Z8114：1999製図一製図用語

• 3409 寸法 dimension
  　決められた方向での対象部分の長さ、距離、位置、角度、大きさを表す量　
  参考：寸法には長さ寸法、大きさ寸法、位置寸法、角度寸法などがある
• 3410 サイズ Size
  　決められた単位、方法で表した大きさ寸法

　このように寸法（サイズ）に関しては、測定者視点でいえば、測定機器を使えば簡単に求めることができます。また、設計者視点でも、設計者がサイズを設定する際、強度上必要な寸法（例えば、厚さ○○mm）として最適なサイズを設定することは難しいわけではありません。

“正しい形体”を捉えることの難しさ

　では、次のような例はどうでしょうか？　板厚20［mm］、許容値±0.2［mm］で、部品機能を満足させるものがあったとして、併せて図3のような3次元図面が設計者から示されたとします。

図3　設計者の意図

　この形体を基に、加工担当者が部品の加工を行い、ノギスを使用して2点間を測定しました。その結果、板厚20［mm］、許容値±0.2［mm］にしっかりと収まっていることが分かりました。

図4　加工後の形体

　一見、何ら問題ないように思えますが、設計者が意図していたものと、加工した実物とでは大きな違いがあったのです。

　実は、設計者が設計意図として、

1. 部品の接地面は平面
2. 接地面との平行面もまた平面
3. 板厚はどこの部分で測定しても20±0.2［mm］

だと考えていたらどうでしょうか。

　ですが、実際に設計者が作成した3次元図面を見てみると、そこには“曖昧さ”が残っており、「平面のレベルを示すもの」「平行のレベルを示すもの」が欠落しています……。これでは加工担当者が“正しい形体”を捉えることはできません。

　もう1つ、このような円柱の例も紹介しておきましょう。少々大げさに思われるかもしれませんが、“曖昧さ”があるとこのようなことも起こり得ます。

図5　設計者の意図

図6　加工後の形体