公差設計｜適切な公差を設計に反映させる

2019.04.17

公差設計

公差設計（こうさせっけい、英：Tolerance Design）とは、製品の要求品質を満たしながら製造コストを最小化するよう、各部品の寸法誤差の許容範囲（公差）を合理的に配分・決定する設計手法である。どのような加工を施しても製品寸法は設計値と完全に一致せず、気温・材質・加工条件などによって必ずばらつきが生じる。このばらつきを機能上許容できる範囲に収めるのが公差であり、その設定が製品の品質・コスト・組立性を左右する。公差を厳しく設定すれば品質は向上するが製造コストは増大し、緩く設定すれば製造は容易になるが不具合のリスクが高まる。公差設計はこのトレードオフを定量的に扱い、機能と経済性の最適バランスを追求する技術の中核をなす。

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公差

個々の部品には寸法、位置、面の状態にばらつきがあるが、一般には公差と呼ばれる許容されるばらつきが設けられている。設計段階には、十分な機械的性質を実現するため、厳しい公差を求める傾向にあるが、必要以上に厳しい公差は製造の工程、特殊な加工方法を増やすため、適切な公差設計が求められる。

普通公差

普通公差

公差設計のブラッシュアップ

公差設計では、設計者が図面に表記し、製造に流すが、実際に、部品・製品ができ上がると、設定した公差の値が適切かどうか評価しなければならない。公差の表現が適切か、必要以上の厳しい公差ではないか、目標とした狙いが達成されたか、よりよい方法はないかなどを検討し、次の製品へとフィードバックする仕組みが必要である。

公差の種類

公差設計で扱う公差は大きく寸法公差と幾何公差の2種類に分類される。寸法公差は2点間の距離（長さ・直径など）のばらつきを許容する範囲を規定するものであり、図面では「50±0.05」のように上限値・下限値で表記する。一方、幾何公差（GD&T：Geometric Dimensioning and Tolerancing）は、形状・姿勢・位置・振れといった幾何学的特性のばらつきを規制するもので、寸法公差では捉えきれない「反り」「傾き」「同軸度」などを定義する。例えば真直度が指定されていない丸棒は、直径の寸法公差を満たしていても軸が曲がっていれば穴に通らない場合がある。国際規格ISO 1101や米国規格ASME Y14.5に準拠した標準記号を用いることで、設計者・加工者・検査者が共通言語で設計意図を共有できる。幾何公差の追加はコスト上昇を招くため、本当に機能上必要な箇所に絞って指示することが設計者の力量となる。

幾何公差

幾何公差は、形状、姿勢、位置、振れなどの公差で、真直度、平面度、平行度、位置度など、寸法だけでは伝わらない、綿密な公差をいう。厳しい幾何公差は加工難易度があがり、また不適切な幾何公差の指定は余計な寸法測定や加工も増えるため、注意が必要である。

幾何公差の種類

幾何公差の種類

寸法連鎖と公差解析

複数の部品を組み合わせたアセンブリでは、個々の部品公差が積み重なって組立後の全体寸法に影響する。この連鎖関係を寸法連鎖と呼び、組立精度を保証するには各部品公差の累積を定量的に評価する公差解析が不可欠である。公差解析の代表的な手法として、最悪値法（ワーストケース法、LS法）と統計的手法（RSS法）の2種類が広く用いられる。

最悪値法（LS法）

最悪値法は、すべての部品の公差が最悪の組み合わせで重なった場合を想定し、各部品公差を単純に加算して累積公差を求める手法である。計算式は「累積公差＝Σ（各部品公差）」であり、どのような個体のばらつきが生じても組立不良が発生しないことを保証できる。ただし現実には全部品が同時に最悪方向にずれる確率は極めて低く、この手法を採用すると各部品に非常に厳しい公差を要求することになり、製造コストが過大となる傾向がある。安全性が特に重視される航空宇宙・医療機器分野など、不良が生命に関わる製品では最悪値法が選択される場合が多い。

RSS法（二乗和平方根法）

RSS法（Root Sum Squares）は、各部品のばらつきが統計的に正規分布に従うと仮定し、分散の加法性を利用して累積公差を求める統計的手法である。計算式は「累積公差＝√（Σ各公差²）」となり、最悪値法に比べて累積公差を大幅に緩和できるため、各部品公差を広く設定してコストを低減することが可能である。ただし、ばらつきが正規分布に従わない場合や部品数が少ない場合には予測精度が低下する点に注意が必要である。大量生産品においてコストと品質のバランスを取る際に有効な手法であり、実務では最悪値法とRSS法の特性を理解したうえで、製品の要件に応じて使い分けることが求められる。

公差配分の考え方

アセンブリ全体に求められる組立公差（閉じた公差）を各構成部品へどのように割り振るかが公差配分の課題である。公差配分の基本的な考え方として、加工の難易度とコストに応じて配分する方法が一般的である。精密加工が容易な部品には厳しい公差を割り当て、加工誤差が生じやすい部品には広い公差を与えることで、全体コストを最小化しながら組立要求を満たす。また、はめあい設計においては穴と軸の公差の組み合わせ（すきまばめ・中間ばめ・しまりばめ）を適切に選定することで、互換性と機能性を確保する。JIS B 0401ではこれらのはめあい公差が標準化されており、設計者はこれを参照して合理的な公差指示を行う。

許容差設計とタグチメソッド

タグチメソッド（品質工学）では、公差設計は「許容差設計」と位置づけられ、パラメータ設計による品質改善の成果をコスト改善へ還元する段階として体系化されている。パラメータ設計でノイズに強いロバストな設計（ロバスト設計）を確立した後に、損失関数を用いて各パラメータの公差を経済合理的に決定する。損失関数は、製品特性が目標値からずれるにつれて社会的損失（品質コスト）が増大するという考え方に基づき、公差の厳格化によるコストと品質損失のトレードオフを定量化する。これにより、過剰品質も不足品質も回避した最適な公差幅を算出することが可能となる。

GD&T と3次元設計への展開

従来の公差設計は2次元図面を前提としていたが、3D CADの普及に伴い、3Dモデルに直接公差情報を付加するMBD（Model Based Definition）が広まっている。MBDでは3Dアノテーション付きモデル（3DA）に幾何公差を直接組み込むことで、図面アノテーション数を5〜7割削減できる事例もあり、設計から製造・検査までの情報伝達を一元化できる。CAEを用いた公差解析ソフトウェアでは、モンテカルロシミュレーションによる統計的公差評価も可能となり、複雑なアセンブリの累積公差を高精度に予測できる。国際規格としてはISO 1101（幾何公差）、ASME Y14.5-2018が主要規格であり、グローバルサプライチェーンにおいてサプライヤーと検査部門が共通基準で製品品質を評価する言語として機能している。

公差設計とコストの関係

製品開発における公差設計の質は、製造コストと直結する。公差が不必要に厳しい図面は加工コストを押し上げ、逆に緩すぎる公差は組立不良や市場クレームを引き起こす。設計段階で公差を適切に設定するフロントローディングの観点から、公差設計は開発の早期に集中して実施することが重要である。不十分な公差指示による図面解釈の誤りは、手戻りや不良品の発生を招き、結果的に開発コスト全体を増大させる。FMEA（故障モード影響解析）と組み合わせることで、公差外れが製品機能に与えるリスクを事前に評価し、重要度の高い寸法に加工資源を集中配分する優先度管理が可能となる。位置度などの幾何公差を適切に活用することで、従来の座標公差では過剰に管理していた部位を合理化し、コストダウンと品質確保を同時に実現できる事例も多い。

PDCA

公差設計はPDCAで回す方法で、より適切な設計にすることがおおい。

PLAN

PLANは、まず品質やコストなどを総合的にバランスよく決める必要がある。またその意図を後工程の製造を正確に伝える必要がある。

DO

PLANに基づいた公差情報を正確に加工できるかの工程がDOである。厳しい公差ほど、正確に設計意図を伝えなければならないが、そのずれが大きければ、あるいは製造者の負担が大きければ、その公差設計が問題となり、本当にその公差が必要かどうかを検討しなければならない。

CHECK

CHECKはDOで作られた部品が、設計意図に加工され、組み立てた出来を確認するのがCHECKの工程である。ここでは必要十分なデータを採取し、そのデータのばらつきについて把握することが重要である。

Action

CHECKの工程で与えられた情報を分析し、次の設計に生かせるのがActionの工程である。設定した公差の値が問題のない状態かどうかを冷静に割り出し、公差の質を向上させていかなければならない。

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