金属部品の図面には、寸法公差だけでなく、平面度・平行度・直角度・位置度などの「幾何公差」が指定されることがあります。
完成した部品の長さや直径が寸法公差に収まっていても、面が反っていたり、穴の位置がずれていたり、軸が傾いていたりすると、正しく組み付けられない場合があります。
このような部品の形状、向き、位置、振れを管理するために使用されるのが幾何公差です。
この記事では、幾何公差の基本的な意味から、寸法公差との違い、平面度・平行度・直角度・位置度などの代表的な種類、図面で指定するときの注意点までわかりやすく解説します。
幾何公差とは
幾何公差とは、部品の形状や位置が、理想的な状態からどの程度までずれてよいかを示す許容範囲です。
金属加工では、図面どおりの寸法に加工しても、実際の部品にはわずかな反り、傾き、位置ずれ、振れなどが発生します。
例えば、厚さ10mmのプレートを「10±0.01mm」で加工したとします。
複数箇所を測定した結果が9.99～10.01mmに収まっていても、プレート全体が反っている可能性があります。寸法公差だけでは、この反りを十分に規制できません。
そこで平面度などの幾何公差を指定し、部品全体の形状を管理します。
寸法公差と幾何公差の違い
寸法公差と幾何公差は、管理する対象が異なります。
| 項目 | 寸法公差 | 幾何公差 |
|---|---|---|
| 管理するもの | 長さ・直径・厚さ・幅 | 形状・向き・位置・振れ |
| 指定例 | 20±0.01mm | 平面度0.02、位置度φ0.05 |
| 主な目的 | 部品の大きさを管理する | 反り・傾き・位置ずれなどを管理する |
| 基準面 | 必要としない場合が多い | データムを使用する場合がある |
例えば、穴径が正しい寸法に仕上がっていても、穴の中心位置がずれていれば、ボルトや軸を通せません。
この場合は、穴径に寸法公差を指定するとともに、穴の中心位置に位置度を指定する必要があります。
寸法公差と幾何公差は、どちらか一方を指定すればよいものではありません。部品の機能に応じて組み合わせることが重要です。
寸法公差については、以下の記事でも詳しく解説しています。
金属加工の公差とは？±0.01mmの意味と精度を指定するポイント
幾何公差で使われるデータムとは
データムとは、幾何公差を指定するときの基準となる面、線、軸、点のことです。
図面では、基準にする部分へA・B・Cなどの記号を付けて表します。
例えば、部品の底面をデータムAとして直角度を指定した場合、底面Aに対して対象面がどの程度正確に直角になっているかを管理します。
一般的には、次のように基準を設定します。
- データムA：部品を置く主要な基準面
- データムB：横方向の位置を決める基準面
- データムC：残りの方向を決める基準面
データムの設定が不適切だと、加工時の基準と測定時の基準が一致せず、設計意図が正しく伝わらないことがあります。
実際の組み付け方や部品の機能を考えて、安定して固定・測定できる場所をデータムに設定することが重要です。
幾何公差の主な種類
幾何公差は、主に次の内容を管理するために使用されます。
形状を管理する公差
- 真直度
- 平面度
- 真円度
- 円筒度
- 線の輪郭度
- 面の輪郭度
向きを管理する公差
- 平行度
- 直角度
- 傾斜度
位置を管理する公差
- 位置度
- 同軸度
- 対称度
回転時の振れを管理する公差
- 円周振れ
- 全振れ
すべての幾何公差を一つの部品へ指定する必要はありません。部品の機能や組み付けに影響する箇所を選んで指定します。
平面度とは
平面度とは、一つの面がどの程度正しい平面に近いかを示す幾何公差です。
対象となる面全体が、指定された間隔の二つの平行な平面の間に収まるように規制します。
平面度が重要になる代表的な箇所は次のとおりです。
- 機械部品の取り付け面
- 金型の合わせ面
- 治具の基準面
- プレートの接触面
- シール性が求められる面
- スライド部品の摺動面
平面度が不足すると、部品同士が密着しない、取り付け時に傾く、締め付けたときに変形するなどの問題が発生する可能性があります。
平面度は一つの面そのものの形状を管理するため、基本的にデータムを必要としません。
高い平面度が必要な部品では、切削加工後に平面研削加工を行うことがあります。
平行度とは
平行度とは、基準となる面や軸に対して、対象となる面や軸がどの程度平行であるかを示す幾何公差です。
平面度が一つの面の形状を管理するのに対し、平行度はデータムとの関係を管理します。
例えば、プレートの下面をデータムAとし、上面に平行度を指定した場合、上面が下面に対してどの程度平行になっているかを確認します。
平行度が重要になる部品には、次のようなものがあります。
- スペーサー
- ガイド部品
- スライドプレート
- 金型部品
- 治具の基準部品
- 軸受を保持する部品
厚さ寸法が公差内でも、上面と下面が傾いていれば、位置によって厚さが異なります。安定した組み付けや摺動が必要な部品では、寸法公差と平行度の両方を確認する必要があります。
直角度とは
直角度とは、基準となる面や軸に対して、対象となる面や軸がどの程度正確に90度になっているかを示す幾何公差です。
例えば、底面をデータムAとして側面に直角度を指定すると、底面に対する側面の傾きを管理できます。
直角度が重要になる箇所は次のとおりです。
- ベースプレートと立ち上がり面
- 軸に対する端面
- ブロック部品の側面
- 穴の中心軸
- 治具の位置決め面
- 機械部品の取り付け面
直角度が不足すると、組み付け時の傾き、軸の片当たり、ボルト穴の位置ずれ、摺動不良などにつながることがあります。
位置度とは
位置度とは、穴や軸などの中心位置が、理論上の正しい位置からどの程度ずれてよいかを示す幾何公差です。
特に、複数のボルト穴、位置決めピン穴、軸受穴などの位置を管理するときに使用されます。
穴の中心位置を通常の±寸法だけで指定すると、縦方向と横方向の公差が重なり、実際に許容される範囲がわかりにくくなる場合があります。
位置度を使用すると、穴の中心軸が入るべき許容領域を明確に示せます。
位置度が重要になる部品には、次のようなものがあります。
- ボルト穴が複数あるプレート
- 位置決めピンを使用する治具
- ベアリングを組み込むハウジング
- 複数の軸穴を持つケース
- 組み合わせて使用する機械部品
穴径が図面どおりでも、位置度を満たしていなければ相手部品と組み付けられない可能性があります。
真円度とは
真円度とは、円形の断面がどの程度正しい円に近いかを示す幾何公差です。
旋盤加工した軸や穴は、見た目には円形でも、実際にはわずかな楕円、工具の振動によるうねり、締め付けによる変形が生じることがあります。
真円度が重要になる部品は次のとおりです。
- 回転軸
- ベアリングの取り付け部
- ブッシュ
- ピストン
- シール部品
- 高精度なはめあい部
直径寸法が公差内に収まっていても、断面が正しい円になっているとは限りません。回転性能や密封性が必要な箇所では、寸法公差とは別に真円度を検討します。
円筒度とは
円筒度とは、円筒面全体がどの程度正しい円筒形状に近いかを示す幾何公差です。
真円度は一つの断面を管理しますが、円筒度は部品の長さ方向を含めた円筒面全体を管理します。
円筒度によって、次のような形状のずれを総合的に規制できます。
- 断面の楕円
- 軸方向の反り
- テーパー状の太さの変化
- 円筒表面のうねり
長いシャフトや精密な軸受部では、直径寸法だけでなく円筒度が機能に影響することがあります。
同軸度とは
同軸度とは、基準となる軸と対象となる軸の中心が、どの程度一致しているかを示す幾何公差です。
段付きシャフト、複数の穴を持つハウジング、軸受部などで中心軸のずれを管理するために使用されます。
中心軸がずれていると、回転時の振動、偏摩耗、異音、軸受の寿命低下などにつながる可能性があります。
ただし、同軸度は測定や評価が複雑になることがあります。部品の機能によっては、位置度や振れ公差で設計意図を示せるか検討することも重要です。
円周振れと全振れの違い
円周振れと全振れは、部品を基準軸の周りに回転させたときの変動を管理する幾何公差です。
円周振れ
円周振れは、特定の断面に測定器を当て、部品を一回転させたときの振れを管理します。
円盤部品の外周、軸の一部分、端面など、限定された位置の振れを確認する場合に使用します。
全振れ
全振れは、部品を回転させながら測定器を円筒面や端面全体へ移動させ、対象面全体の振れを管理します。
円周振れよりも広い範囲を管理するため、より総合的な回転精度が必要な部品に使用されます。
幾何公差と表面粗さの違い
幾何公差と表面粗さも混同されやすい項目です。
幾何公差は、面全体の反り、傾き、位置ずれ、振れなどを管理します。
一方、表面粗さは、加工面に残る細かな凹凸を管理します。
表面が滑らかでも、部品全体が反っていれば平面度は良くありません。反対に、面全体が平らでも、工具跡が大きければ表面粗さは粗くなります。
精密部品では、次の条件を分けて考える必要があります。
- 寸法が許容範囲に入っているか
- 形状や位置が幾何公差を満たしているか
- 表面が必要な粗さに仕上がっているか
- 傷・打痕・バリなどがないか
表面粗さについては、以下の記事をご覧ください。
切削加工の表面粗さとは？Ra・Rzの違いと図面での指定方法を解説
幾何公差を厳しくすると加工費が上がる理由
幾何公差を厳しくすると、加工そのものだけでなく、工程設計、固定方法、測定方法にも高い精度が必要になります。
加工費へ影響する主な要因は次のとおりです。
- 加工工程が増える
- 専用治具が必要になる
- 荒加工と仕上げ加工を分ける必要がある
- 加工途中の測定回数が増える
- 研削加工などの仕上げ工程が必要になる
- 温度変化を考慮した測定が必要になる
- 測定に時間がかかる
- 不良や再加工のリスクが高くなる
すべての面や穴に厳しい幾何公差を設定すると、部品の機能に必要のないコストまで増える可能性があります。
組み付け、位置決め、摺動、回転、密封などに関係する重要箇所を見極めて指定することが大切です。
図面で幾何公差を指定するときの注意点
部品の機能から必要な公差を決める
「高精度にしたい」という理由だけで数値を厳しくするのではなく、その部品がどのように使用されるかを明確にします。
組み付けに必要なのか、回転時の振れを抑えたいのか、面を密着させたいのかによって、必要な幾何公差は異なります。
データムを適切に設定する
実際に部品を取り付ける面や、加工・測定時に安定して基準にできる面をデータムとして設定します。
データムの順番も重要です。A・B・Cの順番が変わると、部品を拘束する方向や測定方法が変わる場合があります。
加工できる形状か確認する
工具が届かない位置、測定器を当てられない箇所、固定すると変形する薄肉形状などでは、指定された公差の加工や検査が難しい場合があります。
設計段階で加工会社へ相談することで、機能を保ちながら加工しやすい形状や指定方法を検討できます。
測定方法を共有する
同じ幾何公差でも、測定器、固定方法、測定位置、温度などによって結果が変わる場合があります。
特に厳しい公差を指定する場合は、測定方法や検査成績書の必要性も事前に共有することが重要です。
幾何公差のある部品を見積もり依頼するときの確認事項
加工会社へ見積もりを依頼するときは、次の情報を準備してください。
- 寸法と幾何公差が記載された図面
- 2D図面と3Dデータ
- 材質
- 熱処理の有無
- 表面処理の種類
- 表面粗さ
- 必要数量
- 使用目的
- 相手部品との関係
- 重要な基準面
- 測定方法
- 検査成績書の要否
- 希望納期
特に、はめあい部、取り付け面、位置決め穴、摺動面など、部品の機能に直結する部分を伝えると、加工方法を検討しやすくなります。
幾何公差に関するよくある質問
幾何公差は必ず指定する必要がありますか？
すべての部品に個別の幾何公差が必要とは限りません。
一般的な形状で、寸法公差だけで機能を満たせる場合もあります。ただし、反り、傾き、穴位置、回転時の振れなどが組み付けや性能へ影響する場合は、幾何公差の指定を検討します。
平面度と平行度は何が違いますか？
平面度は、一つの面そのものがどの程度平らかを管理します。
平行度は、基準となる面や軸に対して、対象面や軸がどの程度平行かを管理します。平面度は基本的にデータムを必要としませんが、平行度では基準となるデータムを使用します。
穴径が公差内なら位置度は不要ですか？
穴径の寸法公差と穴の位置は別の条件です。
穴径が正しくても中心位置がずれていれば、ボルトや位置決めピンを通せない場合があります。組み付けに穴位置が影響する場合は、位置度の指定を検討します。
幾何公差を厳しくすると精度は上がりますか？
指定された範囲は厳しくなりますが、必ずしも部品の性能向上につながるとは限りません。
必要以上に厳しい公差は、加工工程や検査工程を増やし、費用と納期に影響します。部品の機能に必要な範囲で指定することが重要です。
図面に幾何公差がなくても加工を依頼できますか？
加工を依頼することは可能です。
ただし、組み付けや機能に重要な面、穴、軸がある場合は、用途や相手部品との関係を加工会社へ伝えてください。必要な精度や図面指定について相談できる場合があります。
広島で幾何公差のある精密部品加工なら宝栄工業へ
幾何公差は、部品の形状、向き、位置、振れを正確に管理するための重要な指定です。
寸法公差内に仕上がっていても、平面の反り、穴位置のずれ、軸の傾き、回転時の振れなどがあると、組み付けや動作に問題が生じる可能性があります。
宝栄工業では、広島市を拠点に、NC旋盤、マシニングセンタ、ワイヤーカット、平面研削などを組み合わせた金属部品加工に対応しています。
幾何公差のある部品をご検討の際は、図面、材質、数量、使用目的、重要箇所などをお知らせください。加工方法や測定方法を含めて検討し、お見積もりいたします。
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