Gauge block
Metric gauge block set, 112 pcs
Another set with 8 pcs, 125 mm - 500 mm
Trolley model

Gauge blocks (also known as gage blocks, Johansson gauges, slip gauges, or Jo blocks) are a system for producing precision lengths. The individual gauge block is a metal or ceramic block that has been precision ground and lapped to a specific thickness. Gauge blocks come in sets of blocks with a range of standard lengths. In use, the blocks are stacked to make up a desired length (or height).

Gauge blocks were invented in 1896 by Swedish machinist Carl Edvard Johansson.[1] They are used as a reference for the calibration of measuring equipment used in machine shops, such as micrometers, sine bars, calipers, and dial indicators (when used in an inspection role). Gauge blocks are the main means of length standardization used by industry.[1]

An important feature of gauge blocks is that they can be joined together with very little dimensional uncertainty. The blocks are joined by a sliding process called wringing, which causes their ultra-flat surfaces to cling together. A small number of gauge blocks can be used to create accurate lengths within a wide range. By using three blocks at a time taken from a set of 30 blocks, one may create any of the 1000 lengths from 3.000 to 3.999 mm in 0.001 mm steps (or .3000 to .3999 inches in 0.0001 inch steps).

Description

How gauge blocks are measured.

ゲージブロックは、2つの対向する面が正確に平坦かつ平行に研磨され、正確な間隔を置いている金属またはセラミックのブロックです。標準グレードのブロックは硬化鋼合金で作られていますが、校正グレードのブロックは、より硬く摩耗が少ないため、多くの場合、炭化タングステン（WC）、炭化クロム（CrC）、またはセラミック（SiO 2ベース）で作られています。 [ 2 ] ゲージブロックは、さまざまな長さのブロックと追加の摩耗ブロックのセットで提供され、積み重ねることでさまざまな標準長さを作成できます。各ブロックの長さは、実際には刻印されている公称長さよりもわずかに短くなっています。刻印されている長さには、通常の使用時に隣接するブロック面を分離する潤滑膜である潤滑膜1つ分の長さが含まれているためです。潤滑膜の厚さは約25ナノメートル（0.98マイクロインチ）です。[ 3 ]ゲージの公称長さは干渉長とも呼ばれます。[ 4 ]

使用時には、ゲージブロックをセットから取り出し、保護コーティング（ワセリンまたは油）を洗い流し、必要な寸法に重ねて絞ります。ゲージブロックは20℃（68℉）で正確に測定できるように校正されており、測定中はこの温度に保つ必要があります。これにより、熱膨張の影響が軽減されます。ゲージブロックが使用中に損傷するのを防ぐため、可能な限り、ゲージブロックの両端にタングステンカーバイドなどのより硬い素材で作られた耐摩耗ブロックが取り付けられています。

機械工や工具製作者は、サイズ誤差の蓄積を避けるために、できるだけ少ないブロックでスタックを作ろうとします。たとえば、2 つのブロック (.500 ブロックを .138 ブロックに絞ったもの) で合計 .638 になるスタックは、4 つのブロック (.200、.149、.151、および .138 をすべて一緒に絞ったものなど) で合計 .638 になるスタックよりも適しています。各ブロックのサイズ公差は数百万分の 1 インチなので、それらを一緒に積み重ねると累積的な不確実性が生じます ( )。ただし、最も要求の厳しい用途を除いて、複数のブロックからのスタック誤差は通常無視できます。忙しいショップでは、いくつかのブロックが他の場所で使用されているため、その時点で利用可能なブロックからスタックを作成します。通常、数百万分の 1 インチの差は検出できないか、または問題になりません。究極の精度が要求される状況は稀であり、追加の費用（たとえば、ブロックのセット数の増加やブロックのグレード向上）が必要になります。

絞り

絞り加工とは、2つのゲージブロックをスライドさせて面同士を接着させる加工です。ゲージブロックは表面が非常に平坦であるため、絞り加工すると互いにしっかりと密着します。適切に絞り加工されたゲージブロックは、300 N（67 lbf）の引張力に耐えることができます。[ 5 ]この機構は以下の要素で構成されています。[ 4 ] [ 5 ]

36 個のヨハンソン ゲージ ブロックを一緒に絞ると、それ自体の重量を簡単に支えることができます。

最後の2つの原因が最も重要であると考えられています。[ 4 ]ブロックの摩擦実験では、絞り作用によって鋼鉄表面から酸化膜が除去されることが、絞り作用において重要な役割を果たしていることも示唆されています。[ 7 ]

磁力は使用されていませんが、ブロック同士がくっつく感覚は、弱い冷蔵庫の磁石がくっつくような感覚です。しかし、磁石とは異なり、このくっつきはブロックが完全に結合している間だけ持続します。磁石のように、目に見える隙間を越えてブロック同士が引き合うことはありません。

絞りのプロセスには4つのステップがあります。[ 4 ]

  1. 清潔なゲージブロックを油を塗ったパッドの上で拭きます。
  2. 乾いたパッドを使用してゲージ ブロックから余分なオイルを拭き取ります。
  3. 次に、適度な圧力をかけながら、ブロックをもう一方のブロックに対して垂直にスライドさせ、十字形を形成します。
  4. 最後に、ブロックは他のブロックと一直線になるまで回転します。

使用後は、腐食を防ぐためにブロックに油やグリースを塗り直します。ゲージブロックの絞り能力は、絞り性; 公式には「外部からの手段がない場合でも、2つの表面が互いにしっかりと密着する能力」と定義されています。絞り性の最低条件は、表面仕上げが1マイクロインチ（0.025μm）AA以上、平坦度が5μインチ（0.13μm）以上であることです。 [ 4 ]

絞りやすさを測る正式な試験方法がある。まず、標準の手順でゲージブロックを絞りやすいように準備する。次に、ゲージブロックを厚さ2インチ（51 mm）の基準グレード（平坦度1 μin [0.025 μm]）の石英光学平面板上で適度な圧力をかけながらスライドさせる。次に、ゲージブロックの底面を光学平面板を通して観察し、油や色の有無を確認する。連邦規格の等級0.5、1、2およびISO規格の等級K、00、0については、ゲージブロックの底面に油や色が見えてはならない。連邦規格の等級3およびISO規格の等級1および2については、表面積の20%以上に油や色が付着してはならない。この試験は、厚さ0.1インチ（2.5 mm）未満のゲージブロックでは、弛緩状態で平坦でない傾向があるため、実施が困難である。[ 4 ]

アクセサリー

ゲージブロックアクセサリセット
ゲージ ブロックのスタックを、即座にカスタム キャリパーまたはゴー/ノーゴー ゲージに変えるホルダー。

写真のアクセサリは、ゲージブロックセットの有用性を高めるホルダーとツールのセットです。これらは、基準点、スクライバー、そしてノギスジョー（外付けまたは内付け）のように機能する様々な形状のブロックと共に、大きな積み重ねをしっかりと固定する手段となります。円錐状の先端を持つブロックは、穴の中心間距離の測定を容易にします。外付けノギスジョーアクセサリを備えたゲージブロックを積み重ね、全て一緒に固定することで、カスタムサイズの合否判定ゲージとして素早く組み立てられます。

表面を傷つけない特殊なゲージブロックストーンを使用して、切り傷やバリを取り除き、絞りやすさを維持します。[ 4 ]

ゲージブロックを絞り加工する準備には、2種類の絞りパッドが使用されます。1つ目はオイルパッドで、ブロックに薄く油を塗布します。2つ目はドライパッドで、オイルパッドを使用した後、ブロックに残った余分な油を取り除きます。[ 4 ]

成績

干渉計を用いてボールベアリングとプラグゲージの高さを測定するために、各写真の左側、光学平面板の下に配置されたゲージブロックが使用されています。平面板の表面に見える干渉縞（線）は誤差を示し、その本数は誤差の量を示しています。

ゲージブロックは、その用途に応じて様々な等級が用意されています。[ 8 ]等級分けの基準は、寸法公差の厳しさです。等級が高いほど、公差が狭くなり、精度と精密度が高くなります。様々な等級分けの規格には、JIS B 7506-1997（日本）/DIN 861-1980（ドイツ）、ASME（米国）、BS 4311: Part 1: 1993（英国）などがあります。同じ等級でも、材料の厚さが増すにつれて公差は変化します。

  • 参照（AAA）：小さな許容範囲（±0.05 μmまたは±1.97 μin）が標準を確立するために使用される
  • 校正（AA）:（許容範囲+0.10～-0.05 μmまたは+3.94～-1.97μin）検査ブロックや超高精度ゲージの校正に使用
  • 検査（A）：（許容範囲+0.15～-0.05 μmまたは+5.91～-1.97μin ）は、他のゲージツールを設定するための工具室標準として使用されます。
  • ワークショップ（B）：大きな許容範囲（許容範囲+0.25～-0.15 μmまたは+9.84～-5.91μin）は、精密測定の現場標準として使用されます。

最近のグレード指定には、次のものがあります (米国連邦仕様 GGG-G-15C)。

  • 0.5 – 一般的にAAAグレードに相当
  • 1 – 一般的にグレードAAに相当
  • 2 – 一般的にA+グレードに相当
  • 3 – AとBの中間のグレード

ANSI/ASME B89.1.9Mでは、公称寸法からの絶対偏差と平行度限界の両方を等級決定の基準として定義しています。一般的に、等級は以下のように旧米国連邦等級と同等です。

  • 00 – 一般的にグレード1に相当（最も厳格な平坦性と精度要件）
  • 0 – 一般的にグレード2に相当
  • AS-1 – 一般的にグレード3に相当（American Standard - 1の略とされる）
  • AS-2 – 一般的にグレード3よりも精度が低い
  • K – 一般的にグレード00の平坦度（平行度）とグレードAS-1の精度に相当

ANSI/ASME規格は、ISO 3650で規定されているのと同様の考え方に基づいています。各グレードおよびブロックサイズにおける公差の詳細については、下記のNIST資料をご覧ください。また、「商用ゲージブロック公差」（長さは校正された厚さを指します） のE-4ページもご参照ください。

製造

ゲージ ブロックは、通常、硬化合金工具鋼、セラミック、または超硬合金(タングステン カーバイドやタンタル カーバイドなど) から作られています。超硬合金の硬度は、多くの場合 1500ビッカース硬度です。ロング シリーズのブロックは、2 つのスリップを締め付けるための穴がある断面 (35 × 9 mm) を持つ高品質の鋼から作られています。これらは、炭素鋼素材でも利用できます。鋼ブロックは、焼き入れおよび焼き戻し処理されます。硬度が重要なのは、使用中にゲージの摩耗速度を遅くするためです(このため、ピン、ねじプラグ、リングなどの他の種類のゲージも焼き入れされています)。ブロックをサイズに合わせて切断するには、研削した後、ラッピングします。通常、メッキやその他のコーティングは行われません。ブロックにはごく薄く油を塗っておき、乾燥した気候制御された環境で保管および使用します。メッキもコーティングもされていない鋼ゲージ ブロックは、数十年にわたって錆びることなく使用できます。

歴史

「Joブロック」としても知られるゲージブロックセットは、スウェーデンの発明家カール・エドヴァルド・ヨハンソンによって開発された。[ 9 ]ヨハンソンは1888年、スウェーデンのエスキルストゥーナにある国営兵器廠 カール・グスタフの町のライフル工場（Carl Gustafs stads Gevärsfaktori ）に武器検査官として雇われた。彼は、当時カール・グスタフでライセンス生産されていたレミントンライフルの部品を測定するための高価な工具に懸念を抱いていた。スウェーデンが1894年にモーゼル・カービンのカスタマイズされた派生型を採用したとき、ヨハンソンは（数年後に開始された）カール・グスタフでのライセンス生産の準備としてモーゼルの測定方法を研究する機会に非常に興奮した。しかし、ドイツのオーバーンドルフ・アム・ネッカーにあるモーゼル工場を見学したが、それは失望に終わった。電車で家に帰る途中、彼はその問題について考え、組み合わせることであらゆる大きさのブロックを作るというアイデアを思いつきました。

これまでも、やすりがけ用ゲージやゴー/ノーゴーゲージなど、現場で使用するために工具室で個別に特注で作られるゲージの使用が増えてきた長い歴史がありましたが、ヨハンソンが思い描いたように、さまざまな長さを作るために一緒に絞ることができる超精密ゲージブロックは存在しませんでした。

帰国後、ヨハンソンは妻のシンガーミシンを研磨機兼ラッピング機に改造しました。ライフル工場の研磨機の性能が十分ではなかったため、彼はこうした精密作業は自宅で行うことを好みました。妻のマルガレータは初期の試作を手伝いました。ヨハンソンがカール・グスタフ社で自作の機械を実演した後、雇用主は彼にアイデアを発展させるための時間とリソースを提供しました。ヨハンソンは1901年5月2日、スウェーデンで最初の特許（スウェーデン特許第17017号、「精密測定用ゲージブロックセット」）を取得しました。ヨハンソンは1917年3月16日、スウェーデン企業CEヨハンソンAB（通称CEJ）を設立しました。

ヨハンソンはアメリカで長年を過ごし、生涯で大西洋を22回横断しました。アメリカで最初のCEJゲージブロックセットは、1908年頃、キャデラック自動車会社のヘンリー・M・リーランドに販売されました。彼のゲージブロックセットの最初のアメリカでの製造工場は、1919年にニューヨーク州ダッチェス郡ポキプシーに設立されました。1920年から1921年にかけての第一次世界大戦後の不況と恐慌の経済環境は会社にとってあまり良い結果をもたらさなかったため、1923年に彼はフォードモーター会社のヘンリー・フォードに手紙を書き、会社を救うために協力を提案しました。ヘンリー・フォードは興味を持ち、1923年11月18日にミシガン州ディアボーンのヘンリー・フォードのもとで働き始めました。ハウンシェル（1984）は、アルシン（1948）および様々なアーカイブ一次資料を引用し、「ヘンリー・フォードは1923年にスウェーデン人C・E・ヨハンソンの有名なゲージ製造工場を買収し、すぐにディアボーンの研究所に移転した。1923年から1927年の間、ヨハンソン部門はフォードの工具室や、それを購入できるあらゆる製造業者に『ジョーブロック』を供給した。また、フォードの生産現場で使用されている『合否判定ゲージ』や『不合判定ゲージ』、その他の精密製造装置も製造していた。」と述べている。[ 10 ]

20世紀初頭、米国のインチは事実上次のように定義されていました。25.400 0508  mm（基準気温68  °F [20  °C ]）および英国インチ25.399 977  mm（基準温度62 °F [17 °C]）。[ 11 ]ヨハンソンが1912年にインチサイズのゲージブロックの製造を開始したとき、ヨハンソンの妥協案は公称サイズのゲージブロックを製造することだった。25.4 mm, with a reference temperature of 20 °C (68 °F), accurate to within a few parts per million of both official definitions. Because Johansson's blocks were so popular, his blocks became the de facto standard for manufacturers internationally,[11][12] with other manufacturers of gauge blocks following Johansson's definition by producing blocks designed to be equivalent to his.[13]

In 1930, the British Standards Institution adopted an inch of exactly 25.4 mm. The American Standards Association followed suit in 1933. By 1935, industry in 16 countries had adopted the "industrial inch" as it came to be known,[14][15] effectively endorsing Johansson's pragmatic choice of conversion ratio.[11]

Co-branding of CEJ, Ford, and B&S logos.

In 1936, at the age of 72, Johansson felt it was time to retire and go back to Sweden. He was awarded the large gold medal of the Royal Swedish Academy of Engineering Sciences in 1943, shortly after his death.

In 1948 Brown & Sharpe bought the rights to the C. E. Johansson brand from Ford Motor Co.,[16] and blocks co-branded with the C. E. Johansson and Brown & Sharpe logos were made. Blocks co-branded with the C. E. Johansson and Ford logos are also sometimes still seen in use today.

Gauge pins

Similar to gauge blocks, these are precision-ground cylindrical bars, for use as plug gauges to measure hole diameters, or as parts of go/no go gauges or similar applications.

Gauge rollers and balls

These are supplied as sets of individual rollers or balls as used in roller or ball bearings or tool and die making applications. Calibration balls can be used to calibrate contact angle goniometers, CNC machines and similar equipment.

See also

  • Optical flat – Extremely flat piece of optical-grade glass
  • Cold welding – Welding process in which joining occurs without melting or heating the interface
  • Optical contact bonding – Process whereby two closely conformal surfaces are held together by intermolecular forces

Notes

  1. ^In at least one experiment this theory didn't hold.[6]
  1. ^ abDoiron & Beers 2009, pp. 1–4
  2. ^Doiron & Beers 2009, p. 12
  3. ^ドワロン＆ビアーズ 2009、4ページ
  4. ^ a b c d e f g h Friedel, Dave, Wringability and Gage Blocks、2011年6月5日のオリジナルからアーカイブ、2010年12月22日閲覧。
  5. ^ a bドワロン＆ビアーズ 2009、138～139ページ
  6. ^ 「ゲージブロックは真空中で固まるのか？」 YouTube 2017年2月15日。2021年12月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ Breki, A.; Nosonovsky, M. (2023). 「ヨハンソンゲージブロックの摩擦と接着」. Surface Innovations . 11 ( 1–2 ): 18–22 . doi : 10.1680/jsuin.22.01083 .
  8. ^ヒュー・ジャック：Engineer On a Disk、グランドバレー州立大学、2001年
  9. ^アルシン 1948 .
  10. ^ハウンシェル 1984年、286ページ。
  11. ^ a b c「ゲージブロックの歴史」（PDF） . mitutoyo.com . ミツトヨ株式会社. 2013. p. 8. 2020年2月1日閲覧。
  12. ^ Gaillard, John (1943年10月). Industrial Standardization and Commercial Standards Monthly . p. 293. 2020年2月1日閲覧。
  13. ^ Cochrane, Rexmond C. (1966).進歩のための尺度. NIST特別出版, 第275号. 米国政府印刷局. p. 200. LCCN 65-62472 . 
  14. ^全米度量衡会議、米国商務省標準局、国立標準技術研究所（米国）（1936年）。「全米度量衡会議報告書」、米国商務省標準局、4ページ。 2012年8月2日閲覧。
  15. ^ワンドマッハー、コーネリアス、ジョンソン、アーノルド・アイヴァン (1995). 『工学におけるメートル法単位 - SIへの移行：国際計測単位システム（SI）を用いた標準的な工学問題の解決方法』 ASCE出版. p. 265. ISBN 978-0-7844-0070-8. 2012年8月2日閲覧。
  16. ^カーボーン、ジェラルド・M.（2017年3月21日）『ブラウン＆シャープとアメリカ産業の尺度：製造業を可能にした精密工作機械の製作、1833-2001』マクファーランド、ISBN 9781476629193。

参考文献

さらに読む

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