工学および機械加工において、許容差とは、正確な寸法と公称寸法または理論寸法、あるいは中間段階の寸法と最終予定寸法との間の計画的な偏差を指します。統一的な抽象概念は、ある程度の差があれば、既知の補償または干渉要因を許容できるというものです。例えば、後続の機械加工を完了するために必要なため、余分な金属領域を残す場合があります。一般的なケースを以下に示します。許容差は理想からの計画的な偏差であり、許容差は予期されるものの計画外の偏差を許容するものです。
許容差とは、基本的に連携して動作する部品間の寸法差のことです。組み立てられた部品間の許容差は非常に重要です。例えば、車の車軸はベアリングで支えられなければ地面に落ちてしまいます。車軸とベアリングの間に隙間がないと摩擦が大きく、車を動かすのが難しくなります。隙間が大きすぎると、車軸がベアリング内で跳ね回ってしまいます。車軸がガタガタと揺れることなくスムーズに回転するためには、車軸とベアリング間の許容差を適切に設定することが重要です。
エンジニアリングおよび機械加工の許容値の例
- 将来の切断、研磨、熱処理工程後の寸法変化を予測するため、外寸（棒材の長さなど）は意図的に大きめに切断したり、内寸（穴の直径など）は意図的に小さめに切断したりすることがあります。例えば、
- ピンの外径は、その後のピンの熱処理により 0.0005 インチ (0.013 mm) 収縮することが分かっているため、0.0005 インチ (0.013 mm) 大きめに研磨されることがあります。
- 後続のリーミングで除去される材料を考慮して、穴は 0.012 インチ (0.30 mm) 小さく開けられる場合があります。
- 干渉嵌め（プレスフィット）を可能にするために、外側の寸法（鉄道車両の車軸の直径など）が意図的に大きめにカットされたり、内側の寸法（鉄道車両のホイールハブの直径など）が意図的に小さめにカットされたりする場合があります。
- 後工程で表面を機械加工する必要がある場合、部品を意図的に大きめに鋳造することがあります。これにより、鋳造工程で生じる粗さが除去され、滑らかな機械加工面が得られます。この加工代は例えば1mmですが、部品のサイズと鋳造工程の精度によって異なります。
- チェーンセグメントは、耐用年数（約20年）の終わりに腐食したチェーンが、最小破断強度を満たすために必要な最小直径よりも大きいサイズに設定されることがあります。これは腐食余裕と呼ばれ、酸化、侵食、摩耗、そして微生物の影響による腐食によって失われる鋼分子を考慮した値です。
工学概念の混乱手当そして許容範囲
エンジニアリングの文脈では、 「許容度」と「許容範囲」という用語が不正確に使用され、誤って混同されることがよくあります。これは、どちらの言葉も一般的に「許可」という抽象的な概念、つまり許容範囲の限界に関連するためです。しかし、エンジニアリングの世界では、以下で説明するように、それぞれ異なる意味が用いられます。
- 公差とは、公称寸法または理論寸法からの意図しない逸脱が許容される限界値です。したがって、上限公差と下限公差のペアは、実際の寸法が許容範囲内に収まる範囲を定義します。
対照的に、
- 許容差とは、公称寸法または理論寸法からの計画的な偏差です。言い換えれば、嵌合部品の最大材料条件間の意図的な差です。 [1]
例
公差の概念の一例として、機械のシャフトの直径が正確に10mmになるように設計されているケースが挙げられます。10mmは公称寸法です。機械を設計するエンジニアは、実際には最終的な直径を生み出す研削工程で、ある程度の小さいながらも避けられないランダム誤差が生じる可能性があることを認識しています。そのため、エンジニアは公差を±0.01mm（プラスマイナス0.01mm）と指定します。
研削盤のオペレーターが実際の直径が9.99mmから10.01mmの範囲にあるシャフトを製造できれば、そのシャフトは許容範囲です。工程においてどの程度の誤差が予測可能で、どの程度は容易に回避可能か、どの程度は避けられないか（あるいは回避は可能だがコストが高すぎて正当化できないか）、そしてどの程度が本当に許容範囲かを理解するには、相当の判断力、知性、そして経験が必要です。
許容差の概念の例は、このシャフトが挿入される穴との関係で示すことができます。このシャフトが、同じ公差を持つ10mmの穴に確実に挿入できるとは限らないことは明らかです。実際のシャフト径が9.99mmで実際の穴径が10.01mmであれば挿入できるかもしれませんが、逆に実際のシャフト径が10.01mmで実際の穴径が9.99mmの場合は挿入できません。
シャフトと穴の間に十分なクリアランスを確保するため、公差を考慮して、指定された寸法には意図的に余裕を持たせます。例えば、穴の直径が10.03 mmと指定され、製造公差は±0.01 mm（プラスマイナス0.01 mm）とします。これは、許容される最小の穴の直径は10.02 mm、許容される最大のシャフトの直径は10.01 mmとなり、0.01 mmの余裕が残ることを意味します。つまり、穴とシャフトの最小クリアランスは0.01 mmになります。これは、シャフトと穴の両方が最大の材料条件にある場合に発生します。
参考文献
- ^ オバーグ, エリック; フランクリン・D. ジョーンズ; ホートン, ホルブルック・L.; リフェル, ヘンリー・H. (2012). マコーリー, クリストファー・J. (編). 『機械ハンドブック』（第29版）. ニューヨーク: インダストリアル・プレス. p. 634. ISBN 978-1-61344-859-5. OCLC 802251511.
