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機械設計講座:機械設計者のための覚え書き
続・機械設計講座
0. 概要
       
下記記事はDRAFTです。随時加筆訂正していきます。
当ホームページの機械設計関連のコンテンツがあちこちに、色々な内容で散在していてわかりにくいので、系統立ててまとめていこうと思っています。
概略、下記の項目に沿って記事を更正していく予定です。ただし、記事の追加は不定期にランダムになると思います。また項目も随時追加等も有るかと思いますがご容赦を。
質問・アドバイス等があれば連絡願います。
皆さんの参考になるように記事を充実させていきたいと思っています。


大まかに下記項目があります。

■1.0:設計の基礎
■2.0:材料力学の基礎
■3.0:機械力学の基礎
■4.0:水力学の基礎
■5.0:熱力学の基礎
■6.0:加工の基礎
■7.0:機械要素の基礎
■8.0:材料の基礎

1.0:設計の基礎

    1.1:機械の設計とは何をすること?

      1.1-1:そもそも機械とは何?

      機械、器具(機械を設計するということ)

        「機械とは、抵抗力のある物体の組み合わせであって、その各部はある限定された相対運動を行い、これによって自然のエネルギーを我々の欲する仕事に変ずるもの」

        すなわち、

        「機械は機械要素・構造物を組み合わせて、各部の間に相対運動を行わせ、その運動によって我々の望む仕事をさせるもの」

      1.1-2:設計とは?

        設計とは「欲する仕事」を明確にし、それを実現する為の要素、構造物の組み合わせを決定する事。

        「機械を設計するときはその機械に要求される『仕事の本質』を見極めてから設計せよ」

      1.1-3:ファンクショナル・アプローチ(VE手法)

        「機械を設計するときはその機械に要求される『仕事の本質』を見極めてから設計せよ」

        そもそも「何を?」「何するもの?」「それは何のため?」

      1.1-4:設計に必要な要素

        Q.C.D:これら3つは最低限必要
          Q:品質
          C:コスト
          D:納期

        S.Q.C.D.S.E:更に言うと以下の6つが満たされるべき
          S:要求スペック
          Q:品質
          C:コスト
          D:納期
          S:安全性
          E:環境性
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    1.2:設計の流れ

      1.2-1:設計のフェーズ分け

      SEのフェーズ表

        ■フェーズ0:要件定義・仕様の整理
          要件定義とは?・・・その機械に必要とされる種々の要求項目をまとめること

          仕様をまとめる手順は?・・・漏れが無いようひな形に沿ってチェック

          仕様書にも2種類ある・・・”受注時の仕様書”と”設計の仕様書”

          仕様書に必要な項目


        ■フェーズ1:全体構想設計
          ワークフロー図の検討

          「赤ペンキのルール」

          概略の全体構造、ユニットへの分割及びレイアウトを検討し て決め、仕様の矛盾点を洗い出す

          概略のポンチ絵を書いてデザインレビュー

        ■フェーズ2:ユニット設計(構想設計)
          イメージをポンチ絵等で書いて検討し、ユニットの内部構造 とその寸法を明確にする

          仕様書と照らし合わせて矛盾が無いかデザインレビュー

        ■フェーズ3:作図
          構想設計を元に計画図(設計図)、部品図、検図と進める

          抜け漏れが無いか、製作上の無理が無いかデザインレビュー

          フロントローディング
            早い段階で製造ラインでの作りやすさを考慮したり、試作するまえにCAD/CAEでシミュレーションしたりして設計品質を早期に向上させる。


        ■フェーズ4:試作・レビュー
          仕様書通りに機能し、稼働する事を検証し、承認を得る

        ■フェーズ5:本番移行・量産
          稼働時の不具合などを見つけ、原因の究明と対策を立案実行 する

          図面の整理、問題となった点の文書化をし、今後の設計指針に反映させる

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    1.3:設計/製図の注意点

      1.3-1:三角法と一角法

        ■第一角法
        平面図は、正面図の真下に、下面図は、正面図の真上に、又、品物を左から見た側面図は、正面図の右側に、右から見た側面図は、正面図の左側に描かれるので、対照する時に不便で、慣れも有りますが、見ずらく、理解が難しいので、誤読になり易い方法です。

        ■第三角法
        平面図は、正面図の真上に、下面図は、正面図の真下に、又、品物を左から見た側面図は、正面図の左側に、右から見た側面図は、正面図の右側に描かれるので、対照して、すぐに理解出来、便利です。その為、第三角法で描かれた図面は、見やすく、理解が容易で、誤読が少ないといわれています。

      1.3-2:図解力

        立体から平面を、平面から立体をイメージ

      1.3-3:図面に必要な情報

       ・図面表題欄には下記の情報が必要です

        ■投影法
          ・第一角法なのか第三画法なのかを図示
        ■縮尺 
          ・推奨尺度
            現尺:1:1
            縮尺:1:2、1:5、1:10、・・・
            倍尺:2:1、5:1、10:1、・・・
          実際問題として図面を書いていると、1:2では大きすぎ、1:5では小さすぎる等の問題があります。
          上記の尺度を原則として、止むを得ない場合は、
          縮尺:1:√2、1:2.5、1:2√2、1:3、1:4、・・・
          倍尺:√2:1、2.5:1、2√2:1、3:1、4:1、・・・

          等を適宜使用する事も可。
        ■材料記号
          ・JISに規定のあるものを使用する場合は、規格に従って記号を記入する。
          ・社内規格等がある場合は購入仕様書を作成するか、規格名を図中に示す事。
        ■表面処理
          ・熱処理、メッキ、塗装など必要な処理を記入する。
        ■質量  
        ■図名  
        ■図番  
        ■改訂番号
          ・意外と抜けて困るのがこの情報です。図面は色々な理由で設計変更が起きますが、その改訂がどの版なのかが分からないと、互換性があるのか、またその図面が最新なのかどうかが分からなくなります。
        ■設計者名
        ■数量  

       ・図中には下記の情報が必要です。

        ■仕上げ記号
        ■面取り、コーナーRの可否
          ・普通の加工者は角部などには糸面取りを施して納入しますが、指示は必要です。
          ・また、段差などの隅部には工具先端R分のコーナーRがどうしても付きます。その程度を指示しておかないと、相手部品との勘合で不具合を起こす事があります
          ・一般的には「指示無き角部はC0.1〜0.2、隅部はR0.2 以下」などと指示します。
        ■バリ取りの要否
          ・プレス部品、ダイカスト品などでは角部などにはバリが残りますので、除去加工の指示は必要です。
          ・逆に、スナップフィットを利用するために穴のバリを残したい場合は「バリ除去不可」等の指示が必要です。
          ・特にプレス部品では「バリ方向」とか「プレス抜きダレ面側」の指示が必要です。
        ■外観面の指示
          ・傷が有ってはならない部分、塗装範囲などを図示が必要です。
          ・型物成型品では、材料の引け、鬆、フローマーク、押しピン痕などが有っては困る部分等の指示をします。
        ■板金材料の目方向の指示
          ・板金部品の図面では材料の目方向(ロール目とも言う)の指示が必要です。
          ・板金に曲げが有る部品は、曲げた稜線に直角になるように目方向をとる様にします(稜線と平行にとると、曲げ部に割れが発生したりします)
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    1.4:寸法公差

      1.4-1:一般公差・普通許容差

        図面指示を簡単にすることを意図して、特に寸法公差の指示の無い寸法についての寸法公差がJISで規定されています。
        (有)長井技研さんのページに詳しい説明が有りますので参考にして下さい。

        その会社によってある程度使用する寸法公差が決まっているので、図面枠によく使う寸法公差表を印刷しておくのも良いでしょう。

      1.4-2:指示した寸法は望む通りか?

        寸法は2点間でしか測れない(反り、曲がり)
          ノギスやマイクロメーターで測れるのは2点間の距離だけ。
          反りや曲がりが有っても、公差内に入っていることになる。
          幾何公差などでの指示が必要な理由<。BR>
        いびつな形状は何処が代表寸法か
          外形が波打っている様な形状では測定ポイントや、測定治具の指定も必要。

        1カ所だけでは寸法は決まらない

        定幅図形:ルーローの三角形など
          ロータリーエンジンのローターなどは円ではないが、2点間の距離は一定の値を示す。
          真円や真四角などには形状公差での指定が必要。

      1.4-3:小数点第3位は必要か?

        ハメアイ公差などは小数点以下第三位まで規定されていますが、実際にそこまで精度は必要ではないはず。
        小数点以下第二位までで十分。
        厳しい数字はコストアップに繋がります。

      1.4-4:累積公差

        寸法公差の有る部品を集積した場合、単純にその寸法公差の和にはならない。

        寸法公差が同じ部品をn個積み重ねた場合の累積公差は、
          累積公差 = 寸法公差×√n 
         になる。
        (n<=3 の時には十分な精度)

        各部品の公差 Wi の二乗和平方根 √(Wi2) のことを SRSS(Wi)とすると、
          累積公差 W = k × SRSS(Wi) 

         になる。
              ここで、k = 2ΣWi / { Wimax + ΣWi }
              W−−−−−−集積部の公差
              Wi−−−−−−各部品の公差
              Wimax−−−−各部品の公差の内最大のもの

        累積公差

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    1.5:はめあいの基礎

      1.5-1:軸基準式と穴基準式

        はめあい方式は、JIS(B0401)「寸法公差及びはめあい」に規定されており、

        穴基準はめあい方式は、種々の公差域クラスの軸と、一つの公差域クラスの穴を組合せる事によって、必要な隙間、又は、しめしろを与えるはめあい方式をいい、穴の下の寸法許容差が零であるはめあい方式です。

        軸基準はめあい方式は、種々の公差域クラスの穴と、一つの公差域クラスの軸を組合せる事によって、必要な隙間、又は、しめしろを与えるはめあい方式をいい、軸の上の寸法許容差が零であるはめあい方式です。

        一般に、はめあいの基準は、軸の加工が穴の加工に比べ精度が出し易いので、
        穴基準はめあい方式が多く採用されています。

      1.5-2:簡略的なはめあい選定法

        部品を相対的に動かせる滑合  H7/g6 または H6/g5
        部品が相対的に動かない  H7/h6 または H6/g5
        打込    H7/k6 または H6/k5
        軽圧入   H7/m6 または H6/m5
        圧入  H7/p6 または H6/p5

      1.5-3:基準面

        ・機能的な基準
        ・加工上の基準
        ・計測するための基準

      1.5-4:表面粗さ

        ・種類

          最大高さ:Ry(Rmax)
            最大高さ(Ry)は、粗さ曲線からその平均線の方向に、基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と各底線との間隔を、粗さ曲線の縦倍率の方向に測定し、この値をマイクロメ−トル(μm)で表したものをいいます。但し、測定時に傷と見なされる並はずれて高い山や谷は、除外します。

          10点平均粗さ:Rz
            十点平均粗さ(Rz)は、粗さ曲線からその平均線の方向に、基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から、縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から5番目までの、山頂の標高(Yp)の絶対値の平均値と、最も低い谷底から5番目までの、谷底の標高(Yv)の絶対値の平均線との和を求め、この値をマイクロメ−トル(μm)で表したものをいいます。

          算術平均粗さ(中心線平均粗さ):Ra
            表面粗さ(算術平均粗さ、最大高さ、十点平均粗さ)を指示する方法は、JIS(B0601)「表面粗さ−定義及び表示」に規定されています。算術平均粗さ(Ra)は、粗さ曲線から、その平均線の方向に、基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にX軸を取り、縦倍率の方向にY軸を取り、粗さ曲線を y=f(x) で表した時に、次の式によって求められる値をマイクロメ−トル(μm)で表したものをいいます。

        ・各粗さの相関関係

          ・概略、Raの4倍がRzの値になる。(あくまで目安)
          ・RmaxとRzはほぼ同じ値。

        ・表面粗さと寸法公差の関係

          粗い相関関係がある
           丸物(φ30程度)の0,+0.05程度の公差を考えると、Rmax=100S指示でも大丈夫。
          しかし、後々の加工で公差をキ−プするためには、粗加工のみで済ます訳にはいかず仕上げ加工が必要。
          結果として25Sや12.5Sの指示をしておくのが実際的。

          鋳物部品の表面粗さは、Ra50(Rmax=200S)程度の指定を入れておいた方がよい。

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    1.6幾何公差

      1.6-1:幾何公差の種類

        形状公差(真直度、平面度、真円度、円筒度、線の輪郭度、面の輪郭度)

        姿勢公差(平行度、直角度、傾斜度、線の輪郭度、面の輪郭度)

        位置公差(位置度、同心度、同軸度、対象度、線の輪郭度、面の輪郭度)

        振れ公差(円周振れ、全振れ)

      1.6-2:各幾何公差の大小関係

        形状公差<姿勢公差<位置公差(F<O<Lの相互関係)

      1.6-3:幾何公差指示の仕方

        軸線を指示した場合:

        母線を指示した場合:

      1.6-4:データム

        ・理論的に正確な幾何学的基準:当然、それなりの形状公差が必要

        ・形状公差にはデータムは無い

      1.6-5:共通データム

        ・軸線(中心線)はデータムに出来ない。但しテーパー軸除く。

      1.6-6:データムの優先順位

        ・公差記入枠の左から優先

      1.6-7:データムターゲット

        ・点または線
        ・円領域
        ・矩形領域

      1.6-8:公差域

        原則:形体に指示した幾何公差は、その中に形体が含まれる「公差域」を定義する
        1.円の内部領域(位置度、同心度、円周振れ(回転する円筒)
        2.二つの同心円に挟まれた領域(真円度、線の輪郭度
        3.円筒内部の領域(位置度、真直度、同軸度、全振れ(回転する円筒)
        4.同軸の円筒に挟まれた領域(円筒度、面の輪郭度
        5.球の内部の領域
        6.二つの等間隔の線に挟まれた領域(線の輪郭度
        7.二つの等間隔の面に挟まれた領域(平面度、平行度、直角度、対称度、面の輪郭度

      1.6-9:共通領域(CZ記号)


      1.6-10:幾何公差と寸法公差独立の原則

        特に指示が無い場合、幾何公差と寸法公差は関係ないものとして扱う(「JIS B 0024」

        『個々に公差の指示がない形体に対する幾何公差』(普通公差-第2部 JISB0419)

        1.6-11:同軸度と円周振れ・全振れの違い


        1.6-12:包絡の条件

          寸法公差に丸囲みのE記号を付加して示す 単独形体、つまり円筒面または平行2平面によって決められる1つの形体(サイズ形体)に対して適用する。
          この条件は、形体がその最大実体寸法における完全状態の包絡面を超えてはならない

        1.6-13:最大実体公差(ボーナス公差)

          丸囲みのM指示
          寸法公差の範囲内で幾何公差に余裕を与える事が出来る。

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    1.7:表面処理

    1.8:溶接記号

      溶接記号の意味
      矢の方向

    1.9:その他

      ・図中の仮名文字はひらがなを原則とし、カタカナの使用も認める
      ・不必要な細部の繰り返しは避ける
      ・リブの長手方向の断面指示はしない
      ・ピン、ボルト、ナット、軸等の断面指示はしない
      ・両側に同じ加工が有る場合は、片側の加工数のみ記入し、反対面同様等の指示

      ・多数寸法の指示
      ・多数、他種類穴の図示
      ・各共通穴に記号(a,b,c等)を付与

      ・誤読を避け、加工しやすさを考えた寸法記入
      ・工程をまとめる

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2.0:材料力学の基礎

    2.1:荷重の方向と種類

      作用の方向による荷重の種類には、引張り荷重、圧縮荷重、せん断荷重、曲げ荷重、ねじり荷重がある。

    2.2:荷重のかかり方と種類

      荷重のかかり方による荷重は、静荷重と動荷重に分類される。

      静荷重とは、材料に加えられる荷重の大きさや向きが一定で、時間的に不変な荷重の事をいいます。

      動荷重とは、物体(材料)に加えられる荷重が時間と共に大きさや向きが変わる荷重の事をいいます。

      動荷重は更に
       a:片振れ荷重:(荷重が一方向かつ周期的に変化する荷重)
       b:両振れ荷重(または交番荷重):(荷重が両方向かつ周期的に変化する荷重)
       c:衝撃荷重:(荷重が衝撃をもって加わる荷重)

      衝撃荷重とは、物体(材料)に加えられる荷重が時間と共に大きさや向きが変わる荷重の事をいいます。

    2.3:応力の種類

    引っ張り、圧縮、剪断の応力について

      引っ張り・圧縮応力--縦弾性係数 E
      曲げ応力--横弾性係数 G 、断面二次モーメント I 、断面係数 Z
      剪断応力
      ねじり応力--断面二次極モーメント Ip

    2.4:歪み

      弾性限度
      比例限度
      ヤング率: E 、 G
      塑性(永久歪み)
      歪みの分類
      単純歪み−垂直歪み−−引っ張り歪み/圧縮歪み
      複合歪み

    2.5:安全率

    2.6:応力集中

      応力集中係数

    2.7:断面二次モーメント I

      断面係数 Z

    2.8:断面二次極モーメント Ip

    2.9:応力集中

      応力集中係数

    2.a:剛性と強度

    剛性(変形しにくさ)と強度(壊れにくさ)は下記の関係にある。
    (同じ円形断面とした場合、その次元の関係を覚えておくことが大事)

      ・伸び剛性(伸びにくさ)は A・E に支配される
        すなわち径の2乗で効いてくる。強度も同じ。

      ・せん断剛性(せん断のしにくさ)は A・G に支配される
        同じく径の2乗で効いてくる。強度も同じ。

      ・ねじり剛性(ねじりにくさ)は G・Ip に支配される
        すなわち径の4乗で効いてくる。しかし、強度は径の3乗で効いてくる。

      ・曲げ剛性(曲げにくさ)は E・I に支配される
        すなわち径の4乗で効いてくる。しかし、強度は径の3乗で効いてくる。
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3.0:機械力学の基礎

    速度/角速度

    加速度/角加速度

    エネルギー

    仕事/ 仕事率/ワット
    解説記事

    モーター出力の簡易選定法
    解説記事

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4.0:水力学の基礎

    4.1:パスカルの原理

    「密閉容器中の流体は、その容器の形に関係なく、ある一点に受けた単位面積当りの圧力をそのままの強さで、流体の他のすべての部分に伝える。」

    例えば、受圧面積がそれぞれA1、A2である大小のシリンダーをパイプでつないだ場合、各部分の圧力pは一定なので、小シリンダーに加えた力F1は大シリンダーF2とつりあう。
    すなわち
      F1/A1 = F2/A2 = p
      または
      F2 = F1・A2 / A1

    4.2:連続の法則

    閉管路内を流れる非圧縮性流体は、管路のどの点をとっても流量は一定である。
    言い換えると、
      V1・A1 = V2・A2 = Q
      または
      V2 = V1・A1 / A2
    尚、V1、V2は各点での流速を、A1、A2は各点の管路の断面積を示し、Qは流量である。

    4.3:ベルヌーイの法則

    流体のエネルギー保存則と考えると理解しやすい。
    すなわち、速度エネルギー、圧力エネルギー、位置エネルギーの総和は常に一定である。
      水頭とは
      エネルギーを水柱の高さ(すなわち、ρ・g・h)のhで表したもの。

      圧力水頭
      圧力エネルギーを水頭で表したもの(すなわちh=p/(ρ・g)である)

      速度水頭
      速度エネルギーを水頭で表したもの(すなわちh=

      位置水頭
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5.0:熱力学の基礎

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6.0:加工の基礎

    6.1:加工の種類

      6.1-1:切削加工(研削加工含む)

        ・旋盤
          端面削り
          外径削り
          内径削り
          ねじ削り


          旋盤加工の注意点
            センター穴の可否
            長尺物の振れ止め
            同軸度の必要な物はつかみ直ししない
            捨てボス

        ・フライス盤(縦、横)
          平面削り キー溝 穴加工 タッピング 端面削り

        ・ボール盤
          穴開け リーマー通し ねじ立て 座ぐり 皿もみ 穴ぐり 中ぐり

        ・形削り盤
          スロッター

        ・縦削り盤

        ・ホブ盤


      6.1-2:塑性加工(成型加工含む)

        ・ローレット加工
          解説記事

        ・プレス
          曲げ
          絞り
          抜き
          半抜き

        ・タレットパンチ

        ・シャー

        ・鍛造

        ・鋳造

        ・ダイカスト


        ・樹脂成型


      6.1-3付加加工(溶接、カシメ含む)



      6.1-4その他


        ・放電加工

        ・ワイヤーカット

        ・レーザー加工

        ・光造形

        ・樹脂積層

    6.2:機械加工の図面指示で注意すべき事

      穴加工の精度は出しにくい
      深い穴は精度が出しにくい
      深い穴の直線度は出しにくい
      止まり穴のタップは折れやすい
      角加工はしにくい、丸形状は加工しやすい
      深い溝、縦溝は加工しにくい
      大物に細工はしにくい
      つかみ直しが必要、不要は場合による
      薄肉加工はしにくい

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7.0:機械要素の基礎

    7.1:ねじ

      締結用ねじ
      ・ねじ使用における注意点など

      ・ねじの「ゆるみ」を考える時、次の二つのケースが考えられる。
      1.ねじがゆるみ方向に回転して緩む「回転ゆるみ」
      2.ねじが回転しないでゆるむ「軸力低下ゆるみ」

      ・ねじの標準締め付けトルク(T系列

    7.2:動力伝導要素

      歯車

      角ねじ/ボールねじ

      ・ねじの推力、効率、トルク計算について

      ベルト/歯付きベルト

      チェーン

      カム

      リンク

    7.3:モーター

      ACモーター

      DCモーター <

      ステッピングモータ

      サーボモータ

    7.4;空圧機器

      エアーシリンダー

      バルブ
      解説記事
      空圧用補機類
      解説記事

    7.5:軸受け

    7.6:ガイド要素

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8.0:材料の基礎

    8.1:金属材料

      ・鋼材
      ・ステンレス材
      ・銅系材
      ・アルミ材

    8.2:非金属材料

      ・エンジニアリングプラスチックの種類
      ・ゴムの種類
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(November,20/2011:初出)
(November,24/2011:記事追加「仕様書に必要な項目」)

[参考文献]:  社刊「   」(    著)
copyright(c) 2011-  orbit limited.

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