機械設計のはめあい：すきまばめ・中間ばめ・しまりばめ

すきまばめ、中間ばめ、しまりばめの公差域

はめあいとは、通常は穴と軸のように、互いに組み合わされる2つの形体間の寸法関係を定めるものです。指定された公差域に応じて、組立後に相対運動を許容したり、締め代によって部品を保持したり、部品同士を所定の位置に高精度で合わせたりします。

選定するはめあいは、組立荷重、相対運動、保持力、使用時の性能に直接影響します。はめあいが不適切な場合、過大なすきまや締め代、組立不良、部品の早期摩耗を招くおそれがあります。

JLCCNCでは、高精度なしまりばめが求められる軸受ハウジングから、適切なすきまが必要な位置決めピンまで、各種産業向けにはめあい仕様に基づくCNC加工部品を製造しています。

設計者がはめあい要件を正しく理解することで、相手部品の寸法を明確に指定し、その精度を安定して実現できる加工方法を選定できます。

機械設計で使用されるはめあいの種類

機械設計におけるはめあいは、穴と軸の公差域の相対的な位置関係に基づき、すきまばめ、しまりばめ、中間ばめの3種類に分類されます。

すきまばめ

すきまばめでは、どのような寸法の組合せでも、組み合わされる部品間に必ずすきまが生じます。最も厳しい条件となる最大軸径と最小穴径の組合せでも、接触面間にすきまが確保されます。このすきまにより、引っ掛かりを生じることなく、摺動、回転、直線移動などの相対運動が可能になります。

すきま量は一定ではありません。最も厳しい寸法条件で生じる最小すきまと、反対の寸法条件で生じる最大すきまの範囲内で変化します。滑り軸受や摺動ブッシュでは、熱膨張や潤滑条件も考慮し、使用時に必要な運転すきまを確保できるように、はめあいを設定します。

すきまばめには、粗い位置合わせで十分な箇所に用いる大きなすきまのものから、高精度な案内と円滑な相対運動が必要な箇所に用いる微小なすきまのものまであります。

しまりばめ

しまりばめは、圧入ばめとも呼ばれ、どのような寸法の組合せでも接触面に必ず締め代が生じます。軸が常に穴より大きいため、材料を弾性変形させて圧入するか、温度差を利用して組み立てる必要があります。

組立後は、締め代によって接触面に摩擦保持力が生じ、軸方向および回転方向の相対移動を抑えます。ハウジング穴に圧入されたブッシュは、この締結力によって使用時の荷重に対して位置を保持します。また、軸に圧入された歯車は、接触面の摩擦力を介してトルクを伝達します。

軸径が穴径を上回る量である締め代は、必要な組立荷重と接合部の保持力を左右します。締め代が小さすぎると荷重によって滑りが生じ、反対に大きすぎると、組立時に部品を損傷したり、接触面付近の材料が降伏応力を超えたりするおそれがあります。

中間ばめ

中間ばめは、すきまばめとしまりばめの中間に位置します。最大実体状態、すなわち最大軸径と最小穴径の組合せではわずかな締め代が生じ、最小実体状態、すなわち最小軸径と最大穴径の組合せではわずかなすきまが生じます。そのため、個々の組立品がすきまになるか締め代になるかは一律には決まりません。

この特性は意図的に利用され、恒久的なしまりばめを必要とせず、高精度な位置決めが求められる場合に適しています。治具の位置決めピン、ハウジングのダウエルピン、キーがトルクを伝達する軸とハブなどに使用され、手作業または軽い打込み・圧入で組み立てながら、高精度な位置決めを実現します。

公差によってはめあいが決まる仕組み

はめあいにおける穴基準方式と軸基準方式

はめあいは、単一の寸法値によって決まるものではありません。穴と軸の双方に設定された公差によって、組立状態の変動範囲が決まります。

基準寸法、許容限界寸法、公差域

形体の寸法は、基準寸法と許容限界寸法によって定義されます。最大許容寸法は許容される最大の寸法、最小許容寸法は許容される最小の寸法です。この2つの差が、その形体に許容される寸法公差となります。

穴と軸を組み合わせる場合、はめあいの状態は双方の公差域の位置関係によって決まります。軸の公差域全体が穴の公差域より下にある場合、すべての寸法の組合せですきまが生じます。軸の公差域全体が穴の公差域より上にある場合は、すべての組合せでしまりばめとなります。双方の公差域が重なる場合は中間ばめとなり、寸法の組合せによって、すきままたは締め代が生じます。

これらを計算することで、指定した公差から意図した組立状態が得られるかを設計段階で確認できます。

穴基準方式と軸基準方式

はめあいと寸法公差に関する国際規格ISO 286では、はめあいを指定するために、穴基準方式と軸基準方式という2つの方式が用いられます。

穴基準方式では、穴の下の寸法許容差をゼロとし、穴の最小許容寸法を基準寸法と一致させます。その上で、必要なはめあいが得られるように、軸の公差域の位置を選定します。標準工具や仕上げ工程によって穴寸法を一定に管理しやすく、軸径を変更して異なるはめあいを得やすいため、穴基準方式が広く採用されています。

軸基準方式では軸寸法を基準とし、必要なはめあいが得られるように穴寸法を調整します。研磨丸棒や規格精密軸など、標準径の軸を設計の基準とし、これに合わせてハウジングやハブの穴を加工する場合に用いられます。

相手部品間のすきまと締め代の求め方

すきまばめの場合：

最小すきま＝最小穴径－最大軸径

最大すきま＝最大穴径－最小軸径

しまりばめの場合：

最小締め代＝最小軸径－最大穴径

最大締め代＝最大軸径－最小穴径

これらの計算によって、はめあいに求められる機能上の範囲を明確にできます。設計者は、部品を実際に加工する前に、指定した公差が意図した組立状態を確実に実現できるかを検証できます。

適切なはめあいの選定方法

以下は代表的な選定例であり、あらゆる用途に共通する推奨値ではありません。最終的なはめあいは、荷重、運動、材料、温度、組立方法、および適用規格に基づいて選定してください。

運動および位置決めの要件

はめあいを選定する際は、まず接合部に相対運動を許容するのか、相対運動を防止するのか、それとも荷重を伝達せずに部品を高精度で位置決めするのかを明確にします。

荷重および組立条件

使用時の荷重の大きさと方向によって、適切な締め代やすきま量が決まります。軽荷重の位置決め用ダウエルピンに必要な締め代は、高荷重を受ける圧入ハブよりもはるかに小さくなります。必要な締め代は、荷重条件、接触形状、材料特性、摩擦係数、はめあい長さ、許容組立応力によって異なります。また、軸方向の保持とトルク伝達では接合部に求められる条件が異なるため、それぞれ個別に評価する必要があります。

組立方法によっても、実用可能な締め代の範囲が制限されます。例えば、50 kNの圧入力を必要とするはめあいには、油圧プレスと適切な治具が必要になる場合があります。一方、手作業で組み立てる場合は、部品や工具を損傷せずに作業できる範囲に締め代を抑える必要があります。

材料および使用環境

材料の組合せは、はめあい部の接触圧力、変形量、許容締め代に影響します。軟らかい材料は同じ締め代でも変形しやすいため、材料硬さだけで締め代を選ぶのではなく、材料の降伏強さと必要な保持力の両面から検討する必要があります。また、組み合わされる材料の線膨張係数が異なる場合、使用温度での実効すきまや締め代は、室温で組み立てたときの値から変化します。

アルミニウム製ハウジングに鋼製軸を組み合わせた場合、高温ではハウジング穴の膨張量が軸より大きくなるため、しまりばめの締め代は減少し、すきまばめのすきまは増加します。大きな温度変化のある環境で使用するはめあいは、組立温度と使用温度の両方で解析し、いずれの条件でも必要な機能を満たすことを確認する必要があります。

CNC加工部品では、指定公差が部品形状や加工方法に適合しているかを確認するため、製造前にはめあい要件を検討することが重要です。JLCCNCでは、お見積もり時にはめあい仕様を確認し、追加の仕上げ加工や検査が必要となる可能性のある要件をご案内できます。

図面におけるはめあいの指示方法

機械図面におけるH7およびg6のはめあい公差指示

はめあい記号と公差クラス

ISO 286では、基準寸法に文字と数字を組み合わせたコードを付して、はめあいを指示します。穴の場合は、大文字が基礎となる寸法許容差を、数字が公差等級を表します。軸の場合も同様ですが、小文字と数字を使用します。

例えば、直径30 mmの軸受取付部では、次のように指示します。

• 穴：30 H7 → H＝基準寸法に対する基礎となる寸法許容差がゼロ（穴基準）、7＝IT7公差等級
• 軸：30 k6 → k＝わずかにプラス側に位置する基礎となる寸法許容差、6＝IT6公差等級

H7/k6の組合せは中間ばめになります。基準寸法が30 mmの場合、代表的な許容限界寸法は、H7穴が30.000～30.021 mm、k6軸が30.002～30.015 mmです。この組合せでは、最大すきまが0.019 mm、最大締め代が0.015 mmとなるため、実際の組立状態はすきままたは締め代のいずれにもなり得ます。

ASME B4.1では、RC、LC、LT、LN、FNなどの異なるはめあいクラスを用いて、所定の寸法範囲におけるすきま、中間、しまりの関係を定義しています。

穴と軸の公差記号の読み方

図面にØ25H7と記載されている場合、基準寸法25 mm、基礎となる寸法許容差H、公差等級IT7の穴を意味します。公差表によると、呼び径25 mmのIT7は21 µmで、Hの下の寸法許容差は0です。したがって、穴の許容限界寸法は25.000～25.021 mmとなります。

相手側の軸がØ25g6の場合、gの上の寸法許容差は基準寸法に対して－7 µm、公差等級IT6の公差幅は13 µmです。したがって、軸の許容限界寸法は24.980～24.993 mmとなります。

最大すきま＝25.021－24.980＝0.041 mm、最小すきま＝25.000－24.993＝0.007 mmです。これは、高精度な主軸や摺動機構に適した小さなすきまを持つすきまばめです。

この計算から、はめあい記号を、実際に許容される穴と軸の寸法範囲へ換算できます。

CNC加工部品の図面に記載すべき事項

CNC加工部品の図面では、基準寸法とはめあい記号（H7/g6）、各部品の許容限界寸法（穴：25.000～25.021 mm、軸：24.980～24.993 mm）、およびはめあい面に必要な表面粗さを明記すると、製造および検査の双方にとって分かりやすくなります。

はめあい記号と併せて許容限界寸法を記載すれば、解釈の曖昧さを減らせます。加工担当者はISO公差表を参照せずに適合性を確認でき、検査担当者も、直径25 mmにおけるH7の値を都度調べることなく、図面に記載された限界寸法に基づいて直接測定できます。

はめあいを考慮したCNC加工のポイント

高精度なはめあいに対応するCNC加工の工程能力

CNC加工部品では、指定されたはめあいを、実現可能な形体公差と適切な仕上げ工程に落とし込む必要があります。要求されるはめあいが厳しくなるほど、工程能力、温度管理、検査の重要性が高まります。

はめあい要件に応じた加工方法の選定

CNC加工の各工程には、それぞれ達成しやすい精度範囲があります。要求されるはめあいに適した工程を選ぶことで、不要なコストを抑えられます。

一般的なCNC旋削や中ぐり加工でも、多くの標準的なはめあいに必要な寸法精度を実現できます。ただし、実際の工程能力は、工作機械、材料、形体の形状、加工条件、検査方法によって異なります。より厳しいIT6～IT7のはめあいでは、形体や要求公差に応じて、リーマ仕上げ、仕上げ中ぐり、研削などの追加工程が必要になる場合があります。

IT5以下の非常に厳しい公差では、精密研削、ホーニング、その他の専用仕上げ工程など、管理された加工方法が必要になることが一般的です。適切な工程は、形体の形状、材料、公差、表面粗さ、生産数量に応じて選定します。

機能上必要な精度だけを指定することで、過剰な加工費や検査費を抑えられます。

厳密なはめあい指定に伴うことが多い表面性状の要件については、真直度のGD&Tガイドおよび平面度のGD&Tガイドをご参照ください。どちらの記事でも、精密部品図面において寸法によるはめあい指定と併用される幾何公差について解説しています。

製造性を考慮したはめあい部の設計

はめあいが意図したとおりに機能しない原因には、指定自体の誤りだけでなく、指定公差を実現しにくい部品形状も挙げられます。

はめあい長さが直径に対して長いしまりばめでは、圧入時により正確な芯合わせが必要となり、挿入端で大きなピーク応力が発生します。圧入穴の入口に面取りを設けることで、応力集中を低減し、部品を正しい位置へ案内できます。

しまりばめに使用する薄肉ハウジングは、圧入力によって変形し、組立後の穴形状が変化することがあります。穴表面で材料が降伏しないように、締め代による応力を十分に受けられる肉厚を確保する必要があります。

止まり穴への圧入では、組立時に空気が閉じ込められ、着座を妨げる背圧が発生します。小さなベント溝を設けるか、軸に逃げ面を設けることで空気を排出でき、過大な圧入力を加えることなく完全に着座させられます。

コストを考慮した設計ガイドでは、CNC加工部品の公差指定に共通する、より広範なDFMの原則を解説しています。機能上必要な箇所だけにはめあい公差を厳しく設定することは、製造コストを直接管理するための重要な判断です。

加工したはめあい部の検査

量産時のはめあい検査では、確認する公差幅に適した測定方法を使用します。

IT8～IT9相当のはめあいでは、軸には外側マイクロメータ、穴にはシリンダゲージまたは内側マイクロメータを使用します。校正されたマイクロメータの測定不確かさを約±0.002 mmとした場合、0.025～0.05 mm程度の公差を確認する際の一つの目安となります。ただし、実際の適否は測定器の仕様、校正状態、測定環境に基づいて判断する必要があります。

IT6～IT7のはめあいでは、形体の大きさや検査要件に応じて、シリンダゲージ、空気マイクロメータ、その他の高精度測定システムを使用します。測定システムには、検証する公差に対して十分な分解能と小さな測定不確かさが必要です。限界ゲージを使用すれば、寸法値を読み取らずに合否を直接判定できます。穴用の通り側ゲージは穴に入り、止り側ゲージは入ってはなりません。軸用ゲージも同様に、通り側は軸を通過し、止り側は通過してはなりません。

極めて厳しい公差には、高精度ゲージ、校正された三次元測定機、真円度・円筒度測定機などの専用形状測定機が適しています。この精度領域では、温度管理と測定不確かさが特に重要になります。

CNCプロービングガイドでは、別工程で検査するのではなく、加工中にはめあい上重要な寸法を確認する機上計測について解説しています。部品が治具に固定され、補正が可能な段階で寸法不良を検出できます。

CNC加工部品におけるはめあいの適用例

軸受と軸の組立

転がり軸受の内輪と軸のしまりばめは、機械設計の中でも特に精密な指定が求められるはめあいの一つです。荷重を受けた内輪が軸上でクリープしないよう、軸径には十分な締め代が必要です。内輪が軸上で滑ると、軸表面にフレッティングコロージョンが生じ、早期損傷につながります。一方、締め代が過大になると軸受内部すきまが減少し、負荷容量や疲労寿命に悪影響を及ぼすおそれがあります。

軸受メーカーは、軸受系列や荷重条件に応じた推奨軸公差・ハウジング公差を提示しています。例えば6205深溝玉軸受でも、荷重に対して回転する軌道輪、荷重の大きさ、使用温度、取付条件などによって、適切な軸およびハウジングのはめあいは異なります。具体的な使用条件に対応した軸受メーカーの推奨値を確認してください。

軸受配置によってはH7のハウジング穴が一般的に用いられますが、適切なハウジング公差は、軌道輪にかかる荷重の状態、使用条件、熱膨張を吸収するために軸方向変位を許容する必要があるかどうかによって異なります。

位置決め形体と圧入部品

ダウエルピンは、相手部品、治具プレート、モーターマウント、分割ハウジングなどを、繰り返し組立・分解しても再現性よく位置決めするために用いられます。ピンと穴のはめあいには、正確に位置決めできるだけの密着性と、部品を損傷せずに取り外せる整備性の両方が求められます。

H7/n6は、この用途に用いられる代表的な位置決め中間ばめです。組み合わせた寸法によって、わずかな締め代またはすきまが生じ、高精度な位置決めが可能です。設計条件によっては、ピンを軽く圧入し、整備時には適切な引抜き方法で取り外します。

ハウジングに圧入するブッシュには、使用期間中の衝撃や振動を受けても恒久的に位置を保持できるよう、より大きな締め代を持つH7/s6や、高い保持力が必要な場合のH7/u6などが用いられます。ただし、締め代は、ブッシュが緩まない範囲で確保しながら、穴形状を変形させたり、ハウジングを損傷するほど過大な圧入力を必要としたりしないように設定する必要があります。

はめあい選定の基礎となる公差と許容差の関係については、公差と許容差のガイドをご参照ください。公差の累積解析により、各部品の製造ばらつきをすべて考慮した場合でも、意図した組立状態が得られるかを検証する方法を解説しています。

はめあいに関するよくあるご質問

はめあいについてのまとめ

はめあいは、互いに組み合わされる部品間の寸法関係を定め、組立方法や使用時の挙動を左右します。接合部に求められる運動、保持、位置決めの各要件に応じて、適切なはめあいを選定する必要があります。

機械設計で使用される主なはめあいは、すきまばめ、中間ばめ、しまりばめの3種類です。ISO 286およびASME B4.1／B4.2では、これらの関係を図面上で標準化して指示するための方式が定められており、製造部門と検査部門へ必要なはめあいを明確に伝えられます。

CNC加工部品のはめあいは、選定した加工方法で実現可能であり、適切な検査方法で確認できることが重要です。厳しいはめあい公差には、追加の仕上げ工程や高度な測定管理が必要になる場合があります。そのため、公差は必要以上に厳しくせず、実際の機能要件に基づいて設定してください。

JLCCNCでは、製造前に、はめあい要件と部品形状、指定公差との整合性を確認します。これにより、加工開始前にはめあいに関する製造上の問題を特定しやすくなります。

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