圧入公差：しめしろ、公差表、設計ガイド

圧入とは、軸を組み合わせる穴より意図的に大きく設計した、しまりばめの組立方法です。プレスによる挿入力、または加熱・冷却による熱膨張差を利用して2つの部品を組み合わせ、接触面に生じる弾性変形によって接触圧力を発生させます。

選定したはめあい公差によって、組み合わされる部品間のしめしろの範囲が決まります。一方、実際に生じる接触圧力は、実しめしろ、材料特性、部品形状、使用条件などによって変化します。しめしろが不足すると荷重下で相対移動が生じる可能性があり、過大なしめしろは、圧入力の増加、局部応力、穴の永久変形、ハブの割れなどを引き起こすおそれがあります。

本記事では、圧入におけるしめしろの仕組みと計算方法、圧入公差表の読み方、さらにCNC加工で圧入寸法を安定して製作・検査するためのポイントを解説します。

圧入とは

圧入とは、軸などの外側形体を、それよりわずかに小さい穴などの内側形体へ挿入して組み立てる、しまりばめの一種です。

しめしろによって圧入が成立する仕組み

圧入におけるしめしろの発生原理

穴より大きい軸を押し込むと、軸とハブの両方に弾性変形が生じます。穴はわずかに拡張し、軸はわずかに圧縮されます。直径方向のしめしろは、軸とハブの弾性変形によって吸収され、その分担割合は各部品の材料、形状、剛性によって異なります。組立後も両部品には弾性変形が残り、接触面に半径方向の接触圧力が発生します。この接触圧力と摩擦係数によって、軸方向の抜け止め力と回転方向の保持力が得られます。

材料が弾性範囲内にある場合、一般にしめしろを大きくすると、接触圧力と摩擦による保持力も増加します。ただし、しめしろが過大になると、圧入力、円周方向応力、永久変形や割れのリスクも高まります。

しまりばめ・すきまばめ・中間ばめの違い

CNC加工におけるすきまばめの指定方法と管理方法については、すきまばめ公差の解説をご覧ください。

圧入のしめしろの計算方法

圧入のしめしろは、組み合わされる穴と軸の寸法限界に基づいて計算します。

しめしろは単一の値ではなく、両形体の寸法限界によって定まる範囲です。実際の組み合わせで生じるしめしろは、穴と軸の実寸が、それぞれの公差域内のどこに位置するかによって変わります。

直径方向のしめしろを求める基本式は次のとおりです。

しめしろ＝軸径－穴径

寸法限界を用いる場合は、次の式で求めます。

最小しめしろ＝軸の最小許容寸法－穴の最大許容寸法

最大しめしろ＝軸の最大許容寸法－穴の最小許容寸法

最小しめしろと最大しめしろ

圧入における最小しめしろと最大しめしろの比較

最小しめしろは、組立時に生じ得る最小の重なり量です。軸が許容範囲内で最も細く、穴が最も大きい組み合わせで発生します。これは接合強度の観点で最も厳しい条件となり、接触圧力と保持力が最小になります。

最大しめしろは、組立時に生じ得る最大の重なり量です。軸が許容範囲内で最も太く、穴が最も小さい組み合わせで発生します。これは組立性の観点で最も厳しい条件となり、必要な圧入力と部品に生じる応力が最大になります。

どちらの値も重要です。最小しめしろは必要な保持力を確保できる大きさとし、最大しめしろは、材料を塑性変形させたり、部品を損傷するほど大きな圧入力を必要としたりしない範囲に抑える必要があります。

圧入のしめしろ計算例

H7/p6を指定した基準寸法30 mmの圧入部について、次の寸法限界を例に計算します。

穴（30 H7）：30.000～30.021 mm、軸（30 p6）：30.022～30.035 mm

最小しめしろ＝30.022－30.021＝0.001 mm、最大しめしろ＝30.035－30.000＝0.035 mm

これは比較的軽いしまりばめであり、最悪条件における最小しめしろは非常に小さくなります。十分な保持力を得られるかどうかは、荷重、材料、形状、使用条件によって異なります。0.001 mmという最小しめしろは、多くの荷重条件では余裕が小さい可能性があります。同じ基準寸法30 mmで、より高い保持力が必要な場合、H7/s6を選択すると、軸の寸法範囲は30.035～30.048 mmになります。

最小しめしろ＝30.035－30.021＝0.014 mm、最大しめしろ＝30.048－30.000＝0.048 mm

同じ基準寸法では、s6はp6より大きなしめしろ範囲となります。より高い保持力が必要な用途で候補となりますが、採用前に材料応力、組立荷重、使用条件を必ず確認してください。

圧入公差表

圧入公差表の読み方

圧入公差表には、基準寸法の区分ごとに、指定したはめあい記号から得られる実際の寸法限界が示されています。主に、適用する基準寸法の範囲、穴の寸法許容差、軸の寸法許容差を確認します。これらの値から、最小しめしろと最大しめしろを直接計算できます。

p6やH7などの記号に含まれる公差等級の数字（6、7、8など）は、公差幅の等級を示します。一般に数字が小さいほど公差幅が狭くなり、最小しめしろと最大しめしろの差を抑えやすくなるため、組立結果のばらつきを小さくできます。

圧入で使用される代表的なISOはめあい

上記は、基準寸法φ25 mm、標準温度20 ℃におけるISO 286の公差域クラスに基づく値です。使用する規格の版と該当する基準寸法区分を必ず確認してください。

H7/p6の圧入公差表

基準寸法別のH7/p6しめしろ範囲

記載値は、公差の積み上げから求めたしめしろであり、すべての用途に共通する圧入力の仕様ではありません。はめあいを確定する前に、ハブの応力、穴周辺の肉厚、材料の状態、表面粗さ、表面処理を確認してください。

穴基準方式と軸基準方式

ISOのはめあいでは、一般に穴基準方式が多く使用されます。穴の公差域をH（下の寸法許容差が基準寸法と一致）に固定し、軸の公差域を変更して必要なすきままたはしめしろを得る方式です。H穴を標準的な基準公差域とすることで、軸側の公差域を選択し、すきまばめ、中間ばめ、しまりばめを設定できます。また、穴はドリル、リーマ、ボーリングなどの標準工具や加工工程に合わせて管理しやすいため、穴基準方式が広く採用されています。

軸基準方式は、軸の公差域を固定し、穴側の公差域を変更する方式です。標準研削軸、モーター軸、軸受に関連する寸法など、軸径を変更しにくいインターフェースで有効です。

圧入公差の選定方法

はめあい記号は、組み合わされる穴と軸の許容寸法関係を定めます。その結果として生じるしめしろが、組立後の接触圧力と接合状態を左右します。

圧入に適したしめしろは、すべての用途で共通ではありません。初期選定の目安として、H7/p6は比較的小さいしめしろ、H7/s6やH7/u6は段階的に大きなしめしろを与えます。ただし、最終的な値は、材料強度、ハブ形状、はめあい長さ、使用温度、摩擦係数、組立方法に照らして検証する必要があります。

初期選定では、必要な保持力と許容応力を満たす範囲で、できるだけ小さいしめしろの公差域クラスから検討します。その後、最悪条件のしめしろと組立方法を確認して、はめあいを確定してください。

必要な保持力と荷重

まず、圧入部が耐えるべき荷重を定量化します。軸方向の引抜き荷重、半径方向のせん断荷重、トルクでは、しまりばめ接合部への作用が異なります。軸方向の保持力は、接触面圧、摩擦係数、はめあい径、はめあい長さによって決まります。接触面圧が一様であると仮定した簡易モデルでは、F≈μpπdLと表せます。ここで、μは摩擦係数、pは接触面圧、dははめあい径、Lははめあい長さです。伝達可能なトルクも同じ要因に依存し、有効半径が大きいほど増加します。

軽荷重の位置決め部では、H7/p6のような小さいしめしろのはめあいが候補となりますが、材料、組立方法、必要保持力に基づく確認は必要です。歯車ハブ、カップリング、プーリーなどで大きなトルクを伝達する場合は、適切な安全率を考慮し、摩擦による伝達能力が作用トルクを上回る接触圧力を確保しなければなりません。

しめしろ、接触面圧、圧入力

しめしろを大きくすると接触面圧が高まり、接合部の保持力と組立に必要な圧入力の両方が増加します。厚肉円筒に関するラメの式を用いると、材料と形状に応じたしめしろと接触面圧の関係を求められます。重要な接合部では、一般的な経験則だけでしめしろを選ぶのではなく、ラメの式を用いた厚肉円筒モデルなど、適切な解析方法によって接触面圧と部品応力を検証してください。

はめあい径、表面状態、摩擦係数が同じ場合、圧入力は概ね接触面圧とはめあい長さに比例します。同じ径、しめしろ、表面状態、摩擦条件を仮定すると、はめあい長さを2倍にした場合、必要な圧入力も概ね2倍になります。

最大圧入力は、治具、プレス設備、部品が安全に耐えられる範囲内でなければなりません。特に、ぜい性の高い鋳鉄や硬化処理済み部品では、過大な圧入力によって穴周辺の応力が材料の許容値を超え、割れや永久変形を引き起こすおそれがあります。

材料と使用温度

材料の組み合わせは、必要なしめしろに主に2つの点で影響します。第一に、軟らかい材料では、高い接触圧力によって局部的な塑性変形や表面突起のつぶれが生じ、時間の経過とともに有効なしめしろや接触圧力が低下する可能性があります。アルミニウムや黄銅など比較的軟らかい材料をハブに使用する場合、しめしろを安易に増やすのではなく、許容接触圧力とハブ応力を確認してください。過大なしめしろは、局部降伏、穴の変形、組立時の割れにつながるおそれがあります。

第二に、軸とハブの線膨張係数が異なると、使用温度における実効しめしろが変化します。例えば、アルミニウムの線膨張係数は一般的な鋼のおよそ2倍であるため、鋼製軸とアルミニウム製ハウジングの組み合わせでは、温度上昇に伴ってしめしろが減少します。常温では十分なしめしろがあっても、高温時には荷重に対して不足する可能性があります。異種材料を組み合わせる場合は、想定される最高使用温度でも必要なしめしろが維持されることを確認してください。

組立方法と必要なはめあい強度

組立方法によって、実用的なしめしろの範囲は制約されます。常温での圧入には、十分な能力を持つプレス、剛性の高い治具、正確な芯合わせ、管理された挿入速度が必要です。しめしろが大きくなるほど、必要な圧入力と部品応力も増加します。大きなしめしろでは、組立前にハブを加熱する焼きばめや、軸を冷却する冷やしばめを用いることで、組立荷重を低減できます。はめあい記号だけで判断せず、計算した組立荷重、材料応力、使用可能な設備に基づいて最終しめしろを決定してください。

焼きばめは、組立前にハブを加熱して穴を一時的に拡張し、軸へ組み付けた後に冷却する方法です。冷やしばめでは軸を冷却して一時的に縮小します。いずれも組立時に一時的なすきまを確保できるため、常温圧入では過大な荷重や芯ずれのリスクが生じる大きなしめしろにも対応できます。用途と材料が適切であれば、H7/u6相当の大きなしめしろを持つはめあいにも利用できます。

JLCCNCでは、圧入部品の2D図面に記載されたはめあい指示と重要寸法を確認し、部品形状と製造要件が許容する範囲で、より厳しい加工公差への対応を検討できます。

CADファイルと2D図面をアップロードしてください。指定されたはめあい、公差、重要な嵌合寸法について、製造性の観点から確認いたします。

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圧入公差がCNC加工に与える影響

図面の拡大図：圧入の指示方法

嵌合部の寸法管理

圧入公差は、一般的なCNC加工において比較的厳しい寸法要求です。直径25 mmの形体では、IT6の公差幅は13 µm、IT7は21 µmとなり、寸法に影響する各加工条件の管理が重要になります。

軸や穴では、要求される公差等級に応じて仕上げ工程を選択します。IT7の寸法は、適切に管理されたCNC旋削、ボーリング、リーマ加工などで実現できる場合があります。より厳しいIT6では、材料、直径、形状、生産要件に応じて、精密ボーリング、ホーニング、研削などの追加仕上げが必要になることがあります。

シャフトの精密直径、軸受座、振れ、表面粗さの加工については、シャフト加工ガイドをご覧ください。

量産する圧入部品では、1点の測定値が公差内に入っているだけでは不十分です。工具摩耗、工作機械の温度、材料特性、ロット条件が変化しても、加工工程が許容しめしろ範囲の中央付近を安定して維持できることが重要です。例えば、加工開始時に30.010 mmだった穴径が、工具摩耗によって50個加工後に30.025 mmまで変化すると、ロット内のしめしろに大きなばらつきが生じます。組み合わせによって、最小しめしろに近いものと最大しめしろに近いものが混在する可能性があります。

CNC加工における公差管理の実務については、CNCプロービングガイドで、完成部品へ影響する前に寸法変化を検出する機上測定について解説しています。

表面粗さと表面処理

圧入する嵌合面の表面粗さは、組立挙動と実効しめしろの両方に影響します。粗い表面では突起が高く、圧入時に押しつぶされます。寸法上の重なりの一部が、部品全体の弾性変形ではなく表面突起の変形に費やされるため、実効しめしろは寸法から求めたしめしろより小さくなる場合があります。

多くの切削加工による圧入面では、Ra 0.8～1.6 µmが指定される例があります。ただし、適切な表面粗さは、しめしろ、材料の組み合わせ、潤滑、組立方法、機能要件によって異なります。表面突起の変形や組立再現性が特に重要な精密圧入では、Ra 0.4 µm程度のより滑らかな仕上げを検討する場合があります。

アルマイト処理、めっき、その他の表面処理は、嵌合部の仕上がり寸法を変化させることがあります。寸法変化は、被膜厚さ、処理の種類、工程条件、対象が内径か外径かによって異なります。アルマイト処理では、酸化皮膜の一部が母材側へ浸透し、残りが外側へ成長するため、被膜厚さと寸法増加量を同じ値として扱うことはできません。実務上の概算では、Type IIアルマイトはおよそ3分の2が母材側へ浸透し、3分の1が外側へ成長します。Type III硬質アルマイトでは、およそ半分が浸透し、半分が外側へ成長するとされます。

重要な圧入部では、図面上で、はめあい寸法が表面処理前と処理後のどちらに適用されるかを明確にしてください。加工代は、被膜厚さの全量を単純に差し引くのではなく、処理後に見込まれる仕上がり寸法に基づいて設定する必要があります。特に穴径の変化は両側の外向き成長分が影響するため、処理業者と事前に確認してください。

図面に圧入を指定する方法

圧入部の図面には、φ30 H7、φ30 s6のように、基準寸法とはめあい記号を記載します。製造や検査上の分かりやすさが向上する場合は、限界寸法も併記してください。また、必要に応じて適用するはめあい規格を明記します。

基準寸法30 mmの圧入指示例：

• 穴：φ30 H7（30.000／30.021）
• 軸：φ30 s6（30.035／30.048）

表面粗さは、一般公差の注記だけに任せず、対象となる嵌合面へ明確に指示します。圧入部が回転精度、芯合わせ、同軸性にも関係する場合は、真円度、円筒度、振れ、位置度などの幾何公差が必要になることがあります。選択する幾何公差は、嵌合部の実際の機能要件に一致させてください。

組立前の検査

CNC加工で製作した圧入部品

圧入後は嵌合面の寸法を直接測定できなくなるため、可能な限り組立前に寸法不適合を検出する必要があります。しめしろと部品設計によっては、加熱、冷却、管理された引抜き方法で分解できる場合もありますが、部品が損傷する可能性があります。

圧入部が組立性や機能安全に直接影響する重要形体である場合は、全数検査が適切なことがあります。安定した量産工程では、工程能力データ、管理計画、顧客要求、はめあいの重要度に基づいて抜取検査を適用できる場合があります。

組立前には、公差幅に対して十分な測定能力を持ち、校正されたシリンダゲージや外側マイクロメータを使用して穴径と軸径を確認します。穴用の限界プラグゲージでは、規定の測定条件下で通り側が形体を通過し、止り側は規定の許容範囲を超えて入らないことを確認します。軸用の限界リングゲージでは、通り側が軸を通過し、止り側は通過しないことを確認します。

圧入でよく発生する問題と対策

圧入公差に関するよくあるご質問

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圧入公差のまとめ

信頼性の高い圧入接合は、用途に適したしめしろ範囲を設定することから始まります。不要な相対移動を防ぐ十分な接触圧力を確保しながら、組立時や使用時に過大な応力が生じないように設計する必要があります。材料特性、使用温度、組立方法はいずれも、最終的な公差選定に影響します。

CNC加工で圧入部品を製作する場合、指定寸法が量産工程で実現可能かつ検証可能であることも重要です。特にしめしろ範囲が狭い場合は、重要な嵌合形体を図面上で明確に定義し、組立前に表面処理後の仕上がり状態で検査してください。

JLCCNCでは、CNC加工工程の一環として、圧入指示や重要寸法を確認できます。CADファイルと図面をアップロードして、DFMレビューとCNC加工のお見積もりをご依頼ください。