機械フレームは公差の連鎖であり、お客様の顧客が実際に気にするもの、つまり主軸がテーブルに対して直角か、レールが同一平面上にあるか、ボールねじが案内面と平行に動くかは、その連鎖の末端にあります。すべての輪が寄与しますが、その寄与は均等ではありません。
仕様が過剰なフレームの多くは、一度も解析されなかった公差の積み上げの結果です。設計者が不安を感じてすべてを厳しくし、ほとんど何も寄与しない輪の精度にまでお金を払ったのです。
溶接構造物における連鎖の輪
製缶で作る機械ベースの積み上げは、おおよそ次のようになります。
- 鋼板の平面度と板厚のばらつき: ミルから納入された状態のもの
- 切断精度: プラズマ、レーザー、のこ切断による輪郭の位置と直角度
- 仮組み: 溶接前の組立時のすき間、ずれ、直角度
- 溶接収縮とひずみ: 最も大きく、最も予測しにくい要因
- 応力除去による変形: 熱処理サイクル中と、その後の変位
- 加工の段取り: 部品をどのように支持し、芯出ししたか
- 加工精度: 機械そのものの位置決め誤差と幾何誤差
- 測定の不確かさ: 検査工程そのもの
- 組立: ボルト締結、シム調整、機械を据える基礎
構造上の重要な事実は、機械加工する形体については、輪1から5がたいてい輪7によって打ち消されることです。面を加工すれば、その位置はデータムに対してリセットされ、上流の製缶公差はその形体にとって無関係になります。加工代が残っていれば、の話です。
これが溶接構造物についての核心です: 加工しない形体の公差と加工する形体の公差は、別々の連鎖に属します。 両者を一つの解析に混ぜると意味のない結果になり、たいていは、どこからも参照されない鋼板のエッジに精度を指定した図面が生まれます。
最悪値、統計的手法、そしてどちらを使うか
最悪値(算術和)による積み上げは、すべての要因の極値を足し合わせます。6つの形体がそれぞれ±0.1 mmなら、最悪値は±0.6 mmです。確実に安全側ですが、すべての要因が同じ方向に極値をとる確率は非常に低いため、輪がおよそ3つを超える連鎖では大幅な過剰設計になります。
統計的(RSS)な積み上げは、二乗和の平方根をとります。同じ6つの形体で約±0.245 mmとなり、半分以下です。要因が互いに独立で、おおむね正規分布に従うことを前提としており、機械加工のばらつきには妥当ですが、強い方向性を持つ溶接ひずみには妥当ではありません。
機械フレームでの実務的な考え方:
- 最悪値は、短い連鎖、安全上重要なすき間、そして公差外れの部品が1つでもあると組立ができなくなるものに使います。
- 統計的手法は、実際の工程データがある、独立した機械加工のばらつきからなる長い連鎖に使います。
- 溶接ひずみには、どちらも機械的に当てはめない。 ひずみはゼロを中心とする確率変数ではなく、ある溶接順序はある構造を一貫した方向に引っ張ります。積み上げる公差ではなく、設計で取り除くべき偏りとして扱ってください。その打ち手は大型溶接構造物のひずみ対策にまとめています。
加工代の問題: 溶接構造物における本当の積み上げ
製缶して機械加工するフレームで最もよく問題になる積み上げは、実は幾何的なものではありません。加工するのに十分な材料が残っているかどうかです。
その連鎖は、板厚公差に、切断のばらつき、仮組みのずれ、溶接ひずみ、応力除去による変位を加えたもので、それを指定した加工代と比べます。面上のどこかでその合計が加工代を超えれば、刃物が材料のないところを切ることになり、部品はスクラップです。
加工代3 mmは中型フレームの一般的な標準値で、溶接順序が適切な溶接構造物なら十分です。しかし、片側から溶接され、拘束の弱い長い部材では十分ではありません。そうした部材では4〜5 mmの反りはごく普通に起こります。
明示的に行う価値があるのは次の作業です。個々の形状について予想されるひずみを見積もり、製缶公差を加え、加工代が余裕をもってそれをカバーしているかを確認します。見積もりが心もとない場合は、加工代を増やす(安価)か、溶接順序を見直す(さらに安価)かのどちらかです。
公差配分の上手な使い方
連鎖の末端に機能要求、たとえば3メートルにわたるレールの同一平面度0.05 mmがあるとき、問題はそれをどう配分するかです。
3つの原則があります。
感度が最も高いところに配分する。 すべての要因が結果に均等に影響するわけではありません。背の高いコラムの根元でのわずかな角度誤差は、上端で大きな変位を生みます。同じ誤差が上端にあっても、ほとんど何も起こりません。影響の大きい輪を特定してそこを厳しくし、残りは緩めます。
互いに関係づける必要のある形体は、同じ段取りで加工する。 1台の機械で1回の段取りで加工した2つのパッドは、その距離におけるその機械の精度で同一平面になります。同じ2つのパッドを別々の段取りで加工すれば、段取り間の誤差をすべて引き継ぎます。これは機械フレームで取りうる最も効果的な公差配分の判断であり、仕様の判断ではなく、形体の向きに関する設計上の判断です。
個別の平面度と位置ではなく、同一平面度を使う。 複数のパッドを同一平面のグループとして管理すれば、機械が必要とすることをそのまま表現でき、工場は自社の設備に合った方法でそれを達成する自由を得ます。各パッドの高さを個別に管理すると問題を過剰に拘束し、より高いコストでより悪い機能上の結果になります。管理方法の組み立ては溶接構造物の幾何公差とデータム設定で解説しています。
公差戦略としての調整
積み上げを閉じるもう一つの方法は、調整機構をあらかじめ設計に組み込むことです。
レール座面の下のシム、ジャッキボルト、偏心マウント、調整脚、グラウトを充填した基礎は、いずれも組立時に累積誤差を吸収します。据付時にシムで平らに調整されるフレームは、同じ精度で平らに加工する必要はありません。そして大型構造物では、シムは機械加工より圧倒的に安価です。
非常に大型の工作機械の多くが、製缶構造には控えめな公差を設定し、調整できない形体にだけ厳しい公差を付けているのはこのためです。ASME Y14.5の考え方に沿った機能解析の一般原則が当てはまります: 調整できないものは管理し、管理する必要のないものは調整する。
これはサービス作業と製造コストのトレードオフです。機械1台なら、たいてい調整が有利です。50台なら、1台あたり1時間の芯出し作業をなくす加工精度の方が、たいてい有利です。
実務の手順
- 連鎖の末端にある機能要求を、数値として書き出す。
- 要因を列挙し、加工の連鎖と製缶の連鎖を分ける。
- 各要因に対する結果の感度を見積もる。
- 加工代を、製缶の連鎖とは別に照合する。
- 上位2〜3の要因を厳しくし、それ以外はすべてISO 13920のクラスBなどの普通公差に任せる。
- 製造で管理する代わりに、組立で調整できるものは何かを検討する。
- 最終要求を、検査方法で実際に測定できるかを確認する。
手順7で引っかかる図面は驚くほど多くあります。4メートルにわたる同一平面度0.03 mmという要求は、連鎖の中の誰もそれを測定する手段を持っていなければ意味がありません。測定の不確かさが公差を飲み込んでしまうからです。検査の問題については大型溶接構造物の初品検査で解説しています。
見積に出す前に、フレームの図面の加工代と公差が現実的かを確認したい場合は、図面をお送りください。レビューは24営業時間以内にご返信します。