材料の面圧は、荷重の種類（静荷重・動荷重・衝撃荷重（衝撃度））によって変わり、一概に決めにくいですが、設計の初期段階でこれを適切に考慮することが、部品の性能や寿命を左右します。面圧の過剰設定や過小設定は、部品の信頼性や製造コストに直接的な影響を与えるため、設計者には慎重な判断が求められます。下記表（限界面圧及び許容面圧の目安）の数値を参考にすることで、設計プロセスにおいて適切な基準を確立しやすくなります。また、これらの基準値は、現場の製造条件や実際の使用環境も考慮しながら活用してください。
材料の限界面圧の情報を入手先
材料の限界面圧に関する情報を得るには、以下のような書籍や資料が参考になります：
1. 材料力学・機械設計の教科書
- 例:
- 『材料力学』(著者: 坂井道夫など)
- 『機械設計』(著者: 高橋誠など)
- これらの教科書では、材料の基礎的な性質や応力・ひずみの計算方法が説明されています。限界面圧についても記載されている場合があります。
2. トライボロジー（摩擦・潤滑・摩耗）の専門書
- 例:
- 『トライボロジー入門』(著者: 日本トライボロジー学会編)
- 『摩擦と潤滑』(著者: 高橋一)
- 摩擦や潤滑、表面圧力について詳細な記述があるため、面圧の限界やそれに影響を与える因子について学べます。
3. 材料データブック・ハンドブック
- 例:
- 『機械設計便覧』(著者: 日本機械学会編)
- 『材料データハンドブック』(著者: 吉村忠与志編)
- 材料の物性値や限界圧力、強度データなどが網羅されています。
データにない材料の扱い
材料の限界面圧データが見つからない場合、以下の手順で対応することをおすすめします：
1. 代替的な情報源を探す
- 類似材料のデータを参照する
同じ種類や用途の材料（例: 同じ金属系、樹脂系）で代替可能なデータを探します。材料の性質が近い場合、参考になることがあります。 - 標準的な推奨値を使用する
一般的な設計では、安全係数を多めに取った標準値を利用することが許容されます。トライボロジーや設計便覧にある一般的な値を参考にできます。
2. 試験・実験を実施する
- 摩擦・圧縮試験を行う
実際の限界面圧を測定するために、以下の試験機を使用してデータを取得します：- ユニバーサル試験機: 圧縮試験を行い、材料の限界面圧を特定。
- トライボロジーテスト装置: 摩擦と摩耗の特性を確認。
- 第三者機関に依頼
公的な試験機関（例: 日本材料試験所）や大学の研究室に試験を依頼することも可能です。
3. 数値解析・シミュレーションを利用する
- CAEソフトウェアを活用
CAEツール（例: ANSYS、Abaqus）で材料のシミュレーションを行い、想定される限界面圧を評価します。試験環境や荷重条件を仮想的に再現できます。 - 材料特性のモデリング
有限要素法（FEM）などを用いて、材料の応力集中や変形を解析します。
4. 設計で安全係数を大きく取る
- 経験則を使用
業界の設計経験に基づいた値を参考にしつつ、安全係数を大きめに設定して設計を進めます。- 例: 許容面圧 = 実験値や参考値 × 0.5 などの保守的な設定。
- 実運用の負荷を軽減
潤滑の改善や接触面積の拡大など、限界面圧を下回る設計を心掛けます。
5. メーカーや専門家に問い合わせる
- 材料メーカーに問い合わせ
使用している材料の製造元に連絡し、特性データや設計指針を提供してもらいます。 - 技術コンサルタントに依頼
トライボロジーや機械設計の専門家にアドバイスを求めることで、実務的な解決策が得られる場合があります。
6. 設計の見直し
- 使用する材料を変更する
データが見つからない材料を避け、十分なデータが存在する材料に変更することを検討します。 - 使用条件の緩和
荷重、温度、摩擦条件を調整し、限界面圧の影響を受けにくい設計に変更します。
※下記表では、データにない材料（例：SKH・SKD等）の限界面圧は推定値を用います。
許容面圧の基準
許容面圧の設定基準について
許容面圧とは、設計や使用条件において材料が安全に使用できるとされる最大の面圧を指します。この値は、材料の破壊や過剰な変形を防ぎ、長期的な耐久性を確保するために設定されます。
許容面圧は、一般的に材料の**限界面圧（材料が破壊に至る最大の面圧）**を基準として算出されます。その際、安全性を十分に考慮し、以下の理由から限界面圧の1/2程度の値とすることが推奨されています：
- 材料のばらつきへの対応
実際の材料特性にはばらつきが存在するため、設計値には十分な安全余裕を持たせる必要があります。 - 使用条件の変動
温度、摩耗、潤滑状態の変化など、使用環境が設計段階の想定を超える可能性があるため、余裕を持たせることが重要です。 - 疲労や経年劣化への配慮
長期間の使用により、材料は疲労や経年劣化の影響を受けます。限界面圧の1/2とすることで、これらの影響を軽減し、信頼性を向上させます。 - 設計の標準化
設計基準として、限界面圧の1/2というシンプルなルールを採用することで、計算や評価の効率を向上させるとともに、設計ミスを防ぐことができます。
これにより、許容面圧を「限界面圧 × 0.5」と設定することが、実務上合理的であると広く認識されています。この基準を遵守することで、安全で信頼性の高い設計を実現することができます。
衝撃荷重の場合
衝撃荷重がかかる場合、限界面圧の1/4を許容面圧とします。これは、衝撃による瞬間的な高い応力を考慮した値です。
衝撃荷重を考慮した許容面圧の設定基準
許容面圧とは、材料が安全に使用できる最大の面圧を指し、設計や使用条件に基づいて設定されます。特に、衝撃荷重がかかる場合には、許容面圧をさらに低く設定することが推奨されます。その基準として、限界面圧の1/4を採用する理由は以下の通りです：
- 衝撃荷重による瞬間的な応力集中
衝撃荷重は短時間で非常に大きな力を材料に加えるため、通常の静荷重に比べて応力が急激に集中しやすくなります。このため、安全性を確保するためには、許容面圧を限界面圧の1/4程度まで引き下げる必要があります。 - 材料の動的特性への影響
衝撃荷重下では、材料の動的特性（粘弾性、変形速度依存性）が顕著に現れ、材料強度が静荷重の場合よりも低下することがあります。この影響を考慮して、設計余裕をさらに大きく取ります。 - 疲労や亀裂の進展を防止
衝撃荷重が繰り返し発生する場合、疲労や微小な亀裂の進展を引き起こす可能性があります。許容面圧を低く設定することで、これらのリスクを軽減します。 - 安全基準の確立
設計ミスや予測外の条件（温度変化、摩耗の進行など）が発生した場合でも安全を確保するため、限界面圧の1/4という厳しい基準を採用します。 - 実務における設計の信頼性向上
衝撃荷重がかかる状況は、特に機械部品や構造物の信頼性が問われる場面です。限界面圧の1/4という保守的な設計基準を用いることで、製品の寿命や安全性を高めることができます。
これらの理由から、衝撃荷重を考慮する場合には、限界面圧の1/4を許容面圧とすることが広く認識されています。この基準は、設計段階での安全性と信頼性を確保するうえで、極めて重要です。
表面処理による面圧の変化
表面処理を施すと限界面圧は上昇します。アップ率は以下の通りです：
- ガス窒化：アップ率1.5倍
- 浸炭焼入：アップ率1.35倍
- 高周波焼入：アップ率1.2倍
表面処理による限界面圧の向上について
表面処理は、材料の表面特性を改善し、耐久性や強度を向上させるための重要な技術です。特に、摩耗や接触応力が生じる部品では、表面処理を施すことで限界面圧（材料が耐えられる最大の接触面圧）が大幅に向上します。
以下に、主要な表面処理方法とその限界面圧のアップ率を示します：
- ガス窒化処理
- アップ率: 限界面圧が1.5倍
- ガス窒化処理は、窒素を材料の表面に浸透させて硬化層を形成します。これにより、表面硬度が大幅に向上し、接触面圧に対する耐性が強化されます。
- 浸炭焼入処理
- アップ率: 限界面圧が1.35倍
- 浸炭焼入は、表面に炭素を浸透させてから焼入れを行う処理で、表面硬度と耐摩耗性が高まります。内部の靭性も維持されるため、衝撃荷重にも適した特性を持ちます。
- 高周波焼入処理
- アップ率: 限界面圧が1.2倍
- 高周波焼入は、表面を高周波誘導加熱し、急冷することで硬化層を形成します。この方法は、硬化深さを調整できるため、特定の用途に適応しやすい特徴があります。
表面処理の効果のまとめ
表面処理を施すことで、以下の効果が期待されます：
- 限界面圧の向上
表面が硬化し、応力分布が改善されるため、耐久性が向上します。 - 耐摩耗性の向上
高硬度化により、摩擦や接触による摩耗を防ぎます。 - 寿命の延長
表面処理を行うことで、長期的な使用環境においても高い信頼性を確保できます。
これらの特性を活用することで、機械部品や構造物の設計において安全性や性能を向上させることが可能です。
静荷重に近い場合
荷重が面に均一にかかり、静荷重に近い場合は許容面圧の1.1～1.2倍程度まで使用できます。
静荷重下における許容面圧の設定基準
許容面圧は通常、設計において材料の限界面圧から安全係数を考慮して設定されます。しかし、荷重が以下の条件を満たす場合、許容面圧を1.1～1.2倍程度まで引き上げることが可能です：
- 荷重が均一に分布している場合
- 荷重が接触面全体に均等に分布していると、応力集中が起こりにくく、材料が本来の性能を発揮しやすくなります。
- 応力の偏りがないため、材料が過剰な局所的負荷にさらされるリスクが低下します。
- 静荷重に近い場合
- 静荷重（荷重が変動しない、もしくは緩やかに変化する状態）では、動的荷重や衝撃荷重と比べて、材料にかかる負荷が安定しています。
- このため、許容面圧に対して若干の余裕を見込むことが可能となり、限界面圧の1.1～1.2倍程度の範囲での設計が安全と判断されます。
- 疲労や動的影響が少ないこと
- 荷重が変動せず、振動や繰り返し応力が小さい場合、疲労や亀裂進展のリスクが抑えられるため、許容面圧を高めに設定できます。
適用例
この基準は、以下のような条件下で適用されることが一般的です：
- 大型の機械構造部品や静止した荷重を受ける部品
- 高剛性を持つ部品同士の接触面
- 長期的な荷重変動が予測されない用途
注意事項
- 荷重の均一分布や静荷重条件が満たされていることを十分に確認する必要があります。
- 設計においては、安全性を確保するために、環境条件や材料の特性も考慮して余裕を設定してください。
これらの条件を満たす場合、許容面圧を通常より高めに設定することで、より効率的で安全な設計が可能になります。
強く締付ける部分
強く締付ける部分の面圧は、静荷重とみなされるため、限界面圧程度まで使用可能です。 例：タイバー段部、ソケットボルト座面など。ただし、スクリュヘッドの締付面は締付面圧より射出面圧の方が高く、この場合は適用不可です。
強く締付ける部分の面圧とその適用範囲
強く締付ける部品では、面圧が静荷重とみなされるため、設計上、限界面圧程度まで使用可能とされています。これにより、材料が持つ最大性能を引き出すことが可能です。ただし、適用には条件や制限があります。
適用例
以下のような部品や箇所では、面圧を限界面圧程度まで許容できます：
- タイバー段部
- 機械の部品間を強く締結する役割を持ち、静荷重に近い状態で安定的に荷重を受けるため、限界面圧までの設計が可能です。
- ソケットボルト座面
- ボルト座面は締付力を均等に伝達し、応力集中を避けるよう設計されているため、限界面圧を活用できます。
注意点：適用が難しい場合
以下のような条件下では、この基準を適用することができません：
- スクリュヘッドの締付面
- スクリュヘッドでは、締付による面圧よりも、射出荷重によって発生する面圧の方が高くなることがあります。
- この場合、射出面圧が限界面圧を超えるリスクがあるため、設計において特別な注意が必要です。
設計の留意点
- 静荷重として扱う際も、材料のばらつきや経年劣化を考慮し、安全係数を十分に取ることが推奨されます。
- 動的荷重が加わる可能性がある場合は、許容面圧を見直し、慎重に評価してください。
以上の条件を適切に理解し、材料特性や設計要件に基づいた判断を行うことで、安全かつ効果的な締付設計が実現します。
参考基準
JIS B8240の圧力容器では、支圧応力は最小引張強さ×1/4×1.6としています。
JIS B8240における圧力容器の支圧応力の基準
圧力容器の設計において、支圧応力（材料が面接触で受ける応力）は、安全性を確保するための重要な設計要素です。JIS B8240では、この支圧応力に関して以下の基準を設けています：
支圧応力の計算式
- 支圧応力 = 最小引張強さ × 1/4 × 1.6
計算基準の理由
- 最小引張強さの採用
- 材料の最小引張強さは、その材料が耐えることのできる最大の引張力を示し、設計上の基準値として適切です。
- 1/4の係数
- 安全性を確保するために、最小引張強さの1/4に抑えることで、余裕を持った設計が可能になります。これにより、経年劣化や材料のばらつきへの対応が図られます。
- 1.6の補正係数
- 支圧応力は通常の引張応力とは異なり、接触面における局所的な応力分布に影響されます。1.6の係数を加えることで、支圧特有の条件を反映しています。
適用範囲
この基準は、JIS B8240で規定される圧力容器設計に適用され、以下の目的で用いられます：
- 接触部の応力集中を抑え、安全性を確保。
- 長期使用や過酷な環境条件下での信頼性向上。
留意事項
- この基準は、材料や設計条件に基づいて設定されていますが、特殊な使用環境では追加の検討が必要となる場合があります。
- 規格に準拠することで、設計や製造時のトラブルを防ぎ、法規制を満たした製品を提供することができます。
材料ごとの限界面圧と許容面圧
以下は、各種材料に対する限界面圧および許容面圧の参考値です：
| 被締付物の材料 | 記号 | 引張強さ (kgf/mm²) | 限界面圧 | 引張強さ (限界面圧) | 許容面圧 (kgf/mm²) | 衝撃面圧 (kgf/mm²) | 支圧応力 (kgf/mm²) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 低炭素鋼 | SS400 | 41 | 0.71 | 29 | 15 | 7 | 16 |
| 中炭素鋼 | S45C | 52 | 0.83 | 43 | 22 | 11 | 21 |
| 熱処理炭素鋼 | S45C HRC20 | 77 | 0.87 | 67 | 34 | 17 | 31 |
| 合金鋼 | SCM HRC28 | 93 | 0.85 | 79 | 40 | 20 | 37 |
| 高周波焼入 | S45C HRC50 | – | – | 48 | 24 | – | – |
| 浸炭焼入 | SCM HRC60 | – | – | 54 | 27 | – | – |
| ガス窒化 | SACM Hv1000 | – | – | 60 | 30 | – | – |
| 合金鋼 | ATM HRC30 | 97 | 0.85 | 82 | 41 | 21 | 39 |
| 熱間工具鋼 | SKD61 HRC49 | 170 | 0.80 | 136 | 68～80 | 34～45 | 68 |
| 高速度鋼 | SKH51 HRC62 | 200 | 0.80 | 160 | 80～100 | 40～52 | 80 |
| ステンレス | SUS304 | 53 | 0.49 | 26 | 13 | 7 | 21 |
| 析出硬化ステンレス | SUS630 HRC35 | 110 | 0.81 | 89 | 45 | 22 | 44 |
| ねずみ鋳鉄 | FC20 | 15 | 1.73 | 26 | 13 | 7 | – |
| 球状黒鉛鋳鉄 | FCD450 | 38 | 0.87 | 33 | 17 | 8 | – |
限界面圧および許容面圧は、設計および製造の際に非常に重要な要素です。適切な面圧を選定することで、部品の長期的な信頼性と耐久性を大幅に向上させることが可能です。また、これにより部品の故障リスクを低減し、メンテナンスコストの削減にもつながります。さらに、製造現場ではこれらの基準を忠実に遵守し、品質管理の精度を高めることで、最終製品の品質保証を確実に行うことができます。設計段階から製造段階まで一貫して基準値を共有することで、チーム全体の作業効率が向上し、全体的なコスト削減と製品の競争力向上に寄与します。
部品設計：素材寸法と最小仕上げ代の完全解説
部品設計において、素材寸法と最小仕上代を十分に考慮することは、コスト削減と効率的な製造プロセスを実現するために重要です。以下では、具体例を用いて圧延鋼材の最小仕上代について説明します。
例：下記寸法の四角い形状のものを設計する場合
- 寸法: 600×600 mm
- 材質: SS400
1. 強度計算からの必要厚さ
強度計算に基づき、必要な板厚は128mmとします。これにより、設計に必要な強度が確保されます。
2. 加工最小削り代
加工工程での最小削り代は7mmとします。これは、素材の不均一性や加工精度を考慮した値です。
3. 素材寸法
一般的に使用される素材寸法は130mmまたは140mmです。これにより、加工後の部品が必要な寸法と精度を満たすことができます。
4. 設計寸法
設計寸法は133mmとします。これは、素材寸法140mmから最小仕上代7mmを差し引いた値です。
設計寸法=素材寸法−最小仕上代設計寸法 = 素材寸法 – 最小仕上代設計寸法=素材寸法−最小仕上代 133mm=140mm−7mm133mm = 140mm – 7mm133mm=140mm−7mm
注意点
設計寸法を128mmおよび130mmにしないように注意が必要です。理由は以下の通りです：
- 設計寸法128mm: 素材寸法140mmから12mm削り取る必要があり、過剰な加工が必要となります。
- 設計寸法130mm: 素材寸法140mmから10mm削り取る必要があり、こちらも過剰な加工が必要です。
これらの加工では、材料の無駄が生じ、製造コストが増加するため、避けるべきです。特に、大量生産を行う場合、このコスト増加は製品の価格競争力に悪影響を与える可能性があります。
圧延鋼材の最小仕上代を適切に管理することは、製造コストの削減と製品品質の向上に直結します。適切な設計寸法を選定することで、過剰な加工を避け、効率的な製造プロセスを実現することが可能です。また、設計段階で製造現場の意見を反映させることで、さらなる改善が期待できます。
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