部品モデルを構想し終わったとき、次に図面作成に移ると思います。機械図面の書き方のルールは基本的に「JISにもとづく機械設計製図便覧」に記載されています。ですが、これまで何千枚、何万枚と図面を見ていると、どうやら抑えるべきポイントが抜けている人が多いように思います。そこで今回は一から学ぶと題して、初心者から中級者まで学べる製図のポイントを書いていこうと思います。

部品の３面図展開を軽く考えていませんか？

２次元はもちろん、３次元設計を行っていても図面は書くと思います。３次元でモデルを作って２次元の図面に落とし込むときはカチッ、カチッ、カチッとマウスを数回クリックするだけで３面図展開ができるようになりました。そして、すぐに寸法線が引ける状態になっている。実はココに大きな落とし穴があるのだと私は考えています。

その昔、ドラフターを使って手書きで図面を書いていた時代がありました。ドラフターを知らない人もいるかもしれませんが、要は縦横スライドする定規を使って手書きで図面を書いていた時代です。そのときは、一から線を引いて書いていきます。最初の１本目の線を引くときの緊張感を今でも思い出します。

図面を書くときに大事なことは、１本目の線に意味を持たせるということです。意味を持たせるとき必ず人はその理由について考えます。

 どの部品のどこの線なのか
 なぜこの場所なのか
 なぜこの正面図を選んだのか

そういったことをツールの進化によって考えなくても良くなってしまったという時代背景はあるとしても、この意識を忘れてしまってはいけないのだと感じています。

もし忘れてしまったのなら、３次元設計を一旦やめて、２次元設計に戻られることをおすすめします。

３面図の正面図って何？

３面図展開する重要性というのは、何となく感じてもらえたでしょうか。きちんと意味を持って配置させましょうねってことですね。では、３面図にはそれぞれどんな意味があるのかわかりますか？

 正面図
 側面図
 上面図

まぁ、その名の通りですが、正面図を選ぶときにあなたはどんな基準で正面図を決めているでしょうか？

・３次元CADでモデルを作った正面を部品図の正面とした？
・たまたま開いた状態のモデルを正面とした？
・一番面積の広い面を正面図とした？

先ほどの解説にもあったとおり、必ず意味を持たせてください。たまたまとか、適当にではダメですよ。正面図は一番見せたい形状を正面図にするようにしましょう。図面を見る人がパッと目に入る場所ですぐに形が想像できる面です。正面図という役割は、ぱっと見て形状をわからせる面となるので、意識して配置してみてください。形状がわかる面なので、必然的に１つのビューに寸法が集中してしまいますよね。

こういったところを意識して３面図展開して寸法を入れていくだけでも、図面を読み取る人にとっては見やすい図面になります。またこれはドラフター時代の作業をすればするほど自然と身に付いていき、３次元ツールを使えばこの意識が薄れていきます。なので、定期的に２次元設計と３次元設計を行き来するといいのかなと思います。目的は１本の線に意味を持たせることです。

これら前提条件の上で、本題となる製図の抑えておきたい12個のポイントを紹介したいと思います。

現役エンジニアが機械図面を書くときに注意している12のルール

私が図面を書くときに普段意識していることを12のルールとして紹介していきます。当たり前なところが多々あると思いますが、１つでも気づきがあれば幸いです。

部品の３面図展開のルールを理解する

先にも書きましたが、３面図展開にはきちんと意味を持たせましょうということです。

 どの部品のどこの線なのか
 なぜこの場所なのか
 なぜこの正面図を選んだのか

具体的には、正面図をどのように決めるのか？この１点だけだと思います。私個人的なルールとしては、正面図は一番見せたい形状を正面図にするが答えになります。その部品の形状が一目でわかる向きを正面図とします。そこを基準に側面図や正面図、詳細図や断面図が決まってくる感じです。

尺度を決める

部品図を作成する上で次に大事なことは、尺度です。用紙サイズごとに最大の尺度を見つけるように心がけましょう。基本的には以下のような手順でサイズを決めていきます。

1.実物大1:1で図枠に入るか
2.次に1:2で図枠に入るか
3.入るなら、2:3にできないか、入らないなら1:3にできないか
etc

ここでA4サイズを使う場合は、尺度は1:1です。A4で1:2の尺度で作図するのはNGです。一応JISには機械図面の尺度が決められています。ただ、それだとあまりにも大まかすぎるため参考程度にしか見ていません。

図番や名称、材質など図枠を記入する

図枠には必ず図番や部品名称を書く欄があると思います。その記入欄に必要事項を記載します。板厚や材質など素材情報を記載することで、仕上げ記号などを記載することが出来ます。

板金か加工品か仕上げや注記を書く

素材を決めた時点で、加工法も決まってくると思います。その時点でそれらの仕上げ記号を記載しましょう。板金であれば仕上げ記号は必要なくなりますし、加工品であれば一発か二発か、研磨仕上げかなどを決めていきます。また黒皮でよい部分も決めていきます。

全体寸法、大きい寸法から入れていく

寸法の入れ方は人それぞれだと思いますので、参考程度に読んでいただきたいです。私の場合だと、一番外の外寸から記載していきます。理由は、寸法として一番知りたい情報であり、抜けがあっては困る寸法であり、どの寸法よりも干渉が少ない寸法だからです。他の寸法はその外寸の内側に記載していく感じですね。そのルールをもって寸法を整えていくようにしています。

寸法を入れるときは、縦・横・高さの順番で

寸法を入れると画面に集中するあまり、１つのビューに視野を固定しやすいです。ですが１つのビューに固定してしまうと、寸法モレが多く発生してしまいます。私が気を付けていることは、「縦・横・高さ、あなたは誰？の順番」で寸法を引いていくということです。正面図や側面図、上面図を行ったり来たりで寸法を引いていきます。

何年経っても寸法モレがある人は、１つのビューずつ寸法を入れていく人が多いのではないでしょうか？思い付きでここに寸法入れてみたいな。これだと、どの部分のどこまで寸法が引かれているのかが頭の中で記録できません。そのため、寸法モレが発生しても不思議ではないのです。自分の中で心当たりがある方はぜひ「縦・横・高さ、あなたは誰？の順番」で寸法を引くように意識してみてはいかがでしょうか？

寸法をどのビューを基準に入れていくのか

寸法はできるだけ正面図に集中して記入していきましょう。これも一番パっと見でわかる特徴ある面を正面図としているので、寸法が必然的に集中しますよね。それとは別に加工屋さんへの配慮の意味もあります。

３面図の場合、ビューは少なくとも３つあります。加工屋さんは寸法が見つからないときに、他の２つのビューから探さないといけません。１つの部分の寸法を知りたいときに、右も左も、上も下も探さないといけないと大変です。

そのため、正面図を基準に寸法を記入していき、他の２つのビューに寸法を入れた方が分かりやすいなという場合に側面図や上面図に寸法を入れていくとよいでしょう！

２重寸法は括弧表示のルール

基本的に２重寸法と呼ばれるものは入れない方がいいです。というのは基本的なルールとしてご存じかと思います。２重寸法を公に許してしまうと、寸法に矛盾が生じてしまったり、寸法が多くなり見づらくなるからですね。

ですが、それら弊害がない上で、あえて括弧表示させて記入させてほしい場合もあります。

・全体寸法から引き算すればわかるが、計算量が多い場合
・左右対称に見えて、実は左右の寸法に違いがある場合

私はあえてこういった場合に、括弧寸法で２重寸法表記を入れるようにしています。

並列寸法表記のルール

並列に寸法を記入する場合の注意点として、寸法線が重ならないようにします。特に矢印が相向かいになったときは、黒丸を使ったりします。また、並列寸法の数が多い場合は、ピッチ表記で代表寸法のみ記入するようにしています。

形状内にできるだけ寸法を配置しない

これは寸法の多さによりけりなんですが、基本的には図形の外側に寸法を配置するようにしています。スペースに余裕があり、どこでも配置できるにも関わらず寸法を形状内に配置することはしないようにしましょう。理由としては、形状情報が見づらくなる、認識しづらくなるからです。これはあくまで基本ルールですので、絶対ではありません。実際に寸法の置き場所がないため形状内に寸法を配置することは多々あります。基本ルールとして理解してください。

穴ピッチを相手部品と比較する

これは面倒な作業ですが、必ず行うようにしています。キリ穴やザグリ穴、タップなど相手部品と組み合わせがある場合には、必ず相手図面のピッチも一緒に確認します。部品が実際に製作されてからピッチの間違いに気づくのを防ぐためです。これはどれだけ過去に痛い目にあったかどうかでやる、やらないは決まるのかなと思います。

製作や組み立てを想像しながら気づいたらモデルを修正する

作図は、単純に決められた図形に寸法を書いていき、寸法漏れがないかを注力すればいいのですが、設計者はこの作図の時点で最終チェックを行っていくべきだと思います。自分自身の最後の砦の時間になります。間違いや変更が見つかった場合にはここからモデルを変更して、図面にも反映させていきましょう。これは部品製作、組立を騒動できないと気づかない部分もあるため、しっかりイメージしましょう。

仮に上司の検図が通ったとしても、ミスが起こりケツを拭くのは自分自身ですから。

加工品の場合、表面粗さと幾何公差の数値とのバランスをチェックする

すべてのパターンに対して記事を書いてはいられないため、最後に表面粗さと幾何公差について解説していきます。
これ結構、若い子で理解していない子がいたので、参考にしてほしいです。基本的に表面粗さを示す加工記号（▽記号）と幾何公差は比例の関係にあります。理解しやすくするために極端な例で解説していきます。

■仕上げ記号が▽で平行度0.005は出せない
加工記号が▽１発の場合、表面粗さRyは100μmになります。その表面粗さ指示で平行度という幾何公差0.005は到底出ません

■仕上げ記号が▽▽ではめあい公差φ20h7は出せない
φ20のh7は＋0.02～+0.041になります。▽▽２発の場合、表面粗さRyは25μmになります。そのためφ20h7の公差には入りません。

■直角度ABを0.05で出したいなら、表面粗さは▽▽▽３発で仕上げ面の指示を記入する
▽▽の仕上げだとRyで25μmなので、A面とB面の直角度を50μmで出すには不安があります。なので、３発を図面で指示しましょう。

まとめ

学校では教えてくれない図面の書き方を紹介しました。現役なのでそのまま明日から使えるルールになってはいると思います。各企業によってルールが違うと思いますので、自分のルールと比較しながら読んでもらえればいいのかなと思います。

図面は読み手（加工業者さん）がいて、業者さんのとの打ち合わせの中で細かな書き方などは決められます。図面表記とはそれら業者さんが理解できる表現が正解であって、それがJISと異なっていたとしてもそれが正解なのかもしれません。特にコメントなどはそういったことが顕著に表れます。

これから図面を書く人は、基本的なルールを理解した上で経験を積むことで、より成長のスピードが早くなりますし、常に今のルールを疑って確認してみることをおすすめします。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

吊りボルトは装置を吊り上げるときに使ったり、部品が重いときに使ったりなど普段の設計の中でよく目にする部品の１つです。そんな身近な部品ですが、実際にどのように選定していくのかを解説しようと思います。

吊りボルトの設計事例を紹介

まずは吊りボルトの具体的な使い方を紹介していきます。それらを設計的な視点から耐荷重と安全率を確認する方法について解説していきます。

板金に丸穴＋ナット（軽荷重）

こちらは板金に丸穴を空けてナットで裏から挟んで固定する方法です。吊り上げたい部品の重量が軽く（～数十kgまで）、且つ大きくて一人作業が困難な部品に吊りボルトを付ける時の設計手法です。

板金に溶接ナットを裏から溶接でも良いのですが、組立のとき１、２回しか使わない場合にはナットを溶接するコストがかかってしまうため、丸穴だけの加工に留めたりします。

板材にタップのみ（軽荷重～重荷重）

板厚がt6とかt9など、タップ深さを確保できる板材であれば、タップを用意します。タップを加工する母材は鋼材となります。厚みが十分とれる場合にはタップを予め立てておきます。

板材にナットを裏面溶接（中・重荷重）

これは全体的な厚みは必要ないが、吊りボルトの一部だけタップ深さが欲しいときに使う手法です。丸穴＋ナットと裏面溶接との違いは、以下の２つです。

ポイント①：溶接する価値があるかどうか　※コストの問題
ポイント②：作業エリアが高所作業など両手を使わず吊りボルトだけを使いたいかどうか

鋳物にタップ（超重荷重）

鋳物にタップを立てるやり方です。こちらも鋳物なのですでに重量級のものが対象となる設計です。もちろん、吊りボルトのサイズもバカでかくなりますし、吊り具もスリングではなく、専用の吊り金具にワイヤーといった組合せになってきます。吊りボルトの耐荷重が十分でもスリングが切れてしまっては元も子もありません。

吊りボルトを使わずに吊る（重荷重）

アイボルトを付けずに、部品を吊り上げる方法もあります。形状を自由に設計できるときにこのような手法を取ります。例えば、やぐらのような支柱があれば、そちらを使って吊り上げるとか、部品が鋳物であれば、吊り具を引っ掛ける形状を用意して、そこに引っ掛けるとか、締結部をうまく使って吊り上げるといった具合です。

ただし、鋳物の場合ですと余りにも肉厚が薄いと荷重に耐えられません。吊り上げたい重量に対して十分な厚みと高さが必要となりますので、鋳物屋さんと十分に打合せを行ってください。

その時の注意点ですが、あまりにもピン角にスリングを掛けてしまうと、スリング自体に傷が入り、そこから切れ目が増大して切断に至る可能性があります。そんな時は、あて布などを使って、スリングが切れないように工夫しましょう。

以上が吊り具を使った実用例となります。

吊りボルトの耐荷重と安全率を確認する方法

吊りボルトの耐荷重はJISの中で決まっています。吊り角度は垂直吊りから45°の間で60°以上を推奨しています。

吊りボルトの許容荷重を確認する

垂直から45度吊りまでは同じ耐荷重となっていますね。これは垂直吊りから45度吊りの間であれば、許容値として問題ありませんということを意味しています。また、ボルトの荷重は基本的に引っ張りであることから、推奨吊り角は60度以上となっています。

母材とタップ深さの関係を理解する

吊りボルトを取り付けるタップの深さも重要です。母材が固い材料なのか、柔らかい材料なのかでタップ深さが変わるからです。タップ深さが母材の材質によって変わるとは、鋼材の硬さによってねじ深さを変えることを意味します。

スリングの耐荷重を確認する

スリングにも耐荷重は存在します。スリングは幅が20mmから100mmまで何種類か存在します。吊りボルトがいくら頑丈でも、スリングが細ければバランスも悪く、切れちゃいますよね。そこで、適切なスリングを選定するためにも、耐荷重を把握しておきましょう。

ワイヤーの耐荷重を確認する

ワイヤーも断面形状によって細かく耐荷重が違ってきます。今回は代表的なものを選びますので、実際には工場で実際に使われているものをご参照ください。

実際に耐荷重と安全率を計算してみる

このように、総重量を吊り上げるために、

 何ヵ所で吊り上げるのか
 吊りボルトのサイズは？
 母材が耐えられるか？
 母材のタップ深さは？
 スリングorワイヤーサイズは？
 スリングorワイヤーと装置は干渉しないか？
 装置ではなく、治具として製作すべきか？

これらを検討した上で選定していきます。

吊り方の注意点

これは当たり前ですが、吊りボルトは横吊り禁止です。大きな荷重になればなるほど、力をせん断で受けるのはダメですね。ボルトのせん断荷重についてはこちらの記事でも解説しています

吊り角は60度以上

スリングやワイヤーの吊り角は60度以上が推奨とされています。その理由の１つに、45度以下になると主分力が吊りボルトのせん断方向にかかってしまうことがあります。極端に角度が小さいと、力が内側に寄せられるイメージですね。

吊り具ワイヤーの軌跡を描く

吊り具を使うときは特にワイヤーの軌跡に気をつけた方がいいです。吊り具側のワイヤー始点と吊られる側のワイヤー終点を結んだときに干渉物がないかチェックが必要です。万が一板金などと干渉があった場合は、板金は凹んでしまいます。

部材の腹の部分で吊り上げない

吊り上げる位置なんですが、普通は太鼓の腹の部分では吊り上げません。それはなぜかというと、腹の部分は波を打つかのように息をしたり吐いたりと弱い部分だからです。

溶接板を信用しない

一般的に溶接は鋼材同士を繋ぐ役割で、解析上は一体物として扱われます。ですが、現実的には溶接にも加工業者のスキルの幅があります。そのため、その幅をこちらで制御することは難しいため、個人的には溶接部の部材で重量物を吊り上げるという発想は私はしません。

吊りボルト取付時に干渉物がないか確認

これは設計モデルの中にきちんとアイボルト形状を入れて、周辺部品と干渉しないかを見ます。特にアイボルトを回転させる軌跡をモデリングして干渉チェックを行いましょう。静止画像では干渉していなくても、回転させる過程でどこかの部品と当たってしまい、アイボルトが取り付けられないという問題を防ぎます。

吊りボルト装着時に座面と取付面を初期締結程度とする

これは、アイボルトの座面と取付物との間の密着を保持する程度の力で締め付けるという意味となります。組み立ての力自慢の作業員が意味も分からず力任せに締め付けてしまうと、取付物に塑性変形や傷を付けてしまうことを防ぐ意味となります。

計算というのは、あくまで取付物の強度が通常の強度を保つ前提での計算になります。そのためダメージを追って強度が落ちてしまう前提ではないからです。重量物を吊り上げる時は、一旦取付部品に亀裂が入ってしまうと、重量で一瞬で部品が破壊され、落下事故につながってしまいます。なぜなのかをきちんと理解しておきましょう！

とても参考になったサイトURL
http://www.shizuka-eyebolt.co.jp/eyebolt-precautions.html

変形した吊りボルトの使用は禁止

例え塑性変形領域内の曲げがあったとしても、そのアイボルトは使用禁止としてください。疲労破壊するくらいなら安全第一で新しいアイボルトに切り替えましょう！

吊りボルト設計事例まとめ

いかがでしたでしょうか？

吊りボルトの設計は装置設計が終わってから後回しにしがちですが、装置重量が重たければ重いほど慎重に設計しなければなりません。また、装置を出荷するタイミングで設計ミスなどがあった場合に出荷間際のため、図面変更や部品の再製作などはできない可能性があります。

そのため、部材をすべて組み立てしたあとすぐに確認すべきこととして覚えておきましょう。

また、設計と同じくらい、組立時の注意事項も覚えておく必要があります。傷をつけない、塑性変形したアイボトルと使用しないなど、部品破損につながる要素を理解してから、作業するようにしましょう。運搬業者にお任せする場合にも、注意しながら観察するとよいと思います。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

第１回目に機械設計の全体像をお話ししましたが、第２回目では、設計の流れについて解説していきます。設計の流れは業界や会社ごとに異なるかもしれません。ただ本筋として基本的な流れは同じになると考え、今回は解説していきます。

まずは設計する目的を理解する

みなさん設計の本来の目的は何だかご存知だろうか？設計という業務は、商品を作り出す役割を持つものだが、本来の目的は違っている。

”売れる”商品を作り出す

これが設計という業務の本来の目的である。
会社にとって”売れる”とは利益そのものだ。

だから、担当者のエゴで設計したり、上司の思い付きで設計をしてはいけないのだ。

売れるか、売れないか作ってみないとわからないという状態で、本来は設計を進めてはいけない。
すなわち、設計の上流には市場調査があるわけだ。

市場調査は一般的に営業職もしくは開発部が担当するので、ここ（営業）との情報交換や意見交換が密にならなくてはならない。ここでの意見交換もやっぱり担当者のエゴになってしまうため、最終的に売れる商品は最高責任者である代表取締役社長が決断することになる。

社長も未来が見えるわけではない。
何が売れるかは見えない状況なのだ。

ただ、社長はどの社員よりも正確な情報が集まり、会社の歴史を一番把握しているため、限りなく正解に近い答えを導き出すことができるという役割と責任がある。すなわち、設計とは、

売れる商品を作り出すために、
限りなく正解に近い答えを導き出せる
社長承認を得て行うものである

と定義付けされる。これが本来の企業の中で設計するスタイルとなる。経験の浅いエンジニアはこの部分をしっかり理解することが大事となる。

設計は大まかに２種類ある

設計する目的を正確に理解すれば、あなたの行動は明日から変わることができる。

ただ、同じ設計には大まかに分けて２種類ある。
それは、

・新規設計
・量産設計

である。

新規設計は新しく開発する商品の設計を担当し、量産設計はすでに売れている商品を安さと品質向上、特殊設計を重視した設計を担当する。

量産設計は、工場で生産がはじまっているため、設計変更や追加設計には時間が限られている。また、既に社長承認が下ったものなので、設計変更においてはいちいち社長承認までは必要ないケースがほとんどだ。

先ほどの
>売れる商品を作り出すために、
>限りなく正解に近い答えを導き出せる
>社長承認を得て行うものである

これらの定義は新規設計開発に関わるエンジニア向けのお話だということを間違えのないようにしてほしい。ただ、量産設計も全くゼロというわけではないため、社長承認を得るスキルも必要となる。

同じ部署内でも、役割が違うため、もしあなたが配属に満足していないなら、一度頭を整理して、新規開発または量産設計のどちらが自分にとってベストな選択なのかを考えてみてほしい。

新商品開発の流れ、あるべき姿とは

これらを理解した上で、本題に入ろうと思うが、設計の流れというものをもう一度おさらいしよう。

１．市場調査、顧客ニーズの把握
↓

２．営業＆開発すり合わせ
営業＆社長すり合わせ
開発＆社長すり合わせ
↓

３．すり合わせで得た情報を元に商品の開発コンセプトを整理
↓

４．概略設計＆概算原価の算出
↓

５．全社プレゼン＆社長承認
↓

６．開発方針の決定＆開発スタート
↓

７．部内担当割り
↓

８．詳細設計
↓

９．部内DR
↓

１０．部品図作成＆発注
↓

１１．納品＆組立
↓

１２．試作機組立＆改善
↓

１３．第３者による性能評価＆耐久テスト
↓

１４．社内お披露目
↓

１５．量産開始

基本的な開発設計の流れを示したが、企業によっては項目が前後したり、追加になったりするかもしれない。おそらく、基本的にはこの流れになっていると思われるので参考程度にしてほしい。

ここで注目してほしいポイントは３つ。

１つは、部門間と社長との間ですり合わせがあること。
２つ目は、開発の方向性を社長承認を持って決定していること。
３つ目に、第３者による性能評価、耐久テストがあること

最終的には、３つ目の性能評価で設計仕様を満足できない場合に、開発は設計を急ピッチで変更しないといけなくなる。耐久テストも同じだが、製品寿命が短ければ、部品形状を見直したり、購入品の選定を見直さなければならない。

ここが重要となってくる。

また、開発した商品が売れないとなれば、これは大きな責任問題となる。なので、全社プレゼンの議事録はしっかり残しておくべきだ。

そして、この設計の流れこそ、組織として開発部隊を強靭な部隊へと成長させる仕組みとなっているのだ。お気づきだろうか。

その理由は、第３者による性能評価という部署があることで、開発部の弱点を強制的に炙りだしてくれるところにある。設計の弱点は第３者の部署によって見つかるということが、組織として大事なのだ。

ここには大きな損失を伴うかもしれない。
どうしても目を背けたい不具合が発生するかもしれない。

このような事態は会社にとっても不利益になり、開発者や開発部全体として恥ずべきことなのだ。だから、担当者はもちろん、開発部長もこの対策に頭を使わざるを得なくなる。このスパイラルが大事となってくる。

いかに設計段階で未然に防げることができないのか、現状維持ではなく、進化を遂げる必要があるのかを日々自問自答してほしい。

新商品開発に必要不可欠なスキル

開発部（部長クラス）の役割として、次の売れる商品について営業や社長とすり合わせを行い方向性を打ち出す。その後、全社プレゼン（担当者）にてその商品のコンセプトを打ち出し、社内的な承認を得る。

そこには、ある程度具体的なイメージ図や概算コストなど判断材料となる情報を用意しておく必要がある。社内的な承認が得られれば、ようやく部内にて詳細設計および役割担当を決めて設計がスタートするという流れとなる。

ここで大事なことを以下のようにまとめた。

売れる商品の見極め：(営業)
他部門とのすり合わせ：(開発部長)
全社プレゼン＆承認：(開発リーダー)
コンセプト＆コスト：(開発リーダー)
詳細設計　　　　　：(開発担当者)

上司となる開発部長が求めている次なる人材は開発リーダーだということがわかる。開発担当者は詳細設計を行うが、ある程度全体的な設計ができるようになると、嫌でも次は開発リーダーになるからだ。

開発リーダーは、プレゼンや商品のコンセプト立案、概算コストなどができないといけないのである。部長と同じく、次に何が売れるのかを考え、売れる商品のコンセプトを打ち出し、それを相手にわかりやすく伝え、全社的に承認をもらうのだ。

お分かりのように、プレゼン能力は設計以外に必須のスキルとなることはお分かり頂けただろうか。

プレゼンのスキルは、決して一朝一夕で身に付くものではない。失敗し、怒られ頭で考えて修正し、またプレゼンするを繰り返すことで身に付くスキルなのである。これは新社会人になってすぐに身に付けておいた方が良いので、ぜひ、訓練を怠らないでほしい。

また、プレゼン資料の作り方をまとめた記事があるので、興味のある方はこちらの記事も合わせて読んでほしい。

商品開発のためのプレゼン資料の作り方！現役エンジニアが語る資料作成７つのステップ

以上のように、機械設計の仕事とは大まかにこれだけの作業量をこなしてはじめて一人前のエンジニアと言えることがお分かり頂けたであろうか。

全体像を把握していれば、先輩方がこなす作業をひと時も目を離さずに観察できるだろう。いつかは自分がその作業を行うという意識で仕事に取り組めば、仮に今はできなくとも、情報として知っておかなければならないと意識することになる。

もし、今ある目の前の仕事だけに注意を向けていれば、同じ時間を過ごしたとしても、それら情報をキャッチすることはできず、直面してはじめて慌てることになってしまう。そうならないためにも、いつかは自分のところにやってくると準備しておくことをお勧めする。

新卒で企業に入る場合、大抵の場合はいきなり設計部や開発部に所属されることはないだろう。それは、いきなり学生がある商品の設計・開発を担当してもできるわけがないからだ。その会社の設計のイロハを全く知らない人が設計ができるはずがない。では、設計にはどんなイロハがあるのだろうか。また、どのような手順でそのイロハを学べば、効率が良いのだろうか。今回はその辺りを解説していこうと思う。

機械設計の初歩は組立を知ることからはじまる

設計の前に知っておきたいこと、それは組立である。組立とは、納品された部品を設計図もしくは設計指示通り組み上げる作業のことを指す。
 

・納品された部品（もしくは内製化された部品）
・設計図もしくは設計指示
・組み上げる作業(工具類)
 

納品された部品で学ぶべきことは、

・どのように製作されたのか（加工法）
・どんな材質の部品か（材料）
・なぜこのような形状なのか
・大きさや重さはいかほどか(スケール感)
・どのように置かれているのか（在庫管理）
・塗装は何か（塗装）
・部品の形状はどのような感じか（形状）
・どこの外注業者で作られたのか（発注先）
・一人作業で完結するか

などを注意深く見ていくと良いだろう。
 

設計図もしくは設計指示で学ぶべきことは、

・どのように組み上げるのか
・どのような設計指示か
・その設計指示はなぜそうなのか
・逆にその指示を守らないとどうなるのか
・その設計指示は矛盾が生じないか

などを自問自答すると良いだろう。
 

組み上げる作業(工具類)で学ぶべきことは、

・どのような工具を使うのか
・組立作業はし易いか
・特殊な工具は使っていないか
・組立時にトルク管理されていないか
・組立に必要な工具類は何か
・工具の大きさはどんなサイズか
・使いやすい工具か

などを観察すると良いだろう。
 

こういった観察や経験があなたの設計の質を上げてくれるのだ。組立作業者の気持ちを知ることは設計者にとって大切な要素の１つとなっている。
 

組立の次は、いよいよ加工法を知ろう！

設計者は部品を作り出す、創造する側の人材だ。こうやって作ればいいのね～と浅い知識だけでは部品を創造して図面を書くことはできない。
 

どの部品形状にどの加工法が最適なのかを瞬時に判断して、自分の頭の中で組み上げていく必要が出てくる。だから、実際に製作現場である工場に足を運び、その加工法を見学させてもらうと良いだろう。実物を見れば、その体験があなたにとって大きな財産となるのだ。
 

加工法にはその業界で使われるものが違ってくる。例えば、数量の違いで製法が異なったり、材質の違いで製法が異なったり、部品形状の違いで製法が異なる事がある。
 

そのため、一気にすべてを吸収するのではなく、まずは自分の会社の加工法はどのようなものが使われているのかを知ることからはじめよう！そして基盤となる知識を身に付けたところで、少しずつ幅を広げていけばいいのだ。
 

加工法の次は、図面の書き方を学ぼう！

部品の製作はすべて図面の指示に基づいて作られている。加工業者は送られた図面を見て、どのように作られるのかを理解するのだ。
 

図面は大抵の場合、JIS規格に基づき作図する。第三角法によって部品を配置し、必要な寸法や設計意図を図面に記入していくのだ。図面の書き方にはルールが存在し、そのルールは企業によって多少の違いが見られる。
 

ちょっとした書き方の違いや、表現が異なる感じだ。その理由は、取引している加工業者が同じではないからだ。図面の書き方のルールとは、いわば加工業者との意思疎通の１つなので、長年付き合ってきた中で、独自ルールが作られるのだ。
 

それは、たくさん図面を書いて覚えていくほかない。大まかには次のことをしっかりと頭に入れておこう。
 

・図面サイズ
・尺度
・一般公差
・幾何公差
・表面粗さ
・加工法
・材質
・図面管理
・塗装
・部品の大きさ
・組立性
・線種
・部品制作のルール
・組図
 

図面の書き方の次は、いよいよ構想に入ろう！

組立を知り、加工法を知り、図面の書き方を知る、この流れであれば、無駄なく構想に入れると考えている。
 
組立　→　加工法　→　図面の書き方　→　構想
 
下地があるのとないのとでは、構想に入ってからの時間のロスが極端に少なくなる。当然、知らないことは新たに覚える必要が出てくるが、初歩的なことを知っておけば、その分気分も楽になる。構想の前にこれらを知らないと、やり直しの作業が増えてしまうのだ。
 

・設計したが、組立できない
・構想したが、作れない
・図面を書いたが、修正が多い
 

しっかり学んだとしても、結局は失敗して失敗して何度も何枚も図面を書いて覚えることには間違いない。ただ、日々の先輩からの指導がちゃんと理解できるか理解できないかで差が付いてくるのだ。だから、きちんとしてステップを踏んで構想に移ることをお勧めしている。
 

賢いエンジニアがみんなやっている８つの設計思想

賢いエンジニアがみんなやっている習慣があることをあなたはご存じだろうか。なぜこのうような習慣を身に付けなければならないのか。答えは簡単で、賢い習慣は自分を変え、他人を変え、上司を変え、会社を変えるのからだ。
 

もしあなたが他人よりも優秀なエンジニアになりたければ、この８つの設計思想を身に付けておこう。きっとあなたの役に立つはずだ。
 

１．アウトプットを決めてから作業を逆算
目的があり、結論があり、説明がある
２．人の話を鵜呑みにしない
３．現象と理屈を照らし合わせる
４．１回目の１０の作業を２回目は３にする
５．酒と女とカラオケ
６．休憩所（喫煙所）の正しい使い方
７．白いキャンパスに描く１本の線には必ず理由がある
８．極端に大きく、極端に小さく
 

それでは１つずつ、詳しく見ていこう。

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賢いエンジニアの習慣や思考　その１

アウトプットを決めてから作業を逆算
目的があり、結論があり、説明がある
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これはどんな内容でも共通となる。例えば、機械設計。
 

まずは仕様を決めて、大まかなレイアウトを決めて大まかな形を決めて・・・など当たりを付けて承認をもらいながら最終的に詳細設計に移っていく資料を作る時も同じである。
 

何を言いたいのかを決めて言いたいことを証明するためのストーリーを考える。そのために必要なデータを揃える。検証も同じである。
 

何のために検証するのかを決める。言いたいことを証明するためのストーリーを考える。そのために必要なデータを揃える
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その２

人の話を鵜呑みにしない
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仕事をしていて悩み事があると周りの人に相談する機会がある。相談相手はもちろん、先輩や上司。先輩や上司は後輩思いなので、たくさんの情報をあなたに伝えてくれる。
 

そこが一番落とし穴だ。
 

その話を鵜呑みにして悪い結果になろうともその結果はあなた自身の結果なのだ。人の話は当たり付けを見つける参考程度として、最終的な裏付けはやはり面倒でも取っておくべきだろう！
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その３

現象と理屈を照らし合わせる
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問題が起きてその原因を探るべく検証をしていると、何かしら結果が出る。もっともらしい結果が自分の前に現れたとき、あなたはその結果に飛びついてはいけない。
 

必ずその結果が理屈と合っているのか照らし合わせる必要がある。
 

問題が起きている現象は、複数の原因を持ち合わせているケースがある。たまたまN数が少ないためその結果だったかもしれない。間違った結果を鵜呑みにしない、必ずその結果が理屈と合っているのか自分なりに照らし合わせてみよう。
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その４

１回目の１０の作業を２回目は３にする
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優秀な上司は常に２回目以降の作業を１回目のときに意識している。
 

はじめて作業する場合は、要領もわからず、段取りも悪く、やたらと作業に多くの時間を要してしまうものだ。大抵の人はこの目の前の作業にフォーカスしがちだが、優秀な人たちは必ずこのタイミングで次同じ作業をするときには所要時間を半分以下にできないかを考えている。
 

・作業手順を完璧にメモる
・疑問点はその場ですぐに聞く
・自分ならこうするを意識する
・その作業がなぜ必要かを知る
 

作業時間を１０から３にすると書くと、すごいことをしないといけないと思いがちだが、はじめて(１０)→２回目(３)はそれほどハードルが高くない。作業手順をメモしただけで、実は１０→５になるのだ。
 

あとは疑問点や自分ならこうするを改善していけば、３にできる。問題ははじめの段階でこの意識で作業に取り組めるかどうかだ。
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その５

酒と女とカラオケ
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もしこのメールを読んでいるあなたが女性ならば、失礼な発言になるかもしれない。はじめに謝罪しておこう。これから話す失言の数々、申し訳ございません！
 

これは海外出張での客先と付き合いの話である。
 

今（コロナ禍）の時代はわからないが、１０年以上前までは、お客さんとの飲み付き合い（接待）が盛んだった。特に海外では、接待を受けたりしたり、展示会や出張ベースで必ず上司と一緒にお客さんとの会食がセットになっている。
 

１次会：パーティまたは食事会
２次会：バーとか飲み屋とか
３次会：カラオケ

こんなお決まりなパターンだ。
 

そんな中、１次会はまだお互い敬遠しているが、２次会、３次会に進むにつれてお互い気が緩み、皆テンションが上がってくる。
そこで登場するのが女性とカラオケである。
 

お客様と楽しく飲んでいるときに、女性が隣に座り、カラオケを求められる。女性に対しても臆せず会話をしなければならない。時には、女性の体を触ったり、その場だけでも雰囲気を壊さない行動を取る必要がある。
 

決して、「僕はそんなことできません！」などと断ってはいけない。また新人君は特にカラオケを歌わざるを得ない状況となる。この２つに苦手意識があると、当然場がしらけてしまうのだ。
 

できれば、女性との会話を楽しげに、カラオケを迫られた時には、率先して十八番を歌うなど対応できるスキルは必要となる。
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その６

休憩所（喫煙所）の正しい使い方
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普通の社員の休憩所の使い方は、どちらかというと、仕事のON/OFFを切り分ける目的で利用されていると思う。机に座ったとき、もしくは仕事のエリアに入れば仕事モードがONになり、一歩外に出ればOFFのようなイメージになるかと思う。
 

これはこれで理に適ったもので、脳を休ませるという目的では休憩所の有効な使い方である。
 

しかしながら、優秀な人は休憩所を異なる使い方をしている。その使い方とは、上司との相談場所として利用しているだ。相談というのはもっぱら、仕事の悩み相談になる。
 

例えば、上司が喫煙所に入ったとする。そこを見計らって、相談したい資料を持って休憩所に入っていくのだ。一見、上司の休憩を邪魔しているかのように見えるかもしれないが、実はそうではない。
 

優秀な上司というのは、プロ意識が高く、価値基準となる物差しが仕事の成果や部下とのコミュニケーションであることが多い。また、上司は仕事の話をされても喫煙所でタバコを吸うという目的を果たしているため、仕事の話がストレスに感じることはなく、むしろ、休憩しながら仕事の話をできることを喜んでいる。
 

時間の使い方として、ロスがない。このスタイルがもっとも好まれるのだ。むしろ上司が机に座ってしまうと、自分の仕事に集中したいため、そこでの相談はむしろ上司の時間を削っていることになっているのだ。なので、この価値観をプロ意識を持った人の価値観を理解する、自分にインストールすることが大事となる良い事例だろう。
 

ただ、100%の優秀な人がみな同じではないため、この価値観を知った上で、上司を観察して行動に移してほしい。
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その７

白いキャンパスに描く１本の線の理由
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物事には必ず理由がある。それは設計をする上でも同じことが言える。
 

私のブログでも紹介しているが、CADで線を引くときに
・なぜその位置に線を引くのか
・なぜその長さなのか
・なぜその位置がベストなのか
を常に自分に問いかけてほしいと解説している。
 

【保存版・初心者向け】
独学で機械設計エンジニアになりたい人向けのおススメの勉強方法
 

自分自身に問いてみる癖をつけるのである。一本一本自分に質問していたらキリがないので、ある程度設計が進んだところで、この線はなぜこの位置なんだろう？と疑問を投げかけるのだ。さらに言えば、この線は消せないだろうか？と疑問を自分に投げてみるのだ。
 

線を消す＝形状がよりシンプルになるということなので、線を消すという疑問形になると、設計が良い方向に移る。
 

設計にはDR(デザインレビュー)が付き物だが、上司は必ずといっていいほど、こういった質問をあなたに投げかけてくるハズだ。
 
「〇〇君、その形状はなぜそんな形になっているのか？」
 
彼ら（上司）は経験上、すぐにCADを見て不必要だったり、無駄だったり、余分な形状を瞬時に見分けることができる。自分なりにその理由がわかれば、質問はしてこないが、納得がいかない形状に関しては、必ずといっていいほど、このような質問を設計者に投げかけるのだ。
 

その時、普段から自分に疑問を投げかけていないと、すぐに上司の質問に答えることができない。その時点で考えていないと判断され、DRは険悪なムードになっていくのだ。逆に、普段からそれができる設計者は、自分なりにこういう理由でこのような形状になったと上司に理由が説明できれば、仮にその理由が不足していたとしても、別のベストな方法があったとしてもそれはそれで議論するきっかけを作ったことであなた自身は良い評価がされるのだ。
 

問題は、理由なき線を引いているあなた自身の思考だったり、仕事への取組み方になるので、答えられないという回答は極力避けたいものだ。
 

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賢いエンジニアの習慣や思考　その８

極端に大きく、極端に小さく
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その７でも少し触れたが、自分のへの問いかけの中に、
 
・なぜその位置がベストなのか
 
という問いかけがある。
 

ベストかどうかを判断しなければならない。ベストでなければ、設計として最善を尽くしていないすなわち、仕事が中途半端という見方になるからだ。でも、ベストかどうかを簡単には判断できないし、それは時間と労力がすごくかかるかもしれない。
 

ただひとつ、このベストかどうかを判断するための、魔法の方法がある。
 

それは、
「極端に大きくする」あるいは、
「極端に小さいくする」
 
という方法だ。
 

どういうことかというと、CADである一本の線がある。どこでもいい。その線を無限に伸ばしてみるのだ。すると、どこかの線だったり、何かの制約だったりで、それ以上伸ばせない理由が見つかる。
 

例えば、
・どこかと干渉してしまう
・スキマが足りなくなる
・製作できなくなる
・他の線の邪魔になる
といった理由が出てくる。
 

逆も同じで、もっと極端に短くしてみる。すると、同じように短くできない理由が出てくる
 
・製作できない
・組み立てできない
・スキマが大きくなりすぎる
・内部部品と干渉する
 

位置も同じように前後左右に動かしてみる。同様に理由が出てきて、この位置じゃないとダメだというはっきりした理由が見えてくる。このように限界が見えてはじめてベストが見えてくるのだ。
 

これは1mmずつとかちまちまやる必要は全くなくて、むしろ極端にやってみる方が時間の短縮になる。限界を知ることで、ベストが見えてくる。この手法は、時間も労力もさほどかからないので、ぜひ、すぐにでも取り組んでほしい！そうすれば、すべてにおいて理由がはっきりして、且つ、シンプルな設計に自ずとなるため、上司の質問にもすぐに答えられ、さらにコスト的にも安くなる設計になること間違いないだろう！
 

これらが機械設計者が学ぶべきことの全貌となるわけだが、いかがだったであろうか。決して道のりは短くはなく、一人前になるためには１０年くらいはかかるかもしれない。だが、だからこそ、そこには他の者を寄せ付けない価値が生まれるのだと私は思う。
 

機械設計の第１回目は仕事のやり方、思考そのものをご紹介することになったが、実はこの思考そのものを新人君たちにはぜひ身に付けてほしいと切に願っている。

機械設計をする上で必ず誰しも一度は耳にする言葉、それが共振です。機械装置にとって共振は避けたいもので、共振が大きければ騒音や部品の破損などに繋がります。周波数帯域にもよりますが、今回は低周波数帯域でのお話となります。

共振とは？おさらい

共振という言葉を聞いたことがない方に向けて簡単におさらいです。共振とは書いて字のごとく、振動と振動が共にいるってことで、共にいると振動が増幅され揺れが大きくなる現象のことです。
 

 
振動が増幅されるとは、振動は波のような揺れを意味しますので、揺れが大きくなることを意味します。そして最終的に、振動が大きくなることで音が大きくなったり、揺れが大きいことで部品に振動が伝わり最悪部品が破損するといった事象に至ります。共振はないことが望ましく、仮にあったとしても最小レベルに抑える必要があるわけです。
 

また、共振は揺れなので周波数[Hz]として表されます。周波数は低いものから高いものまで帯域の幅があります。装置の振動対策にとってこの周波数帯域はすごく大事で、１００Ｈｚ以下の共振なのか、１０００Ｈｚぐらいの共振なのか、帯域によって対策が違ってきます。
 

共振を見つける

まずは共振を見つけることからはじまります。共振は次の３つのアプローチから見つけることができます。
 

Step1：実機に計測器を付けて測定する

共振は実物があれば簡単に見つけることができます。先ほど説明した通り、大きく揺れている、振動が伝わる部分というのは共振している可能性を秘めています。
 

大きく揺れる、または振動が伝わるというのは振動源であるということです。
回転体があればそこが振動源となります。
 

振動源は設計者ならばおおよそ見当が付きますので、その部分に加速度ピックアップセンサを付けて測定します。それと同時に問題となる周波数帯域も把握しておきます。
 

実際に計測では、周波数帯域と振動レベルが計測できます。振動源となる部分を測定し、その周波数帯域と問題となる周波数帯域が合致すれば、その場所が共振の原因箇所となっていると判断します。
 

１つ注意点としては、振動のモードを知る際は、XYZの３方向すべて測定することです。１方向だけで判断してしまうと誤った結果に繋がります。３方向を測定して一番大きな振動レベルをその部位の代表値としてください。
 

振動源には必ずXYZ方向どれかで振動レベルが大きいベクトルを持っています。振動レベルが大きいベクトルとは、言い換えれば、力が加わる方向です。力が加わる方向によってその構造体の持つ変形モードが決まるため、３方向を計測し、振動レベルとどのベクトルなのか方向を確認します。
 

Step２：設計段階で計算して見つける

本来この設計段階で共振を発見させることに意味があります。実機で確認するためには、試作機を１台作らなければならないわけで、そこには制作費が発生します。事前に設計段階でこの共振を回避できれば言うことはないですよね。
 

 
ここで調べたいのは、構造体の固有振動と回転体の振動数です。この２つの共振を防ぎたいわけです。回転体の振動は回転数が分かれば、簡単に周波数が求められます。問題は、構造体の固有振動数となります。
 

固有振動は物体の形状とか、重さ、ばね定数で一般的には計算できますが、手計算ではなかなか求めることができません。物体の固有振動数は私みたいな凡人には到底計算できないレベルです。なので、構造体の固有振動数を求めるためには、３Ｄモデルを作って有限要素の解析モデルを活用すると良いと思います。逆に解析モデルが作れないと、設計段階では厳しいかもです。
 

解析モデルを使った解析手法の詳細はこちらの記事で解説しています。
⇒機械設計のFEM解析とは？解析手法を事例で紹介！

ここで大事なことは、３Ｄの解析ソフト（モデル）は与えられた条件に対して正確に計算結果を出力するツールだということです。解析結果をそのまま鵜呑みにしてはいけないとこれまでお伝えしてきましたが、その理由は、与える条件に信頼性がないためです。
 

科学的に根拠のある数値、例えば縦弾性係数や横弾性係数といったものは確かですが、ボルト締結部のばね定数は不確かです。床面と構造体の設置条件は不確かです。解析には他にも不確かな条件がたくさんあります。なので、解析結果をもとに一度実機にて確認し、その結果を解析条件にフィードバックさせるという流れを繰り返す必要があります。それが、設計ノウハウになります。
 

このように、設計段階で共振を避ける設計手順を作れば、設計段階で共振を回避することが可能になります。
 

Step３：組立完了後、評価テストで見つかる

装置の組み立てが終わり、評価テストを行っている段階で見つけることができます。設計担当者ではなく、評価試験を行う第３者が見つけるパターンです。これは、装置の仕様が満足できていない場合に問題となりクローズアップされる事例です。
 

この段階での不具合発覚はエンジニアならば誰しも耳が痛いです。また、直接的な結果ではなく、間接的で幾十もの糸が絡まった状態なので、いきなり共振に辿り着くかは別問題として、絡まった糸を１本ずつほどいていき、共振に辿り着くパターンはあると思います。設計者から見ると悔しいですが、評価者は仕事冥利に尽きると思います。クレームという損失を客先へ出さずに済んだわけですから。
 

上記３つのアプローチで共振を見つけるプロセスはできると思います。はじめのうちはsep３で見つかるケースがほとんどかもしれません。そこで、step１に行き、step２の強化を図ることになるでしょう。最終的にstep２が確立されれば、会社にとって、開発部隊にとって大きな資産となるでしょう。これらが共振を見つける大まかな流れと注意点となります。
 

構造体の固有値を知る

先ほど説明した通り、構造体の固有振動数を求めるためには、３Ｄモデルを作って有限要素の解析モデルを活用するやり方がベストだと思います。構造体の固有値は、形状、材質、重さなどで決まっており、その部品固有の振動数となります。イメージとして、大きくて重たい形状の部品は20Hzや30Hzといった低周波帯域になります。
 

構造体は一般的にばね系の固有振動数として捉え、重さとばね定数で計算できます。
 
ρ＝√k/m
 
ここで、kはばね定数、mは物体の質量となります。
 
私は構造体の固有値は計算で算出したことがなく、有限要素の解析モデルを作って固有値を出していました。なので今回は、手計算での計算方法は紹介できません。頭の良い人がいれば、ぜひ教えていただきたいです。
 

３Ｄの解析モデルを使えば、作成した形状に対して材質を入れて、ボルトやリニアガイドといった連結部位にばね定数を入れれば、固有値が求められます。固有値と一緒に、モードもわかるので、どの部分がどの方向に弱いのかすぐにわかります。このように構造体の固有振動数を求めることができます。
 

回転体の回転周波数を計算

例えば一つの装置の中に回転体Ａがあったとします。
 
回転体Ａ：１２００ｒｐｍ
 
それぞれの回転周波数は６０で割ると次のようになります。
 
回転体Ａ：２０Ｈｚ
 
この回転周波数と構造体の固有値を比べてみて同じ周波数帯域ならば、実際に共振が発生する可能性が高いという判断です。ですが、この段階では確定ではなく、当然ながら実機にて確認する必要があります。
 

共振を避けるための考え方

以上のステップで実際に共振を避ける設計ができるわけですが、実際に共振が発生し、この問題を解決する場合はどのようにしていくのでしょう。これはいろんなパターンが存在しますし、実際に共振が発生しても装置の仕様上問題ないケースもあるかと思います。
 

共振が発生して問題となるケースは振動にシビアな業界であり、その業界ではそもそも振動に弱い、例えば板金や製罐品などを母体となる構造体として選定していないでしょう。それらを踏まえて、抽象的な対策についてご紹介しようと思います。
 

対策を施すステップは以下になるかと思われます（参考）
※これがすべてではありませんのでご注意ください
 
１．問題となる周波数、振動の大きさとモードを把握する
 
２．理屈と現象の説明が付くか問いてみる
 
３．どの周波数まで逃がせば共振を避けれるか決める
 
４．信頼のある条件で解析し、対策を確認する
 
ここで肝とも呼べるステップが何番なのかわかりますでしょうか。もちろん、１番、２番です。
 
原因分析を間違えればその後のどんな対策も効果はありません。当たり前です。ですが、このステップを手を抜いてしまうエンジニアがたくさんいます。自分の判断の裏付けを取ろうとしないんですね。目の前の情報だけを鵜呑みにするのです。逆に１番、２番が確かなものならば、あとは自然と対策による効果が生まれます。生まれますが、特に構造体の対策はとても大変です。１つの例をご紹介します。
 

構造体の固有値が低周波の２５Hz付近にあったとします。回転体の回転周波数と共振してしまい振動が大きい問題があったとします。そのとき回転体の周波数は変更できないと仮定すると、対策としては構造体の形状や剛性を強化し回転周波数との位相をずらすことになります。
 

ここで構造体の固有値をずらすという設計変更を解析を使って行っていくわけですが、私の経験上、固有値をずらすという設計変更はとても大変です。形状を１から作り直すことができれば良いのですが、実機の評価段階で振動問題がわかった場合、大抵の場合、周囲部品との取り付け関係を守らないといけないため大幅な形状変更ができないという拘束があります。
 

こういった拘束条件の中で固有値をずらすということは非常に難しいのです。先述した固有値算出の計算式ρ＝√k/mを見てわかる通り、固有値を変える（上げる）ためには、バネ定数（剛性）を上げるか、質量を下げないといけないのです。いかに軽くて丈夫な構造体を設計できるかが重要となってきます。

やってはいけないこと

この話に限らないと思いますが、大事なことは、やり直しをなくすことです。ケアレスミス、確認ミス、計測ミス、判断ミス…パソコンの前に座ってできること以外に、実機での評価や組立、また解析といった膨大な時間を必要とする作業です。
 

特にちょっとしたケアレスミスや確認ミスで間違った情報で動いてしまった後には、膨大な損害が待っています。
 

日々やることを明確にして、間違いに気づいた時点ですぐに報告し、極力最小限の被害で済むように、細心の注意が必要です。逆に大きなミスにならない、小さなミスをたくさんして、自分の体で覚えていきましょう！
 

まとめ

いかがでしたでしょうか。かなり長文になってしまいました。共振問題は実は関係のない人には全く関係ありません！異なる業種で働いている今の自分にはほとんど問題になりません。ですが、関係のある人にとっては何としてでも解決したい問題です。
 

１．まずは共振を見つけること（問題点の顕在化）
２．次にその現象と理屈の合致検証（事象の整合性確認）
３．最後に設計手順の標準化（会社としての資産構築）
 

これらを念頭に作業を進めていければ、あなたのエンジニアとしての器も評価され、何より問題解決能力の高さをアピールできるかと思います。
 
この記事があなたの参考になれば幸いです。

あなたもタップハンドルを使って板金や鋼材にタップを立てたことはあるだろう。そのときタップを折った経験はないだろうか。私はこれまでに何本も折った経験がある。何本も折るということは、私自身、失敗から何も得られていない証拠だ。反省すべき点である。そこで今回は、自分なりにタップハンドルを使ってなぜタップが折れてしまうのかを考えてみたので、ご紹介しようと思う。

タップハンドルのタップが折れる原因を考えてみた

まずは原因について、自分の頭で考察してみる。ここでは知識や経験、感覚値をフルに使い、当たっている、外れているに関わらず、とにかくブレーンストーミングしてみることが大事である。

(タップが折れる原因一覧)　※思いつくままランダムに

・斜めにタップを立てるため負荷が大きくなり折れる
・タップサイズに対して手の力が強い
・細いタップが折れる限界負荷を感じ取れない
・切りくずをきれいに除去していない
・グリースをマメにつけていない
・グリースが間違っている
・タップの下穴が正確でない
・タップの切れ味が悪くなっている
・個数が増えると、気分的に焦る
・鋼材はまだ良いが、SUS材も一緒だと勘違いしナメている
・タップが折れてしまうというビビり感と作業を進めたいという葛藤がある
・タップハンドル本体が悪い。道具の問題

私なりに１２個出してみた。ここで、この原因一覧を分類分けしてみる。分類分けは、なるべく少なくて済むように３、４個ぐらいに分ける

1. 加工物
2. 工具
3. 立て方
4. 心理状態

今回はこの４つだ。この４つの分類に先ほどの原因を振り分けてみる。

加工物
・鋼材はまだ良いが、SUS材も一緒だと勘違いしナメている

工具
・タップの歯の切れ味が悪くなっている
・タップハンドルの使い方が悪い

立て方
・斜めにタップを立てるため負荷が大きくなり折れる
・タップサイズに対して手の力が強い
・細いタップが折れる限界負荷を感じ取れない
・切りくずをきれいに除去していない
・グリースをマメにつけていない
・グリースが間違っている
・タップの下穴が正確でない

心理状態
・個数が増えると、気分的に焦る
・タップが折れてしまうというビビり感と作業を進めたいという葛藤がある

ここで立て方や心理状態がタップが折れる原因に大きく作用していると思われがちだが、実はそうではない。立て方や心理状態というのは、正しい知識を身に付け、気持ちの整理ができた状態で作業を開始できれば、結果は変わってくるものだからだ。

例えば、この３つ

・鋼材はまだ良いが、SUS材も一緒だと勘違いしナメている
・タップの歯の切れ味が悪くなっている
・タップハンドルの使い方が悪い

をもっと深堀して正しい知識を身に付ければ、かなり改善されると考える。それは、スポーツも勉強も同じで、正しい知識を身に付けることによって、結果は変わるのだ。

タップが折れる原因を深堀りしてみる

ということで、今回は下記３つを深堀して、知識を新たに更新しようと思う。なんでもそうだが、仮説を立ててそれを立証する、このスタイルで仕事を進めなければならない。

鋼材はまだ良いが、SUS材も一緒だと勘違いしナメている

結論から言えば、SUS材は鋼材と比べてまったく別物だと考えたほうがいいだろう。硬さが全く違っていて、硬い。板厚もｔ９ｍｍ程度なら経験があるが、それ以上だとたぶん難しい。

SPCCやS45C、SS400など一般的な鋼材相手でもタップを折ってしまうのだから、SUS材は、作業に入る前にその３倍は簡単に折れるという意識を強く持ったほうがいい。

タップの切れ味が悪くなっている

実はこの部分の意識がすごく低いことに気が付いた。タップは工具箱にいつも常備されていて、タップが折れれば新しいものに交換するという感覚でいた。

でも実は、この当たり前意識がタップが折れる最大の原因になっていると考える。
それは、切削負荷がかなり違ってくるからだ。

タップの切れ味が悪い＝負荷（トルク）が大きくなる＝折れる
この構図を再度認識し直したほうが良い。

例えば、
同じＭ５タップでも切れ味が良い新品のタップならば、当然、軽くタップを立てることができる。しかし、だんだんと使っていくうちに、またしばらく使わないうちにタップの歯は劣化していく方向になる。これを新品タップの感覚のまま使い続けて、その感覚を残していると、タップに掛かる負荷（トルク）を手で感じ取れなくなるのだ。

新品の頃は、はじめ軽く→だんだんと硬くなるという感覚だが、使い続けるうちに、はじめから硬く→さらに硬くなるに変わる。はじめから硬く→さらに硬くなるのだから、変化に気づきにくくなるのは当然なのだ。

変化に気づかない＝折れるまで気づかない　になる。

ここを意識できれば、作業をする前に、新しいタップを使うとか、途中から怪しいと感じたら新しいタップに迷わず切り替えるという新たな選択肢が増えることになる。この発想で作業ができる時点でタップが折れる回数はグンと減るだろう。

タップハンドルの使い方が悪い

タップハンドルの大きさが２種類あることは皆さんご存じだろう。

1)M3-M8用
2)M5-M12用

である。タップハンドル本体の大きさも当然違っている。

この違いは、手で加えることができる力(回転力)に強制的に制限を設けているのである。すなわち、M3のタップを大きいタップハンドル2)で力を加えられないということである。

これはどういうことかというと、タップのサイズに応じて加えることができる回転力（＝トルク）に許容があるということだ。細いタップに大きな力を加えれば、当然折れてしまうので、その加えられる力を制限しているのである。

相手素材がSUS材のように硬くてM5のような細いタップを立てる場合などは、母材が硬いので大きな力を加えたいので大きな力を加えることができる大き目サイズのタップハンドルを使いがちだが、これだとタップの悲鳴が手に伝わりづらい。

このように慎重にタップを折らずに立てたいならば、小さめのタップハンドルを使ってタップの悲鳴を敏感に伝わるようにしなければならない。

知識を更新し、再度タップを立てて効果を確認する

このように、タップハンドルを使った知識をアップデートすることで、タップが折れる確率はグンと減ることだろう。それでも100%ではないが、極力リスクを下げることができるだろう。

この知識を持って、再度M5タップを１０ヶ所立ててみた。母材はSPCCの板厚ｔ4.5の廃材である。タップハンドルは小さめサイズのものを使った。

はじめは、これまで使っていたタップを使い、無理をせず、グリースを頻繁に塗って作業を行った。5ヶ所目まではなんとかタップを折らずに立てることができた。

折り返し地点の６ヶ所目。通常ならば、多少腕の疲れを感じてタップの悲鳴を感じ取れなくなる場面だ。そこで、一度、作業を中断し新しいタップに交換する。6ヶ所目のタップを立て始めると、新品に交換したタップが功を奏じ切れ味が良くなっていることを実感する。

と同時に、これまで使っていたタップの歯が傷んでいることを感じた。このままいくと、万が一折れていた可能性があると感じた。予想通り、このまま10ヶ所全部タップを折らずに作業を完了させた。タップを新品に交換しなくても折らない可能性もあったが、新品に交換することで、余分な力も必要なく心もゆとりが生まれたことは事実である。

今回は、タップハンドルを使ったタップの折れる原因を自分なりに考察してみたが、これはエンジニアとして大切な要素を含んでいる。自分で仮説を立てて、その仮説を立証し、その成功体験を自分の血肉とする。このことを覚えることの重要性を若いエンジニアの方に感じてほしい。

タップの下穴径は毎日仕事で関わっている人にとっては覚えているものですが、私のように現場仕事ではない人間にとっては毎回確認しないといけない数値のようなものです。スマホでタップの下穴径が手軽に確認できると便利かなと思い、備忘録として残します。下穴径だけでは物足りないため、ねじの種類についても記録しておきます。

ねじの種類

ねじには大まかに以下のような種類が存在します。

・ミリねじ（並目、細目）
・管用（くだよう）ねじ
・ユニファイねじ（インチねじ）

それぞれの違いやどんな時にこのねじが使い分けられるのかは、今度別記事に分けて詳細をお伝えしようと思いますが、今回はこの種類ごとにタップのねじ山が違うことに注意するようにしましょう。工具が違ってくるんですね。

ユニファイねじなのに、ミリねじタップを立ててしまった！とか
細目なのに並目でタップを立ててしまった！とか
失敗しがちですからね。
 

そういった失敗を避けるために、ねじの種類はちゃんと理解するようにしておきましょう。そうすれば自然と作業の前にどの種類のタップを求められているのかを知りたくなりますし、種類を把握して作業に入るようになると思います。
 

タップ工具の種類

タップを手で立てる場合、基本的にはタップハンドルとタップを使います。実際には、グリス類も使いますが今回は省きます。

このタップハンドルとタップですが、ねじの種類が異なるごとに刃物となるタップも変える必要が出てきます。

・ミリねじ（並目、細目）
・管用ねじ(PTタップ)
・ユニファイねじ(PFタップ)
 

タップのサイズによっては、タップハンドルも変える必要がでてきます。なので、タップと聞いて安易にミリねじのタップを思い浮かべてはいけません。必ずどのタップなのか確認するようにしましょう。
 

「ミリだよね？」とか
「PTだよね？」とかですね。

でこのインチだったり、ＰＴだったり、ＰＦだったり
ややっこしいんですよね。
 

なので、私の覚え方はこの４種類ならば、テーパのついたPTだけを覚えるようにします。PTは(Pipe Taper)の略ですので、すぐにテーパ工具だなと思い出せます。テーパのTですね。逆にPFのFは(Pipe Fastening)で平行ねじのことです。普通に覚えられる人は覚えてください^^
 

ミリねじ並目と細目の下穴径

ここからが本題の下穴径です。個別に表にしておきます。

管用ねじの下穴径

ユニファイねじ（インチねじ）の下穴径

ミリタップの下穴径覚え方

ぜんぜん覚える必要はないし、全部を覚えることはできないと思います。ですが、作業をしているといちいち下穴径を調べることすら面倒になることがあります。そんなときに、感覚値として覚えていると大体外れることがありません。
 

その感覚値というものを、ドリル工具の径で覚えておくという事です。ドリル工具は必ず下穴をあけるときに使う工具です。それをビジュアルで体で覚えるという意味ですね。例えば、

M3だったら、φ2.5のドリル
M4だったら、φ3.2のドリル
M5だったら、φ4.0のドリル
M6だったら、φ5.0のドリル
M8だったら、φ6.5のドリル
M10だったら、φ8.3のドリル
M12だったら、φ10のドリル
 

こんな感じで、タップの下穴ではなく使う工具で覚えてしまうとすごく覚えやすいですよね。逆に言えば、これら決まったドリル径だけを自分の工具箱に用意することで選択肢が狭くなり、間違い防止とともに体で覚えやすくなるということになります。ドリルの下穴径を覚えていない方はぜひ試してみてください。

設計の頂点と言えば、工作機械。

その工作機械の設計のすべてをこの本で学ぶことができます。

工作機械が、マザーマシンと呼ばれる所以は、すべての部品を工作機械が作り出すことからそう呼ばれている。

単純な話、切削加工部品は工作機械の精度以上には仕上げられない。

工作機械の精度がミクロン単位ならば、ナノ単位の部品加工はできないのだ。

ミクロンと言えば、１/１０００ミリだが、

人の髪の毛でさえ、１/１００ミリである。

髪の太さよりもさらに精度の良い加工品を仕上げるとはいったいどんな世界なのか？

知りたくないですか？

もし、エンジニアになりたいのであれば、

設計の頂点とも言える、マザーマシンの設計学を学びたくないだろうか？

そう、以前の私もエンジニアを目指す前の学生時代、マザーマシンの設計学を学びたくて悩んでいた時期があった。

どうやって、ミクロンオーダーの金属加工ができるのか、どうやって工作機械は設計されているのか。それを知るためには、工作機械メーカーに入って設計するしか手段がない。

だが、メーカーに就職が決まりいざ設計部に配属が決まると、あることを教えられた。

それは、”工作機械の設計学という本”だった。

この本は、社団法人　日本工作機械工業会が出版している本で、一般には販売されていない。

基礎編と応用編があるのだが、まさに工作機械の設計の基本を学べ、より具体的な方法が載せられているのだ。

基本構造体の設計から主軸（スピンドル）の構造、面拘束の手法や案内面の設計手法、剛性や熱対策までさまざまな要素がビッシリ書かれている良書。

この本を設計バイブルにみんな設計をしているわけだ。もちろん、この本に書かれていることがすべてではないし、あくまで基本を学べるということなのだが、その知識や解説が素人でもわかりやすいのだ。

メーカーには、それぞれ会社ごとに独自の設計ノウハウがある。だが、正直、はじめは難しくてチンプンカンプンだ。はじめはみんな素人なのだ。気にすることはない。そんなとき、ものすごい本を見つけてしまった。

それが、こちら

この本は、元メーカー側の人間である私が言うのもおかしいが、この本１冊で誰でもすぐにマシニングセンタのことを理解することができる。

小難しい設計学を学ぶよりも、よっぽどわかりやすく具体的な内容が載っている優良バイブルなのだ。ミクロンオーダーの仕上げ加工ができる工作機械のナゾがわかりやすく書かれているのだ。

もし、あなたがエンジニアを目指しているなら、１冊手元にあっても決して損はないと言えるだろう。工作機械のいろはがすべてわかってしまうのだから。

この内容で、このお値段はホント異常だと断言できる。

トコトンやさしいマシニングセンタの本 (今日からモノ知りシリーズ)

今回は切削加工の基礎知識として、特にフライス加工について初心者向けの解説をしようと思います。切削加工には大きく分けて２つあります。１つは加工物が回転して加工を行う旋盤加工と、もう１つは刃物が回転して加工を行うフライス加工に分けられます。今回は後者のフライス加工の説明となります。フライス加工でさらに３軸、５軸加工、同時５軸が理解できれば機械設計の幅が広がること間違いなしです。

汎用のフライス盤は当然のことながら実際に使ってみましょう。
 

では次にマシニングセンターについて解説します。マシニングセンターは工具交換を自動で行う全自動フライス盤なんですが、こちらも言葉の定義には背景があるのです。先ほどの汎用フライス盤から装置の歴史を見てみるとわかりやすいかなと思います。
 
≪マシニングセンターＭＣの歴史≫
汎用（手動操作）＋フライス盤　＝　汎用フライス盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋フライス盤　＝　ＮＣフライス盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋フライス盤　＋　自動工具交換　＝　マシニングセンター
 
昭和の時代では工作機械業界の会社を見てみると、ＭＣ専門の装置メーカーが存在し、旋盤専門の装置メーカーとは区別されていました。しかしながら、今では旋盤もフライスもさらには研削（グラインディングＧＤ）もと複合加工機の開発を進める装置メーカーが増えてきています。
 
≪複合加工機の主な組み合わせ≫

・ＭＣ＋ＴＣ
・ＴＣ＋ＧＤ
・ＭＣ＋ＧＤ
・ＭＣ＋ＴＣ＋ＧＤ
 
専門要素が増えすぎて設計の難易度が半端なく高くなっています。せめて、今から工作機械を学びたい人ならば、もうひとつターニングセンターについても知識として最低限知っておきましょう。
 
≪ターニングセンターＴＣの歴史≫

汎用（手動操作）＋旋盤　＝　汎用旋盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋旋盤　＝　ＮＣ旋盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋旋盤　＋　自動工具交換　＝　ターニングセンター
 
このように、自動化が進むことで汎用からＮＣ、ＭＣやＴＣへと装置も名前を変えてきているということが読み取れると思います。ただ、今の時代は自動化プラス工程集約ということで更なる効率化が進んでいるため、複合加工機という名称になってきています。
 

この軸がＸＹＺの３軸の装置では３軸加工ができることになります。上図は横形と呼ばれる工作機械の軸構成になります。単に、軸の数がそのまま〇軸加工になる、ということなんですが、３軸加工とはいったいどんな加工なのかということ理解しましょう。
 

例えば、
・板厚が９ｍｍの平板に穴を１００穴空ける
・ブロック形状の素材から外形を削る
・ブロック形状の素材からポケット加工を行う

といったイメージの加工ができるようになります。
 
ブロック素材をイメージするとわかりやすいですかね。３軸加工では青色部分が加工できるわけです。

 

３軸加工ができれば工夫次第で大体の加工ができます。ただし、斜め方向への加工ができませんね。治具を作成すればできるのですが、そのために治具を作るのは一苦労です。そこで５軸加工機が登場するのです。５軸機の軸の定義はこのようになります。

 

すると、このような加工ができるようになります。

 

このように軸数が増えることで加工の幅が広がるわけですね。当たり前なんですが。３軸加工では無理だった加工が、５軸機を使えばワークのチャッキングを外さずに１工程で加工できるようになります。
 

軸数が増えると素材から部品を仕上げるまでにかかる段取り時間や加工時間の短縮、ワークの載せ替え時間の短縮、より多くの時間を機械のプログラムで終わらせることができて、且つ、人の手間が減ることから皆に喜ばれる傾向になります。
 

ここで、先ほどご紹介した５軸加工なんですが、同時５軸加工という言葉もあります。先ほどのサンプル写真は同時５軸になりますね^^５軸加工とは５つの軸数を持った加工装置でできる加工を意味しますが、同時５軸とは言葉通り、５軸を同時に動かすことができる加工を意味します。
 

すなわち、５軸加工では極端な話、１軸１軸移動するたびに時間を止めてワークを加工する意味合いになりますが、同時５軸とはそのうちの３軸から５軸が同時に移動して加工するという意味合いになります。XY軸を動かしながらA軸を回転させるとかですね。動画を見てもらった方が早いのでこちらの動画を見てください。
 

ご覧になられて同時５軸が理解していただけたでしょうか。この同時５軸を駆使すると、このような加工物が仕上がるわけです。

同時５軸になると、加工プログラムも手書きでは無理になります。ＣＡＭというソフトでシミュレーションを行い、プログラムの自動作成をする形となりますね。
 

工作機械と言えば、一般的に立形のＭＣをイメージすると思います。しかしながら、横形のＭＣも存在します。立形があって、横形があって．．．というラインナップの話ではなく、工作機械の弱点を補うための特徴という意味合いがあります。
 

ここでフライス加工の欠点についてはじめに話しておきます。フライス加工とは基本的に主軸と呼ばれる刃物部分が上部からの
アプローチになります。これがすなわち、立形のＭＣの特徴です。
 

工作物の上部からのアプローチで素材を加工するわけですね。これだと、横面の加工を行うためには段取り替えをしないといけないわけです。

 

横面(青色部分)の加工が多い形状は横形マシニングセンターが加工に向いているわけです。横形のマシニングセンターは、主軸が横向きに設置されているため、B軸が回転すれば、段取り替え不要で加工を進めることができるのです。

 

逆に横形は上面からの加工が多い形状には不向きだと言えます。こういった向き/不向きは何で決まるかというと、段取り替えや加工基準を決める作業、ワークの運搬作業で決まるのです。段取り替えのネックは作業者が一度ワークを固定して加工のゼロ点を決めたものを解放させてしまうことです。
 

ワークを一度フリーにしてしまうということは、段取り替え後、また加工のゼロ点を慎重に決めなおさないといけない事になります。作業としてはそこまで難しくはないのですが、そこには人為的なミスが隠れています。
 

このような段取り替えが一切なければ、はじめのプログラム確認だけ集中して慎重にチェックすれば、あとは放っておけばいいのです。また、段取り替えには加工物（ワーク）の運搬もはいってきます。ワークのサイズにもよりますが、ＭＣやＴＣで加工するワークは普通、重量も重く人力では到底運べない重さになります。
 

クレーンを使って慎重にワークの向きを変えて治具で固定し、加工のゼロ点を決める作業が増えてしまうのです。ここにも人為的なミスが隠れていますよね。作業者は人為的なミスを嫌がります。
 

なので、できるだけ、立形ＭＣに向いている形状は立形ＭＣで加工したいし、横形ＭＣに向いている形状は横形ＭＣで加工したいわけです。多くの加工工場に、立形と横形のマシニングセンターが複数台置かれているのはこのためなのです。
 

マシニングセンターには以上のような理由から

・立形マシニングセンター
・横形マシニングセンター

と種類分けされていることを覚えておきましょう。世の中にはもっと軸構成が複雑な工作機械がありますが、基本的にこれらを理解しておけば、問題ありません。
 

近年では工程集約を実現した複合加工機があります。複合加工機とは、これまで解説してきた「マシニング＋ターニング」を兼ね備えた加工機となります。
 

ワークの段取り替えの解説をしてきましたが、それ以外にも工程替えも存在します。これまでは丸物形状をターニングで行い、フライス加工は別の機械にワークを乗せ換えることが当たり前でした。
 

量をこなすためには、同じ形状や似た形状のワークを同じ機械にセットして次から次へと流したほうがいいですからね。ただ、部品の仕上げ形状によってはどうしても１つの機械だけでは難しく、別の機械を使って図面仕様を満足させないといけないものもあります。２段階もしくは３段階の工程が必要となる部品です。大手工作機械メーカーはこの工程を短縮させるために複合加工機を開発しているのです。着眼点がすごいですよね。
 

１つの機械でワークの段取り替えもワークの運搬作業もいらなくなれば、これまでの加工時間を大幅に短縮できることになりますよね。そういった複合加工機がこちらになります。

 

こちらはブレード加工のサンプル動画です。

 

その代わりといっては何ですが、お値段も倍近くになることは容易に想像がつきますよね。この部分にユーザーが価値を感じて、数年でペイできるか試算できれば高くても機械を買うのでしょう。
 

更なる進化としてグラインディング（研削）仕様の装置も開発されています。部品には表面を仕上げる図面指示が書かれています。▽の記号で書かれていたり、表面粗さを数値で表されていたり。その中でピッカピカに仕上げてねといった、研磨加工指示の部品があります。
 

これまで研磨面を必要とする高精度な加工部品は当然のことながら研削盤と呼ばれる加工機を使って加工をする必要がありました。ここにも工程替えが発生していました。この部分の工程をなくすために、この研削加工すら１つの機械で終わらせる優れモノの加工機がグラインディング仕様となります。

この動画は約１０分くらいありますが、これだけでお腹一杯になる加工です。こんなに複雑な形状の部品を１台の複合加工機で完結できるのはとてもすばらしいですよね。工作機械メーカーはこういった技術的なハードルを次々とクリアして、お客様の要望に応えているんですね。
 

もちろん、どれも簡単な技術ではなく、日々実験と検証を繰り返し、技術者は失敗を繰り返し、最終製品となる装置を世の中に出しているんですね。
 

工作機械メーカーはこのように日々技術の進化をしてきています。工作機械メーカー以外のエンジニアはこれら工作機械の知識を理解する必要があるのです。なぜなら、加工法を理解することで、自分の設計部品を安く仕上げることができるからです。だからといって、詳しく掘り下げて知る必要はありません。ザックリと上辺だけで良いです。では機械設計初心者のあなたが何を知るべきかかなんですが．．．
 

まずは自分の取引先である加工業者がどんな加工機を所有しているのかから始まります。これを知れば、自分の中で選択肢ができるわけです。複数の業者を調べれば、どこにどの部品をお願いして制作してもらうか振り分けられますよね。
 

そして、ＭＣやＴＣでどのように部品が加工されるのかを現物を見ることです。そうすれば、加工順序をイメージしながら設計できます。
 

最後にどのレベルの仕上げ加工ができるのかを把握します。加工精度や表面仕上げ、部品の外観や検査工程など。こういったことを考えて設計に入れば、そもそも設計のやり直しがなくなります。やり直しがあるうちは、まだまだ設計者として半人前です。やり直しがなくなってはじめて次のステージを迎えます。
 

先人たちは少なくともこういったことを理解し、日々設計という仕事に向き合っていますので、あなたもぜひ取り組んでみてほしいです。

当サイトでは、以前に「ボルトの強度計算」に関する計算方法を紹介しています。たくさんの方に読んでいただき、コメントもたくさん頂いております。ありがとうございます。そこで今回はボルト強度計算の第２弾として、荷重に対する必要ボルトサイズと本数の計算方法を紹介していこうと思います。計算にはすべて答えをつけており、中学校レベルの計算問題ですので、わかりやすいかと思います。ご参考にして下さい。

鉄の物理的性質（引張り強さ）のおさらい

荷重に対する計算ですので当然ながら、金属の物理的性質は出てきます。まずここを把握しておかないと話になりません。

また、今回は引張り強さを用いますが、ボルト荷重は引張りで受けることを前提としているからです。どうしても荷重をせん断で受ける場合にはせん断強さを使うようにして下さい。

私の備忘録を訪れるエンジニアは大抵の場合、何か答えを求めて訪問してくれる方が多いと思いますので、今回はせん断荷重にて計算しています(＾＾

使用ボルトの有効断面積のおさらい

荷重はボルトの有効断面積で受けますので、各ボルトサイズの有効断面積を把握しておく必要があります。これは理解するというよりは、知っていればＯＫという感じです。ただ、実際の計算の中では面積の使い分けが必要ですので、お忘れなく！

実際の計算例を紹介

それでは問題です。こちらの計算が解説なしで理解できるでしょうか？

今回お見せするエクセル計算のおおまかな流れは以下の通りです。

STEP

想定する荷重を決定

想定される荷重を設定します。大抵は重量を考えればいいと思います。ただ、衝撃荷重が加わる部分ならば外力をプラスで設定してあげましょう。

STEP

せん断強さの計算

金属の材質が持つ引張り強さをもとに、せん断強さを求めます。例題では、せん断強さを引張り強さの60%で計算しています。

STEP

荷重に耐えうる有効断面積

荷重に対してどのくらいの有効断面積が必要なのかを計算で求めています。

STEP

安全率の設定

荷重が軽くて静的な荷重であれば、３～５倍で十分だと思います。かなりの負荷が想定できて搬送中も条件が悪い場合は、１０倍としてみています。ここは個人というか、社風ごとに考え方が違うと思います。

STEP

必要なボルト直径φmmの計算

荷重と安全率から求めたトータル荷重より、それに耐えうる直径を計算します。

STEP

ボルトサイズごとの必要本数

ボルトのサイズに応じて有効断面積は決まっていますので、それぞれ求めたいサイズの有効断面積を使って必要本数を計算します。もちろん、私のようにサイズに関係なくＭ６からＭ１２までそろえて計算すると便利ですよね。

もしすんなり分かるのであれば、あなたは問題ありませんね。もし分からなければ、これからお見せする具体的な解説を見てください。

[訂正とお詫び]
これまで上記計算の中身に関して、たくさんの方からコメントを頂きました。こちらが正しい計算となります。ご指導、ご指摘頂きました皆様、本当に感謝致します。また、自分で自分の計算を理解できていなかったことを深く反省致しますm(__)m。

また、d^2を使う理由は何でしょうか？ということですが、断面積の面積を求める公式から直径ｄを算出することで、それが断面積だと勘違いしておりました。結果的に安全率をさらに高めた結果となり設計していたことになります。計算の意図とは異なる計算をしていたことになります。大変申訳ありませんでした。

今回の例で言えば、安全率１０をみた荷重に耐えるためには、

Ｍ６ボルトの場合、最低３６本の締結が必要
Ｍ８ボルトの場合、最低２０本の締結が必要
Ｍ１０ボルトの場合、最低１２本の締結が必要
Ｍ１２ボルトの場合、最低９本の締結が必要

ということになります。

今回私が作成したエクセルでは、黄色のシート、つまり荷重と安全率だけが入力であとは自動計算できるようにしています。こうすることで、いろんな荷重計算を一瞬で確認することができ便利です。

あなたもぜひ日々の設計に役立ててください。