埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 1/21 設計製図の基礎知識 (第 6 版) 埼玉工業大学工学部機械工学科 小西克享 1 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 2/21 はじめに 本書は，埼玉工業大学工学部機械工学科 3 年生を対象とした実習科目である「設計製図ⅠおよびⅡ」 において，設計および製図の基礎知識を復習する目的から編纂したものである．本書には，最低限理解 しておくべき JIS 規格，材料力学，金属材料学，機械工作法，機械設計法などの基本的な事項で構成さ れている．より高度な設計製図を行うには，それぞれの分野の専門書を用いて，さらなる学習が必要であ ることは言うまでもない． なお，本書の内容に準拠して，設計製図基礎知識実力診断問題(第 7 版)を作成してあるので，合わせ て使用することをお勧めする． 平成 22 年 4 月 20 日 機械工学科 小西克享 2 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 3/21 設計製図の基礎 第 1 章 機械設計の基礎知識 １．機械設計とは 機械設計とは機械に要求される機能を実現するため，機構，構造，部品の材質・形状・寸法を 決定すること（基本設計，詳細設計）．機械は破壊や破損しないだけの強度を保つ必要がある． このため，機械設計では強度計算が不可欠となる．設計に引き続いて，設計図（計画図，部品図， 組立図など）が描かれる．本当に良い機械を設計するには，機械材料，材料力学，機械工作法， 機械設計法など幅広い専門知識が必要である． ① 基本設計：機能，形態，基本寸法などの決定 ② 詳細設計：細部の構造，機構，材料，加工法，寸法，はめあいなどの決定 設計製図の流れ 基本設計 → 詳細設計 → 計画図 → 部品図＆組立図 ｜→ 設計製図Ⅰ 外注 設計製図Ⅱ ２．機械が備えるべき条件 ① 安全に使用できること ② 人体や環境に悪影響を及ぼさないこと． ３．標準化 機械は多数の部品で構成されるが，生産コスト，修繕コストの低減のため，加工，組立，分解 修理などにかかる無理や無駄を無くし，整理単純化して統一をはからなければならない．このこ とを標準化と呼ぶ．統一のための基準を「標準」もしくは「規格」と呼ぶ．規格には国際規格， 国家規格，団体規格，社内規格などの種類がある． 標準化の例）部品を取り付けるボルトの種類を出来るだけ統一する． ４．日本工業規格 部品を設計する場合，原則として国家規格である JIS（日本工業規格）で決められたルール（規 格）に従わなければならない．JIS には各種材料や製図法，材料試験方法など様々な種類がある． また，近年，各国で独立していた規格を統一する動きがあり，国際規格である ISO（国際標準化 機構）規格に準拠するよう JIS の内容も改められつつある．ISO 規格で用いられる単位系は SI（国 際単位系，SI 単位と呼ぶこともある）である． ５．設計思想 (1) フェイルセーフ 誤操作をしても危険な状態とならないようにする設計思想 (2) フールプルーフ 誤操作しにくいようにする設計思想 (3) 製造物責任 3 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 4/21 通常の使用方法で事故が発生した場合には，製造者に責任があること． 第２章 JIS 製図規格 １．用紙の大きさ： JIS P 0138（紙の仕上がり寸法） A 列： A0（面積 1m2）を基準に面積比 A0:A1:A2:A3:A4:A5=1:1/2:1/4:1/8:1/16:1/32 B 列： B0（面積 1.5m2）を基準に面積比 B0:B1:B2:B3:B4:B5=1:1/2:1/4:1/8:1/16:1/32 ともに長辺：短辺 = 2 :1 ２．図面の大きさと向き：（JIS B 0001 機械製図） A5 A 列の A0 から A4 を使用 A3 図面は用紙を横長にして描く．ただし，A4 は縦 A4 A0 長も可 （一般的に A4 は縦長で用いることが多い） A2 1189 ３．図面の尺度（推奨尺度）：JIS Z8314（製図－尺度） 現尺 1:1 倍尺 50:1 20:1 10:1 5:1 2:1 縮尺 1:2 1:5 1:10 1:20 1:50 1:100・・・・ ４．線： JIS Z 8312（製図－表示の一般原則－線の基本原則） (1) 線の太さの比率 細線：太線：極太線 = 1 : 2 : 4 (2) 線の太さの基準 mm 0.13, 0.18, 0.25, 0.35, 0.5, 0.7, 1, 1.4, 2 鉛筆書き製図では，細線：太線：極太線 = 0.25 : 0.5 : 1 が慣例 (3) 線の種類と用途 ① 種類 実線 破線 一点鎖線 二点鎖線 ② 用途 外形線 太い実線① 寸法線 寸法補助線 引出線 細い実線② 中心線 かくれ線 細い破線（太い破線）③ 4 A1 841 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 5/21 中心線 基準線 細い一点鎖線④ ピッチ線 特殊指定線 太い一点鎖線⑤ 想像線 細い二点鎖線⑥ 破断線 不規則な細い実線⑦ 切断線 細い一点鎖線と太線⑧ ５．文字： JIS Z 8313（製図－文字） (1) 文字の種類と書体 ① 漢字・ひらがな・カタカナ： 直立体 ② ローマ字・数字・記号： 直立体か右へ 15°傾く斜体（注：斜体が一般的） (2) 文字の大きさ ① 漢字： 3.5, 5, 7, 10 の 4 種類 ② かな： 2.5, 3.5, 5, 7, 10 の 5 種類 ６．投影法： JIS Z 8316 斜投影 (1) 正投影法と斜投影法 ① 正投影： 品物の投影する面を投影面に 平行に置き，投影面に直角に投影する． ② 斜投影： 品物の投影する面を投影面に 平行に置き，任意の方向から投影面に 投影面 斜投影図 投影する． 正投影 (2) 主投影図 正投影図 ① 加工すべき品物は 3 次元物体 ② 3 次元物体を立体的に表すのは（立体図示），① 視覚的には有効，② 作図に膨大な時 間が必要 ③ 必要に応じていくつかの方向から見た状態を図にし，並べて表示． ④ 物体の形状をもっとも良く現す図を主投影図として描き，これを正面図とする． ⑤ 主投影図だけで形状を正確に表せないとき，さらに補足図（平面図，側面図など）を追 加する． (3) 第１角法と第３角法： JIS B 0001 主投影面（正面図を描く面）を基準に， 補助図は主投影面の法線に互いに直角 な 2 つの方向から正投影法により投影す る方法．図面の中に主投影図と補助図を 平面図 第2角 配置する基準が人によって異なると，品 第1角 第4角 物の形状が正しく他人に伝わらず間違 第3角 いの元． 側面図 5 正面図 ∥ 主投影面 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 6/21 平面図 平面図 平面図 側面図 正面図 ↑ 主投影面 正面図 ↑ 主投影面 側面図 正面図 側面図 規則 ① 正投影法を用いる． ② 3 つの投影面を直角に配置すると，空間に第 1 角から第 4 角まで 4 つの領域ができる． ③ 第 3 角に品物を置いて投影する．（第 3 角法） 注意： 第 1 角に品物を置いて投影する第 1 角法はイギリスで発達．第 3 角法はアメリカで発達． ④ 投影面を平面に展開 (4) 三面図 品物を，正面図，平面図，側面図の 3 つの図で表した図面を三面図と呼ぶ． 主投影図と 1 つの補足図で表した図面を二面図と呼ぶ． 主投影図のみで表した図面を一面図と呼ぶ． (5) 展開図 製品を平面に展開した図．板金製品のように，出来上がりの状態を図示しただけではどの ような大きさの材料が必要か分かりづらい．このようなときは，展開図を用いる． (6) 部分投影図 品物の一部を部分的に描いた図．簡素化のため三面図を用いず，二面図か一面図と部分投 影図を組み合わせる場合や，三面図だけでは形状を十分に表せない場合に併用する． ７．寸法記入 (1) 寸法線と寸法補助線 区分 形状の一点から引きだした線を寸法補助線 という．寸法補助線間を矢印の付いた寸法 線で結び，寸法値を記入する． (2) 寸法補助記号 図面に描かれた形状だけでは，円か四角 かわからない場合など，形を明確にするた め補助的に用いる記号．例．φ10＝直径 10mm 6 記号 呼び方 直径 φ まる 半径 Ｒ アール 球の直径 Ｓφ エスまる 球の半径 ＳＲ エスアール 正方形の一辺 □ かく 円弧の長さ ⌒ えんこ 板の厚さ ｔ ティー 45°の面取り Ｃ シー 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 7/21 (3) 穴の表し方 ① 加工方法 加工方法を示す必要がある場合に用いる． 例．直径 10mm のドリルで穴あけ加工を行う場合 10 キリ ② 穴の個数 穴の総数×寸法で表す．例．2×10 キリ ③ 深さ 図に寸法線と数値を記入するか，次の例のように表記する． 例．10 キリ深 20 ④ 座ぐり 次の例のように表記する． 加工方法 簡略指示 例１．10 キリ深 20，24 座ぐり（φ24 で表面の黒皮を取る程度の 鋳放し イヌキ とき） プレス抜き 打ヌキ 例２．10 キリ深 20，24 深座ぐり 5（φ24 で深さ 5mm まで座ぐ キリもみ キリ りを行うとき） リーマ仕上げ リーマ ８．寸法公差とはめあい： JIS B 0401 寸法公差および しめしろ はめあい すきま (1) 寸法公差 指定された寸法通りに正確に品物を加工する ことは不可能であり，必ず何らかの寸法誤差を生 じる．そこで，指定された値を基準に許容しうる範囲を定め，これを寸法公差と呼ぶ． (2) はめあいの種類 穴に軸をはめるとき，穴と軸の間にできる隙間の程度によって，以下のように呼ばれる． ① すきまばめ： 穴と軸の間に十分な隙間があり，簡単に軸を抜き差ししたり，回転した りできる状態のはめあい ② 中間ばめ： 「すきまばめ」と「しまりばめ」の中間のはめあい ③ しまりばめ： 軸の方が穴より大きく，そのままでは軸が穴に入らないが，穴を加熱し て直径を大きくするか，軸を冷却して直径を小さくし，またはそれらを併用 して軸を穴に挿入する「はめあい」 基準穴 軸 基準穴 すきまばめ 軸 しまりばめ 基準穴 軸 中間ばめ (3)「穴基準はめあい」と「軸基準はめあい」 穴基準はめあい： 穴の直径範囲に基準を設け，それにはめ込む軸の直径を調整することで 「すきま，中間，しまり」のはめあいの状態を得る方法をいう．このとき 7 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 8/21 基準となる穴を基準穴という．常用すべき穴基準はめあいとして，基準穴 が H6 から H10 の範囲で規定されている． 軸基準はめあい： 穴基準はめあいとは逆に軸の直径範囲に基準を設け，それにはめ込む穴 の直径を調整することで「すきま，中間，しまり」のはめあいの状態を得 る方法をいう．このとき基準となる軸を基準軸という．常用すべき軸基準 はめあいとして，基準軸が h5 から h9 の範囲で規定されている． 一般には軸の方が加工しやすいので，軸の寸法交差ではめあいの種類が決定できる「穴基準は めあい」を用いることが多い． ９．幾何公差 一般に，機械加工では幾何学的に正しい形状（例 真直度 平面度 真円度 平行度 直角度 傾斜度 位置度 同心度 同軸度 円筒度 えば，真円）に品物を加工することは不可能であり， 必ず誤差を生じたものとなる．高い精度が要求され る部品では必ず許容される誤差範囲を指定する必要 がある．これを幾何公差とよぶ． (1) 種類 対称度 ① 形状公差 0.2 真直度，平面度，真円度，円筒度 A ② 姿勢公差 平行度，直角度，傾斜度 ③ 位置公差 位置度，同心度，同軸度，対称度 A (2) 表記例（右図参照） ９．表面粗さと面の指示記号 (1) 表面粗さ： JIS B 0601 表面粗さの定義と表示 表面粗さを示すパラメータには算術平均粗さ Ra，最大高さ Ry，十点平均粗さ Rz などがあ る． 算術平均粗さ Ra：粗さ曲線の平均線より上下の面積を測定区間の長さで割った値． 最大高さ Ry：粗さ曲線の山頂と谷底間の最大距離 十点平均粗さ Rz：粗さ曲線の平均線を基準に山頂までの距離と谷底までの距離の大きいもの からそれぞれ 5 個ずつの平均値 (2) 面の指示記号： JIS B 0031 面の肌の図示方法 品物の表面の状態を示すには，以下に示す指示記号を用い，表面粗さの値を記入する．表 面粗さを示すパラメータは必要に応じて使い分けられるが，一般的には Ra が多用されている． ① 除去加工の要否を問わない ② 除去加工を要する ③ 除去加工を禁じる．or 前の加工状態を保つ 8 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 9/21 例 3.2 3.2 3.2 １０．溶接記号 (1) 種類 溶接部の形状により，① グルーブ溶 接，ただし，グルーブ（開先）形状に 15 種あり，② すみ肉溶接，③ プラグ 接 溶 ブ ー ル グ 接 溶 肉 み す 接 溶 グ ラ プ 溶接，④肉盛溶接に大別される． (2) 記入例 １１．特別な図示方法 (1) 対称図形の省略 対称図示記号を描くか，図形を中心線より少し超え た部分まで描くことで片側の図示を省略できる． (2) 繰り返し図形の省略 5×10 キリ通し 5×10 キリ通し 同じ加工を複数行う場合，中心線やピッチ線 を表示することにより，図形の図示を省略する ことが出来る． 4×10 キリ通し (3) ピッチ円上の穴の表示 ピッチ円上の穴は１つだけ表示し，残りは表 示しない． (4) かくれ線の省略 図面が複雑になるのを避けるため，かくれ線の 表示は必要最小限にとどめる． (5) ２つの面の交わり部の表示 ① 面の交差部に丸みがある場合 ② リブの末端部の表記 9 4×10 キリ通し 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 10/21 ③ 相貫線 曲面同士もしくは曲面と平面の相貫線は曲率 の程度によって異なる． (6) 平面の表示： 品物の一部分を平面に加工する場合，平面部分には細 い実践で対角線を描く． １２．ねじ (1) ねじの種類 ねじ山の断面形状により， ① 三角ねじ： ねじ山の角度（頂角）60°，「メートルねじ」 に採用． ② 角ねじ： ねじ山の角度（頂角）10°（ねじ山の断面が 正方形に近い）．軸方向に最も大きな力を伝 達可能．Ex. ジャッキ，プレス用ねじ ③ 台形ねじ： ねじ山の角度（頂角）30°（メートル台形ね じ）．軸方向に大きな力を伝達可能．Ex. 工 作機械の親ねじ ④ のこ歯ねじ： ⑤ 丸ねじ (2) ねじの基本 ① ねじ条数：ねじ山の数．通常はねじ山の数は 1 本で，1 条ねじと呼ばれる．2 本のときは 2 条ねじ． ② ピッチ： 隣り合うねじ山間の距離． ③ リード：ねじを一回転したときに軸方向に進む距離．1 条ねじではリードとピッチは一致， 2 条ねじでは，リード＝２×ピッチ ④ おねじとめねじ：おねじ＝軸の外周に切ったねじ，めねじ＝穴の内面に切ったねじ ⑤ バックラッシュ：めねじにおねじをねじ込む，ねじ山間に少し隙間ができる．このすき まをバックラッシュと呼ぶ． ⑥ 右ねじと左ねじ：右ねじ＝時計回りにねじ山を形成したねじ．左ねじ＝反時計回りにね じ山を形成したねじ． ⑦ 摩擦角ρ：摩擦係数をμとすると， µ = cos ρ となる．ねじが自然にゆるむ限界の角度を 表す． (3) ねじ表記 ① ねじの呼び： メートル並目ねじの場合（メートルねじを表す M とねじサイズ） M10 直径 10mm のメートル並目ねじ メートル細目ねじの場合（メートルねじを表す M とねじサイズ×ピッチ） 10 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 11/21 M10×0.75 直径 10mm ピッチ 0.75mm のメートル細目ねじ (4) ねじ製図： JIS B 0002 ねじ製図 板をボルト止めする様子を右図に示す。旧 JIS 規格と新 JIS 規格（1998）でめねじのかみ 込みの表記が変わった点に注意。 M12 ネジ深 16 下穴 10.2 深 20 16 旧 JIS 寸法記入例 φ10.2 新 JIS M12 ネジ深 16 下穴 10.2 深 20 20 M12 １３．歯車 (1) 歯車の種類 平歯車，はすば歯車，やまば歯車，すぐばかさ歯車，まがりばかさ歯車，ハイポイドギヤ， ウォームギヤ，ねじ歯車，ラックとピニオン (2) 歯形 ① サイクロイド： 歯面同士のすべりがなく歯形としては理想的．加工困難． ② インボリュート： 歯面同士のすべりが存在し，歯形としてはサイクロイドより劣るが加工容易． (3) 用語 ① ピッチ円： 2 つの歯車の回転中心を結ぶ線上で歯面と歯面が接触する点をピッチ点と呼び，回転 中心を中心とし，ピッチ点を通る円をピッチ円と呼ぶ．２つの歯車の運動はピッチ円を 輪郭とする摩擦車の運動に等しい． ② モジュール m ピッチ円直径 d を歯数 z で割った値． m = d z モジュールの等しい歯車は大きさに関係なく，かみ合うことができる． ③ 円ピッチ t ピッチ円の周長を歯数 z で割った値． t = πd z =π m ④ 圧力角： ピッチ点で 2 つの歯面が接するとき，共通接線と半径方向のなす角度． 歯先円 ピッチ円 歯底円 (4) 歯車製図（右図参照） 11 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 12/21 第３章 機械材料 機械部品に用いられる材質には，鉄鋼（鉄，鋼，ステンレス），アルミニウム，黄銅，銅など の金属材料とプラスチック，ゴムなどの非金属材料がありこれらを総称して機械材料と呼ぶ． １．機械材料の種類 (1) 金属材料 ① 鉄鋼（比重 7.9） ・種別に，炭素鋼，合金鋼（高速度鋼，ステンレスなど），鋳鉄 ・炭素含有量の少ないものから純鉄，軟鋼，硬鋼，鋳鉄 ・用途別に，構造用炭素鋼（C0.6％以下），工具鋼（C>0.6%） ② 非鉄金属材料 アルミニウム（比重約 2.7）およびアルミニウム合金，銅および銅合金（比重約 8.9）， 黄銅，その他の合金 (2) 非金属材料 合成樹脂（プラスチック），ゴム，木材 (3) 特徴と用途 鋼，鋳鋼：強い（高炭素鋼になると硬い）（各種構造用部材用） ステンレス鋼：強くてさびにくい（耐食性部品用） 鋳鉄：流動性に富み，熱に強い．複雑な形状部品の鋳込みに適す． アルミニウム：軽い（比重 鉄：アルミ＝7.9：2.7）（アルミサッシ，アルミ箔） 黄銅：加工容易（小ねじ） 銅：やわらかく，熱伝導性良（各種パッキン，伝熱管） ２．金属材料の性質 (1) 金属材料が持つ基本的な性質． ① 展性：薄い板や箔に引き伸ばすことができる性質． ② 延性：弾性限度を超えても破壊することなく塑性的に変形する性質 ③ 脆性：外力による変形量が小さいうちに破壊する性質 ④ 弾性：応力を除去すると元の形に戻る性質 ⑤ 塑性：応力を除去しても元の形まで戻ることのない性質 (2) 熱処理：金属は加熱や急冷によって結晶組織が変化し，硬さやもろさが変化する． ① 焼入れ：高温の状態から急冷して金属組織を硬くすること．焼入れできるのは鋼のみ ② 焼きもどし：もろさを改善するため，再加熱すること ③ 焼きならし・焼きなまし：高温の状態から空中放冷してひずみ除去や組織の正常化を図 ること ３．炭素鋼 (1) 一般構造用圧延鋼材（JIS B 3101）SS 材 SS330, SS400, SS490, SS540 の 4 種．数字は引張り強さ［N/mm2］を表す．（例）SS330 → 330 N/mm2 12 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 13/21 建築，橋梁，船舶，鉄道車両ほかの構造物に用いる．鋼板，平鋼，形鋼，棒鋼がある． (2) 機械構造用炭素鋼材（JIS G 4051） S10C, S12C, ･･･, S58C の 20 種．数字は炭素含有量×100［%］を表す．（例）S10C → 0.1% 機械部品用材料として使用．S25C 以下が切削加工性がよい．焼入れ，焼もどしの熱処理を 行わないで使用する． S28C 以上 焼入れ，焼もどしの熱処理を行う． S30C～S35C 鍛造，溶接，切削加工容易 S40C～S43C 高周波焼入れを行い，歯車として用いる． S50C～S58C 焼割れを生じやすい． (3) 炭素鋼鍛鋼品（鍛鋼）（JIS G 3201） SF340A, SF390A, SF440A, SF490A, SF540A, SF590A, SF540B, SF590B, SF640B の 9 種． 数字は引張り強さ［N/mm2］を表す．（例）SF340A → 340 N/mm2 鍛造に適す． (4) 炭素鋼鋳鋼品（鋳鋼）（JIS G 5101） （例）SC360 → 360 SC360, SC410, SC450, SC480 の 4 種．数字は引張り強さ［N/mm2］を表す． N/mm2 鋼鋳物用として用いられる．後述の鋳鉄より融点が高く鋳造が困難だが，強度に勝る． ４．合金鋼 C 以外の元素を添加した鋼．添加される元素には，Cr（クロム），Ni（ニッケル），W（タン グステン），Si（シリコン），Mn（マンガン），Mo（モリブデン）などがあり，用途，目的によ り，元素の組み合わせや含有量が異なる． (1) 構造用合金鋼 ① クロム鋼（JIS G 4104） SCr415, SCr420, ･･･, SCr445 の 6 種．数字の下二桁は炭素含有量×100［%］を表す． ② クロム・モリブデン鋼（JIS G 4105） SCM415, SCM418, ･･･, SCM822 の 8 種．数字の下二桁は炭素含有量×100［%］を表す． ③ ニッケル・クロム・モリブデン鋼（JIS G 4103） SNCM220, SNCM240, ･･･, SNCM815 の 11 種．数字の下二桁は炭素含有量×100［%］を 表す． (2) ステンレス鋼（耐食・耐熱用鋼）（JIS G 4303～4309） Cr を主成分とするもの，Cr と Ni を主成分とするもの，Cr, Ni のほか Si, W, Cu, V などを 含むもの 3 種がある．熱処理に対する性質により，焼入れで硬化するマルテンサイト型，硬 化しないフェライト型とオーステナイト型がある． ① 低炭素高クロム系ステンレス鋼（フェライト型） 13Cr 鋼が代表格．磁石にくっ付く．少しさびる．記号： SUS410L ② 高炭素高クロム系ステンレス鋼（マルテンサイト型） 13Cr 鋼が代表格．磁石にくっ付く．少しさびる．記号： SUS410 ③ クロム・ニッケル系ステンレス鋼（オーステナイト型） 18Cr-8Ni 鋼（18-8 ステンレスとも呼ぶ．17～20%Cr, 7～10%Ni）が代表格． 磁石に付かない．さびにくい．記号： SUS304 13 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 14/21 ５．鋳鉄 複雑な形状の部品は鋳造によって作られる．鋳造材料としては鋳鉄が古くから用いられてきた． 通常，2.5～3.5%の C を含む．流動性が良く安価であるが，衝撃強さに劣る． (1) 種類 ① 普通鋳鉄（ネズミ鋳鉄）（JIS G 5501） 鋳物の破面がネズミ色．3.2～3.8%C 含有．家庭用器具から機械部品まで広い用途． 引張り強さ 100～350 N/mm2（炭素鋼より小）．圧縮強さは引張り強さの約 3 倍 FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350 の 6 種．数字は引張り強さ［N/mm2］を表す． ② 可鍛鋳鉄 A. 黒心可鍛鋳鉄（JIS G 5702） 鋳鉄を熱処理してセメンタイトを黒鉛化したもの． FCMB270, FCMB310, FCMB340, FCMB360 の 4 種．数字は引張り強さ［N/mm2］を表す． B. 白心可鍛鋳鉄（JIS G 5703） 鋳鉄を熱処理して脱炭し，ねばり強さを与えたもの． FCMW330, FCMW370, FCMWP440, FCMWP490, FCMWP540 の 5 種．数字は引張り強さ ［N/mm2］を表す． C. パーライト可鍛鋳鉄（JIS G 5704） 熱処理過程で黒鉛化を途中でやめ，ねばり強さを与えたもの． FCMP440, FCMP490, FCMP540, FCMP590, FCMP690 の 5 種．数字は引張り強さ ［N/mm2］ を表す． ③ 球状黒鉛鋳鉄（JIS G 5502） 鋳放しの状態で黒鉛を球状に析出させたもの．ねばり強さ，伸びが改善されている． FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800 の 7 種．数字は引張り強さ ［N/mm2］を表す． ６．非鉄金属材料 (1) アルミニウムおよびアルミニウム合金（JIS H 4000 ほか） A×××× 1 位は合金系統を示す． A1××× 純アルミニウム A2××× Al-Cu 系合金 (2) 銅および銅合金（JIS H 3100 ほか） C×××× 1 位は合金系統を示す． C1××× 銅 C2××× Cu-Zn 合金（70%Cu-30%Zn は 7-3 黄銅という） ７．形状，寸法の規格 (1) 一般構造用鋼 ① 熱間圧延棒鋼（丸鋼）（JIS G 3191） ② 熱間圧延形鋼（等辺山形鋼，不等辺山形鋼，I 形鋼，溝形鋼，H 形鋼）（JIS G 3192） ③ 熱間圧延平鋼（JIS G 3194） (2) アルミニウムおよびアルミニウム合金 14 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 15/21 ① アルミニウムおよびアルミニウム合金の板の標準寸法（JIS H 4000） (3) 銅および銅合金 ① 銅および銅合金棒の標準寸法（JIS H 3250） ② 銅および銅合金の板および条の寸法（JIS H 3100），条＝薄板をコイル状に巻いたもの 第４章 工作機械と機械工作法 部品を設計するには，その部品がどのような工作機械を使ってどのように加工されるのかを理 解しておく必要がある．教科書で学習するだけでなく，実際に工作実習を通して肌で感じておく ことが何より重要である． １．加工方法の種類 (1) 切削：工具（刃物，ドリル，バイト等）を使って切り取ること． (2) 研削：工具（砥石，やすり等）を使って削り取ること． (3) 鋳造：鋳型の中に溶けた金属を流し込み，冷やして成型すること． (4) 鍛造：ハンマー，プレス機械などを使って金属を叩いたり圧力を加えて変形させること． ２．工作機械 (1) ボール盤：ドリルを使って被工作物に穴加工を行う機械 (2) 旋盤：バイトを使って主に金属の円筒面切削を行う機械 (3) 平面研削盤：砥石を使って平面状に研削を行う機械 (4) ドリル：工作物に丸い穴をあけるために用いられる工具．ドリルの刃先角は118° (5) リーマ：穴の寸法精度や形状精度を高める目的で用いられる工具 (6) ブローチ：種々の断面形状の穴を加工するために用いられる工具 (7) タップ：穴の内面にめねじを切るための工具 (8) ダイス：軸におねじ加工を行うための工具 ３．機械工作法 (1) きさげ：すり合わせ作業で工作物表面の微小な凸部を削り取るための工具 (2) やすり：工作物の表面を削ったり，角を落とすために用いる工具 (3) ざぐり：ナットやボルト頭のすわりを良くするため，穴の周囲を円形に平らに仕上げる こと (4) 中ぐり：穴の内面を加工して径を広げること (5) 「金切り鋸」の正しい使い方：押しながら力を入れて切る． (6) 表面粗さ：表面上の微細で不規則な凹凸 (7) うねり：大きな間隔で繰り返される表面上の起伏 (8) 鍛造：金属を加熱し，圧力を加えて成形する加工方法 (9) 鋳造：鋳型に溶融金属を流し込み，凝固させ，型から取り出す方法 (10) ダイキャスト：金型に主に溶融アルミ合金を圧力を加えて注入凝固させ，型から取り出 す方法 15 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 16/21 (11) めっき：金属の薄膜を品物の表面に化学的に付着させること (12) アーク溶接：先端から火花を発生しながら溶接棒が溶け，金属間の接合を行う溶接法 (13) ガス溶接：トーチから出る炎の熱で溶接棒を溶かし，金属間の接合を行う溶接法 (14) スポット溶接：金属板を対向する電極で押さえつけ，通電して接合する溶接法 第５章 材料力学 設計の基本のひとつは，部品に壊れないだけの十分な強度を与えることである．具体的な計算 は機械設計法に基づくが，その基礎となるのが「材料力学」である． (1) 応力：荷重（外力)/面積．単位 Pa． (2) 公称応力と真応力：力が加わると部材は変形のために断面積が増加もしくは減少する． 部材の元の断面積を用いて計算した応力が公称応力．変形時の真の断面積を用いて計算 した応力が真応力と呼ばれる． (3) 引張応力：部材の両端が引っ張られるとき，荷重方向に垂直な面に生じる応力．単位 Pa． (4) 圧縮応力：部材の両端が圧縮されるとき，荷重方向に垂直な面に生じる応力．単位 Pa． (5) 曲げ応力：部材の両端にモーメントが加わるとき，部材の表面および内部に生じる応力． 単位 Pa． (6) せん断応力：荷重方向に平行な面に生じる応力．単位 Pa． (7) 弾性変形：応力を除去すると元の形に戻る変形 (8) 塑性変形：応力を除去しても元の形まで戻ることのない変形 (9) 弾性限界：弾性変形が可能な最大の応力 (10) ひずみ：変形量/元の長さ．単位 無次元 (11) 永久ひずみ：弾性限界を越える応力を加えた場合に，応力除去後に残ったひずみ (12) ひずみエネルギー：ひずみを生じた部材に蓄えられたエネルギー．部材を変形させるた め外力がなした仕事に等しい．弾性範囲内ではひずみエネルギーは弾性エネルギーに等 しい． (13) フックの法則：ばねの伸び∝荷重．比例定数をばね定数（単位 N/m）と呼ぶ． (14) 縦弾性係数：応力とひずみの関係を示す比例定数．単位 Pa（=N/m2） (15) ポアソン比：縦ひずみと横ひずみの比 (16) 降伏点：応力ひずみ線図において，ひずみが急激に増加し始める点の応力 (17) 極限強さ：部材が破壊する応力 (18) 許容応力：設計上，部材が破壊することなく安全に使用しうる応力．同じ材質でも，加 わる荷重の種類によって値が異なる．衝撃荷重時の許容応力＜静止荷重時の許容応力 (19) 安全率：極限強さ/許容応力 もしくは 破断応力/許容応力 (20) 脆性破壊：ほとんど塑性変形することなく破壊すること (21) 疲れ破壊：極限強さ以内の荷重でも繰り返し加わることにより破壊に至ること (22) 疲れ限度：疲れ破壊を起こさない最大の応力 (23) クリープ：高温下で引張荷重が加わることによりひずみが急激に増加すること (24) 応力集中：切り欠き部分に高い応力が発生すること 16 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 17/21 (25) 熱応力：熱膨張もしくは熱収縮による変形を拘束した場合に発生する応力 (26) 残留応力：加工後の部材内部に発生する応力 第６章 機械要素設計 １．機械設計法の基礎 (1) 曲げ強さ：断面係数 Z に比例する． 中実丸棒 Z1 = π 32 d3 中 空 丸 棒 (パ イ プ ) Z2 = 4 4 π d 2 − d1 32 d2 断面積が同じなら Z1 < Z 2 (2) ねじり強さ：極断面係数 Zp に比例する． Z p = 2 Z 断面積が同じなら，中実 Z p1 < Z p 2 中空 ２．ボルトの設計 一般に，ボルトの破断はねじの谷の部分で起こる．そこで，谷の断面での応力が許容応力以下 となるように設計する． 引張荷重のみを受ける場合 （１）谷の径の強度計算からボルトを選択する方法 ①計算式： W≤ π 4 d1 σ t 2 より d1 ≥ 4W πσ t ただし，W：1 本あたりの引張荷重， d1 ：ボルトの谷の径， σ t ：許容引張り応力 注意：許容引張り応力は材質，荷重条件によって異なる．許容応力の比は，例えば，静荷重：繰 り返し荷重：交番荷重＝3：2：1．会社ごとに基準値を持っていることが多く，また，それが会社 のノーハウでもある． 許容応力（例） 両振引 片振引 両振せ 片振せ せん断 両振曲 片振曲 引張強 張･圧 張･圧 ん断･ ん断･ 面圧 降伏点 材質 降伏点 げ さ げ 縮 縮 ねじり ねじり MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa SS400 401.8 235.2 137.2 101.9 162.7 86.2 138.2 58.8 117.2 98 S25C 441 264.6 156.8 111.7 178.4 95.1 151.9 64.7 122.5 98 SF590A 588 294 166.6 149 238.1 126.4 202.9 86.2 163.7 98 ②ボルトの選択： d1 の計算値以上で最も近い物（安全側）を規格から選ぶ．ただし，特別な理由 のない限り，順位１のものしか使わない．（理由：流通数が少ない．材質に種類が少ない．高価 な場合がある．） 17 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 18/21 計算例１ 両振引張圧縮荷重 W=5000N を受ける六角ボルト（並目ねじ）を設計せよ．材質は SS400 とす る． ①計算：上記表より σ t = 86.2 MPa．よって d1 ≥ 4 × 5000 = 8.59 mm 86.2π ②ボルトの選択 規格より，8.59mm 以上でもっとも近いものは M11 の d1 = 9.376 mm であるが，順位が 3 のた め不採用とし，M12（ d1 = 10.106 mm）を選択する． メートル並目ねじ（JIS B0205） 単位 mm ねじの呼び 順位 M4x0.7 M4.5 M5x0.8 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 おねじ 有効径 谷の径 4 3.545 3.242 4.5 4.013 3.688 5 4.48 4.134 6 5.35 4.917 7 6.35 5.917 8 7.188 6.647 9 8.188 7.647 10 9.026 8.376 11 10.026 9.376 12 10.863 10.106 ピッチ 1 2 1 1 3 1 3 1 3 1 外径 0.7 0.75 0.8 1 1 1.25 1.25 1.5 1.5 1.75 （２）外径を算出し，ボルトを選択する方法 ボルトの外径 d と谷の径 d1 の関係を d = 1.2d1 とおいても良い．この場合，ボルトの外径は d ≥ 1.2 4W πσ t となる．規格から適合するボルトを選択する． 計算例２（計算例 1 と同じ条件） ①計算：上記表より σ t = 86.2 MPa．よって d ≥ 1.2 4 × 5000 = 10.31 mm 86.2π ②ボルトの選択 規格より，10.31mm 以上でもっとも近いものは M11 であるが，順位が 3 のため不採用とし， M12 を選択する． ３．軸の設計 （１）ねじりモーメントだけを受ける場合 軸最外周のせん断応力が許容せん断応力以下でなければならない．軸に働くトルクは 18 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 19/21 T = rP ≤ Z pτ s [N･mm] ただし，r：軸半径 mm，P：接線力 N，τa：許容せん断応力 MPa Zp は極断面係数[mm3]であり， Zp = 中実丸軸： τ <τa π 16 中空丸軸(パイプ)： Z p = d3 4 4 π d 2 − d1 16 d d2 P となる．よって，軸径は中実丸軸の場合 T ≤ Z pτ s = π 16 d 3τ s より d≥ 3 16T πτ s （２） 曲げモーメントだけを受ける場合 曲げモーメントは M ≤ Zσ b [N･mm] ただし，σb：許容曲げ応力 MPa，Z は断面係数[mm ]であり， 3 中実丸軸 Z= 中空丸軸(パイプ) Z= π 32 d3 4 4 π d 2 − d1 32 d2 中実丸軸と中空丸軸の比較 両者の断面係数が等いとき，曲げモーメントが等 圧縮応力 しくなる．このとき軸の外径寸法比，重量比はねじ りを受ける場合と同じ． （３）ねじりモーメントと曲げモーメントを 同時に受ける場合 ① 延性材料（軟鋼，硬鋼）…相当ねじりモーメン 引張応力 トを計算 2 Te = M M + T = T 1 + ≤ Z pτ s T 2 2 [N･mm] ② 脆性材料（鋳鉄）…相当曲げモーメントを計算 Me = ( 1 M+ 2 ) M2 + T2 = 2 1 T M 1 + 1 + ≤ Zσ b M 2 （４）キー溝 19 [N･mm] 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 20/21 一般に，軸では動力を伝達するためキーを用いることが多い．キー溝のある軸では次の 2 種類 の方法のどちらかで軸径を決めなければならない． ① 必要軸径＝強度計算上の軸径＋キー溝深さとする．キー溝深さは軸径によって異なるので注 意が必要． b t h 強度計算上 の軸径 b 必要軸径 軸径 平行キーおよびキー溝（JIS B1301） 呼び 寸法(mm) b × h 2 × 2 3 × 3 4 × 4 5 × 5 6 × 6 8 × 7 10 × 8 12 × 8 14 × 9 16 × 10 18 × 11 20 × 12 22 × 14 基準寸法 適用する 軸側 ボス側 軸径(mm) を超え t2 t1 ～以下 1.2 1 6～8 1.8 1.4 8～10 2.5 1.8 10～12 3 2.3 12～17 3.5 2.8 17～22 4 3.3 22～30 5 3.3 30～38 5 3.3 38～44 5.5 3.8 44～50 6 4.3 50～58 7 4.4 58～65 7.5 4.9 65～75 9 5.4 75～85 呼び 寸法(mm) 基準寸法 適用する 軸側 ボス側 軸径(mm) を超え t2 t1 b × h ～以下 25 × 14 9 5.4 85～95 28 × 16 10 6.4 95～110 32 × 18 11 7.4 110～130 36 × 20 12 8.4 130～150 40 × 22 13 9.4 150～170 45 × 25 15 10.4 170～200 50 × 28 17 11.4 200～230 56 × 32 20 12.4 230～260 63 × 32 20 12.4 260～290 70 × 36 22 14.4 290～330 80 × 40 25 15.4 330～380 90 × 45 28 17.4 380～440 100 × 50 31 19.5 440～500 ② ムーアの式を用いる． . − 0.2 γ = 10 b t − 11 . d d 許容伝達トルクは， T′ = γT ただし，T：キーみぞのない場合の伝達トルク T ′ を用いて軸径を計算する． （５）採用軸径 キー溝を考慮した必要軸径に最も近い物（安全側）を規格から選ぶ． 20 埼玉工業大学（小西克享） 設計製図の基礎知識（第 6 版） 21/21 軸の直径（JIS B0901） 4 17 48 120 320 4.5 18 50 125 340 5 19 55 130 355 5.6 20 56 140 360 6 22 60 150 380 6.3 22.4 63 160 400 7 24 65 170 420 7.1 25 70 180 440 8 28 71 190 450 9 30 75 200 460 10 31.5 80 220 480 11 32 85 224 500 11.2 35 90 240 530 12 35.5 95 250 560 12.5 38 100 260 600 14 40 105 280 630 15 42 110 300 16 45 112 315 設計製図の基礎知識（第 6 版） 設計製図の基礎知識 平成 22 年 4 月 1 日 初版 設計製図の基礎知識 (第 2 版) 平成 14 年 4 月 1 日 第 2 版 設計製図の基礎知識 (第 3 版) 平成 15 年 4 月 1 日 第 3 版 設計製図の基礎知識 (第 4 版) 平成 16 年 4 月 1 日 第 4 版 設計製図の基礎知識 (第 5 版) 平成 17 年 1 月 1 日 第 5 版 設計製図の基礎知識 (第 6 版) 平成 22 年 4 月 1 日 第 6 版 個人的な学習の目的以外での使用，転載，配布等はできません． 著者 印刷・製本 非売品 小西克享 Copyright ⓒ 2010 小西克享, All Rights Reserved. 21
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