ゲージブロック

ゲージ ブロック(ゲージ ブロック、ヨハンソン ゲージ、スリップ ゲージ、またはJo ブロックとも呼ばれる) は、正確な長さを計測するためのシステムです。個々のゲージ ブロックは、精密に研磨され、特定の厚さに研磨された金属またはセラミックのブロックです。ゲージ ブロックは、さまざまな標準長さのブロックのセットで提供されます。使用時には、ブロックを積み重ねて、必要な長さ (または高さ) を作ります。

ゲージブロックは、1896年にスウェーデンの機械工カール・エドヴァルド・ヨハンソンによって発明されました。^{[1]ゲージブロックは、}マイクロメーター、サインバー、ノギス、ダイヤルインジケータ（検査用として使用される場合）など、機械工場 で使用される測定機器の校正の基準として使用されます。ゲージブロックは、産業界で使用される長さの標準化の主な手段です。^[1]

ゲージ ブロックの重要な特徴は、寸法の不確実性がほとんどない状態で接合できることです。ブロックは、リンギングと呼ばれるスライド プロセスによって接合され、非常に平坦な表面が密着します。少数のゲージ ブロックを使用して、広範囲で正確な長さを作成できます。30 個のブロック セットから 3 個ずつ取り出して使用することで、3.000 ～ 3.999 mm の 0.001 mm 刻み (または 0.3000 ～ 0.3999 インチの 0.0001 インチ刻み) の 1000 通りの長さを作成できます。

ゲージブロックは、2 つの対向面が正確に平らで平行に研磨され、正確な間隔が空けられた金属またはセラミックのブロックです。標準グレードのブロックは硬化鋼合金で作られていますが、校正グレードのブロックは、より硬く摩耗が少ないため、多くの場合、炭化タングステン(WC)、炭化クロム(CrC)、またはセラミック( SiO ₂^{ベース) で作られています。 [2]} ゲージブロックは、さまざまな長さのブロックのセットと追加の摩耗ブロックで提供され、積み重ねることでさまざまな標準長さを作成できます。各ブロックの長さは、実際には刻印されている公称長さよりもわずかに短くなっています。刻印されている長さには、通常の使用時に隣接するブロック面を分離する潤滑剤の膜である 1 つの潤滑膜の長さが含まれているためです。潤滑膜の厚さは約 25 ナノメートル (0.98 μin) です。^{[3]ゲージの公称長さは、}干渉長とも呼ばれます。^[4]

使用時には、ブロックをセットから取り出し、保護コーティング (ワセリンまたは油) を取り除いて絞り、必要な寸法のスタックを形成します。ゲージ ブロックは20 °C (68 °F) で正確になるように校正されており、測定中はこの温度に保つ必要があります。これにより、熱膨張の影響が緩和されます。ゲージ ブロックが使用中に損傷を受けないように保護するため、可能な限りスタックの両端に、 タングステン カーバイドなどのより硬い物質で作られた摩耗ブロックが組み込まれています。

機械工や工具製作者は、サイズ誤差の蓄積を避けるために、できるだけ少ないブロックのスタックを使用するようにしています。たとえば、2 つのブロック (.500 ブロックを .138 ブロックに絞ったもの) で合計 .638 になるスタックは、4 つのブロック (.200、.149、.151、および .138 をすべて一緒に絞ったものなど) で合計 .638 になるスタックよりも適しています。グレードのセクションで詳しく説明しているように、各ブロックのサイズ許容差は数百万分の 1 インチであるため、それらを一緒に積み重ねると累積的な不確実性が生じます。ただし、複数のブロックからのスタック誤差であっても、最も要求の厳しい用途を除いて通常は無視できます。忙しいショップでは、一部のブロックが他の場所で使用されているため、その時点で使用可能なブロックからスタックを作成します。通常、数百万分の 1 インチの違いは検出できないか、コンテキストでは問題になりません。究極の精度が要求される状況は稀であり、追加の費用（たとえば、ブロックのセット数の増加やブロックのグレードの向上）が必要になります。

絞り加工とは、2つのブロックをスライドさせて面を接着させる加工です。ゲージブロックは表面が非常に平坦なので、絞ると互いにしっかりと密着します。適切に絞られたブロックは、300 N (67 lbf) の引張力に耐えることができます。^[5]このメカニズムは、次の組み合わせです。^{[4] [5] [更新が必要]}

• 真空は接合部から空気が押し出されるため、ブロック間に圧力をかける^[注1]
• ブロック間に存在する油と水蒸気による表面張力
• 非常に平坦な2つの表面が接触すると分子引力が発生します。この力により、表面潤滑剤がなくても、真空中でもゲージブロックが接着します。

最後の2つの原因が最も重要であると考えられています。^[4]ブロックの摩擦実験では、絞りによる鋼鉄表面からの酸化膜の除去が絞り作用において重要な役割を果たしていることも示唆されています。^[7]

磁気は関係ありませんが、ユーザーにとっては、ブロック同士がくっついている様子は、弱い冷蔵庫の磁石がくっついているような感じがします。ただし、磁石とは異なり、くっつくのはブロックが完全に結合している間だけです。磁石のように、目に見える隙間を越えてブロックが互いに引き合うことはありません。

絞りのプロセスには4つのステップがあります。^[4]

1. 清潔なゲージブロックを油を塗ったパッド上で拭きます。
2. 乾いたパッドを使用してゲージブロックから余分なオイルを拭き取ります。
3. 次に、適度な圧力をかけながら、ブロックを他のブロックに対して垂直にスライドさせ、十字形を形成します。
4. 最後に、ブロックは他のブロックと一直線になるまで回転します。

使用後は、腐食を防ぐためにブロックに再度オイルやグリースを塗ります。特定のゲージブロックの絞り能力は、密着性; 公式には「外部手段がない場合に2つの表面が互いに密着する能力」と定義されています。密着性の最小条件は、表面仕上げが1マイクロインチ（0.025μm）AA以上、平坦度が5μインチ（0.13μm）以上であることです。^[4]

絞りやすさを測定するための正式なテストがあります。まず、標準プロセスを使用してブロックを絞り用に準備します。次に、中程度の圧力をかけながら、ブロックを 2 インチ (51 mm) の基準グレード (1 μin (0.025 μm) の平坦度) の石英光学平面上でスライドさせます。次に、ゲージブロックの底部を (光学平面を通して) 観察して、油や色を確認します。連邦グレード 0.5、1、2 および ISO グレード K、00、0 の場合、ゲージブロックの下に油や色が見えてはいけません。連邦グレード 3 および ISO グレード 1 および 2 の場合、油や色は表面積の 20% を超えてはなりません。このテストは、0.1 インチ (2.5 mm) より薄いゲージブロックでは実行が困難です。なぜなら、ゲージブロックは、リラックスした状態では平坦ではない傾向があるためです。^[4]

写真のアクセサリは、ゲージ ブロック セットの有用性を高めるホルダーとツールのセットを提供します。これらは、参照ポイント、スクライバー、および外部または内部のノギス ジョーのように機能するさまざまな形状のブロックとともに、大きなスタックをしっかりと固定する手段を提供します。先端が円錐形のブロックは、穴の中心間の中心間距離の測定を容易にします。外部ノギス ジョー アクセサリを備えたゲージ ブロックのスタックをすべて固定すると、すばやく組み立てられるカスタム サイズの合否判定ゲージとして機能します。

表面を傷つけない特殊なゲージブロックストーンを使用して、切り傷やバリを取り除き、絞りやすさを維持します。^[4]

ゲージブロックを絞るための準備には2つの絞りパッドが使用されます。1つ目はオイルパッドで、ブロックに薄く油を塗ります。2つ目はドライパッドで、オイルパッドを使用した後にブロックから余分な油を取り除きます。^[4]

ゲージブロックには、その用途に応じてさまざまな等級があります。^[8]等級の基準は、サイズに対する公差の厳しさです。したがって、等級が高いほど、公差が厳しくなり、正確さと精度が高くなります。さまざまな等級規格には、JIS B 7506-1997 (日本)/DIN 861-1980 (ドイツ)、ASME (米国)、BS 4311: Part 1: 1993 (英国) などがあります。材料の厚さが増すと、同じ等級内でも公差は変わります。

• 基準（AAA）：基準を確立するために使用される小さな許容範囲（±0.05μm）
• 校正（AA）：（許容範囲+0.10μm～-0.05μm）検査ブロックや超高精度ゲージの校正に使用
• 検査（A）：（許容範囲+0.15μm～-0.05μm）他の計測ツールを設定するための工具室標準として使用される
• ワークショップ（B）：精密測定の工場標準として使用される大きな許容範囲（許容範囲+0.25μm〜-0.15μm）

最近のグレード指定には、次のものがあります (米国連邦仕様 GGG-G-15C)。

• 0.5 – 一般的にグレードAAAに相当
• 1 – 一般的にグレードAAに相当
• 2 – 一般的にA+グレードに相当
• 3 – AとBの中間のグレード

ANSI/ASME B89.1.9M では、公称寸法からの絶対偏差と平行度限界の両方がグレード決定の基準として定義されています。一般に、グレードは次のように旧米国連邦グレードと同等です。

• 00 – 一般的にグレード1に相当（最も厳格な平坦性と精度の要件）
• 0 – 一般的にグレード2に相当
• AS-1 – 一般的にグレード3に相当（American Standard - 1の略とされる）
• AS-2 – 一般的にグレード3よりも精度が低い
• K – 一般的にグレード00の平坦度（平行度）とグレードAS-1の精度に相当

ANSI/ASME 規格は、ISO 3650 で規定されているのと同様の考え方に従っています。各グレードとブロック サイズの許容差の詳細については、以下の NIST リファレンスを参照してください。また、次のページの 3 も参照してください: 商用ゲージ ブロックの許容差 (長さは校正された厚さを指します)

ゲージブロックは通常、硬化合金工具鋼、セラミック、または超硬合金（タングステンカーバイドやタンタルカーバイドなど）から作られています。多くの場合、超硬合金の硬度は 1500ビッカース硬度です。ロングシリーズのブロックは、2 つのスリップを締め付けるための穴がある断面（35 × 9 mm）を持つ高品質の鋼から作られています。これらは、炭素鋼素材でも利用できます。スチールブロックは焼き入れおよび焼き戻しされています。硬度が重要なのは、使用中にゲージの摩耗速度を遅くするためです（このため、ピン、ねじプラグ、リングなどの他の種類のゲージも焼き入れされています）。ブロックをサイズに合わせて切断するには、研削してからラッピングします。通常、メッキやその他のコーティングは行われません。ブロックにはごく少量の油を塗っておき、乾燥した気候制御された環境で保管および使用します。メッキもコーティングもされていないスチールゲージブロックは、何十年も錆びることなく使用できます。

ゲージブロックセットは「Jo Blocks」としても知られ、スウェーデンの発明家カール・エドヴァルド・ヨハンソンによって開発されました。^{[9]ヨハンソンは1888年にスウェーデンの}エスキルストゥーナにある国営兵器工場 Carl Gustafs stads Gevärsfaktori (カール・グスタフの町のライフル工場)に武器検査官として雇用されました。彼は当時カール・グスタフでライセンス生産されていたレミントンライフルの部品を測定するための高価な工具に懸念を抱いていました。スウェーデンが1894年にモーゼルカービンのカスタマイズされた派生型を採用したとき、ヨハンソンはカール・グスタフでのライセンス生産 (数年後に開始) に備えてモーゼルの測定方法を研究する機会に非常に興奮しました。しかし、ドイツのオーバーンドルフ・アム・ネッカーにあるモーゼル工場を訪問したが、それは失望に終わった。帰りの電車の中で、彼はその問題について考え、組み合わせることでどんな大きさでも作れるブロックのセットというアイデアを思いつきました。

これまでも、やすりがけ用のゲージやゴー/ノーゴーゲージなど、現場での使用のために工具室で個別に特注されるゲージの使用が増えてきた長い歴史がありましたが、ヨハンソンが思い描いたような、さまざまな長さにするために一緒に絞ることができる超精密ゲージブロックは存在していませんでした。

帰国後、ヨハンソンは妻のシンガーミシンを研磨機とラッピング機に改造しました。ライフル工場の研磨機は性能が十分ではなかったため、彼はこの精密作業を自宅で行うことを好みました。妻のマルガレータは最初の試作品作りを手伝いました。ヨハンソンがカール グスタフでセットを実演すると、雇用主はアイデアを発展させるための時間とリソースを提供しました。ヨハンソンは 1901 年 5 月 2 日にスウェーデンで最初の特許を取得しました。これは SE 特許番号 17017 で、「精密測定用ゲージ ブロック セット」と呼ばれています。ヨハンソンは 1917 年 3 月 16 日にスウェーデンの会社 CE ヨハンソン AB (別名 'CEJ') を設立しました。

ヨハンソンはアメリカで長年を過ごし、生涯で大西洋を22回横断した。^{[要出典]アメリカで最初のCEJゲージブロックセットは、1908年頃にキャデラック自動車会社の}ヘンリー・M・リーランドに販売された。彼のゲージブロックセットのアメリカでの最初の製造工場は、1919年にニューヨーク州ダッチェス郡ポキプシーに設立された。1920年から1921年にかけての第一次世界大戦後の不況と恐慌の経済環境は会社にとってあまり良い結果をもたらさなかったため、1923年に彼はフォードモーターカンパニーのヘンリー・フォードに手紙を書き、会社を救うために協力を提案した。ヘンリー・フォードは興味を持ち、1923年11月18日にミシガン州ディアボーンのヘンリー・フォードのために働き始めた。ハウンシェル（1984）は、アルシン（1948）やさまざまなアーカイブ一次資料を引用して、「ヘンリー・フォードは1923年にスウェーデンのC. E. ヨハンソンの有名なゲージ製造事業を購入し、すぐにディアボーンの研究所施設に移転しました。1923年から1927年の間、ヨハンソン部門はフォードの工具室や購入可能なあらゆる製造業者に「ジョーブロック」を供給しました。また、生産に使用されるフォードの「合格」ゲージと「不合格」ゲージ、およびその他の精密生産装置も製造しました。」と述べています。^[10]

20世紀初頭、米国のインチは実質的に25.4000508 mm（基準温度68  °F（20  °C））、英国のインチは25.399977 mm（基準温度62 °F（17 °C））と定義されていました。^[11]ヨハンソンが1912年にインチサイズのゲージブロックの製造を開始したとき、ヨハンソンの妥協案は、公称サイズ25.4mm、基準温度20 °C（68 °F）のゲージブロックを製造することでした。これは、両方の公式定義の100万分の1以内の精度でした。ヨハンソンのブロックは非常に人気があったため、彼のブロックは国際的な製造業者の事実上の標準となり、^{[11] [12]}他のゲージブロック製造業者もヨハンソンの定義に従って、彼の定義と同等になるように設計されたブロックを製造しました。^[13]

1930年、英国規格協会は25.4mmのインチを採用した。アメリカ規格協会も1933年にこれに追随した。1935年までに16カ国の産業界が「工業インチ」と呼ばれる単位を採用し、^{[14] [15]}ヨハンソンの実用的な変換比率の選択を事実上支持した。^[11]

1936年、72歳になったヨハンソンは引退してスウェーデンに帰国する時期が来たと感じました。死後間もない1943年に、 ヨハンソンはスウェーデン王立工学アカデミーから大きな金メダルを授与されました。

1948年にブラウン・アンド・シャープ社はフォード・モーター社からCEヨハンソンブランドの権利を購入し^[16]、CEヨハンソンとブラウン・アンド・シャープのロゴが入った共同ブランドのブロックが作られました。CEヨハンソンとフォードのロゴが入った共同ブランドのブロックは、現在でも使用されているのを時々見かけます。

ゲージ ブロックと同様に、これらは精密に研磨された円筒形の棒であり、穴の直径を測定するためのプラグ ゲージとして、またはゴー/ノーゴー ゲージや同様の用途の部品として使用されます。

これらは、ローラー ベアリングやボール ベアリング、または工具や金型の製造アプリケーションで使用される個別のローラーまたはボールのセットとして提供されます。キャリブレーション ボールは、接触角ゴニオメーター、CNCマシン、および同様の機器のキャリブレーションに使用できます。

• 光学フラット – 光学グレードの非常に平坦なガラス
• 冷間溶接 – 界面を溶かしたり加熱したりせずに接合する溶接プロセス
• 光学的接触接合 – 2 つの密接に適合した表面が分子間力によって結合されるプロセス。

• Althin、Torsten KW (1948)、CE Johansson、1864 ～ 1943 年: 測定の達人、ストックホルム: Ab。 CE ヨハンソン [CE ヨハンソン コーポレーション]、LCCN  74219452。
• Doiron, Ted; Beers, John (2009)、「ゲージブロックハンドブック」(PDF)、米国国立標準技術研究所
• ハウンシェル、デビッド・A（1984）『アメリカ式システムから大量生産へ、1800-1932年：米国における製造技術の発展』、メリーランド州ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局、ISBN 978-0-8018-2975-8、LCCN  83016269、OCLC  1104810110
• クラー、スティーブ F.; ギル、アーサー R.; スミッド、ピーター (2005)、『機械工具の技術』（第 6 版）、McGraw-Hill Career Education、ISBN 978-0-07-723225-2。

• Doiron, T. (2007). 「20°C - 工業用寸法測定の標準参照温度の短い歴史」(PDF) .米国国立標準技術研究所の研究ジャーナル. 112 (1). 米国科学技術研究所: 1–23. doi :10.6028/jres.112.001. PMC  4654601 . PMID 27110451. 2013-02-17 に オリジナル(PDF)からアーカイブ。2012-06-30に取得。
• デイビッド・ハウンシェル（1985年9月1日）。『アメリカ式システムから大量生産へ、 1800- 1932年：米国における製造技術の発展』。JHU Press。ISBN 978-0-8018-3158-4。
• サイモン・ウィンチェスター（2018年）。『完璧主義者たち：精密エンジニアはいかにして現代世界を創ったか』ハーパーコリンズ。ISBN 978-1-63546-320-0。

• ハイテクの喜び
• ゲージブロックハンドブック; 米国国立標準技術研究所 (NIST) モノグラフ 180 訂正版; 2004