設計の働き方改革と手戻り・後処理予防取り組み法(2-0-5)

設計力向上 実務 管理 事例 基礎知識 自己啓発シリーズ(2-0-5) 設計力向上研究会(伊豫部将三)編

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

「総論・第5章

機械部品の寿命と信頼度の短期把握可能な加速試験方法」

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 本章では、設計の手戻り・後処理テーマで最大の時間浪費となっている市場クレームの削減と予防を機械製品でどう取り組むべきか? の具体例一つを、ご紹介したい。

「どのテーマが最も手戻り・後処理発生時間を浪費しているか?」

本文第2章で、設計の手戻り・後処理作業で最大のテーマは、浪費時間 30 %中の 45 %を占める納品・検収後の手戻り・後処理、即ち市場・客先クレーム対策作業である事を実態集計調査結果から紹介した。

また機械製品では、多くの製造企業で市場・客先クレーム対策費が売上げの2%を上回っている事実、同時にクレーム対策費で発生原因の70%が設計不具合で占める共通点がある事も紹介した。他に機械製品・装置類の機械系部品類の不具合では、振動・衝撃劣化を始めとする6原因が80%を占める事も共通事項として存在する旨も紹介した。

筆者は、機械装置類に於ける構成部品不具合によるクレームを減らし、予防するには、開発・新規着手設計段階で予め部品寿命と経過年数毎の劣化し続ける信頼度値を把握し、エンドユーザーへ納品時事前に知らせて置く事を勧めている。

予め寿命や稼働時間経過と共に劣化する信頼度値が判明していれば、不具合で機能停止以前の適切な時期事前に交換すれば良いと考えるためである。

どうも前記習慣が多くの機械装置メーカーに少ないため、製品を購入使用するエンドユーザーが使用中突然何の予告もなしに部品損傷等で機能停止、稼働停止の状態に陥り、装置メーカーへ苦情と早期回復対策を要求する結果としてクレームに至るケースが多い実態が殆どと見做している。

ここで、機械装置を構成する部品類の寿命をどう把握するか? が、問題となる。

機械装置類の構成部品材料には、鉄(炭素鋼)系を中心にアルミ・銅などの合金材料が多く使用される。最近は、カーボンファイバーと樹脂(プラスチックス)系材料も多用されるようになった。

電気製品では、絶縁材料としてゴムや樹脂類を中心とする有機系材料が当初から用いられ、今日に至っている。そして電気絶縁材料である樹脂系製品では、熱(温度差ストレス)と使用時間を利用したSN線図による加速試験法が大分以前から活用実施され寿命把握も行われている。

MTTF・MTBFの用語表現は、そのために生まれた。電気・電子制御・電源回路系設計分野で「10度C温度上昇寿命半減則」として知られる経験則は、凡そ 150 度C以下を使用範囲とする樹脂系材料加速試験法を表現する代表例である。

さて鉄(炭素鋼)系金属材料を中心で構成する機械系装置類の構成部品では、加速試験をどう行うべきか? が、問題である。

ここで加速試験とは、劣化を加速、促進すると言う意味でJISでは劣化促進試験と呼ぶ。筆者は、設計現場で誰にでも馴染み易いと言う意味で本文中では、加速試験と表現説明した。

筆者は、市場・客先クレーム削減、予防の事例説明で、何ケ所かで加速試験に触れた。その意味は、加速試験で寿命把握の試験検証時間を短縮する手段として説明した。10年寿命の劣化確認を10年掛けて検証は、実際にはできない、やらない。PL法対策上、20年後、30年後に発火するか?どうか?を、20年以上時間を掛けて検証試験は実施できない、やらない。否、やる訳には行かないと言うのが、企業の設計現場に於ける管理者や担当者の本音である。

10倍に加速できれば、所要期間・時間を10分の1へ短縮できる。100倍に加速できれば、所要期間・時間を100分の1へ短縮できる。この活用効果が大きい。では、方法をどうするか? 筆者は前述した電気絶縁材料として樹脂系材料の劣化寿命検証に活用している熱 (温度差ストレス) 負荷と寿命時間を示すS-N線図に着目した。鉄(炭素鋼)系材料力学分野でS-N(疲れ)線図は、以前から広く知られている。これを試したいと言う気持ちが以前から有り、コンサルティングで関与した企業支援業務の中で40年以上前の独立当初から機会が得られるたびに、色々仮説を立て実験的に試みを何十回も行い、殆どの分野で実施可能である事を確認させて頂いた。

その背景に関与先を通し材料(粗材)メーカーから S-N 線図の提供を受けた事も幸いした。

図5.1へ鉄(炭素鋼)系材料の SN (疲れ)線図の基本パターンを示す。

SN(疲れ)線図を利用し、加速試験で10分の1へ短縮して鉄(炭素鋼)系金属材料部品の寿命把握へ適用・活用するには?」

 筆者は、某国の自動車メーカーで RV 車の車体材料の使用料を削減し、材料費面のコストダン支援でコンサルティングした経験を持つ。その際8%の材料使用量の削減を実現した。その際の方法論を詳しく紹介する事は職業倫理上から憚(はばか)るが、S-N 線図を活用した加速試験も実施し、大いに役立った。

 図 5.2 へ鉄(炭素鋼)系材料の疲れ限度値を1回で破断する強さの 45 %(注・粗材では、疲れ限度値は1回で破断する値の 50 %値。熱処理材では、45 %値)である。これは機械装置部品設計では、強さ確保上から熱処理して使う事を一般原則と考えるためである。何故熱処理して使わねばならないか? と言えば、熱処理する事で強さを2倍以上に引き上げる事が可能になれば、使用量を粗材の2分の1以下へ節約できる。これによる材料コスト引下げは、他の如何なる手段にも勝る。

 図 5.2 では、疲れ試験の繰り返し数を10分の1へ短縮する場合の例・1として示す。疲れ限度値を指数100と置き直すと、1回で破断する指数は 222 %の数値となる。

 疲れ限度値に達する疲れ試験の繰り返し数は、鉄(炭素鋼)系材料では 1.5 ~ 2.0×10ⁿ(注・n=6)の数値として知られている。

以上から SN 線図に於ける傾斜部から水平部へ移行する屈折点は、バラツキの中間点に当たる 1.75 × 10ⁿ(注・n=6)値近辺であると推定する。

これを起点としてバラツキを考慮し、最大値側の繰り返し数2.0×10ⁿ(注・n=6)の10分の1に相当する負荷指数は、116 %に推定可能となる。

この意味は、疲れ限度値を仮に 100 N/mm ⁿ(注・n=2)の材料で仮定すると、10分の1の繰り返し数2.0×10ⁿ(注・n=5)の回数で疲れ破壊に必要な負荷(荷重)は 116 N/mm ⁿ(注・n=2)に設定して試験すれば良い。

これを部品設計に当て嵌めると、信頼度-4σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 86.5 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

実際では、疲労破壊より衝撃破壊の方が発生確率的に多いので、疲労寿命値を確認してエンドユーザー側の使用条件を考慮してから衝撃破壊に十分耐え得る余裕分を上乗せして設計する。

この場合の衝撃強さを決めるに当たっては、予想される購買層を設置環境条件・搬送方法・業種・地域・年齢層別にモニタリングして事前にDATAを集めてから対応する事が望ましい。

図 5.3 は、同じ条件下の例2を示す。

ここで信頼度-5σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 83 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

また 図 5.4 は、同じ条件下の例3を示す。

信頼度-6σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 80 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

更に 図 5.5 は、同じ条件下の例4を示す。

信頼度-7σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 76.5 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

SN(疲れ)線図を利用し、加速試験で100分の1へ短縮して鉄(炭素鋼)系金属材料部品の寿命把握へ適用・活用するには?」

 図 5.6 では、疲れ試験の繰り返し数を 100 分の1へ短縮する場合の例・1として示す。疲れ限度値を指数 100 と置き直すと、1回で破断する指数は 222 %の数値となる。

 疲れ限度値に達する疲れ試験の繰り返し回数は、鉄(炭素鋼)系材料では 1.5 ~ 2.0 ×10ⁿ(注・n=6)の数値として知られている。

以上から SN 線図に於ける傾斜部から水平部へ移行する屈折点は、1.75 ×10ⁿ(注・n=6)であるバラツキの中間点に有ると推定する。

これを起点としてバラツキを考慮し、最大値側の繰り返し数 2.0 × 10ⁿ(注・n=6)の100 分の1に相当する負荷値の指数は、135 %と推定可能となる。

この意味は、疲れ限度値を仮に 100 N/mm ⁿ(注・n=2)と仮定すると、100 分の1の繰り返し数 2.0 × 10ⁿ(注・n=4)の回数で疲れ破壊に必要な負荷(荷重)は 135 N/mm ⁿ(注・n=2)に設定して試験すれば良い。

これを部品設計に当て嵌めると、信頼度-4σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を86.5N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

図 5.7 は、同じ条件下で信頼度-5σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 83 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

また 図 5.8 は、同じ条件下で信頼度-6σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 80 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

更に 図5.9 は、同じ条件下で信頼度-7σ値を疲れ強さで確保したい場合には、部品に掛かる最大許容荷重を 76.5 N/mm ⁿ(注・n=2)以下で設計すれば良い。

SN(疲れ)線図を利用し、加速試験で短縮した鉄(炭素鋼)系材料部品の寿命把握を検証するには、どうすべきか?」

 実稼働で時間経過と共に劣化する部品強度把握の最も確実で良い方法は、エンドユーザーの許で長年に渡りキチンと使用履歴が把握された製品から部品を回収し、破壊試験で劣化後強度を調べれば良い。

これを1年経過後、2年経過後、3年経過後、5年経過後、10年経過後、15年経過後、20年経過後の強度値としてそれぞれ採取する。

 10年以上の長い社歴と同種製品の販売実績が継続してある企業では、これが可能である。

この方法で採取した部品破壊DATAをプロットし、SN 線図上のカーブと一致しているか?どうか?を確認すれば良い。

筆者の体験では、沢山のエンドユーザーから回収した部品破壊強度DATAを実際にプロットして見ると、設置場所と稼働条件でバラツキが大きくなることが判っている。

最も過酷な周囲環境条件下に設置され稼働した装置では、劣化が比較的にキチンと進む。

例えば、石油コンビナート・化学薬品工場・集積地域周辺や、トラックの交通量が多い主要国道市街地および近隣の零発進の多い交差点付近などである。

また硫黄・塩素系温泉地域および近隣周辺、海岸に近い地域(港湾・漁港施設内部)も同様である。

また2直、3直で(年中無休)連続長時間稼働する企業内施設・鉄道・道路・河川・空港施設内部設備・公共性の高いビル施設内部も同様である。

また昼夜間と夏冬年間高低の温度差が大きい地域、寒冷地、湿度の高い地域も同様である。

他に台風では、海岸から20km離れた山間部でも塩害の影響が及ぶと考えて置く事例が発生している。

前記した以外の地域や稼働時間の短い企業から回収した部品劣化の進行は、比較的緩やかである。

これらでバラツキが、大きくなる結果と見做している。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

「引用文献」

・本稿は筆者(伊豫部将三)が執筆し、日刊工業新聞社月刊「機械設計」誌2016年3月号臨時増刊号へ掲載した「設計の手戻り・後処理予防60例・総論」部分へ今回ブログ掲載に当りタイトルを変更し内容を加筆し不備部は訂正した。

 原本入手ご希望の方は出版社(日刊工業新聞社・出版局)へ直接お問い合わせ給わりたく、何分宜しくお願い申し上げます。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

「本文中記載の検索キーワード例」

「設計」 「手戻り・後処理予防」 「階層別」 「改善法」 「業務効率」 「効率把握4指標」 「価値形成業務」 「基盤整備業務」 「手戻り・後処理業務」 「補助業務」 「管理者層」 「リーダー層」 「ベテラン層」 「新人層」 「協力者層」「未熟なベテラン層」 「商品コンセプト作成」 「作業指示書および指示の為の資料作成・持ち帰り設計と打合せ」 「購入部品仕様検討・評価基準作成」 「市場・顧客要望調査・仕様確認」 「デザイン検討構想図作成」 「設計・裏付け試験検証プランニング・評価工程計画作成(評価基準書)」 「強度計算書作成」 「コスト試算」 「試験・試験評価報告書作成」 「個別ユニット・モジュール・部品デザイン検討」 「取説原稿作成」 「仕様変更による先行手配受注品構成表作成」 「WG活動」 「研修・展示会」 「展示会出品準備対応」 「予算・実績評価」 「委託先・取引先と事前打合せ」 「仕入れ品業者PR対応」 「QC委員会」 「特許調査」 「設計・製図・試験事前・途中指導」 「設計着手前前関係部署打合せ」 「DR1・DR2」 「加工・組立事前・途中指導」 「次世代製品検討会」 「部下・同僚・外注設計作成図書の事後検図、出図前点検・確認」 「客先クレーム処理」 「検図指摘による図面修正」 「設計仕様・設計内容事後チェック」 「現場からのクレーム処理」 「量試後のCD再検討」 「設計案再検討、図面修正」 「苦情処理解答」 「追加出図」 「DR指摘による仕様書・図面修正」 「品質改善活動」 「図面改廃処理」 「クレーム対策会議」 「設計案・試験結果NG再評価」 「設計仕様・設計内容事後チェック」 「設計不良の後始末」 「販売・取説・マニアル校正」 「量試不具合検討・再試験法打合せ」 「DR4・DR5」 「社内連絡文書(メール)作成」 「業務外(朝礼・組合活動・診療所・私用外出・トイレ・休憩)」 「工場間移動時間」 「試作・再試作・再試験依頼実験・データ採取」 「評価会準備」 「自己検図・承認手続き」 「ワークサンプリング表の記入」 「生産CODE振当制約条件修正・改訂に伴う工数含む」 「ワープロ入力」 「ファィリング・資料整理」 「製品構成表メンテ」 「構造解析計算」などがある。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

「全体目次」

(2-0-1)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「総論・第1章」「設計の手戻り・後処理の実態把握」

(2-0-2)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「総論・第2章」「設計の手戻り・後処理の実態分析とその削減・予防取り組み法」

(2-0-3)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「総論・第3章」「設計の手戻り・後処理の削減・予防取り組み法」

(2-0-4)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「総論・第4章」「設計の手戻り・後処理のテーマ別発生実態および削減・予防取り組み法」

(2-0-5)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「総論・第5章」「機械部品の寿命と信頼度の短期把握を可能にする加速試験方法」

(2-1)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「全階層の心得と実務」(全階層合計投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-1-1)全階層1位「部下同僚作成図書事後検図」削減・予防取り組み法

(2-1-2)全階層2位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-1-3)全階層3位「検図による図面修正」削減・予防取り組み法

(2-1-4)全階層4位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-1-5)全階層5位「現場からのクレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-1-6)全階層6位「量試後のCD再検討」削減・予防取り組み法

(2-1-7)全階層7位「設計案再検討、図面修正」削減・予防取り組み法

(2-1-8)全階層8位「苦情処理解答」削減・予防取り組み法

(2-1-9)全階層9位「追加出図」削減・予防取り組み法

(2-1-10)全階層10位「DR指摘による仕様書・図面修正」削減・予防取り組み法

(2-2)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「管理者層の心得と実務」(管理者層投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-2-1)管理者層1位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-2-2)管理者層2位「量試後のCD再検討」削減・予防取り組み法

(2-2-3)管理者層3位「部下作成図書事後検図」削減・予防取り組み法

(2-2-4)管理者層4位「品質改善活動」削減・予防取り組み法

(2-2-5)管理者層5位「図面改廃処理」削減・予防取り組み法

(2-2-6)管理者層6位「苦情処理解答」削減・予防取り組み法

(2-2-7)管理者層7位「クレーム対策会議」削減・予防取り組み法

(2-2-8)管理者層8位「設計案・試験結果NG再評価」削減・予防取り組み法

(2-2-9)管理者層9位「現場からのクレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-2-10)管理者層10位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-3)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「リーダー層の心得と実務」(リーダー層投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-3-1)リーダー層1位「部下同僚作成図書事後検図」削減・予防取り組み法

(2-3-2)リーダー層2位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-3-3)リーダー層3位「苦情処理解答」削減・予防取り組み法

(2-3-4)リーダー層4位「現場からのクレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-3-5)リーダー層5位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-3-6)リーダー層6位「クレーム対策会議」削減・予防取り組み法

(2-3-7)リーダー層7位「品質改善活動」削減・予防取り組み法

(2-3-8)リーダー層8位「設計案再検討、図面修正」削減・予防取り組み法

(2-3-9)リーダー層9位「設計不良の後始末」削減・予防取り組み法

(2-3-10)リーダー層10位「追加出図」削減・予防取り組み法

(2-4)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「ベテラン層の心得と実務」(ベテラン層投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-4-1)ベテラン層1位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-4-2)ベテラン層2位「部下・同僚・作成図書の事後検図」削減・予防取り組み法

(2-4-3)ベテラン層3位「現場からのクレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-4-4)ベテラン層4位「検図による図面修正」削減・予防取り組み法

(2-4-5)ベテラン層5位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-4-6)ベテラン層6位「設計案再検討、図面修正」削減・予防取り組み法

(2-4-7)ベテラン層7位「量試後のCD再検討」削減・予防取り組み法

(2-4-8)ベテラン層8位「追加出図」削減・予防取り組み法

(2-4-9)ベテラン層9位「苦情処理解答」削減・予防取り組み法

(2-4-10)ベテラン層10位「設計不良の後始末」削減・予防取り組み法

(2-5)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「新人層の心得と実務」(新人層投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-5-1)新人層1位「現場からのクレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-5-2)新人層2位「検図による図面修正」削減・予防取り組み法

(2-5-3)新人層3位「部下同僚作成図書事後検図」削減・予防取り組み法

(2-5-4)新人層4位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-5-5)新人層5位「販売・取説・マニアル校正」削減・予防取り組み法

(2-5-6)新人層6位「設計不良の後始末」削減・予防取り組み法

(2-5-7)新人層7位「量試後のCD再検討」削減・予防取り組み法

(2-5-8)新人層8位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-5-9)新人層9位「苦情処理解答」削減・予防取り組み法

(2-5-10)新人層10位「設計案再検討、図面修正」削減・予防取り組み法

(2-6)設計の手戻り・後処理予防取り組み法「協力者層の心得と実務」(協力者層投入時間上位10テーマ削減・予防取り組み法の要約と目次)

(2-6-1)協力者層1位「検図による図面修正」削減・予防取り組み法

(2-6-2)協力者層2位「設計仕様・設計内容事後チェック」削減・予防取り組み法

(2-6-3)協力者層3位「設計案再検討、図面修正」削減・予防取り組み法

(2-6-4)協力者層4位「DR指摘による仕様書・図面修正」削減・予防取り組み法

(2-6-5)協力者層5位「量試後のCD再検討」削減・予防取り組み法

(2-6-6)協力者層6位「部下同僚外注設計作成図書事後検図」削減・予防取り組み法

(2-6-7)協力者層7位「図面改廃処理」削減・予防取り組み法

(2-6-8)協力者層8位「追加出図」削減・予防取り組み法

(2-6-9)協力者層9位「客先クレーム処理」削減・予防取り組み法

(2-6-10)協力者層10位「設計不良の後始末」削減・予防取り組み法

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

「筆者略歴」

 1957年4月~1974年3月の17年間・富士重工業㈱(注・現社名スバル)三鷹製作所(現・群馬県大泉町へ移転)生産技術部門に勤務。乗用車用エンジン・ミッション製造の工場自動化機器・専用機設計業務へ従事。1974年技術士(機械部門・第7916号)登録、伊豫部技術士事務所を開設。開発・設計および生産技術部門の技術コンサルタントとして現在に至る。この間、上場および中堅企業100社以上で社員教育や業務改善支援業務に従事。現在までに、社団法人日本技術士会理事、りそな中小企業振興財団「中小企業庁長官新技術・新製品賞」贈賞の専門審査委員、東大和市商工会理事、等を歴任。

 著書「設計の故障解析51(CD-ROM付)」、「設計の基本仕様51(CD-ROM付)」、「設計のマネジメント101」、「設計者の心得と実務101」、「設計の経験則101」、「設計の凡ミス退治101」、「設計のムダ退治101」、「ハンドリング簡易自動化201」、「設計審査(DR=Design Review)支援ツール集・Ⅰ(事前審査編)」以上日刊工業新聞社から刊行。月刊「機械設計」誌へ長期連載等あり。「品質機能展開50事例(CD-ROM付)」、「MC選定資料マニアル」、熊谷卓氏と共著「組立・ハンドリング自動化実例図集」、以上新技術開発センターから刊行などが有る。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です