설계 의도를 표현하는 RFS, MMC, LMC

기하공차는 피쳐의 편차를 통제한다. 그런데 실제로 제작된 부품에서 피쳐의 사이즈가 달라지면 그에 따라 공차를 더 부여하여도 기능적으로 문제가 되지 않는 경우가 있다. 이러한 경우에 MMC 조건과 LMC조건을 공차조건으로 사용할 수 있다. 이를 사용하면, 기능적으로 문제가 되지 않는 부품을 불합격처리하지 않을 수 있다.

핀과 홀이 끼워맞춤되는 상황을 생각해보자. 홀의 목표 직경이 ∅20.1-20.5라면, 실제 홀은 ∅20.1과 ∅20.5 사이에서 가공된다. 이 때 홀의 위치공차를 ∅0.1로 지정했다면, 홀이 정확히 ∅20.1로 나왔을 때와 ∅20.5로 나왔을 때 조립 여유가 달라진다. 홀이 크게 가공될수록, 홀의 위치는 더 벗어나도 조립이 된다. 즉, 홀이 크게 가공될수록 더 넉넉한 조립 여유가 생긴다. 이 여유를 공차값에 반영하는 것이 MMC이다.

---

RFS

RFS(Regardless of Feature Size)는 실제 부품에서 피쳐의 사이즈가 얼마든 도면에 표기된 기하공차값이 그대로 적용된다는 조건이다. 사이즈가 크게 제작되어도 작게 제작되어도 요구되는 공차수준은 변하지 않는다. 실제 사이즈가 어떠한지와는 무관하게 피쳐를 통제해야 할 때 RFS를 쓴다.

RFS0.5	항상 표기된 공차를 만족해야 함
	• 모든 피쳐 유형(서피스 피쳐/사이즈 피쳐)에 사용 가능.• 실제 제작된 사이즈(또는 상태)가 어떠하든 실제로 제작된 상태에 표기된 공차가 그대로 적용됨.• Rule #2에 의해 모든 기하공차는 RFS를 기본조건으로 함.

이후 MMC와 LMC를 공차조건으로 하였을 때 허용가능한 공차가 어떻게 달라지는 비교할 수 있도록 RFS를 공차조건으로 하였을 때 허용가능한 공차를 그래프로 나타내면 다음과 같다.

그림의 홀은 MMC 사이즈와 LMC 사이즈 사이에서 제작될 것이다. 기하공차가 RFS를 조건으로 하면 실제로 제작된 부품의 피쳐 사이즈가 얼마인지와 상관없이 도면에 표기된 기하공차값이 항상 적용된다.

Rule #2와 RFS

ASME Y14.5의 Rule #2는 "공차 조건을 별도로 명시하지 않으면 모든 기하공차는 RFS 상태로 적용된다"고 규정한다. 즉 도면에 Ⓜ이나 Ⓛ이 없으면 자동으로 RFS가 공차조건이 된다는 규정이다. 하지만 서피스 피쳐의 경우에 이 규정은 단지 선언에 불과하다. 모든 서피스 피쳐는 RFS 조건이 적용된다. 그 이유를 살펴보자.

서피스 피쳐에는 사이즈라는 개념이 없다. MMC와 LMC는 정의상 사이즈 피쳐에만 있는 개념이다. "최대 재료 상태"를 말하려면 재료의 양을 결정하는 사이즈가 있어야 하는데, 서피스 피쳐에는 그것이 없다. 평면 서피스의 평면공차, 원뿔 서피스의 윤곽공차처럼 서피스 피쳐에 적용되는 기하공차는 "최대 재료 상태"를 기준으로 할 것인지 "최소 재료 상태"를 기준으로 할 것인지 물어볼 수 조차 없다.

따라서, "모든 서피스 피쳐는 RFS 조건이다"라는 말은 선택의 결과가 아니다. MMC나 LMC를 적용할 수단이 없으니, RFS가 남는 유일한 선택지다. 이것은 규칙이라기보다 정의에서 비롯된 필연이다. 이 점이 사이즈 피쳐와 결정적으로 다르다. 사이즈 피쳐는 세 가지 선택지(RFS·MMC·LMC) 중 하나를 선택할 수 있다. 설계자가 기능을 검토하고 의도적으로 고른 조건이다. 반면 서피스 피쳐에서 RFS는 선택지가 아니다.

실무적 함의: 도면을 검토할 때 공차 조건을 확인해야 하는 대상은 사이즈 피쳐뿐이다. 서피스 피쳐를 통제하는 기하공차에 Ⓜ이나 Ⓛ이 붙어 있다면 그것은 도면 오류다.

RFS의 쓰임

RFS는 실제 부품의 사이즈가 어떻게 제작되었든 상관없이 형상 품질 자체가 기능을 결정하는 곳에 쓴다. 대표적인 세 가지 상황을 살펴보자.

• 진동 통제 : 베어링이 조립되는 베어링 하우징의 내경과 같이 회전체와 접하는 면은 사이즈가 얼마든 형상 편차 자체가 진동에 기여한다. 홀이 크게 제작되었다고 해서 진원도 품질이 완화될 수 없다.
• 실링 통제 : 오링 홈이나 플랜지 접촉면은 사이즈와 무관하게 평면 품질이 요구된다. 사이즈가 달라진다고 하여 틈새가 생겨되 되는 것은 아니기 때문이다.
• 편심 통제 : 고속으로 회전하는 축의 흔들림 편차는 편심을 유발하고 이는 진동과 수명 감소로 이어진다. 사이즈에 따라 더 큰 편심을 허용할 수는 없다.

이들의 공통점은 "조립이 되느냐"가 아니라 피쳐가 수행해야 하는 기능 품질 수준 자체를 통제해야 한다. MMC가 조립 여부를 관리한다면, RFS는 조립이 완료 된 후의 성능을 관리한다. RFS가 진동, 실링, 편심처럼 기하학적 편차가 성능에 직접 영향을 미치는 곳에 쓰는 이유가 여기에 있다. 이들은 형상 품질 자체가 기능에 직접적으로 영향을 주므로, 실제 사이즈가 얼마가 되든 공차수준이 달라져서는 안된다.

---

MMC

상대 부품과의 조립을 보장하려면 피쳐의 재료가 가장 많이 남아 있는 상태를 통제하면 된다. 이를 위해서 사용하는 것이 MMC이다. MMC(Maximum Material Condition)는 부품에 재료가 가장 많이 남아 있는 상태다. MMC는 조립이 보장되는 것이 중요한 경우에 사용된다.

MMC0.5	재료가 가장 많을 때 표기된 공차를 만족해야 함 → 재료가 줄어들면 줄어든 만큼 공차 추가
	• 피쳐 유형이 사이즈 피쳐일 때만 사용 가능.• 실제 제작된 사이즈에 따라 표기된 공차에 공차가 추가로 허용됨.• 조립이 보장되는 것이 기능의 핵심일 때 사용한다.

핀과 같이 내부가 채워져 있는 외피쳐는 직경이 가장 클 때 재료가 가장 많이 남아 있게 되고, 홀과 같이 내부가 비어 있는 내피쳐는 직경이 가장 작을 때 재료가 가장 많이 남아 있게 된다. MMC 상태를 공차조건으로 하면 재료가 가장 많을 때 표기된 공차를 만족해야 하고, 재료가 가장 많은 상태에서 재료가 줄어들면 줄어든 만큼 공차가 추가로 허용된다.

보너스 공차(Bonus Tolerance) — MMC의 핵심 개념

MMC 상태를 공차조건으로 하였다면, 실제 피쳐의 사이즈가 재료가 많은 상태에서 벗어날 수록(재료가 적은 상태에 가까워질 수록) 그 차이만큼 공차가 추가로 허용된다. 이를 보너스 공차라고도 한다. 이는 실제로 제작된 피쳐의 사이즈에 의해 생기는 것으로 아직 제작되지 않은 부품에는 얼마의 보너스 공차가 생기는지 알 수 없다.

MMC는 조립을 보장하는 데 초점을 맞춘 조건이다. 가장 조립이 어려운 상태, 즉 재료가 가장 많이 남아 있는 상태를 기준으로 공차를 설정하고, 실제로 제작된 피쳐의 재료가 적어져 조립이 유리해진 경우에는 그 유리해진 여유를 추가의 공차로 허용하는 것이다. 사용가능하지만 불합격되는 부품을 MMC를 조건으로 추가 공차를 허용하여 사용할 수 있게 한다. 이는 기능적으로도 합리적이다. 조립이 되는 것을 목표로 하는 부품은 조립이 가능하다면 사용하는 것이 당연하기 때문이다.

가상 조건(Virtual Condition) — MMC의 한계 경계

MMC와 함께 알아야 할 개념이 가상 조건(Virtual Condition)다. 가상 조건은 피쳐가 MMC 사이즈이면서 할당된 기하공차를 전부 소진한 가장 최악의 상태를 말한다. 가상 조건은 조립을 위해 항상 확보되어야 최소 공간의 경계를 보여준다.

핀과 같은 외피쳐의 경우에는 조립관점에서 핀이 가장 크면서 할당된 위치공차를 모두 소진했을 때 가장 최악이다. 가장 사이즈가 큰 핀이 위치공차만큼 더 바깥쪽으로 공간을 차지한 경우이기 때문에 이 경계의 크기를 계산하면 19.9 + 0.1로 20.0이 된다. 따라서 20.0이 핀의 가상 경계 크기가 되고, 핀은 최악의 경우에도 이 경계(∅20.0)를 넘어서 공간을 차지하지 않는다. 즉 ∅20.0보다 큰 홀은 어떤 경우에도 핀을 수용할 수 있다. 핀의 가상 경계는 핀이 차지할 수 있는 공간의 최대 한계를 나타낸다.

홀과 같은 내피쳐의 경우에는 조립관점에서 홀이 가장 작으면서 할당된 위치공차를 모두 소진했을 때 가장 최악이다. 가장 사이즈가 작은 홀이 위치공차만큼 더 안쪽으로 공간을 차지한 경우이기 때문에 이 경계의 크기를 계산하면 20.1 − 0.1로 20.0이 된다. 따라서 20.0이 홀의 가상 경계 크기가 되고, 홀은 최악의 경우에도 이 경계(∅20.0) 안쪽으로 조립 공간이 항상 보장된다. 즉 ∅20.0보다 작은 핀은 어떤 경우에도 홀에 삽입될 수 있다. 홀의 가상 경계는 조립을 위해 항상 확보되는 공간의 최소 한계를 나타낸다.

---

LMC

부품에 남아 있는 재료를 보장하려면 피쳐의 재료가 가장 적게 남아 있는 상태를 통제하면 된다. 이를 위해 사용하는 것이 LMC이다. LMC(Least Material Condition)는 부품에 재료가 가장 적게 남아 있는 상태다. LMC는 벽 두께와 같이 재료 보존이 중요할 사용된다.

LMC0.5	재료가 가장 적을 때 표기된 공차를 만족해야 함 → 재료가 늘어나면 늘어난 만큼 공차 추가
	• 피쳐 유형이 사이즈 피쳐일 때만 사용 가능.• 실제 제작된 사이즈에 따라 표기된 공차에 공차가 추가로 허용됨.• 벽 두께, 재료 보존이 기능의 핵심일 때 사용한다.

핀과 같이 내부가 채워져 있는 외피쳐는 직경이 가장 작을 때 재료가 가장 적게 남아 있는 상태가 되고, 홀과 같이 내부가 비어 있는 내피쳐는 직경이 가장 클 때 재료가 가장 적게 남아 있는 상태가 된다. MMC와 반대이다. LMC 상태를 공차조건으로 하면 재료가 가장 적을 때 표기된 공차를 만족해야 하고, 재료가 가장 적은 상태에서 재료가 늘어나면 늘어난 만큼 공차가 추가로 허용된다.

보너스 공차(Bonus Tolerance) — LMC의 핵심 개념

LMC 상태를 공차조건으로 하였다면, 실제 피쳐의 사이즈가 재료가 가장 적은 상태에서 벗어날 수록 (재료가 많은 상태에 가까워질 수록) 그 차이만큼 공차가 추가로 허용된다. 이를 보너스 공차라고도 한다. 이는 실제로 제작된 피쳐의 사이즈 상태에 의해 생기는 것으로 아직 제작되지 않은 부품은 얼마의 보너스 공차가 생기는지 알 수 없다.

LMC는 재료를 보전하는 데 초점을 맞춘 조건이다. 가장 재료가 적게 남아 있는 상태를 기준으로 공차를 설정하고, 실제로 제작된 피쳐의 재료가 많아서 재료 보전에 유리해진 경우에는 그 유리해진 여유를 추가의 공차로 허용하는 것이다. 사용가능하지만 불합격되는 부품을 LMC를 조건으로 추가공차를 허용하여 사용할 수 있게 한다. 이는 기능적으로도 합리적이다. 재료 보전을 목표로 하는 부품은 재료가 보존되었다면 사용하는 것이 당연하기 때문이다.

가상 조건(Virtual Condition) — LMC의 한계 경계

MMC와 마찬가지로 LMC도 가상 조건(Virtual Condition)이 있다. 가상 조건은 피쳐가 LMC 사이즈이면서 할당된 기하공차를 전부 소진한 가장 최악의 상태를 말한다. 가상 조건은 재료 보전을 위해 항상 재료가 확보되어야 최소 영역의 경계를 보여준다.

핀과 같은 외피쳐의 경우에는 재료 보전관점에서 핀이 가장 작으면서 할당된 위치공차를 모두 소진했을 때 가장 최악이다. 가장 사이즈가 작은 핀이 위치공차만큼 더 안쪽으로 재료가 존재하지 않는 경우이기 때문에 이 경계의 크기를 계산하면 19.5-0.1로 19.4가 된다. 따라서 19.4이 핀의 가상 경계 크기가 되고, 핀은 최악의 경우에 이 경계 바깥쪽으로는 재료가 없게 된다. 동시에 핀은 최악의 경우에도 이 경계 안쪽으로는 항상 재료가 보존된다. 핀의 가상 경계는 핀의 재료가 항상 존재하는 공간의 한계 경계를 나타낸다.

홀과 같은 내피쳐의 경우에는 재료 보전관점에서 홀이 가장 크면서 할당된 위치공차를 모두 소진했을 때 가장 최악이다. 가장 사이즈가 큰 홀이 위치공차만큼 더 바깥쪽으로 재료가 존재하지 않는 경우이기 때문에 이 경계의 크기를 계산하면 20.5+0.1로 20.6이 된다. 따라서 20.6이 홀의 가상 경계 크기가 되고, 홀은 최악의 경우에 이 경계 안쪽으로는 재료가 없게 된다. 동시에 홀은 최악의 경우에도 이 경계 바깥쪽으로는 항상 재료가 보존된다. 홀의 가상 경계는 홀의 재료가 항상 존재하는 공간의 한계 경계를 나타낸다.

LMC의 쓰임

LMC는 MMC보다 쓰임새가 좁다. 가장 흔한 적용 사례는 홀의 위치가 벽 두께에 영향을 주는 경우다. 예를 들어 부품 가장자리 근처에 홀을 뚫을 때, 홀이 커질 수록 (LMC에 가까울수록) 가장자리와의 거리가 줄어들어 벽 두께가 얇아질 위험이 있다. LMC 조건을 쓰면 홀이 가장 클 때 (가장 위험할 때)를 기준으로 위치공차를 설정하고, 홀이 작아질 수록 (벽이 두꺼워질수록) 여유를 준다.

---

마무리

공차조건의 선택은 수치의 문제가 아니라 설계 의도의 문제다. 같은 기하공차값이라도 RFS를 선택했다면 "사이즈가 어떻게 나오든 이 형상 품질은 반드시 지켜져야 한다"는 의도이고, MMC를 선택했다면 "조립이 되는 것이 핵심이며, 조립에 유리한 상황이라면 공차를 더 줄 수 있다"는 의도이며, LMC를 선택했다면 "재료가 보전되는 것이 핵심이며, 재료가 충분하다면 공차를 더 줄 수 있다"는 의도다.

공차조건은 설계자가 그 피쳐에서 무엇을 지키려 하는지를 도면 위에 명시하는 수단이다. 이것이 기하공차의 가장 큰 장점이다. 치수공차가 "얼마까지 허용한다"는 범위를 전달한다면, 기하공차는 공차조건을 통해 "왜 이 범위인가"라는 이유까지 전달한다. 도면을 읽는 사람은 수치뿐 아니라 설계자의 설계 의도를 함께 읽게 된다.