기하공차 다섯 가지 유형 — 심볼이 그리는 통제목표와 유형별 특징

기하공차는 열두 종류가 있으며, 이는 다섯 가지 유형으로 분류된다. 이러한 분류는 각각의 기하공차가 가진 특징에 따라 이루어진다. 예를 들어 모양공차는 데이텀 피쳐를 참조하지 않는다는 공통점이 있고, 흔들림공차는 항상 회전축을 데이텀 피쳐로 참조한다는 공통점이 있다. 이러한 분류는 기능적 특성에 따른 것이지, 단순히 모양을 통제해서 모양공차라고 하거나 자세를 통제해서 자세공차라고 명명한 것은 아니다.

이 글에서는 먼저 기하공차 심볼이 무엇을 그리고 있는지 살펴보고, 이어서 다섯 유형을 하나씩 돌면서 각 유형이 목표로 하는 상태와 유형별 특징을 정리한다.

심볼은 목표로 하는 상태를 그린다

기하공차 종류를 나타내는 심볼은 목표로 하는 기하학적 상태를 구체적이고 직관적으로 표현한다. 심볼 모양만으로도 직선을 목표로 할 것인지 평면을 목표로 할 것인지 수직을 목표로 할 것인지 평행을 목표로 할 것인지 쉽게 알 수 있다. 진직공차 심볼은 직선을, 평면공차 심볼은 평면을, 진원공차 심볼은 원을, 원통공차 심볼은 원통을 나타내며, 각각의 모양공차가 추구하는 완벽한 기하학적 상태를 시각적으로 보여준다. 자세공차인 경사공차, 수직공차, 평행공차의 심볼들도 마찬가지로 기준에 대한 특정 각도 관계를 직관적으로 표현한다. 흔들림공차, 윤곽공차, 위치공차 역시 마찬가지다.

모든 기하공차는 실제 형상이 수학적으로 완벽한 상태에 가깝도록 통제한다는 공통된 목표가 있다. 각각의 기하공차는 해당 기하공차가 목표로 하는 이상적인 기하학적 상태에 가깝도록 실제 형상을 통제한다. 예를 들어 진직공차는 서피스의 선 성분이 수학적으로 완벽한 직선에 가깝도록 통제하고, 평행공차는 선이나 면이 기준에 대해 수학적으로 완벽한 평행에 가깝도록 통제한다. 이러한 완벽한 기하학적 상태에 얼마나 가까워야 하는지는 공차값으로 정의하며, 이를 통해 제조 현실과 설계 의도 사이의 균형을 맞춘다. 심볼마다 작성규칙과 해석방법이 있으며, 이는 각 심볼을 설명할 때 자세하게 설명한다.

1. 모양공차

모양공차에는 진직공차, 평면공차, 진원공차, 원통공차가 있다.

모양공차는 피쳐 자신의 모양을 통제하기 때문에 다른 것과 비교할 필요가 없다. 따라서 비교 기준인 데이텀이 필요하지 않으며, 데이텀 피쳐를 참조하지 않는다. 만약 모양공차가 데이텀 피쳐를 참조하고 있다면 이는 잘못된 것이다.

각각의 모양공차는 공차영역을 특정한 모양으로 정의하여 서피스의 모양이 특정한 모양에 가깝도록 통제한다. 진직공차는 수학적으로 완벽한 직선에 가깝도록, 평면공차는 완벽한 평면에 가깝도록, 진원공차는 완벽한 원에 가깝도록, 원통공차는 완벽한 원통에 가깝도록 통제한다. 그래서 진직공차는 직선 공차영역을, 평면공차는 평면 공차영역을, 진원공차는 진원 공차영역을, 원통공차는 원통 공차영역을 정의한다. 직선, 평면, 진원, 원통이 아닌 다른 모양의 공차영역을 정의해야 한다면 모양공차가 아닌 윤곽공차를 사용해야 한다.

윤곽공차는 모든 모양의 공차영역을 정의할 수 있기 때문에 모양공차가 정의하는 공차영역도 정의할 수 있다. 하지만 직선 공차영역은 진직공차로, 평면 공차영역은 평면공차로, 진원 공차영역은 진원공차로, 원통 공차영역은 원통공차로 정의하는 것이 더 직관적이고 이해하기 쉽다.

이때 통제대상인 피쳐의 모양이 설계상 완벽한 직선, 평면, 원, 원통이어야 하는 것은 아니다. 설계상 서피스가 약간의 곡률을 가진 곡면이라고 하더라도, 서피스의 모든 점이 평면 공차영역 안에 있어도 된다면 평면공차로 통제할 수 있다.

2. 자세공차

자세공차에는 경사공차, 수직공차, 평행공차가 있다.

자세공차는 피쳐의 자세를 통제하기 때문에 자세를 평가할 비교 기준이 필요하다. 따라서 데이텀이 필요하며, 반드시 데이텀 피쳐를 참조해야 한다. 자세공차에 의해 정의된 공차영역은 자세가 고정되어 회전이동은 할 수 없지만, 위치는 고정되지 않아 평행이동은 할 수 있다. 자유도로 표현하면 회전자유도는 제한되고 병진자유도는 제한되지 않는다고 할 수 있다.

경사공차는 어떤 기준에 대해 수학적으로 완벽한 특정 자세에 가깝도록 통제하고, 수직공차는 완벽한 수직에 가깝도록, 평행공차는 완벽한 평행에 가깝도록 통제한다. 경사공차는 일반적인 자세의 공차영역을 정의하는 반면, 수직공차와 평행공차는 각각 수직과 평행이라는 특정한 자세의 공차영역을 정의한다. 일반적인 자세의 공차영역을 정의하는 경사공차로 수직이나 평행도 정의할 수 있지만, 수직 공차영역이나 평행 공차영역을 정의해야 한다면 해당하는 공차를 사용하는 것이 더 직관적이고 이해하기 쉽다.

3. 위치공차

위치공차에는 위치공차만 있다. 2018년 이전에는 동심공차와 대칭공차가 위치공차 유형에 포함되어 있어 심볼이 14종류였지만, 2018에서는 삭제되어 12종류가 되었다. 동심공차와 대칭공차가 하던 일은 위치공차·윤곽공차·흔들림공차로 대신할 수 있어 특별한 경우가 아닌 한 설명하지 않는다.

ASME 표준에서 위치공차는 사이즈 피쳐만 통제하는 반면, ISO 표준은 위치공차로 서피스를 통제하기도 한다. 위치공차는 사이즈 피쳐를 통제하기 때문에 특정재료상태(MMC, LMC)에서 공차를 정의할 수 있다. 위치공차에 의해 정의된 공차영역은 데이텀 피쳐의 자유도 제한 능력에 따라 자유도가 제한된다. 자세공차는 병진자유도가 제한되지 않는 것과 달리 위치공차는 데이텀 피쳐가 제한할 수 있는 모든 자유도를 제한할 수 있다.

위치공차는 어떤 기준에 대한 위치를 통제한다. 구체적으로 위치공차는 어떤 기준에 대해 수학적으로 완벽한 특정 위치에 가깝도록 통제한다.

4. 윤곽공차

윤곽공차는 선윤곽공차, 면윤곽공차가 있다.

윤곽공차는 모든 유형의 서피스를 통제할 수 있어 가장 포괄적인 공차이다. 평면서피스도 통제할 수 있고 곡면서피스도 통제할 수 있다. 윤곽공차는 필요에 따라 비교 기준을 설정하므로 데이텀이 필요할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 따라서 데이텀 피쳐를 참조할 수도 있고 참조하지 않을 수도 있다.

선윤곽공차는 수학적으로 완벽한 윤곽선에 가깝도록 통제하며, 기준이 있다면 그 기준에 대해 완벽한 윤곽선에 가깝도록 통제한다. 면윤곽공차는 수학적으로 완벽한 윤곽면에 가깝도록 통제하며, 마찬가지로 기준이 있다면 그 기준에 대해 완벽한 윤곽면에 가깝도록 통제한다.

윤곽공차에 의해 정의된 공차영역의 자유도 제한은 참조한 데이텀 피쳐의 제한능력에 따라 달라진다. 자세공차는 데이텀 피쳐가 병진자유도를 제한할 수 있는 능력이 있더라도 제한하지 않는 것과 달리, 윤곽공차는 데이텀 피쳐가 제한할 수 있는 모든 자유도를 제한할 수 있다.

5. 흔들림공차

흔들림공차에는 원주흔들림공차, 전체흔들림공차가 있다.

원주흔들림공차는 진원공차와 유사하고 전체흔들림공차는 원통공차와 유사하지만, 흔들림공차는 특정축을 기준으로 피쳐의 진원과 원통을 통제한다는 점이 다르다. 피쳐의 흔들림을 평가하기 위해서는 비교 기준이 필요하며, 데이텀이 필요하고 데이텀 피쳐를 참조해야 한다. 이때 데이텀은 회전축이기 때문에 회전축을 생성하는 데이텀 피쳐를 참조해야 한다.

흔들림공차는 회전축을 중심으로 회전되는 서피스를 통제한다. 특정축을 중심으로 하기 때문에 원이나 원통과 같이 원형성분을 통제하게 된다. 원주흔들림공차는 특정축을 중심으로 완벽한 원에 가깝도록 통제하며, 전체흔들림공차는 특정축을 중심으로 완벽한 원통에 가깝도록 통제한다. 서피스는 원통과 같은 곡면서피스일 수도 있지만, 회전축을 중심으로 회전하는 서피스라면 평면서피스도 흔들림공차로 통제할 수 있다. 핵심은 회전축이 존재한다는 점이다.

마치며

이처럼 12종류의 기하공차는 공통적인 특징에 따라 5가지 유형으로 분류된다. 모양공차는 데이텀 참조 없이 피쳐 자신의 모양만을 통제하고, 자세공차는 데이텀을 참조하여 자세를 통제하되 병진자유도는 제한하지 않는다. 위치공차는 사이즈 피쳐를 대상으로 하며 데이텀이 제한할 수 있는 모든 자유도를 제한할 수 있고, 윤곽공차는 가장 포괄적으로 모든 형상을 통제할 수 있으며 데이텀 참조 여부를 선택할 수 있다. 흔들림공차는 반드시 회전축을 데이텀으로 참조하여 회전 중심을 기준으로 한 형상을 통제한다.

어떤 기하공차를 선택할지는 통제하려는 기하학적 속성과 피쳐의 특성에 따라 결정된다. 모양만 통제하려면 모양공차를, 기준에 대한 자세를 통제하려면 자세공차를, 기준에 대한 위치를 통제하려면 위치공차를 사용한다. 복잡한 형상이나 다양한 속성을 동시에 통제해야 한다면 윤곽공차를, 회전축이 있는 피쳐라면 흔들림공차를 활용할 수 있다.

다만 특정 상태를 통제하는 방법은 하나로 제한되지 않는다. 여러 가지 방법 중에서 상황에 가장 적절한 방법을 선택할 수 있다. 예를 들면, 진직편차는 진직공차뿐 아니라 선윤곽공차로도 통제할 수 있다. 자세를 통제할 때도 자세공차를 사용할 수도 있지만 윤곽공차로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

그러나 각 심볼은 특정 상태를 목표로 한다는 의미를 직관적으로 전달하도록 설계되었다. 따라서 심볼만 보고도 통제하고자 하는 특성을 쉽게 파악할 수 있다. 평행편차를 통제하기 위해 경사공차를 사용하여 규제할 수도 있지만, 평행공차를 사용하면 해당 피쳐가 평행으로 통제됨을 직관적으로 인식할 수 있다. 도면작성자는 사용자가 도면을 빠르고 정확하게 이해할 수 있도록 도면을 작성해야 한다. 따라서 공차종류를 나타내는 심볼을 선택할 때는 사용자의 이해도를 고려하는 것이 바람직하다.