기하공차(GD&T) 해석하기 7 - 6개의 패턴홀

기하공차 도면을 처음 접하면 낯선 기호들이 가득한 도면 앞에서 막막함을 느끼기 쉽다. 어디서부터 읽어야 하는지, 무엇을 의미하는지 한눈에 들어오지 않는다.

그러나 기하공차 도면은 무질서한 기호의 나열이 아니다. 기호마다 정해진 정보가 담겨 있고, 정해진 순서대로 읽으면 누구나 해석할 수 있다. 중요한 것은 순서다.

이번 글에서는 플랜지 부품 도면에서 FCF 하나를 정해놓고 이를 해석하는 방법을 5단계로 나누어 처음부터 끝까지 함께 따라간다. 무엇을 해석하는가, 무엇을 통제하는가, 목표는 무엇인가, 얼마나 허용되는가, 요구사항을 만족하는가. 이 다섯 가지 질문에 차례로 답하다 보면, FCF 한 줄에 담긴 설계자의 의도가 완전히 읽힌다.

이번 글에서 함께 해석할 부품인 원형 플랜지 부품의 도면을 살펴보자.

정면도를 보면 중심에 큰 원통 보스가 있고, 그 주위로 6개의 홀이 일정한 간격으로 배치되어 있다. 단면도를 통해 부품의 두께와 단차 구조를 확인할 수 있다.

도면에는 여러 개의 기하공차가 표기되어 있다. 위쪽에는 위치공차와 평면공차가 보이고, 아래쪽에는 위치공차, 수직공차, 윤곽공차가 있다. 도면 하단에는 "UNLESS OTHERWISE SPECIFIED"라는 일반 공차 도 명시하고 있다.

이번 글에서 집중적으로 해석할 것은 6개의 패턴홀을 통제하는 FCF다. 이 FCF 하나를 5단계로 해석해보면서, 어떤 도면을 만나도 같은 방법으로 해석할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

1단계 - 무엇을 해석하는가?

기하공차를 해석할 때 가장 먼저 해야 할 일은 해석하려는 FCF를 정하는 것이다. FCF에는 기하공차로 통제하려는 모든 정보가 담겨있다. 칸마다 미리 정한 약속에 따라 정보가 들어간다. 도면에 많은 FCF가 있지만, 이번에 해석하려는 FCF를 정하고, 그 내용에 집중해보자.

첫 번째 칸은 기하공차 종류를 나타내는 심볼이 있다. 여기에는 위치공차 심볼이 있다. 간단하게 위치를 통제하겠다는 것을 의미한다. 두 번째 칸은 공차영역이 정의되어 있다. 공차영역은 Ø0.5로 정의되어 있는데, 이는 직경이 0.5인 원통 공차영역을 의미한다. 세 번째 이후 칸은 기하공차를 검증하는데 있어 기준으로 삼을 피쳐가 무엇인지 보여준다. 데이텀 피쳐 A를 1차로, 데이텀 피쳐 B를 2차로 하여 기준을 삼고 있다.

FCF의 내용을 하나하나 살펴보는 것은 문장을 읽기 전에 단어를 확인하는 것과 같다. 칸마다 표기된 정보를 어떻게 읽는지 익혀두면, 처음 보는 도면도 당황하지 않고 차례대로 해석할 수 있다.

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2단계 - 무엇을 통제하는가?

두 번째 단계는 이 FCF가 도면의 어떤 피쳐를 통제하는지 파악하는 것이다. FCF는 반드시 특정 피쳐를 가리키고 있으며, 그 피쳐를 통제한다.

이 FCF는 6X Ø5±0.2라고 표기된 6개의 패턴홀을 가리치고 있다. 사이즈로 정의된 홀은 사이즈 피쳐에 해당한다. 사이즈 피쳐를 통제하는 기하공차는 구체적으로 그 피쳐의 중심요소를 통제한다. 여기서는 홀의 중심요소인 중심축을 통제하게 된다.

따라서 이 FCF는 6개 홀 각각의 중심축을 통제한다. 오른쪽 그림을 보면 홀의 중심축들이 강조되어 표시되어 있다. 통제하려는 피쳐가 무엇인지 확인하고, 그리고 그 피쳐의 무엇을 통제하는지 먼저 파악하는 것이 중요하다. 그래야 이후 단계에서 무엇을 검증해야 하는지 올바르게 이해할 수 있다.

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3단계 - 목표는 무엇인가?

세 번째 단계는 통제하려는 피쳐가 목표로 하는 상태가 무엇인지 파악하는 것이다. 위치공차의 목표는 피쳐의 중심축이 트루 포지션에 가깝도록 하는 것이다. 트루 포지션이란 설계자가 의도한 이상적인 위치를 말한다.

이 패턴홀의 트루 포지션은 세 가지 정보의 조합으로 정의된다. 첫째는 피쳐들 사이의 위치, 둘째는 1차 데이텀 피처를 기준으로 하는 위치, 셋째는 2차 데이텀 피처를 기준으로 하는 위치다. 이 세 가지가 조합되어 이 패턴홀의 트루 포지션이 완전히 정의된다.

이 세 가지 정보는 도면의 서로 다른 곳에 분산되어 있고, 일부는 명시적으로 적혀 있지 않은 암시치수로 표현된다. 다음 그림을 통해 이를 하나씩 확인해보자.

① 피쳐 사이의 위치

트루 포지션을 구성하는 첫 번째 정보는 홀들이 서로 어떤 관계로 배치되어야 하는가다.

도면에서 Ø33은 홀패턴의 크기를 나타낸다. 6개의 홀 중심이 지름 33인 원 위에 놓여야 한다는 의미다. 그리고 6X60°는 홀 사이의 간격을 나타낸다. 6개 홀이 60°씩 균등하게 배치되어야 한다.

오른쪽 그림은 홀의 중심축들이 지름 Ø33의 원 위에 60° 간격으로 놓여 있는 이상적인 상태가 표현되어 있다. 실제 부품에서 홀들이 이 관계에 가깝게 만들어지는 것을 목표로 한다. 이 정보는 트루 포지션의 출발점으로, 이후 데이텀을 기준으로 한 위치 정보가 추가되면서 트루 포지션이 공간에서 완전히 정의된다.

② 1차 데이텀 피쳐를 기준으로 하는 위치

트루 포지션의 두 번째 정보는 1차 데이텀 피처 A를 기준으로 하는 위치다.

데이텀 피처 A는 부품 바닥면인 평면 서피스다. 이 평면 서피스로부터 데이텀 평면 A가 도출된다. 홀의 중심축은 이 데이텀 평면 A에 대해 수직이어야 한다. 즉, 각도 관계가 90°다.

이 90°라는 값은 도면에 명시적으로 표기되어 있지 않다. 데이텀 평면에 대한 수직임은 암시치수로 정의되어, 별도로 표기하지 않아도 수직을 요구하는 것으로 해석한다. 단면도에 표기된 90°는 보통은 표기하지 않는 암시치수를 설명을 위해 명시적으로 표현해둔 것이다. 오른쪽 그림은 6개 홀 중심축이 데이텀 평면 A에 대해 수직인 이상적인 상태를 보여준다.

③ 2차 데이텀 피쳐를 기준으로 하는 위치

트루 포지션의 세 번째 정보는 2차 데이텀 피처 B를 기준으로 하는 위치다.

데이텀 피쳐 B는 부품의 중심에 있는 보스의 원통 서피스다. 이 원통 서피스로부터 데이텀 축 B가 도출된다. 홀패턴의 중심, 즉 Ø33의 중심은 이 데이텀 축 B와 일치해야 한다. 치수로 표현하면 0으로, 즉 오프셋 없이 정확히 일치하는 것이 목표다.

이 값 역시 별도로 표기되지 않는 암시치수다. 데이텀 축 B를 기준으로 하는 위치는 별도로 표기되지 않아도 일치(0)를 요구하는 것으로 해석한다. 오른쪽 그림의 위쪽에는 데이텀 피쳐 B로부터 데이텀 축 B가 만들어지는 과정이, 아래쪽에는 홀 패턴의 중심이 데이텀 축 B와 정확히 일치해야 한다는 이상적인 상태를 보여준다.

패턴홀의 트루 포지션

아래의 표는 패턴홀의 트루 포지션에 대한 세 가지 정보를 한 눈에 보여준다.

통제요소는 6개 홀의 중심축이다. 가장 먼저 정의되는 것은 피쳐 사이의 위치다. 홀패턴 크기는 Ø33, 홀 간격은 60°다. 6개의 중심축이 서로 어떤 관계로 놓여야 하는지를 정의한다. 두 번째는 1차 데이텀 피쳐를 기준으로 하는 위치다. 데이텀 평면 A에 대해 홀의 중심축은 90°, 즉 수직이어야 한다. 이는 도면에 별도로 명시되어 있지 않은 암시치수다. 세 번째는 2차 데이텀 피쳐를 기준으로 하는 위치다. 데이텀 축 B에 대해 홀패턴의 중심은 0, 즉 일치해야 한다. 이 역시 암시치수다.

이 세 가지 정보를 통해 통제하려는 6개 패턴홀의 트루 포지션이 완전히 정의된다.

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4단계 — 얼마나 허용되는가?

네 번째 단계는 피쳐가 목표로 하는 트루 포지션으로부터 얼마나 벗어나도 되는지를 파악하는 것이다. 이는 공차영역으로 정의된다.

FCF의 두 번째 칸을 보자. Ø0.5라고 적혀 있다. 숫자 앞의 Ø 기호가 중요하다. 이것은 공차영역의 형상이 원통임을 의미한다. 즉, 트루 포지션을 중심축으로 하는 직경이 0.5인 원통이 공차영역이 된다.

오른쪽 그림을 보면 6개 홀의 트루 포지션 위치에 각각 Ø0.5의 원통이 그려져 있다. 각 홀의 중심축이 이 원통 공차영역 안에 있으면 그 홀은 기하공차 요구사항을 만족한다. 6개 홀 모두가 각자의 공차영역 안에 있어야 전체 요구사항이 만족된다. 공차영역의 크기와 형상, 그리고 자세 및 위치가 모두 명확해졌으니, 이제 마지막으로 실제 부품을 어떻게 검증하는지 살펴보자.

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5단계 — 요구사항을 만족하는가?

다섯 번째 단계는 실제 부품이 요구사항을 만족하는지 확인하는 것이다. 이 검증은 DRF 공간에서 이루어진다.

DRF란 피쳐를 통제하는데 기준으로 하는 좌표계로 데이텀 피쳐에 의해 구축된다. 이 공간 안에서 실제 부품을 놓고, 홀의 중심축이 공차영역 안에 있는지 확인해야 한다.

DRF 공간을 구축할 때 가장 중요한 것은 DRF 공간이 검사해야 하는 부품의 자유도를 얼마나 허용하는지 확인하는 것이다. 부품을 검사할 때 DRF 공간이 허용하는 자유도 방향으로 부품을 이동하거나 회전할 수 있기 때문이다. 허용되는 자유도를 활용하여 홀의 중심축이 정의한 공차영역 안에 들어오는지 확인할 수 있다. 이를 위해 먼저 DRF 공간을 구축하고, DRF 공간이 어떤 자유도를 허용하는지 파악해야 한다.

DRF 공간 구축

이제 데이텀 피쳐가 자유도를 제한하는 과정을 순서대로 살펴보자.

1차 데이텀 피처 A: 평면 서피스로부터 데이텀 평면 A가 만들어진다. 데이텀 평면 A는 z방향 병진자유도 1개와 X·Y 축을 중심으로 하는 u방향과 v방향 회전자유도 2개를 제한한다. 총 3개의 자유도를 제한한다.

2차 데이텀 피처 B: 원통 서피스로부터 데이텀 축 B가 만들어진다. 데이텀 축 B은 앞서 제한된 자유도를 제외하고 자신이 제한할 수 있는 자유도를 추가로 제한한다. 여기서는 X·Y 방향 병진자유도 2개를 추가로 제한한다. 이제 남은 자유도는 Z축을 중심으로 하는 w방향 회전자유도 1개 뿐이다.

DRF 공간: 자유도 5개가 제한되었다는 것은 자유도 1개가 제한되지 않았다는 것과 같다. 데이텀 피쳐로부터 구축된 DRF 공간은 자유도 1개, 즉 데이텀 축 B를 중심으로 한 회전을 허용한다. 부품을 검증할 때 필요하다면 DRF 공간이 허용하고 있는 이 자유도 1개 방향으로 부품을 회전하면서 검증할 수 있다.

DRF 공간에서 실제 부품의 자유도

앞서 이 피쳐를 통제하기 위해 구축된 DRF 공간이 어떤 자유도를 허용하는지 살펴보았다. 이제 실제 부품을 DRF 공간에 놓아보자.

먼저 아무런 자유도 제한이 없을 때 부품은 6개의 자유도를 가진다. X, Y, Z 방향의 병진자유도 3개와, 각 축을 중심으로 하는 회전자유도 3개다. 왼쪽 그림의 부품에 여섯 방향의 화살표가 표시된 것이 이를 나타낸다.

가운데 그림은 실제 부품과 DRF 공간이 관계를 맺으면 어떤 일이 일어나는지를 보여준다. 데이텀 피쳐들이 부품의 자유도를 하나씩 제한하기 시작한다. 오른쪽 그림은 데이텀 피쳐에 의한 자유도가 모두 제한된 후 DRF 공간 안에서 부품이 회전할 수 있음을 보여준다. 제한된 자유도 방향으로는 부품의 움직임이 허용되지 않고, 제한되지 않은 자유도 방향으로는 부품의 움직임이 허용된다.

자유도가 남아 있다는 것은 부품을 검증할 때 그 방향으로는 자유롭게 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

DRF 공간이 데이텀 축 B를 중심으로 하는 회전을 허용하고 있기 때문에 DRF 공간에서 실제 부품을 데이텀 축 B를 중심으로 회전시키면서 검증을 수행한다. 이때 각 홀의 중심축이 공차영역인 Ø0.5 원통 안에 동시에 들어오는 위치가 있다면 기하공차 요구사항을 만족한 것이다.

오른쪽 그림은 실제 부품의 모든 중심축이 정의한 공차영역 안에 있는 것을 보여준다. 허용된 자유도 방향으로 부품을 움직여 홀의 중심축이 공차영역 안에 있다면 요구사항을 만족한 것이다. 실제 부품의 검증은 DRF 공간 안에서 이루어져야 한다. 이 공간이 전제되지 않은 검증은 올바른 검증이 아니다.

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마무리

지금까지 6개 홀로 이루어진 패턴홀을 통제하는 FCF를 5단계에 걸쳐 완전히 해석했다. 정리하면 이렇다. 이 FCF는 6개 홀 중심축이, 데이텀 피쳐 A와 B로 구축된 DRF 공간 안에서 트루 포지션을 중심으로 하는 Ø0.5 원통 공차영역 안에 있어야 한다는 요구사항을 담고 있다.

이를 다시 한번 정리하면 이렇다. 데이텀 피쳐에 의해 구축된 DRF 공간에서 홀의 중심축이 공차영역 안에 들어오면 합격이다. FCF에는 이 모든 내용을 담고 있다. 이 글에서 익힌 다섯 단계 — FCF를 정하고, 피쳐를 확인하고, 목표가 무엇인지 파악한 후, 얼마나 허용되는지를 이해하고, 그 기준에 따라 실제로 검증하는 단계 — 를 순서대로 적용하면 이후 다른 FCF들도 어렵지 않게 해석할 수 있다.

FCF 한 줄을 읽는 데 이 같이 복잡한 단계가 필요하다는 것이 처음에는 번거롭게 느껴질 수 있다. 그러나 이 순서는 도면을 만든 사람의 사고 흐름과 정확히 일치한다. 설계자는 어떤 피쳐를, 어떤 목표로, 얼마나 허용하며, 이를 어떻게 검증해야 하는지를 FCF에 모두 나타냈다. 해석도 이 같은 순서로 따라가면 된다.

도면에 표기된 FCF 중 단 하나만을 해석해보았지만, 이 방법은 모든 FCF에 동일하게 적용된다. 기호가 바뀌고 데이텀이 늘어나도 다섯 단계를 통해 파악한 내용의 중요성은 달라지지 않는다. 많은 도면을 보고 익숙해질 때까지 연습해보는 것이 가장 중요하다.