사이즈 피쳐란 무엇이고, 언제 성립하나

GD&T를 처음 접하는 사람들이 가장 어려워하는 개념 중 하나가 바로 '사이즈 피쳐'다. 하지만 사이즈 피쳐를 이해하지 못하면 GD&T 전체를 제대로 활용하기 어렵다. 사이즈 피쳐가 무엇인지, 어떤 꼴로 나타나는지, 어떤 형상이 사이즈 피쳐가 되려면 무엇을 만족해야 하는지, 그리고 왜 중요한지 차례로 살펴보자.

사이즈 피쳐란 무엇인가?

사이즈 피쳐를 한마디로 정의하면 '사이즈 공차가 정의된 피쳐'이다. 여기서 중요한 점은 단순히 크기를 가진 형상이 있는 것만으로는 사이즈 피쳐가 되지 않는다는 것이다. 반드시 사이즈 공차가 정의되어야 한다. 예를 들어, 어떤 부품에 홀이 있다고 해보자. 이 홀이 단순히 그림으로만 그려져 있다면 이는 사이즈 피쳐가 아니다. 하지만 도면에 '∅10±0.1mm'처럼 사이즈와 사이즈 공차가 함께 표시되어 있다면, 그때야 비로소 사이즈 피쳐가 된다.

사이즈와 치수를 구별해야 하는 이유

우리는 일상에서 '사이즈'라는 말을 보통 모든 종류의 치수에 쓴다. "각도 얼마야?"라고 물어볼 때도 "사이즈 얼마야?"라고 말하기도 하고, "거리 얼마야?"라고 물어볼 때도 "사이즈 얼마야?"라고 말하기도 한다. 하지만 GD&T에서는 이렇게 사용하면 안 된다.

크기 치수 = 사이즈 (○)
각도 치수 = 사이즈 (✕)
위치 치수 = 사이즈 (✕)

GD&T에서는 치수를 크게 세 종류로 나눈다. 크기 치수, 위치 치수, 각도 치수가 그것이다. 크기 치수는 물체 자체의 크기를 나타내는 치수다. 구멍의 지름, 축의 지름, 판의 두께 같은 것들이다. 위치 치수는 한 피쳐에서 다른 피쳐까지의 거리를 나타낸다. 예를 들어 구멍의 중심에서 모서리까지의 거리 같은 것들이다. 각도 치수는 두 면 사이의 각도나 기울기다.

GD&T에서 '사이즈'는 오직 형상의 크기, 즉 길이나 직경과 같은 크기 치수만을 뜻한다. 이런 치수들만 사이즈 피쳐가 될 수 있고, 치수공차를 적용할 수 있다. 위치 치수와 각도 치수는 사이즈가 아니며, 치수공차가 아닌 기하공차로 통제해야 한다. 하지만 현실에서는 이 규칙을 지키지 않는 도면들을 자주 볼 수 있다. 위치를 나타내는 치수에 ±공차를 붙여놓은 경우들 말이다. 엄밀하게 말하면 이런 도면은 GD&T 원칙에 맞지 않는다. 이 이야기는 뒤에서 예를 들어 다시 살펴본다.

사이즈 피쳐의 대표적인 형태들

사이즈 피쳐는 크게 4가지 형태로 나타난다. 이해하기 쉽게 그림으로 설명해보겠다.

먼저 파인 형태의 피쳐가 있다. 드릴로 뚫은 원형 홀이나 밀링으로 파낸 사각형 홈 같은 것들이다. 이런 형태는 안쪽에는 재료가 없고, 바깥쪽에는 재료가 있다. 버니어 캘리퍼로 측정할 때는 상단의 안쪽 측정 집게를 사용해야 한다.

반대로 돌출된 형태의 피쳐도 있다. 선반으로 깎아낸 원통형 축이나 밀링으로 만든 돌출부 같은 것들이다. 이런 형태는 안쪽에 재료가 있고, 바깥쪽에는 재료가 없다. 버니어 캘리퍼로 측정할 때는 상단의 바깥쪽 측정 집게를 사용해야 한다.

그런데 여기서 조금 특별한 경우가 있다. 긴 홈 형태인 슬롯은 홀처럼 안쪽에 재료가 없지만, 양쪽 끝이 막혀있지 않고 열려있다. 반대로 레일이라고 부르는 돌출된 형태는 축처럼 안쪽에 재료가 있지만, 양쪽 끝이 다른 서피스와 연결되어 있다.

내피쳐와 외피쳐로 구분하는 방법

이렇게 다양한 형태의 서피스 피쳐는 재료를 기준으로 구분할 수 있다. 경계선을 기준으로 안쪽에 재료가 있는지 없는지 보는 것이다.

경계선 안쪽에 재료가 없으면 '내피쳐'라고 부른다. 홀이나 슬롯이 여기에 해당한다.

반대로 경계선 안쪽에 재료가 있으면 '외피쳐'라고 부른다. 핀이나 레일이 여기에 해당한다. 내피쳐는 캘리퍼의 안쪽 집게로, 외피쳐는 바깥쪽 집게로 잰다는 것은 앞에서 본 그대로다.

사이즈 피쳐의 기본 형태

사이즈 피쳐는 3가지 기본 형태가 있다.

너비형 피쳐는 두 개의 평평한 면이 서로 평행하게 마주보고 있는 형태다. 이런 피쳐는 두 면의 중간에 있는 중심평면을 중심요소로 활용할 수 있다. 키홈이나 가이드 레일 같은 것들이 여기에 해당한다.

원통형 피쳐는 가장 흔한 형태로, 원형 홀이나 원통형 축이 여기에 해당한다. 이런 피쳐는 중심축을 중심요소로 활용할 수 있다. 대부분의 볼트 홀이나 샤프트가 이런 형태다.

구형 피쳐는 공처럼 둥근 형태다. 이런 피쳐는 중심점을 중심요소로 활용할 수 있다. 볼 베어링의 볼이나 구면 조인트 부분에서 볼 수 있다.

사이즈 피쳐가 되려면 — 두 가지 조건

여기까지 사이즈 피쳐가 어떤 꼴로 나타나는지 살펴봤다면, 이제 좀 더 구체적으로 들어가 보자. 어떤 형상이 사이즈 피쳐가 되려면 반드시 만족해야 하는 두 가지 조건이 있다. 이 조건들을 정확히 이해해야 실제 도면에서 사이즈 피쳐를 제대로 구분할 수 있다.

첫 번째 조건: 사이즈 공차가 반드시 있어야 한다

사이즈 피쳐가 되기 위한 첫 번째 조건은 사이즈 공차가 정의되어 있어야 한다는 것이다. 이게 생각보다 중요한 포인트다. 현장에서 일하다 보면 이런 경우를 자주 본다. 도면에 원형 구멍이 그려져 있고, 그 옆에 '∅20'이라고 적혀있다. 언뜻 보면 사이즈 피쳐 같지만, 실제로는 그렇지 않다. 왜냐하면 공차가 없기 때문이다.

진짜 사이즈 피쳐가 되려면 '∅20±0.1' 또는 '∅20+0.2/-0.1' 같이 사이즈 공차가 명시되어 있어야 한다. 단순히 숫자만 적혀있다면 그건 단순한 정보용 표기일 뿐이다. 베이직 치수일 수도 있고, 참고 치수일 수도 있다. 이는 형상의 크기에 대한 정보만 나타낼 뿐이다.

이런 구분이 중요한 이유는 공차가 있어야만 실제로 '이 정도 범위 안에서 만들어도 된다'는 기준이 생기고, 그 기준을 활용할 수 있기 때문이다.

두 번째 조건: 대응점이 존재해야 한다

사이즈 공차가 있다고 해서 무조건 사이즈 피쳐가 되는 건 아니다. 두 번째 조건인 '대응점의 존재'도 만족해야 한다. 대응점이란 쉽게 말해 '서로 마주보는 점들'을 뜻한다. 원형 구멍을 생각해보자. 구멍의 한쪽 벽면에 있는 점과 정반대편 벽면에 있는 점이 대응점이다. 이 두 점 사이의 거리가 바로 그 구멍의 직경이 된다. 그런데 모든 형상이 대응점을 가지는 건 아니다.

캘리퍼로 간단하게 판별하는 방법

대응점이 있는지 없는지 판별하는 가장 쉬운 방법이 있다. 바로 버니어 캘리퍼를 이용하는 것이다.

어떤 형상을 캘리퍼의 상단 집게 — 바깥쪽 집게든 안쪽 집게든 — 로 잴 수 있다면, 그 형상은 대응점을 가지고 있다는 뜻이다. 집게가 축의 한쪽 면과 반대쪽 면, 구멍의 한쪽 벽과 반대쪽 벽을 동시에 짚기 때문이다.

하지만 캘리퍼의 상단 집게로 측정할 수 없는 치수들도 있다. 예를 들어 어떤 표면에서 다른 표면까지의 거리나 높이 같은 것들 말이다. 이런 치수들은 캘리퍼의 깊이 측정용 끝부분을 사용하거나 다른 측정 도구를 써야 한다. 이런 경우는 대응점이 없으므로 사이즈 피쳐가 아니다.

호형 피쳐의 특별한 경우

호(arc) 형태의 피쳐는 특별히 주의해야 한다. 호의 각도에 따라 사이즈 피쳐가 될 수도 있고 아닐 수도 있기 때문이다.

왼쪽 그림과 같이 호가 180°보다 작아지면, 이런 호에서는 서로 마주보는 점이 없다. 호의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지는 대응점이라고 할 수 없다. 왜냐하면 호의 중심을 지나는 직선상에 있지 않기 때문이다. 따라서 아무리 사이즈 공차를 명시해도 정형 사이즈 피쳐가 될 수 없다. (2018 판은 정형이 아닌 형상을 사이즈 피쳐로 다루는 「비정형 사이즈 피쳐」를 따로 두고 있다. 여기서 말하는 대응점 규칙은 홀·핀·슬롯·레일 같은 정형 사이즈 피쳐에 관한 것이다.)

반면 180° 이상의 호는 다르다. 반원 이상이 되면 직경 방향으로 서로 마주보는 점들이 생긴다. 이런 점들은 진짜 대응점이라고 할 수 있고, 캘리퍼로 측정이 가능하다. 물론 이 경우에도 실제로 사이즈 피쳐가 되려면 사이즈 공차가 함께 정의되어야 한다.

예를 들어 270° 호가 있다고 해보자. 이 호에서는 지름 방향으로 서로 마주보는 여러 쌍의 점들이 존재한다. 따라서 이 호에 크기 공차를 정의하면 사이즈 피쳐가 될 수 있다.

실제 도면에서 판별하는 방법

실무에서 도면을 볼 때 사이즈 피쳐인지 아닌지 빠르게 판별하는 체크리스트가 있다.

• 크기 공차가 있는지 확인한다. ±기호나 상하한 공차가 명시되어 있어야 한다. 베이직 치수나 참고 치수로 표시되어 있다면 사이즈 피쳐가 아니다.
• 대응점이 있는지 생각해본다. 캘리퍼로 측정할 수 있는 형상인지 머릿속으로 그려본다. 바깥쪽 집게든 안쪽 집게든 상관없이 캘리퍼로 잴 수 있다면 대응점이 있는 것이다.
• 치수가 크기를 나타내는지 확인한다. 위치나 거리, 각도를 나타내는 치수라면 사이즈 피쳐가 아니다.

셋째 항목은 첫째 조건을 도면에서 가려내는 방법이니, 결국 앞의 두 조건을 모두 만족해야만 진짜 사이즈 피쳐라고 할 수 있다.

잘못 적용된 도면의 예

현장에서 자주 보는 잘못된 예를 하나 들어보자. 어떤 도면에 두 구멍 사이의 거리가 '50±0.2'로 표시되어 있다고 하자. 언뜻 보면 치수공차가 있으니까 문제없어 보인다. 하지만 이건 잘못된 표기다. 두 구멍 사이의 거리는 위치 치수이지 크기 치수가 아니기 때문이다. 이런 경우에는 베이직 치수로 거리를 정의하고, 위치공차나 윤곽공차 같은 기하공차를 사용해야 맞다.

이런 실수가 생기는 이유는 전통적인 치수 공차 방식에 익숙한 사람들이 GD&T를 제대로 이해하지 못했기 때문이다. GD&T에서는 각각의 치수 유형에 맞는 공차를 사용해야 한다는 원칙을 지켜야 한다.

사이즈 피쳐가 특별한 이유

그렇다면 왜 사이즈 피쳐가 중요할까? 사이즈 피쳐는 일반적인 서피스(표면)와는 다른 특별한 능력들을 가지고 있기 때문이다.

첫 번째로, 사이즈 피쳐는 사이즈 공차만으로 모양을 동시에 통제한다. 이것을 GD&T에서는 'Rule #1'이라고 부른다. 예를 들어 홀의 직경에 공차를 주면, 그 홀이 찌그러지지 않고 어느 정도 원형을 유지해야 한다는 조건도 자동으로 포함된다.

두 번째로, 사이즈 피쳐는 서피스뿐만 아니라 중심축 같은 중심요소를 활용할 수 있다. 만약 홀이 있다면 그 홀의 중심축을 통제할 수도 있고, 그 홀의 중심축을 기준으로 다른 피쳐들의 위치를 통제할 수도 있다.

세 번째로, 사이즈 피쳐는 재료가 가장 많을 때와 가장 적을 때의 조건을 활용해서 공차를 더 유연하게 할 수 있다. 이것을 MMC나 LMC라고 부른다. 홀에 핀을 끼워 넣을 때 조립을 방해하는 것은 절대적인 사이즈가 아니라 재료의 양이다. 홀이 작아질수록, 핀이 커질수록 재료가 많아져 조립이 어려워진다. 그래서 GD&T는 사이즈 피쳐를 '크다, 작다'가 아니라 '재료가 많다, 적다'라는 관점에서 다룬다. 이는 MMC와 LMC를 다루는 글에서 자세히 살펴본다.

마무리

사이즈 피쳐를 이해하는 것은 GD&T 전체를 이해하는 첫 걸음이다. 단순해 보이지만 사실은 매우 체계적이고 논리적인 개념이다.

핵심만 정리하면 이렇다. 사이즈 피쳐는 사이즈 공차가 정의된 특별한 형태다. 내피쳐와 외피쳐로 구분되며, 너비형·원통형·구형 세 가지 기본 형태가 있고, 각각 중심평면·중심축·중심점을 중심요소로 가진다. 어떤 형상이 사이즈 피쳐가 되려면 반드시 사이즈 공차가 정의되어 있어야 하고, 대응점이 존재해야 한다. 캘리퍼를 이용한 판별법은 현장에서 매우 실용적이다. 복잡한 이론을 외울 필요 없이, 단순히 '캘리퍼로 잴 수 있나?'를 생각해보면 된다.

이런 기본기를 탄탄히 다져놓으면, 앞으로 배울 MMC, LMC, 그리고 더 복잡한 GD&T 개념들을 훨씬 쉽게 이해할 수 있을 것이다.