GD&T는 공차영역을 정의하는 것이 핵심이다. GD&T는 모양, 자세, 위치에 대한 기하학적 요구사항을 공차영역으로 명확하게 표현할 수 있게 한다. GD&T는 피쳐가 공차영역 안에 있음을 확인하여 기하학적 요구사항을 만족함을 보장한다.

설계자는 공차영역으로 설계의도를 전달하고, 검사자는 공차영역을 만족함을 확인하여 품질을 보장한다. 하지만 공차영역이 어떻게 형성되는지 정확하게 모른다면 어떻게 될까? 설계자는 설계의도를 명확하게 전달할 수 있을까? 검사자는 올바르게 검사할 수 있을까? 제품은 제대로 나올 수 있을까?

이 글에서는 공차영역이 구체적으로 어떻게 형성되는지 살펴볼 것이다. 공차영역 형상이 어떻게 결정되는지, 공차영역 구성이 구성방식에 따라 어떻게 달라지는지, 크기는 어떻게 해석해야 하는지를 살펴볼 것이다. 공차영역이 어떻게 형성되는지 정확하게 이해하고 있어야 설계의도를 명확하게 전달할 수 있고, 품질을 확실하게 보장할 수 있다.

공차영역의 정의

목표로 하는 기하학적 상태에 얼마나 가까워야 하는지를 공차영역으로 정의한다. 치수공차는 크기만 정의하여 공차를 2차원으로 정의하지만 기하공차는 크기 뿐만 아니라 형상, 구성방식도 함께 정의하여 공차영역을 3차원으로 정의한다.

공차영역 형성 요소 : 형상

공차영역 형상은 어떻게 결정될까? 공차영역 형상은 피쳐 유형에 따라 결정된다. 서피스 피쳐는 서피스 형상에 의해 공차영역 형상이 결정되고, 사이즈 피쳐는 심볼에 의해 공차영역 형상이 결정된다.

서피스 형상에 의해 결정

서피스 피쳐를 통제할 때, 공차영역은 기본형인 너비형이 적용된다. 결과적으로 공차영역 형상은 서피스 형상이 결정하게 된다.

평면서피스라면 평면 사이가 공차영역이 되고, 곡면서피스라면 곡면 사이가 공차영역이 된다. 원통서피스라면 원통면 사이가 공차영역이 되고, 원뿔서피스라면 원뿔면 사이가 공차영역이 된다. 마지막으로 구서피스라면 구면 사이가 공차영역이 된다.

심볼에 의한 결정

사이즈 피쳐를 통제할 때, 공차영역은 FCF에 표기된 심볼에 의해 결정된다.

심볼 없이 값만 표기되어 있으면 기본형인 너비형 공차영역이 형성된다. 심볼 “∅”이 있다면 원통형 공차영역이 형성되고, 심볼 “S∅”가 있다면 구형 공차영역이 형성된다.

공차영역 형성 요소 : 구성방식

공차영역은 두 가지 방식으로 구성할 수 있는데, 이는 서피스 피쳐만 해당된다. 서피스 피쳐의 공차영역은 단일한 3차원 입체로 구성할 수도 있고, 연속하는 2차원 면으로 구성할 수도 있다. 반면, 사이즈 피쳐는 항상 단일한 3차원 입체로 구성된다.

단일한 3차원 입체로 구성된 공차영역을 3D 공차영역, 연속하는 2차원 면으로 구성된 공차영역을 2D 공차영역이라고 하자. 전체적으로 통제할 것이냐 개별적으로 통제할 것이냐에 따라 3D 공차영역으로 정의할 서이냐 2D 공차영역으로 정의할 것이냐가 정해진다.

3D 공차영역 : 전체 통제

3D 공차영역은 평행평면, 원통으로 이루어진 단순한 입체형상일 수도 있고, 자유곡면으로 이루어진 복잡한 입체형상일 수도 있다. 중요한 것은 3D 공차영역은 단일한 3차원 입체로 구성된다는 것이다.

피쳐를 구성하는 모든 성분이 정의된 공차영역 안에 있어야 한다. 결과적으로 3D 공차영역은 피쳐를 전체적으로 통제하게 된다.

2D 공차영역 : 개별 통제

2D 공차영역은 평행한 두 직선 사이의 영역, 평행한 두 곡선 사이의 영역, 동심원 사이의 영역이 특정 방향으로 연속하는 2차원 면의 집합으로 구성된다. 중요한 것은 2D 공차영역은 연속하는 2차원 면으로 구성된다는 것이다.

피쳐를 구성하는 단면의 특정 성분이 정의된 공차영역 안에 있어야 한다. 각 단면 성분은 독립적으로 평가된다. 결과적으로 2D 공차영역은 피쳐의 단면 성분을 개별적으로 통제한다.

3D 공차영역과 2D 공차영역의 비교

3D 공차영역과 2D 공차영역의 차이를 구체적으로 살펴보자. 먼저 간단히 정리하면, 3D 공차영역은 2D 공차영역이 정렬된 것으로 볼 수 있다. 명확한 이해를 위해 3D 공차영역은 평면공차로 2D 공차영역은 진직공차로 설명한다.

평면공차는 평행평면으로 이루어진 3차원 공간을 공차영역으로 형성한다. 이 공차영역은 단일한 3차원 입체형상으로 하나의 단일 공간을 형성한다.

진직공차는 평행선으로 이루어진 2차원 면의 집합을 공차영역으로 형성한다. 이 공차영역은 2차원 면의 집합으로 서로 개별적이다. 각각의 2차원 면은 독립적이며, 서로 완벽하게 정렬되지 않아도 되기 때문에 서로 약간씩 어긋나게 있을 수 있다.

따라서 단일한 3차원 입체형상으로 형성된 평면공차 공차영역은 2차원 면의 집합으로 형성된 진직공차 공차영역이 정렬된 것과 같게 된다. 이러한 차이 때문에 공차 크기가 같다면 2D 공차영역이 3D 공차영역보다 더 많은 편차를 허용하게 된다. 3D 공차영역은 피쳐 전체가 하나의 단일 공간으로 정의된 공차영역에 있도록 제한하지만, 2D 공차영역은 피쳐 단면의 특정 성분이 개별적으로 정의된 공차영역에 있도록 제한하기 때문이다.

공차영역 형성 요소 : 크기

GD&T는 공차영역이라는 개념을 사용하여 공차를 정의한다. 이 공차영역은 실제 피쳐가 있어야 하는 공간을 의미하며, FCF에 표기된 값은 이 영역의 전체 크기를 나타낸다. 따라서 ±방식으로 해석해서는 안 된다.

±값으로 해석할 경우 실제 허용 편차가 2배로 커져 설계의도와 전혀 다른 결과를 초래할 수 있다. 예를 들어 0.5를 ±0.5로 잘못 해석하면 실제 허용 편차는 1.0이 되어 품질 기준이 완전히 달라지게 된다. 기하공차는 치수공차와 달리 공차영역 자체의 형상과 크기를 직접 정의하는 방식이므로, 공차값은 항상 전체 허용 편차로 읽어야 한다.

예를 들어 평면공차 0.1가 정의되어 있다면, 이는 공차영역을 형성하는 두 평행평면 사이의 간격이 0.1라는 것이다. ±0.1가 아니다. 면윤곽공차도 마찬가지이다. 면윤곽공차 0.5가 정의되어 있다면, 이는 공차영역을 형성하는 두 윤곽면 사이의 간격이 0.5라는 것이다. 위치공차의 경우 공차값 앞에 심볼 “∅”가 있다. 이는 공차영역 형상이 원통임을 나타내고, 값은 그 원통의 직경을 나타낸다. 이는 반지름이 아니다.

FCF에 표기된 값은 항상 이 공차영역의 전체 크기를 나타내므로, 치수공차의 ±방식과 혼동하지 않아야 한다. 올바른 해석이 선행되어야 설계 의도를 정확히 전달하고, 제품 품질을 확보할 수 있다.

GD&T의 강력함

GD&T는 복잡한 기하학적 요구사항도 정확하게 표현할 수 있다. GD&T가 서피스를 기준으로 공차영역을 정의할 수 있기 때문이다. 다양한 서피스 형상만큼 다양한 공차영역 형상을 정의할 수 있다. 서피스가 별 형상이면 공차영역도 별 형상으로 정의할 수 있고, 서피스가 아메바 형상이면 공차영역도 아메바 형상으로 정의할 수 있다.

전통적인 치수공차 방식으로는 이와 같은 공차를 정의할 수 없다. 치수공차는 선형적인 치수 편차만 표현할 수 있다. 부품의 형상이 단순하다면, 치수공차만으로도 충분하다고 느낄 수 있다. 치수공차에 익숙하고, 치수공차가 이해하기 쉽기 때문에 굳이 기하공차가 필요한지 의문이 들 수 있다. 하지만 설계 요구사항이 조금만 복잡해져도 치수공차로 요구사항을 표현하는 데는 한계가 있다. 따라서 GD&T의 필요성은 더욱 명확해진다. GD&T는 간단한 요구사항부터 복잡한 요구사항까지 모든 범위의 요구사항을 표현할 수 있기 때문이다.

📍마치며

GD&T는 공차영역을 통해 기하학적 요구사항을 정의한다. 공차영역의 형상은 서피스 피쳐의 경우 서피스 형상에 의해, 사이즈 피쳐의 경우 심볼에 의해 결정된다. 공차영역은 두 가지 구성방식으로 정의할 수 있는데, 3D 공차영역은 피쳐의 모든 성분을 전체적으로 통제하며, 2D 공차영역은 피쳐의 단면 성분을 개별적으로 통제한다. 공차영역의 크기는 허용 편차의 전체 크기를 나타내며, ±방식이 아니라는 점을 반드시 기억해야 한다.

GD&T를 충분히 이해하고 사용한다면, 설계 의도를 명확하게 전달하고 요구되는 품질을 보장하는 최고의 언어가 될 것이다. GD&T는 복잡한 형상도, 엄격한 요구사항도 모호함 없이 표현할 수 있다. GD&T를 최대한 활용하려면 많은 경험과 충분한 학습이 필요하다. 특히 설계 엔지니어는 공차영역을 정확히 이해하고, 설계 의도를 명확하게 표현할 수 있는 능력을 갖추는 것이 매우 중요하다.