기하공차

왜 배우는가: 기하공차는 치수 공차만으로 보장하기 어려운 조립성과 기능을 규제하는 수단이라 도면 해독, 가공, 검사가 같은 기준을 따르게 한다. 시험에서도 정의와 목적을 묻는 기본 문항이므로 개념을 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 9번, 제126회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기하공차는 부품의 형상·자세·위치·흔들림을 설계 의도대로 허용 범위 안에 들게 지시하는 공차 체계이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓴다. 기하공차를 이해하는 출발점은 치수 공차와 구별하는 것이다. 치수 공차는 두 점 사이의 거리나 지름처럼 크기의 허용 범위를 정하고, 기하공차는 그 크기로 정해진 형체가 얼마나 올바른 모양과 위치를 갖는지를 정한다. 두 공차는 함께 적용되며, 어느 하나가 다른 하나를 대신하지 못한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 기하공차(GD&T): 형체의 형상, 자세, 위치, 흔들림에 대한 허용 편차를 기호로 나타낸 공차이다.
• 공차역: 공차붙이 형체가 그 안에 들어가야 하는 영역이며, 기하공차 값에 따라 정해진다.
• 데이텀: 자세, 위치, 흔들림을 재기 위해 설정하는 기준 면, 선, 점이다.
• 형상공차: 단독 형체의 모양 편차를 규제하며 진직도, 평면도, 진원도, 원통도가 있다.
• 자세공차: 데이텀에 대한 방향 관계의 편차를 규제하며 평행도, 직각도, 경사도가 있다.
• 위치공차: 데이텀에 대한 위치 관계의 편차를 규제하며 위치도, 대칭도가 있다.
• 흔들림공차: 축 둘레를 회전할 때 표면이 흔들리는 양을 규제하며 원주 흔들림과 전체 흔들림으로 나뉜다.

이 일곱 용어는 정의와 목적을 설명할 때 답안에 그대로 쓰는 어휘이다. 용어를 따로 외우기보다 공차의 대상이 되는 형체와 기준이 되는 데이텀으로 묶어 이해하면 관계가 정리된다. 형상공차는 대상 형체만 보고, 자세·위치·흔들림 공차는 데이텀과 대상 형체의 관계를 본다.

2. 개념 풀이

기하공차는 공학설계에서 기본 치수와 허용 편차를 기호로 나타내는 기호언어이다. 치수 공차가 길이의 허용 범위만 정하는 반면, 기하공차는 형체가 평면, 직선, 원, 축선 같은 이상적인 기하학적 형태에서 벗어나는 정도를 정한다. 설계에서 정의된 기하공차는 제조, 조달, 검사 단계에서도 같은 기호로 읽힌다.

원리는 다음과 같다. 실제 부품의 표면은 완전한 평면이나 원통이 아니므로, 기하공차는 형체가 편차를 허용하는 영역 안에 들어오도록 지정한다. 이 영역이 공차역이고, 공차역 안에 들어가야 하는 형체가 공차붙이 형체이다. 공차붙이 형체 전체가 공차역 안에 들어가면 허용된다. 자세, 위치, 흔들림은 혼자서 정의되지 않으므로 데이텀을 기준으로 지정한다. 공차값이 작을수록 가공 정밀도는 높아지고 가공비도 커지므로, 공차는 기능에 필요한 수준으로 정하는 것이 원칙이다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 공차붙이 형체: 기하공차를 직접 지시한 형체이다. 실제 형체가 허용 범위 안에 있으면 설계 의도를 만족하는 것으로 판정한다.
• 공차역: 기하공차 값이 정하는 허용 영역이다. 평행한 두 평면, 원, 원통처럼 공차 종류에 따라 모양이 달라진다.
• 데이텀: 가공과 측정의 기준이 되는 면, 선, 점이다. 데이텀으로 지정한 실제 면은 완전한 형상이 아니므로 정반, 게이지, 맨드릴 같은 실용 데이텀에 접촉시켜 기준을 실현한다.

예를 들어 평면도는 면 전체가 공차값만큼 떨어진 두 평면 사이에 들어오도록 규제한다. 평면도는 직진도의 개념을 모든 방향의 면으로 확장한 것이며, 다른 면과 무관하게 그 면 하나만 규제하는 단독 형체의 공차이다.

기하공차는 공차 기입틀에 기하특성 기호, 공차값, 필요한 경우 데이텀 기호를 순서대로 적어 표시한다. 데이텀 기호는 흰색 또는 흑색 삼각형으로 그리며, 알파벳은 도면을 보는 방향에 맞춘다. 축선이나 중심 평면을 지시할 때는 데이텀 형체를 치수선에 맞춰 지시하고, 모선을 지시할 때는 치수선과 어긋나게 지시한다. 같은 기호라도 데이텀 기호의 위치에 따라 규제 대상 영역이 달라지므로 지시 위치가 설계 의도를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

기하공차가 등장하기 전에는 좌표치수 기입이 유일하게 최선의 선택이었다. 좌표치수 기입은 공통 원점을 기준으로 데카르트 좌표계를 써서 모든 점, 선, 면, 윤곽을 정의하는 방식이다. 이 방식은 공차 영역을 직사각형으로만 줄 수 있고, 여러 치수의 공차가 쌓이는 공차 누적 현상이 생기는 한계가 있었다.

제2차 세계대전 이후 호환성 생산이 발전하면서 치수에 허용 편차를 붙이는 방식이 일반화되었으나, 이것만으로는 형체의 모양과 위치를 규제하기 어려웠다. 기하공차는 이 한계에서 벗어나 형상과 위치, 크기를 함께 논리적으로 공차 설정할 수 있게 하였다. 그 결과 기능상 중요한 면에는 엄격한 형상이나 위치 공차를 주고, 나머지 면에는 느슨한 공차를 주는 설계가 가능해졌다.