끼워맞춤 공차

왜 배우는가: 끼워맞춤 공차는 부품의 조립성과 기능을 함께 결정하므로 설계, 가공, 검사가 같은 기준을 써야 하는 항목이다. 시험에서는 공차 기호의 해석과 틈새·죔새 계산이 함께 묻는다.

출제 이력: 제117회 1교시 9번, 제112회 3교시 2번, 제111회 1교시 13번, 제94회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

끼워맞춤 공차는 구멍과 축을 조립할 때 생기는 틈새나 죔새의 범위를 공차 등급으로 정하는 공차 체계이다.

핵심 키워드는 끼워맞춤, 기준 치수, 구멍 기준식, 축 기준식, IT 등급, 공차 등급, 틈새, 죔새이다.

끼워맞춤은 기준 치수가 같은 구멍과 축이 조립되기 전에 정한 치수 공차에 따라 결정되는 두 부품의 관계이다. 부품을 개별로 맞추면 생산 비용이 커지므로, 조립 관계를 공차 등급으로 표준화하여 어느 공장에서 만든 부품이든 같은 조립 결과를 얻도록 한다. 도면에서는 기준 치수 바로 뒤에 구멍 또는 축의 표준 공차 등급을 함께 적어 조립 조건을 지시한다. 예를 들어 φ50H7은 기준 치수 50, 구멍의 기본편차 H, IT 등급 7로 읽는다.

2. 개념 풀이

끼워맞춤의 정식 정의는 구멍과 축이 조립되기 전의 치수 공차로 인해 조립 후에 생기는 틈새와 죔새의 관계이다. 틈새는 구멍의 치수가 축의 치수보다 클 때 그 차이이고, 죔새는 구멍의 치수가 축보다 작을 때 그 차이이다. 두 값의 부호에 따라 조립 후 부품이 움직이는지 아니면 힘을 주어 끼워야 하는지가 정해지므로, 설계자는 공차 범위 안에서 틈새와 죔새가 어디에 생기는지를 먼저 판단한다.

원리는 기준선에서 출발한다. 기준선은 치수 허용차가 0인 직선이고, 기준 치수가 이 선 위에 놓인다. 위치수 허용차는 최대 허용 치수에서 기준 치수를 뺀 값이고, 아래치수 허용차는 최소 허용 치수에서 기준 치수를 뺀 값이다. 그리고 치수 공차는 최대 허용 치수에서 최소 허용 치수를 뺀 값이며, 위치수 허용차와 아래치수 허용차의 차이와 같다.

구멍과 축의 공차 등급은 두 요소로 이루어진다. 하나는 기준선에 대한 공차역의 위치를 정하는 기본편차 문자이고, 다른 하나는 공차의 크기를 정하는 IT 등급이다. 구멍은 대문자, 축은 소문자로 쓴다. IT 등급은 IT01, IT0, IT1부터 IT18까지 있으며 숫자가 클수록 공차가 넓다. IT6 이상에서는 기본공차가 5단계마다 10배가 되는 규칙을 따른다.

끼워맞춤은 기준이 되는 쪽을 정하는 방식에 따라 두 가지로 나뉜다. 구멍 기준식은 구멍의 기본편차를 H로 고정하고 여기에 맞는 축을 골라 틈새나 죔새를 얻는다. 구멍 H의 아래치수 허용차는 0이므로 기준선과 일치한다. 축 기준식은 축의 위치수 허용차를 0인 h로 고정하고 구멍을 골라 원하는 틈새나 죔새를 얻는다. 가공 측면에서 구멍은 리머 같은 공구로 치수를 맞추기 어려우므로 구멍 기준식을 기본으로 쓴다.

끼워맞춤의 상태는 세 종류이다. 헐거운 끼워맞춤은 구멍 A~H와 축 a~h의 조합이며 조립 후 항상 틈새가 생긴다. 중간 끼워맞춤은 구멍 J~N과 축 j~n의 조합이며 틈새 또는 죔새가 생긴다. 억지 끼워맞춤은 구멍 P~Z와 축 p~z의 조합이며 조립 후 항상 죔새가 생긴다.

계산 예로 φ50H7/g6을 보자. 구멍 H7의 치수 공차는 0.025mm이고, 구멍의 허용 치수는 50.000~50.025mm이다. 축 g6의 치수 범위는 49.975~49.991mm이다. 구멍 치수를 D, 축 치수를 d로 두면 최소 틈새는 다음과 같다.

$C_{min} = D_{min} - d_{max} = 50.000 - 49.991 = 0.009 mm$

최대 틈새는 같은 방식으로 D_max에서 d_min을 뺀 값이므로 50.025 - 49.975 = 0.050mm이다. 두 값이 모두 양수이므로 이 조합은 헐거운 끼워맞춤이며, 0.009~0.050mm의 틈새가 남는다는 결과는 축이 구멍 안에서 회전하거나 미끄러지는 일반 기계 부품의 범위와 맞는다.

3. 등장 배경과 필요성

가공 과정에서 지정 치수를 정확히 맞추는 것은 어렵고, 약간의 오차는 피할 수 없다. 그래서 기능에 지장이 없는 범위에서 오차를 인정하고, 그 한계를 허용 한계 치수로 지정한다. 제품이 그 한계 안에 들어오면 합격으로 판정하는 것이 치수 공차의 출발점이며, 끼워맞춤 공차는 이 원칙을 구멍과 축의 조립 관계에 적용한 것이다.

끼워맞춤 공차가 필요한 이유는 호환성과 대량 생산에 있다. 축과 구멍, 핀과 구멍처럼 틈새나 죔새가 반드시 있어야 하는 관계를 부품마다 따로 정하면 설계와 생산이 복잡해지고 부품을 바꿔 쓸 수 없게 된다. 그래서 국제 표준인 ISO 286 체계에 따라 자주 쓰는 치수와 공차 등급을 정리하고, 이를 기준으로 조립 관계를 지정한다.

설계 측면에서는 위치결정과 기능 요구를 공차 선택으로 표현해야 한다. 헐거운 끼워맞춤은 회전이나 미끄럼이 필요한 부품에, 억지 끼워맞춤은 힘을 주어 고정하는 부품에 쓰는 것처럼 기능이 공차 등급을 정한다. 도면에는 기준 치수 뒤에 공차 기호를 적고, 필요하면 공차값을 함께 명기하여 가공과 검사가 같은 해석을 하도록 한다.