기하공차의 설계 적용

아래 Q&A는 기하공차를 스터디하다가 공차론 관련 서적, 자격수험서 풀이서적, 일선공고,대학서적 등 다양한 서적을 통해
궁금점을 알고자 찾다가 발견(?)한 글인데 아래 답변주신 분은 대한민국 기계제도 명장이신분으로 소개되어 있습니다.
여튼 저도 질문하신 분처럼 시중 서적을 통해 기하공차의 해석과 적용에 대해 습득코져하였으나 마땅한 해석을 해준 서적은
찾기가 쉽지 않습니다. 동일한 도면에서도 기하공차 적용을 해놓은 걸 보면 서로 달라 이해가 가질 않는 부분도 많이 보이네요.

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안녕하세요.

고수님의 노하우가 궁금해서 이렇게 질문을 올립니다.

1. 보통 시스템을 설계할 때 전체 시스템 성능과 가공비를 따져서 치수공차랑 기하공차를 주게 되는데요 저 같은 경우는 기하공차와 치수공차에 따른 시스템 성능은 직접 손으로 계산해서 하는데 시스템이 복잡해지면 계산하는 것이 쉽지 않더라구요. 국내책에서는 언급된 경우가 거의 없는 것 같고 일부 논문에서만 소개하고 있더군요. 해외책에서는 TABLE형식으로 Tolerance Analysis하는 것이 있기는 한데 기하공차를 고려하다보면 부족한 것이 많은 것 같습니다. 고수님께서는 어떤식으로 하시는지 계산하시는지... 계산 소프트웨어가 있는걸로 알고 있는데 고수분들은 어떤식으로 공차할당을 하시는지 궁금합니다.

2. 양산이 아닌 시스템을 설계하다 보니 보통 WORST CASE로 계산하는데 시스템 성능을 따지다보니 너무 공차가 타이트해지더라구요. 그래서 전 설계 시에 현장에서 사용하고 있는 NC의 정기성능평가서를 보면서 그 범위안에서 공차를 주는데 다른 분들은 어떤식으로 공차를 주는지 궁금합니다.

3. 공차를 줄 때 저는 보통허용공차등급을 넘어가는 것은 기본적으로 다 지정할려고 합니다. 그런데 사실 보통허용공차지정이 오래전것이다 보니 현재의 기계성능과는 많이 차이가 나서 굳이 할 필요 없는 경우가 많은 것 같은데 회원님들은 어떠세요? 모두다 지정하나요?

4. 베어링 설치공차는 기하공차를 반영 한건가요? 예를 들어 레이디얼베어링의 축과의 끼워맞춤공차에서 축의 공차범위클래스를 h6로 한다는거는 축의 기하공차를 반영하지 않은 건지 아님 억지끼워맞춤이 될 수도 있다는 건지 궁금합니다.

5. 기하공차를 줄때 IT기본공차등급을 기준으로 주는 얘기를 하는 경우도 있습니다. 제 생각에는 그렇게 하면 가공방법에 따라서 결과정밀도수준이 많이 달라질 것 같은데 이렇게 되면 공차종류에 따른 공차정도가 고려안 할 것 같은데 어떻게 생각하십니까? 사실 보통허용공차도 기하공차종류별로 기준길이에 따른 공차정도가 다 다르게 나와있습니다.

고수님의 노하우가 궁금합니다. 공유부탁드립니다.

좋은 하루 되세요.
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홈페이지에 방문해 주셔서 감사합니다.
먼저, 질문에 답해드리기 전에 님께서는 저를 <고수>라 칭하셨는데, 이는 올흔 표현이 아니라는 말씀을 드리고 싶군요.
사실은 기계제도를 지속적으로 연구하고 후배들에게 전수하다보니 다른 분들이 접하지 않은 부분까지를 접하게 되었고 아는 범위 내(단편적 지식)에서 전수하다 오늘에 이르게 된 것이어서 <고수>라는 과찬은 제게 큰 허물이오니 양해를 부탁합니다.

저는 학문적 연구보다는 현장 실무적 접근을 경험치에 의해 많이 해 온 탓으로 이론적인 해박한 지식은 갖고 있지 않다는 것을 전제로 간단히 답변 드립니다.

1. 우선 공차의 적용은 천편일률적인 적용이 돼서는 아니된다고 보며, 아직 그러한 계산방법이나 s/w를 찾지 못했습니다.

생산되는 제품이 요구하는 정밀도를 우선하여 해당 생산사의 가공(생산)설비의 정밀도가 제품이 요구하는 정밀도를 보장할 수 있느냐에 따라 그 범위 내에서 설계자가 결정해야 할 문제라고 봅니다.
또한, 이들 제품을 검사하는 장비의 정밀도 확보문제도 고려해야 하며, 작업자의 숙련도도 고려해야 할 사항이구요,
따라서, 모든 생산품에 일률적으로 적용하는 계산방법이나 s/w는 지금까지 제도 찾아보고 있는 중이나 발견하지 못하고 있습니다.

2. 앞의 답변과 중복되는 사항이기도 합니다만, 설비 정밀도만으로는 적용된 공차범위 내의 정밀도 확보는 그리 간단치 않다고 봅니다.

우선 설계자의 심리적 상태는 <도피설계>를 피하기 어렵습니다.
즉, 공차는 가급적 타이트하게, 모양은 가급적 수정이 가능한 상태로 설계하려는 경향을 갖고 있습니다.
가장 보편적인 수치를 결정하기란 쉽지 않기 때문에 본능적으로 도피설계를 하게 된다는 것이죠.
그래서 설계자는 자사의 설비정밀도, 가공이나 검사자의 숙련도 등을 잘 파악해야 하는데 이를 등한 시하는 경우 회사 전체로 봤을 때 합리적인 정밀도를 부여하지 못해 원가상승(불량, 일정지연 등)을 초래하게 됩니다.
그레서 가공자는 오히려 설게자의 공차적용을 무시하는 경향이 다반사로 발생하여 충돌을 빚기도 하지요.

3. 보통혀용차 지정 범위를 벗어난 부분과 아닌 부분을 구분하는 것이 사실 어렵지만 냉정하게 구분을 해야 합니다.

앞에서 반복적으로 설명드렸듯이 세세한 부분까지 지정을 하다보면 자가당착에 빠지는 우를 범하게 됩니다.
가급적 치수기입 배치를 병렬 또는 좌표식 배치방법으로 기입하여 누적공차가 발생하지 않도록 해야합니다.

현재, KS규격이나 ISO규격에서는 IT기본공차를 원용한 가공부 일반허용차 규정과 Casting 공차, 즉 CT공차(주조, 주강, 알루미늄 주조, 심지어 플라스틱 성형 등)가 규정되어 있어서 이의 정밀도 등급을 결정하고 이에 준합니다.

4. 베어링과 축 또는 하우징에 규제되는 공차는 말 그대로 치수에 적용되는 허용차이고 기하공차는 모양과 자세 등을 별도로 규제하게 되는 것으로 도면에서 당연히 별도로 규제되어야 합니다.

5. 베어링이 축이나 하우징에 끼워지는 상태는 끼워멎춤공차를 적용하지만, 축이 회전할 때 편심, 휨 등으로 흔들리며 회전한다면 이는 기하공차 규제 값이 부적절한 이유입니다.

그래서 저는, 끼워맞춤공차 적용을 구멍에는 7급, 축에는 6급을 적용했을 경우 기하공차 값은 5급 또는 4급의 IT정밀도를 적용하면 큰 무리없는 값 지정이라고 생각할 뿐 그 근거는 없으며, 바로 이것 때문에 근거를 찾고 있으나 아직까지....
이와 더불어 부품간의 조립을 고려한 최대 또는 최소 실체 공차방식도 적용하는 규제가 되어야 합니다.

그런데, 대부분의 회사 도면을 보면 기하공차기호나 공차 값이 크기에 상관없이 같은 값을 규재하는데 이는 규제하지 않음만 못하는 설계내용이더군요?
또한, 잘못규제된 기호도 많구요.
특히 외국도면이라고 해서 입수해 살펴보니 기하공차를 잘못해석하여 규제된 것도 많이 보았습니다.
외국도면이라고 해서 맹신하고 있는 것이 안타깝기까지 했습니다.

솔직히 말씀드리면,
대학에서 가르치시는 교수님들께서도 기하공차 기호 적용에 대해서나 값 지정에 대해 이론적으로는 설명하시지만,
실무도면을 해석하여 잘잘못을 지적할 수 있는 분들을 아직 찾지 못하고 있음이 안타까울 부분입니다.
저 또한 아직은 멀었구요.

님의 질문에 적절한 답변이 되질 못한 것 같습니다.
감사합니다.

출처 : 캐드나라닷컴

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먼저 정성스런 답변 고맙습니다.
죄송스럽지만 추가질문 더 드리고 싶네요. 앞서 주신 각 답변에 대해서 추가질문입니다.

1. 생산되는 제품의 요구되는 정밀도를 우선으로 하여 그 제품의 각 단품들의 공차를 할당할 때 사실 단품들의 치수공차, 기하공차를 어떻게 줘야 최종제품의 정밀도가 나오는지 생각해봐야 한다고 생각합니다. 이렇게 해야 정밀도가 높은 가공법에는 공차를 좀 타이트하게 주기도 하고 과도한 공차는 또 회피할 수 있다고 생각합니다. 즉 파트A와 파트B에 직각도와 치수공차를 얼마를 주니까 끝단에서 최악의 경우에는 오차가 얼마나 된다 그래서 직각도를 얼마로 줄이겠다 아님 늘리겠다 뭐 이런식으로 할 수 있겠죠. 님께서 말씀하신 작업자의 숙련도, 검사장비에 대해서 고려할 수도 있겠죠. 결국 무조건 쪽으로 공차를 타이트하게 주기 위해서가 아니라 가장 경제적으로 공차를 주기 위해서 각 파트의 공차(특히 기하공차)에 대한 최종결과물의 정밀도의 영향을 계산해야 하는데 이런 모든 것들을 손으로 다 계산하는게 쉽지 않더라구요.
제가 찾아본 바로는 3DCS 같은 프로그램이 있어서 누적공차계산 등의 공차시뮬레이션을 할 수 있다고 하던데 이 프로그램 가격이 만만치 않고 NX프로그램에 보니까 그런 계산을 할 수 있는 모듈도 있는 것 같던데 실무에서는 어떻게 하시지는 궁금합니다.

2. 말씀하신대로 설계자들이 도피설계를 하게 되는 것은 설계과정에서 앞서 말씀드린 공차분석 및 할당에 대한 과정이 좀더 이루어진다면 조금 더 줄일 수 있지 않나 싶습니다. 자사 설비 정밀도, 가공방법별 정밀도에 따라서 파트 별 공차할당이 이루어진다면 시스템 최종 정밀도에 좀더 경제적으로 도달할 수 있지 않을까요?

3. 모든 가공물들은 기본적으로 어느 정도의 공차범위를 가지고 가공되어야 합니다. 그 기본적인 공차범위를 규정한 것이 보통허용공차라고 알고 있습니다. 물론 절삭이냐 주조냐에 따라서 허용공차가 다르고 그 허용공차조차도 3등급을 나누었습니다. 절삭에 대해서만 생각해보겠습니다. 현재의 절삭정밀도는 보통허용공차수준과 많이 차이가 나는 걸로 알고 있습니다. 그 가공정밀도를 믿고 공차를 안 주었다가 만약 가공정밀도에는 못 미치지만 보통허용공차 범위 안이라면 불량으로 판정할 수가 없습니다. 그래서 전 보통허용공차 수준보다 더 공차를 필요로 하는 경우에는 가공정밀도에는 많이 못 미치더라도 공차를 줄려고 합니다. 물론 누적공차가 발생하는지 안하는지는 그전에 계산이 되어져야 겠죠. 수작업이 되었든 전문 프로그램이 되었든…
사실 이 질문은 좀 그랬네요. 제 생각에는 보통허용공차면 충분한 파트는 공차를 따로 주지 않고 보통공차이상의 공차가 필요하면 가공정밀도에 대한 고려없이 그냥 공차를 주는 것이 당연한 것 같습니다. 설계자와 가공자의 생각은 전혀 다를 수도 있으니까요.

4. 그럼 베어링카달로그에서 만약 조립되어 지는 축의 추천 치수공차를 h6(0~+0.02)라고 하는 것은 원통도와 진원도((IT3~4)/2)를 고려해서 결국 축의 치수공차를 (IT3~4)/2~(IT3~4)/2+0.02주어야 한다는 말씀이신거죠? 만약 원통도와 진원도 고려없이 축의 치수공차를 주게 되면 최악의 경우 억지끼워맞춤이 될 수 있으니까요.

5. 님께서 말씀하신 대로 끼워맞춤공차 적용을 구멍에는 7급, 축에는 6급을 적용했을 경우 기하공차 값은 5급 또는 4급의 IT정밀도를 적용하는 것이 사실 일괄적으로 적용하는 것이 아닌가요? 물론 최대최소실체공차방식을 적용은 공차확대측면에서라도 당연히 해야 하는 것인데 검사상의 어려움인지 양산제품이 아닌 경우에는 많이 사용하고 있지는 않는 것 같더라구요.
가공방법에 따라서도 그렇고 제품의 최종정밀도 측면에서도 그렇고 1번에서 말씀드렸는 것 같이 시스템측면에서 보고 공차할당을 하는 것이 맞지 않나 생각이 듭니다.

님께서 말씀하신 대로 공차부분에 대해서 깔끔하게 설명해주는 책이나 자료가 없어서 저도 어떻게 이것저것 보고 있는데 쉽지 않네요. 그래서 현업의 고수님들께 여쭤보고도 있는데 그것도 쉽지 않네요. 이에 대해서 좋은 자료가 있다면 추천부탁드립니다.

제가 초면에 질문이 너무 많네요.