공차대역(Tolerance Zone)의 개념 알아보기

기하공차(GD&T)는 단순한 치수 제어를 넘어서 형상, 위치, 방향, 흔들림 등을 정밀하게 제어하는 방식입니다. 그 핵심에는 "공차대역(Tolerance Zone)"이라는 개념이 있습니다. 공차대역은 말 그대로, 형상이나 위치가 허용되는 범위를 정의하는 구역입니다. 이 구역 안에서만 형상이 존재해야 하며, 이를 벗어나면 불량으로 간주됩니다. 공차대역은 기하공차 기호마다 모양이 다르며, 실제 설계와 제조, 품질 검사의 기준이 됩니다. 이 글에서는 공차대역의 정의, 기호별 예시, 도면 적용 방식, 실무 중요성까지 체계적으로 살펴보겠습니다.

 

 

1. 공차대역이란 무엇인가?

공차대역(Tolerance Zone)이란, 특정 형상 요소가 존재할 수 있는 공간적 허용 범위를 의미합니다. 이는 일반공차에서의 ±치수와 달리, 형상의 실제 위치 또는 방향을 허용된 공간 내로 제한하는 3차원적 개념입니다.

 1). 예시로 보는 공차대역

  - 진직도 공차: 직선이 일정한 폭(예: 0.1mm) 안에서만 휘어짐을 허용

  - 위치 공차: 구멍의 중심이 원형 공차대역(예: 직경 0.2mm) 안에 존재해야 함

  - 평행도 공차: 평면이 기준면에 대해 일정 거리 안에서 평행해야 함

 2). 공차대역의 목적

  - 형상의 자유도를 정밀하게 제어

  - 제품 간 조립성 확보

  - 제조와 측정 기준 명확화

 

2. 공차 기호에 따른 공차대역 형태

기하공차는 총 14가지 기호로 나뉘며, 각 기호에 따라 공차대역의 형태도 달라집니다. 대표적으로 다음과 같습니다.

 1). 형상 공차

  - 진직도: 두 개의 평행선 또는 원통 사이의 좁은 구역

  - 평면도: 두 개의 평행면 사이

  - 원통도: 동축의 원통 표면 내

 2). 방향 공차

  - 직각도: 기준면에 대해 일정 각도 유지 (평행면 사이 또는 원추형)

  - 평행도: 기준면에 대해 일정 거리의 평행면 사이

  - 경사도: 지정 각도에서 허용 범위 유지

 3). 위치 공차

  - 위치: 중심점 또는 축이 원형 또는 사각 공차대역 내에 존재

  - 동심도: 두 축 사이의 거리 제한

  - 대칭도: 기준면에 대해 대칭성 유지

 4). 흔들림 공차

  - 원형 흔들림: 회전 중 원형 단면이 일정 폭 내

  - 전체 흔들림: 전체 길이에서 흔들림이 일정 범위 내

 

3. 공차대역의 도면 적용 방식

공차대역은 공차 프레임을 통해 도면에 명확히 표현됩니다. 설계자는 특정 형상에 대해 어느 방향에서, 어떤 기준을 바탕으로, 어느 정도 오차를 허용하는지 공차 프레임으로 설정합니다.

1). 공차 프레임 구성 예

⌖

0.2

M

A B

 → 위치 공차: 공차대역은 직경 0.2mm의 원형이며, 기준면 A와 B 기준, 최대 재질 조건(M)에서만 허용됨.

 2). 공차대역 표현 위치

  - 구멍 중심

  - 외형 경계

  - 축 또는 면

  - 패턴 피처 (다수 형상에 공차대역 일괄 적용)

도면 상에는 리더선, 중심선 등을 활용해 적용 형상과 공차 프레임을 시각적으로 연결합니다.

 

4. 공차대역의 해석과 검사 기준

공차대역을 제대로 이해하는 것은 검사 공정의 핵심입니다. 실제 형상이 공차대역 안에 존재해야 제품이 양품으로 인정됩니다.

 1). 검사 기준 예시

  - 진직도: 형상의 선이 두 평행선 사이를 벗어나지 않는지 확인

  - 위치 공차: 구멍의 중심이 공차대역의 중심선에서 벗어나지 않는지 측정

  - 평행도: 기준면에 대해 일정 거리 이내인지 확인

 2). 측정 장비 활용

  - CMM(3차원 측정기)

  - 게이지 블록

  - 광학 검사 장비

공차대역이 기준이 되므로, 측정 장비도 이에 맞춰 세팅되어야 합니다. 기준면의 정의, 기준 순서(A, B, C), 재질 조건(MMC/LMC)도 함께 고려되어야 정확한 판정이 가능합니다.

 

5. 실무에서 공차대역이 중요한 이유

공차대역은 단순한 설계 도구가 아니라, 조립성, 기능성, 원가 절감, 품질 확보 등 전반적인 제조성과 직접적으로 연결됩니다.

 1). 주요 이유

  - 조립성 확보: 공차대역 내 형상 제어는 부품 간 간섭을 줄이고, 원활한 조립을 가능하게 함

  - 재작업 및 폐기율 감소: 명확한 기준으로 검사하여 불량품 발생률 감소

  - 품질 보증: 검사 기준이 명확해지며, 고객과의 분쟁 방지

  - 설계 의도 전달: 형상의 자유도까지 통제 가능한 설계 실현

예를 들어, 단순히 구멍의 위치만 ±0.1mm 오차로 제어하는 것보다, 위치 공차를 통해 공차대역 중심에서 어떤 방향으로든 오차를 분산할 수 있도록 제어하면 제조 유연성도 확보됩니다.

 

공차대역을 이해해야 기하공차가 보인다

기하공차의 핵심은 단순한 수치 오차가 아닌 공간적 제어입니다. 공차대역은 기하공차를 통해 형상의 허용 범위를 시각적이고 기하적으로 표현한 가장 중요한 개념입니다. 설계자, 제조자, 검사자가 모두 공차대역의 형태와 기준을 정확히 이해할 때, 비로소 정밀한 제품 설계와 품질 관리가 가능해집니다. 공차대역은 제품의 성능과 일관성을 보장하는 '보이지 않는 가이드라인'입니다. 정확히 이해하고 해석할 수 있다면, 기하공차는 더 이상 복잡한 언어가 아닌 강력한 도구가 됩니다.