치수공차와 기하공차의 병행 사용법

기계 설계와 제조에서 공차는 제품의 품질과 조립성을 결정짓는 핵심 요소입니다. 특히 "치수공차(Dimensional Tolerance)"와 "기하공차(Geometric Tolerance, GD&T)"는 각각 크기와 형상에 대한 허용오차를 정의하며, 단독이 아닌 병행하여 사용할 때 비로소 정밀성과 경제성을 동시에 달성할 수 있습니다. 이 글에서는 치수공차와 기하공차의 개념부터 차이점, 병행 사용의 원칙과 실무 적용법까지 체계적으로 안내합니다. 설계자, 제조 엔지니어, 품질 관리자가 꼭 알아야 할 공차 설계의 핵심 전략을 소개합니다.

 

 

1. 치수공차와 기하공차의 기본 개념과 차이점

공차란 이상적인 치수나 형상에서 허용되는 오차 범위를 의미합니다. 그중 치수공차는 물리적 크기에 대한 허용범위, 기하공차는 형상·방향·위치의 정밀도를 정의합니다.

 1). 치수공차(Dimensional Tolerance)

  - 선형 치수의 허용 오차

  - 예: 50 ±0.1 mm

  - 주로 크기 제한 및 조립 간극 확보

 2). 기하공차(GD&T)

  - 형상, 방향, 위치, 흔들림 등에 대한 오차

  - 예: 평면도, 평행도, 위치도 등

  - 기능적 정밀성과 형상 품질 제어

두 공차는 목적이 다르며, 설계에서 동시에 사용해야 제품의 전체 성능을 보장할 수 있습니다.

 

2. 병행 사용의 필요성과 장점

치수공차와 기하공차를 병행 사용하면 다음과 같은 실질적인 이점이 있습니다.

 1). 병행 사용의 주요 이유

  - 기능 중심 설계 구현: 단순 치수보다 형상 정확성이 중요할 때

  - 제조 유연성 향상: 치수는 유연하게, 형상은 정밀하게 관리

  - 품질 관리 명확화: 검사 기준이 구체화됨

 2). 장점 요약

  - 부품 간 오차 누적 최소화

  - 가공 비용과 시간을 줄이면서도 품질 확보

  - 설계의도 명확히 전달 → 제조자와 검사자 간 오류 감소

실무에서는 단순 치수로는 표현할 수 없는 정렬, 진동 방지, 접촉 정밀성 같은 요소들이 매우 많기 때문에 병행 사용이 반드시 필요합니다.

 

3. 병행 사용 시 주의해야 할 설계 원칙

병행 사용 시 다음과 같은 원칙을 지켜야 효과적이며, 잘못된 적용은 오히려 혼란을 초래할 수 있습니다.

 1). 설계 시 기본 원칙

  - 중복 표현 금지: 같은 특성에 두 종류 공차를 동시에 주지 않기

  - 기하공차는 기능 기준으로, 치수공차는 제조 기준으로 고려

  - 기준면(Datum) 설정이 명확해야 해석이 쉬움

 2). 잘못된 예시

  - 구멍 위치에 ±0.1mm 치수공차와 동시에 위치도 0.05mm 지정 → 해석 혼란

  - 축의 외경에 정밀한 치수공차와 원형도 공차를 중복 → 제조비 증가

따라서 설계자는 어떤 형상이 기능상 중요한지 판단하고, 필요한 부분에만 기하공차를 적용하는 전략이 필요합니다.

 

4. 실무 예시로 보는 병행 사용 방법

병행 공차는 개념보다는 실제 적용 사례를 통해 이해하는 것이 효과적입니다.

 1). 예시 1: 축과 베어링 조립

  - Ø20 ±0.01mm: 축 직경에 대한 치수공차

  - 원형도 0.005mm: 진동 방지용 회전 정밀성 확보

 2). 예시 2: 평면 플레이트

  - 100 ×100 ±0.1mm: 외형 치수 제한

  - 평면도 0.02mm: 접촉면의 밀착성 보장

 3). 예시 3: 기어박스 하우징

  - 구멍 간 거리: ±0.2mm 치수공차

  - 위치도 0.05mm: 정밀 조립 요구

이처럼 기능 요구사항이 있는 부위에는 기하공차를, 그렇지 않은 부위에는 치수공차를 적용함으로써, 필요한 곳에만 비용을 집중할 수 있습니다.

 

5. 제조와 검사 단계에서의 병행 공차 적용

설계 단계에서 정의한 병행 공차는 제조와 검사 단계에서도 그대로 이어져야 합니다.

 1). 제조 단계

  - 치수공차: 선반, 밀링, 드릴링 등에서 일반 공정으로 제어 가능

  - 기하공차: 연삭, 방전가공 등 고정밀 공정 필요

 2). 검사 단계

  - 치수공차: 버니어캘리퍼스, 마이크로미터 등 간단한 측정기 사용

  - 기하공차: CMM(3차원 측정기), 광학 측정 장비 등 필요

검사자는 "기준면(Datum)"과 공차 프레임 해석 능력이 있어야 하고, 설계자는 제조성과 측정 가능성을 함께 고려한 공차 지정이 중요합니다.

 

치수공차와 기하공차 병행 사용은 정밀설계의 핵심

정확하고 효율적인 설계를 위해서는 치수공차와 기하공차를 구분해서 적용하고, 필요한 경우 병행하여 사용하는 것이 가장 이상적입니다. 단순한 오차값의 부여를 넘어, 기능 중심의 설계 사고가 요구되며, 병행 사용은 제품의 품질과 제조비용을 동시에 관리할 수 있는 전략적 방법입니다. 설계자는 공차를 통해 도면 언어를 명확히 전달하고, 제조와 검사는 그 의미를 정확히 해석해야 전체 공정이 성공적으로 이루어질 수 있습니다. 기하공차와 치수공차의 병행 사용은 곧 경쟁력 있는 설계를 위한 기본입니다.