설계 공차란? 공차설계 디자인 – Tolerance design

[I. 공차란 무엇인가?]

공차 표시마크	설명
±	플러스/마이너스를 의미하며, 기본치수에서 위아래로 허용되는 범위를 나타냅니다.
⌀	직경을 의미하며, 보통 원이나 원형 부품의 크기를 나타냅니다.
□	사각형을 의미하며, 사각형 부품의 크기를 나타냅니다.
⏥	직사각형을 의미하며, 직사각형 부품의 크기를 나타냅니다.
〳, 〴	이 두 마크는 각각 내각과 외각을 의미합니다.
IT	국제공차를 의미하며, 부품의 공차 등급을 나타내는 국제 표준입니다.
H, h	두 마크는 각각 구멍과 축의 공차를 나타냅니다. H는 구멍의 공차를, h는 축의 공차를 의미합니다.

공차는 기준값에 대해 규정된 최대값과 최소값의 차이를 의미합니다. 이 값은 제품의 성능과 품질을 결정하는 중요한 요소로, 기계의 성능을 판가름하는 핵심적인 역할을 합니다.

예를 들어, 길이 100mm의 금속 환봉을 가공한다고 가정해봅시다.

동일하게 가공했다 해도 치수나 형상에는 차이가 있으며 이 차이를 완전히 0으로 만드는 것은 불가능하며, 이 차이를 최소화하기 위한 노력이 필요하며 이 차이를 허용하는 범위를 공차라고 합니다.

[II. 공차설계란 무엇인가?]

공차설계는 이러한 공차를 어떻게 설정할 것인지에 대한 과정을 의미합니다. 공차의 값은 제품 비용과 성능, 품질에 크게 영향을 미치므로 공차가 곧 제품 경쟁력 향상으로 이어진다고 봐도 과언이 아닙니다.

제조업에서는 이 차이의 허용범위(=공차)를 제품의 사양과 부품의 비용 등을 종합적으로 고려해서 설계자가 결정해야 합니다. 그 설정한 공차에 따라 최종적인 제품 사양을 만족할 수 있는지, 그리고 실제로 가공 가능한 공차인지를 토대로 판단해야 합니다.

[III. 공차설계의 중요성과 방향성]

공차설계는 크게 두 가지 흐름을 가지고 있습니다. 하나는 설계자에 의한 설계의 흐름, 또 하나는 제조상의 요구에 따른 흐름입니다. 완성품 사양이 일정한 범위에 들어가려면, 각각의 유닛이 일정한 범위에 들어갈 것이 요구되고, 그곳에서 각 부품의 공차가 할당됩니다.

이러한 공차설계 과정에서는 설계자의 의도와 제조상의 요구가 충돌할 수 있습니다. 설계자는 완성품의 성능을 위해 엄격한 공차를 요구하는 반면, 제조상은 비용 절감을 위해 공차를 완화하려는 경향이 있습니다. 이 두 가지 요구 사이에서 균형을 찾는 것이 공차설계의 핵심입니다.

[IV. 공차설계의 필요성]

공차설계의 중요성을 이해한 뒤에는, 공차설계에 대한 규격 및 설계방법을 적용해야 합니다. 각 부품의 공차를 설정하는 과정에서는 통계적 고찰을 통해 최적의 공차 범위를 설정하고, 이를 통해 제품의 품질과 성능을 최적화할 수 있습니다.

이렇게 공차설계를 통해 제품의 경쟁력을 향상시키는 것은 제조업의 필수적인 과정입니다.

특징	ISO	ASME
정의 및 소속	국제 표준화 기구 (ISO)	미국 기계 및 기계공학자 협회 (ASME)
적용 범위	국제적으로 적용	주로 미국 내에서 적용
산업 분야	다양한 산업 분야를 포함	기계 및 기계공학에 중점
기술적인 접근	세계 각국의 의견을 수렴하여 개발	주로 미국의 산업 요구를 반영하여 개발
표준 명칭	ISO XXXX (예: ISO 9001, ISO 14001)	ASME XXXX (예: ASME B31.1, ASME Boiler Code)
디자인 코드	다양한 디자인 및 제조 규격이 있음	주로 보일러 및 압력 용기 디자인 규격 사용
구조 및 적용 방법	주로 특정 분야에 대한 종합적인 가이드	분야별로 세부적으로 규정된 구조
지역적인 영향	국제적으로 사용되어 국가 간 호환성 높음	미국에서 주로 사용되며 국내 요구 사항 반영
성능 및 안전	주로 제품 또는 서비스의 일반적인 품질과 안전을 중시	안전 및 성능에 중점을 두고 규정

공차설계의 규격은 제품의 종류, 사용되는 재료, 제조 공정, 가공 방식 등 여러 요소에 따라 달라집니다. 일반적으로, 국제 표준화 기구(ISO)나 아메리칸 소사이어티 오브 메카니컬 엔지니어스(ASME) 등의 기관에서 설정한 표준에 따라 공차를 설정합니다.

예를 들어, ISO 2768는 일반적인 금속 가공에 대한 공차를 규정하고 있으며, 이는 가공 방법(예: 턴닝, 밀링, 드릴링 등)과 재료에 따라 다르게 적용됩니다. 또한, ISO 8015는 공차의 일관성을 유지하기 위한 기본 원칙을 제공합니다.

크기 범위 (mm)	IT01	IT0	IT1	IT2	IT3	IT4	IT5	IT6	IT7	IT8	IT9	IT10	IT11	IT12	IT13	IT14	IT15	IT16
0 ~ 3	0.8	1	1.2	1.5	2	2.5	3	4	6	10	14	25	40	60	100	140	250	400
3 ~ 6	1	1.2	1.5	2	2.5	3	4	6	10	14	25	40	60	100	140	250	400	600
6 ~ 10	1	1.2	1.5	2	2.5	3	4	6	10	14	25	40	60	100	140	250	400	600
10 ~ 18	1.2	1.5	2	2.5	3	4	6	10	14	25	40	60	100	140	250	400	600	1000
18 ~ 30	1.5	2	2.5	3	4	5	8	12	18	30	48	75	120	180	300	480	750	1200
30 ~ 50	1.5	2	2.5	3	4	6	9	15	22	36	58	90	150	220	360	580	900	1500
50 ~ 80	2	2.5	3	4	5	7	11	18	27	43	70	110	180	270	430	700	1100	1800
80 ~ 120	2.5	3	4	5	6	8	13	21	33	52	84	130	210	330	520	840	1300	2100
120 ~ 180	2.5	3	4	5	7	9	15	24	38	60	97	150	240	380	600	970	1500	2400
180 ~ 250	3	4	5	6	8	10	16	26	41	65	105	160	260	410	650	1050	1600	2600
250 ~ 315	3.5	4.5	6	7	9	11	18	29	46	74	120	190	300	460	740	1200	1900	3000
315 ~ 400	4	5	7	8	10	13	20	32	52	81	130	210	320	520	810	1300	2100	3200
400 ~ 500	4.5	5.5	7.5	9	11	14	23	36	57	89	140	230	360	570	890	1400	2300	3600
500 ~ 630	5	6	8	10	12	16	25	40	63	100	160	250	400	630	1000	1600	2500	4000
630 ~ 800	5.5	7	9	11	13	18	28	44	70	110	180	280	440	700	1100	1800	2800	4400
800 ~ 1000	6.5	8	10	12	15	20	32	50	80	120	200	320	500	800	1200	2000	3200	5000
1000 ~ 1250	7.5	9	11	14	17	23	36	58	92	150	240	360	580	920	1500	2400	3600	5800

이 외에도, 공차설계에는 다양한 기법이 사용됩니다. 예를 들어, ‘통계적 공차 분석’은 부품의 공차가 전체 제품의 성능에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 방법입니다. ‘워스트 케이스 분석’은 모든 부품이 최악의 공차를 가질 때 제품의 성능이 어떻게 변하는지를 확인하는 방법입니다.

하지만, 이러한 규격과 기법이 제품의 특성과 요구 사항에 따라 유연하게 적용되어야 합니다. 따라서, 공차설계는 제품의 성능, 제조비용, 품질 등을 종합적으로 고려하여 이루어져야 합니다.

제가 제공하는 정보는 2021년까지의 데이터를 바탕으로 한 것이므로, 최신의 규격이나 기법에 대해서는 별도로 확인이 필요합니다.

참고 : GD&T Geometric Dimensions And Tolerance

최근에는 제조의 해외 이전 등 다양한 요인으로, 제조상의 요구가 설계자에게 쉽게 전해지지 않는 경우가 많습니다. 이런 상황에서 공차설계에는 설계자의 의도와 제조상의 요구의 캐치 볼이 원만하게 이루어질 수 있는 시스템의 구축이 필수적입니다. 이를 통해 공차설계는 제품의 품질과 성능을 극대화하며 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있습니다.