공차 누적 계산법 조립 공차와 공정 공차 누적 분석
공차 누적(Tolerance Accumulation)
제품 설계 시 공차 계산은 매우 중요한 부분으로, 특히 작은 가전제품부터 자동차, 비행기 등 대형 기계에 이르기까지 모든 제품에서 필수적인 작업입니다. 그러나 공차누적에 대해 체계적으로 교육하는 곳은 드물고, 많은 엔지니어들이 이를 간과하거나 경험을 통해 알아가는 경우가 많습니다.
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실제로 많은 기업들이 공차 관리 시스템을 체계적으로 구축하지 않고, 각자의 방식으로 공차를 관리하는 현실이 존재합니다. 대학 커리큘럼에서도 공차 관리에 대한 교육이 충분히 이루어지지 않고 있는 경우가 많습니다.
공차누적(Tolerance Accumulation)은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.
첫 번째는 조립 누적공차(Assembly Tolerance Accumulation), 두 번째는 공정 공차누적(Process Tolerance Accumulation)입니다. 두 가지는 각각 다른 목적과 분석을 필요로 하며, 각각의 구체적인 내용을 살펴보겠습니다.
1. 조립 누적공차(Assembly Tolerance Accumulation)
조립 누적공차는 여러 부품들이 조합될 때, 각 부품의 공차가 어떻게 누적되어 최종 조립품에 영향을 미치는지를 분석하는 과정입니다. 예를 들어, 조립 부품 간의 간섭이나 적합성 문제를 분석하고, 각 부품에 할당된 공차를 어떻게 분배할지 결정합니다.
예시
두 부품이 맞물려 조립되는 경우, 각 부품의 공차가 어떻게 영향을 미칠까요?
부품 A의 지름이 100mm±0.05mm로 설계되었고, 부품 B의 지름이 100mm±0.1mm로 설계되었습니다.
두 부품이 결합될 때, 조합된 공차는 어떻게 계산될까요?이 경우, 공차는 단순히 더하거나 빼는 형태로 누적될 수 있습니다.
즉, 결합된 두 부품의 공차는 ±0.05mm + ±0.1mm로 결합되어 ±0.15mm의 범위로 누적됩니다. 이 누적된 공차는 조합된 부품이 서로 간섭 없이 잘 맞물리도록 해야 합니다.
2. 공정 공차누적(Process Tolerance Accumulation)
공정 공차누적은 각 제조 공정에서 발생하는 공차가 최종 제품 도면의 요구 공차(blue print dimension)를 만족하는지를 분석하는 과정입니다. 즉, 각 공정에서의 공차가 전체 제품의 품질에 미치는 영향을 평가하고, 이를 기반으로 공차를 관리합니다.
예시
예를 들어, 기계 가공을 통해 100mm의 치수를 가공해야 하는 부품이 있다면, 첫 번째 공정에서 ±0.05mm의 공차가 발생하고,
두 번째 공정에서 ±0.03mm의 공차가 발생한다고 가정할 때, 이 두 공차가 합산되어 최종 제품의 치수가 요구된 100mm±0.1mm 이내에 들어갈 수 있도록 공차를 관리해야 합니다.
3. 공차 누적 계산 시 유의 사항
공차 누적을 계산할 때 중요한 점은 등가 양측 공차(equivalent bilateral tolerance)로 변환하는 과정입니다.
편측 공차나 양측 비균등 공차를 그대로 계산하면 오류가 발생할 수 있기 때문에, 이를 등가 양측 공차로 변환하여 계산해야 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
공차를 계산할 때는 반드시 양측 공차로 변환하고, 각 부품의 공차가 어떻게 누적되는지 신중하게 고려해야 합니다.
예시
부품 A가 ±0.05mm, 부품 B가 ±0.1mm의 편측 공차가 있을 때, 이를 등가 양측 공차로 변환하여 계산해야 합니다. 이를 통해 부품 간의 간섭이 발생하지 않도록 할 수 있습니다.
4. 공차 누적 분석 시 고려해야 할 요소
공차 누적 분석 시, 단순한 수학적 계산 외에도 공정의 특성과 재료의 특성을 고려해야 합니다.
예를 들어, 침탄(혹은 탄소침투) 처리나 아노다이징(anodizing) 등의 표면 처리 후, 잔류 공차 계산이 필요할 수 있습니다. 이러한 특수한 공정에서 발생할 수 있는 잔여 공차를 고려하지 않으면, 실제 제품의 품질이 설계 치수와 맞지 않게 될 수 있습니다.
공차 누적 분석 시 사용하는 주요 기법
공차 누적 계산을 위해 다양한 기법들이 사용되며, 그 중에서도 공차관리도(Tolerance Chart)가 많이 활용됩니다.
공차관리도는 각 제조공정에서의 치수와 공차를 합리적으로 설정하고 이를 관리하는 도구로, 각 공정의 공차를 시각적으로 표현하여 전체 공정에서 발생할 수 있는 누적 공차를 관리할 수 있습니다.
공차관리도의 장점
- 합리적인 제조공정 전개
- 적절한 가공 공차 설정
- 절삭량 결정
- 원자재 규격 결정
- 공통 언어 및 의사소통 역할
- 공정 변경 및 추가 검토 용이
관리도 양식은 각 공정에서의 치수와 공차를 설정하는 데 사용되며, 부품 설계부터 생산까지의 전 과정에서 중요한 역할을 합니다.
공차 누적은 제품 설계에서 중요한 과정으로, 조립과 공정 공차를 정확히 계산하고 관리하는 것이 필수적입니다.
공차 누적을 제대로 관리하지 않으면 제품 품질이 저하될 수 있으며, 불필요한 비용이 발생할 수 있습니다.
공차를 분석할 때는 각 부품과 공정에서의 공차가 어떻게 누적되는지, 그리고 이를 통해 최종 제품이 요구하는 성능을 만족할 수 있는지 반드시 점검해야 합니다. 이를 통해 품질을 보장하고, 생산 효율성을 극대화할 수 있습니다.
참고 : 설계 공차란? 공차설계 디자인 – Tolerance design
참고 : GD&T Geometric Dimensions and Tolerance
