설계 공차란? 공차설계 디자인(Tolerance design)에서 비용·품질·조립성을 동시에 잡는 방법

설계 공차는 “이 정도까지는 만들어도 된다”가 아니라, 제품이 의도한 성능을 유지하는 범위를 숫자로 확정하는 일입니다. 현업에서는 도면 한 줄의 공차가 불량률, 조립 난이도, 측정 비용까지 같이 끌고 갑니다. 그래서 공차설계(Tolerance design)는 “정밀하게”가 아니라 “기능을 보장하는 만큼만”을 목표로 잡는 게 핵심입니다.

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 표준 체계에서 쓰는 등급 표기입니다.
H, h	두 마크는 각각 구멍과 축의 공차대를 나타냅니다. H는 구멍, h는 축에서 자주 사용됩니다.

공차는 기준값에 대해 규정된 최대값과 최소값의 차이를 의미합니다. 현실의 가공에서는 치수와 형상 편차를 0으로 만들 수 없기 때문에, 설계자는 “어디까지 허용할지”를 숫자로 정해야 하고 그 숫자가 제품의 성능과 품질을 좌우합니다.

예를 들어, 길이 100mm의 금속 환봉을 가공한다고 가정해봅시다.

동일하게 가공했다 해도 치수나 형상에는 차이가 생깁니다. 이 차이를 완전히 0으로 만드는 건 불가능하고, 실무에서는 이 차이를 허용하는 범위를 공차라고 부릅니다. 공차가 없으면 검사도 불가능하고, 공차가 과하면 조립·성능이 무너집니다. 그래서 공차는 “정밀”이 아니라 기능을 담보하는 약속입니다.

[II. 공차설계란 무엇인가?]

공차설계는 공차를 “얼마로 둘지”를 정하는 작업입니다. 문제는 공차가 좁아질수록 비용이 오르고, 공차가 넓어질수록 성능·조립성·수율이 흔들린다는 점입니다.

그래서 공차설계는 결국 비용·성능·품질의 균형점 찾기라고 보면 됩니다.

제조업에서는 이 허용범위(=공차)를 제품 사양, 생산량, 재료, 공정, 측정 가능성까지 묶어서 판단합니다. 설계자가 도면에 적는 공차는 “이 정도로 만들 수 있다”가 아니라 “이 정도로 만들어야만 한다”로 해석되기 때문에, 현장에서 가능한지(가공)와 확인 가능한지(검사)를 같이 봐야 합니다.

[III. 공차설계의 중요성과 방향성]

공차설계는 실무에서 두 갈래로 동시에 굴러갑니다. 하나는 설계자의 기능 의도이고, 다른 하나는 제조의 가공·검사 현실입니다. 완성품 사양이 일정 범위에 들어가려면, 그 사양을 만드는 각 유닛과 부품이 어디까지 흔들려도 되는지를 나눠 가져야 하고, 그 결과가 도면의 공차로 내려옵니다.

여기서 자주 부딪히는 지점이 있습니다. 설계자는 성능을 위해 공차를 조이려 하고, 제조는 비용과 납기를 위해 공차를 풀고 싶어합니다.

이때 정답은 “중간”이 아니라, 기능 기준을 먼저 고정한 뒤 그 기능에 영향이 작은 구간부터 공차를 넓히는 식으로 접근하는 겁니다. 즉, 조립과 성능을 결정하는 치수(기능치수)는 조이고, 외관·비기능 치수는 제조 친화적으로 여유를 주는 편이 결과가 좋습니다.

[IV. 공차설계의 필요성]

공차설계의 가치는 “정밀해 보이게”가 아니라 재현성에 있습니다.

생산에서 흔들리는 요인을 줄이고, 흔들리더라도 제품이 버티도록 만들어야 합니다. 이때 도움 되는 것이 통계 기반의 공차 해석과 최악 조합(워스트) 검토입니다.

양산에서는 대개 통계 관점이 현실적이고, 안전·기능 한계가 뚜렷한 부위는 최악 조합 관점으로 한 번 더 잠그는 방식이 자주 쓰입니다.

이렇게 공차설계를 통해 제품의 경쟁력을 끌어올리는 것은 제조업에서 사실상 필수입니다. 공차가 잘 잡히면 생산은 예측 가능해지고, 불량 원인 추적도 쉬워지며, 협력사와의 커뮤니케이션 비용이 눈에 띄게 줄어듭니다.

ISO와 ASME: 공차·치수 해석에서 자주 만나는 표준 체계

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

공차설계에서 쓰는 규격은 제품, 재료, 제조 공정, 가공 방식, 측정 장비 수준에 따라 선택이 달라집니다. 현업에서는 ISO 체계(예: ISO 2768, ISO 8015, ISO 286 계열)와 ASME 체계(예: ASME Y14.5 계열)를 회사 표준과 고객 요구에 맞춰 조합해 씁니다. 중요한 건 표준 이름을 “아는 것”보다, 도면에서 해석이 한 번에 통일되도록 묶어주는 겁니다.

예를 들어 ISO 2768는 일반 가공물에 대해 도면에서 개별 공차를 전부 적기 어려울 때 많이 쓰이고, ISO 8015는 치수·공차 해석에서 “기본 원칙”을 정리해 두어 분쟁을 줄이는 데 도움이 됩니다.

그리고 치수 끼워맞춤(구멍-축) 쪽은 ISO 286 계열을 기반으로 H/h 공차대를 실제 조립 요구에 맞춰 선택하는 경우가 흔합니다.

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

ISO 설계공차 ISO 286-1 규격 공차규격

이 외에도 공차설계에는 다양한 해석 방법이 섞입니다. 예를 들어 통계적 공차 분석은 부품 편차가 누적될 때 완성품 성능이 얼마나 흔들리는지 현실적으로 보는 데 유리하고, 워스트 케이스 분석은 안전 한계가 명확한 부위에서 “이 조합이면 무조건 문제”를 빨리 잡아내는 데 유용합니다.

다만 규격이나 해석 방법은 제품 특성에 따라 맞춰 써야 합니다. 같은 ±0.02mm라도 재료가 바뀌면 가공성이 달라지고, 생산량이 바뀌면 검사 방식이 달라지고, 검사 방식이 달라지면 공차를 운영하는 방식이 달라집니다. 결국 공차설계는 성능, 제조비용, 품질을 동시에 보면서 “도면이 현장에서 그대로 작동하게” 만들어 주는 작업입니다.

참고 : GD&T Geometric Dimensions And Tolerance

최근에는 생산 거점이 분산되면서(협력사, 해외 공장, 외주 라인 등) 설계 의도와 제조 현실이 도면 한 장으로만 연결되는 경우가 많습니다. 이런 환경일수록 공차설계는 “설계의 표현”이 아니라 현장과의 언어가 됩니다. 공차가 잘 잡히면 품질이 좋아지는 수준을 넘어, 생산이 예측 가능해지고 커뮤니케이션이 줄어듭니다.

공차설계에서 실제로 돈이 새는 지점

공차설계가 어렵게 느껴지는 이유는 “공차 하나”가 가공·검사·조립을 동시에 건드리기 때문입니다. 특히 아래 세 가지는 비용이 바로 튀어 오르는 구간입니다.

1) 기능치수와 비기능치수가 섞인 도면

조립·성능을 결정하는 치수(기능치수)는 기준면(데이텀)과 함께 명확하게 묶어주는 게 좋습니다. 반대로 외관이나 여유 공간처럼 기능 영향이 작은 치수까지 동일하게 조이면, 결과는 고비용 + 품질 불안정입니다.

2) 측정이 어려운 공차를 먼저 적어 놓는 경우

측정이 불가능한 공차는 현실에서 “관리되지 않는 공차”가 됩니다. CMM으로 잡을 수 있는지, 현장 게이지로 반복 측정이 가능한지, 생산 속도와 검사 속도가 맞는지까지 같이 보지 않으면 양산에서 무너집니다.

3) 표면거칠기·형상·위치가 빠진 채 치수만 빡빡한 상태

치수는 맞는데 조립이 안 되는 상황은 대부분 형상/위치 계열이 빠져서 생깁니다. 특히 구멍-축, 핀-홀, 베어링 하우징처럼 끼워맞춤이 중요한 부위는 “치수만”으로는 부족한 경우가 많습니다.

공차를 조였을 때 생기는 비용 증가를 한 번에 정리

공차가 좁아질 때	현장에서 늘어나는 것	대표 증상
가공 난이도	공정 수, 셋업 시간, 공구 마모	납기 지연, 단가 상승
검사 난이도	측정 시간, 측정 장비 의존	검사 병목, 전수검사 전환
수율 리스크	재작업, 폐기, 분류	불량 원인 추적 장기화

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공차설계를 도면에서 더 “안전하게” 만드는 포인트

기준면(데이텀)을 먼저 잡으면 공차가 단순해집니다

도면에서 가장 흔한 분쟁은 “어디를 기준으로 봐야 하냐”입니다. 기준면이 잡히면 공차 해석이 통일되고, 검사도 간단해집니다. 반대로 기준면이 애매하면, 같은 도면을 놓고도 협력사마다 해석이 달라집니다.

끼워맞춤(구멍-축)은 수치보다 “목적”을 먼저 적습니다

회전인지, 고정인지, 열팽창 여유가 필요한지, 반복 조립인지에 따라 선택이 달라집니다. 같은 H7이라도 목적이 달라지면 조립성·소음·수명이 달라집니다. 공차설계는 숫자를 고르는 작업이 아니라 목적을 숫자로 번역하는 작업입니다.

공차는 ‘필요한 곳만’ 조여야 품질이 좋아집니다

모든 치수를 타이트하게 하면 품질이 좋아질 것 같지만, 실제로는 반대가 되는 경우가 많습니다. 기능에 영향이 작은 치수에까지 비용을 쓰면 정작 중요한 곳(조립/성능 핵심)에 투입해야 할 시간이 줄어듭니다. 그래서 공차설계는 집중 투자가 맞습니다.

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