기계 부품을 설계하거나 도면을 작성할 때 공차에 대한 지식이 필수적입니다. 여기에서는 공차란 무엇인가, 공차에 대하여 필요한 정보를 정리해 소개합니다.
목차
공차란?
공차란 가공에 있어서 피할 수 없는 오차에 대해 허용되는 수치의 상한과 하한의 차이(허용 범위)를 나타냅니다.
예를 들어 절삭 등의 기계 가공으로 50mm의 원통을 깎으려고 했을 경우, 정확히 50mm로 완성할 수 없습니다. 가위로 똑바른 선 위를 자르려고 해도, 미묘한 왜곡이 나와 버리는 것과 같이, 기계에도 미묘한 오차가 발생하기 때문입니다. 또한 온도에 의한 소재나 기계의 팽창, 재료의 고정 오차 등도 관여합니다. 그렇기에 「50mm를 목표」로 가공할 수 있습니다만, 정확히 50mm 로 완성하는 것은 매우 어렵습니다.
그래서 설계에 있어서는, 어디까지의 오차라면 허용 가능한지를 결정하고 있습니다. 그리고 설계도면이나 가공도면에서는 설계상 허가할 수 있는 오차의 범위를 「공차」로 지정하고 있습니다.
기본적으로 오차는 공차 범위 내에서 정규 분포의 형태로 나타납니다. 가공된 제품의 치수를 확인하고, 이 분포의 정상의 공차는 범위 내 어느 위치에 있는지, 분포의 밑단이 어떻게 퍼져 있는지를 분석하는 것은, 품질 관리를 실시하기 위해 매우 중요합니다.
공차를 정할 때에는 이러한 분포로부터 적절한 공차를 구하는 경우도 있습니다. 또한 여러 부품을 결합할 때 오차가 쌓입니다. 그러나 공차를 그대로 쌓은 것은 충분한 정밀도를 얻을 수 없게 되어 버립니다. 그 때문에 오차의 분포를 이용해, 계산에 의해 새롭게 공차를 구하는 것이 일반적입니다.
또한 재료를 3mm로 자르려고 하면 1mm의 오차는 크게 느껴집니다만, 3m의 재료를 자르려고 하고 있는 경우에는 1mm의 오차는 그다지 신경이 쓰이지 않습니다. 따라서 재료가 커질수록 오차 값도 커지는 것이 일반적입니다.
공차는 길이뿐만 아니라 각도와 모양에도 제공됩니다.
공차의 종류
도면의 치수와 형상의 지시에는 다양한 종류가 있습니다. 그에 따라 공차에도 다음 4종류가 있습니다.
- 일반 공차 – 개별 치수를 일괄적으로 지정하는 공차
- 치수 공차 – 길이와 같은 크기와 관련된 공차(사이즈 공차)
- 기하 공차 – 형상을 규정하는 공차
- 끼워맞춤 공차 – 홀과 해당 축에 대해 세트로 지정하는 치수 공차
공차의 종류에 대해 설명합시다.
- 일반공차
일반 공차란 가공 방법이나 재료의 크기에 의해 「대략 이것 정도가 표준」이라고 하는 오차의 범위로, JIS에 의해 정해져 있습니다. 보통 공차라고도 합니다. 일반 공차는 가공법과 가공되는 부위의 치수에 따라 달라집니다.
일반 공차는 도면 중의 치수에 부속시켜 표기할 필요는 없습니다. 그림 프레임 내의 주석 등에 「지시 없는 부위는 일반 공차로 한다」등의 문언을 더하는 것으로, JIS B 0405:1991 등에 정해진 지시 없는 가공 치수의 보통 허용차 표준이 적용됩니다. 또한 가공 방법이나 재료에 따라 일반 공차에 등급이 적용되는 경우도 있습니다. - 치수 공차(사이즈 공차)
치수공차란, 도면 중에서 지시되는 치수에 적용되는 공차로, 길이, 거리, 위치, 각도, 크기, 홀 직경, 모서리의 둥근 부분이나 면취 치수 등이 이 에 해당합니다. 일반 공차와는 다른 허용차를 지시하고 싶은 경우에 사용합니다. 일반 공차와 달리 명확한 기준이 없고, 설계자의 의도에 맞추어 임의의 수치를 지정할 수 있습니다만, 가공 방법 등에 의해 실현 가능한 범위가 있습니다. 치수 공차에는 양측 공차와 단측 공차가 있습니다. - 기하 공차
치수만으로는 정의할 수 없는 오차의 범위를 정하는 것으로 기하 공차가 있습니다. 예를 들어 두 홀의 중심 위치에 오차 범위를 정하고 싶은 경우에도 사용합니다. 도면에 치수 등과 함께 기재합니다. - 끼워맞춤 공차
끼워맞춤 공차란, 축과 홀에 대한 정밀도입니다. 기계에서는 홀과 축의 관계가 자주 사용되지만, 예를 들어 회전하는 축과 그것을 지지하는 홀이나 회전하는 축과 함께 회전하도록 설치하는 부품 등 홀과 축의 굳건한 관계는 각각입니다. 이러한 관계를 「맞춤」이라고 하며, 목적으로 하는 맞추기에 따른 공차를 끼워맞춤 공차라고 합니다.
끼워맞춤에는 세 가지 유형이 있습니다. - 억지 끼워 맞춤: 홀의 직경보다 축의 직경이 작은 관계. 철판에 포르토를 통과할 때와 같이, 간단하게 떼어낼 수 있도록 하는 경우나, 피스톤등과 같이 축이 홀 안을 슬라이드 하는 경우에 이용됩니다.
- 헐거운 끼워 맞춤:홀의 직경보다 축의 직경이 큰 관계, 홀이 있는 부품을 가열해 팽창에 의해 홀을 넓히고, 거기에 축을 밀어 넣는 「축소 피팅」등과 같이, 꽤 강한 기계적인 힘을 사용하지 않으면, 끼울 수 없습니다. 그렇기에 헐거운 끼워 맞춤의 경우, 기본적으로 「압입」이 필요합니다.
- 중간 끼워 맞춤 : 억지 끼워 맞춤과 헐거운 끼워 맞춤의 중간에 해당하는 끼워 맞춤입니다. 흔들림 없는 정밀한 관계가 됩니다.
공차와 제조 비용의 관계
그렇다면 이러한 공차는 가공과 제조 비용에 어떤 영향을 미칠까?
기계 부품을 조합할 때에는 부품끼리가 흔들림 없이 조합되는 일이나 한쪽에 부품을 밀어넣는 등 보다 높은 정밀도가 요구되는 경우도 적지 않습니다. 이러한 정밀도는 일반 공차에서는 얻을 수 없습니다. 그 때문에 치수에 대해 개별적으로 공차를 지시할 필요가 있습니다.
공차를 지시하면 가공 후 치수가 공차 내에 있는지 확인해야 합니다. 높은 정밀도의 공차를 지시하면, 그만큼 가공도 어려워지고 세세한 치수를 체크하기 위해서는 세세한 눈금까지 읽을 수 있는 측정 기구가 필요하게 됩니다. 그렇기에 높은 정밀도로 공차를 요구하면 가공이나 검사에 관련된 비용은 높아집니다. 그러므로 공차를 지시할 때에는「정말로 그 공차나 정밀도가 필요한지」 확실히 생각하지 않으면 안됩니다. 또 지시한 공차에 대한 검사 방법도 함께 생각해 둘 필요가 있습니다.
공차 설계의 이점
부품 개별 공차를 엄격하게 하면 그만큼 비용이 올라갑니다. 반면 공차를 과도하게 풀면 문제가 발생할 가능성이 높아집니다. 제품의 품질이나 비용 등을 종합적으로 생각하여 공차를 설정하는 것을 공차 설계라고 합니다.
공차설계·공차계산을 습득함으로써, 비용증가를 최소한으로 억제한 품질개선, 품질을 유지한 비용절감을 도모할 수 있습니다.
재료, 가공 및 치수 공차
치수 공차는 재료가 가공 방법에 따라 크게 달라집니다.
기계 요소와 공차
나사나 베어링 등, 기계 요소마다 독자적인 공차 등급을 가지고 있는 것도 있습니다. 이러한 기계 요소에는 일반 공차와 다른 공차가 적용됩니다.
정리
공차란 가공에 있어서 피할 수 없는 오차에 대해 허용 가능한 범위를 정한 것입니다. 공차에는 일반 공차, 치수 공차, 기하 공차, 끼워맞춤 공차가 있습니다. 설계 담당자는 기능에 필요한 공차를 지시하도록 의식합시다. 필요가 있어 엄격한 공차 지시를 하는 경우에는 가공 담당자에게 확인을 해 보면 좋을 것입니다.
