가공도에 필수적인 기하공차의 필요 이유에 대해 해설

기하 공차란 부품의 형상·위치·자세의 편차를 관리하고, 설계대로 기능을 확실히 발휘하도록 하는 개념입니다. 치수 공차만으로는 전달하기 어려운 직각도·평면도·위치 오차 등 정밀도 요구를 명확히 할 수 있어, 조립 불량이나 성능 저하를 방지하는 효과가 있습니다.
이번 내용에서는 기하 공차의 기본 개념부터 대표적인 기호, 도면에서의 지시 예시까지, 설계자가 꼭 알아야 할 포인트를 차례대로 설명합니다.

기하 공차의 정의

기하공차는 부품 제조 시 형상의 정밀도를 정의하기 위한 규격입니다. 기존의 치수 공차가 길이와 직경 등 부품의 크기 범위를 나타내는 반면, 기하 공차는 형태·자세·위치·흔들림 등 부품의 기학적 특성에 대한 허용 범위를 나타냅니다.
예를 들어, 홀 가공에서 단순히 직경을 지정하는 것뿐만 아니라, 그 홀이 얼마나 진원에 가까워야 하는지(진원도)를 규정하는 것이 기하공차의 역할 중 하나입니다.

기하 공차를 사용하는 이유·목적

기하공차를 사용하는 목적은 제품의 기능 보증을 확실히 하는 것입니다. 기하공차가 지정되지 않은 도면에서는, 제조된 부품의 형상이 설계자의 의도와 다르더라도 치수 공차 내에 들어가는 한 결함으로 간주되지 않을 위험이 있습니다. 특히 높은 정밀도가 요구되는 접동 부품이나, 여러 부품을 정밀하게 조합하는 어셈블리에서는 정확한 위치와 형상의 지정이 필수적입니다.
현재 ISO(국제표준화기구)와 JIS(일본산업규격)에서도 기하공차 사용이 권장되고 있습니다. 글로벌 제조 표준에 부합하고, 국내외 어느 공장에서도 올바르게 해석되는 도면을 만들기 위해서는 기하공차가 필수적인 요소가 됩니다.

왜 치수 공차만으로는 부족한가

부품 정밀도 지시에서 치수 공차만으로는 충분하지 않은 이유는, 치수 공차가 두 점 사이의 거리나 직경과 같은 크기의 편차만을 규정할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 여러 홀의 피치 치수가 맞아도 홀 자체가 기울어져 있으면(직각도가 부족하면) 상대 부품과 조립할 수 없습니다. 형상의 왜곡이나 위치의 오차는 치수 수치만으로는 완전히 표현할 수 없습니다.
치수 공차로는 커버할 수 없는 이러한 요소들을 명확히 정의하기 위해, 기하 공차에서는 주로 다음 다섯 가지 특성으로 구분하여 허용 범위를 지정합니다.

• 형상 공차
• 윤곽도 공차
• 방향 공차
• 위치 공차
• 흔들림 공차

치수 공차만으로는 놓쳐 버리는 형상상의 미친 것을 명확하게 허용 범위로 정의할 수 있는 점이 기하 공차를 적극적으로 이용하는 장점입니다.

설계에서 기하 공차를 활용하는 목적과 이점

설계자가 기하공차를 적극적으로 사용해야 하는 이유는 단순히 도면을 규칙대로 그리기 위해서만은 아닙니다. 여기서는 기하공차를 정확히 지정함으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 설명합니다.

품질 향상

기하 공차는 제품의 기능 보증과 품질 향상에 직접 연결됩니다. 부품이 설계대로의 위치 관계와 자세로 결합될 것을 기하 공차로 보증하면, 조립 시 발생할 수 있는 결함을 사전에 방지할 수 있습니다.
예를 들어, 위치도를 지정하면 볼트 홀 등 작은 위치 오차로 인한 조립 불가를 방지하고, 형상 공차를 지정하면 부품의 변형을 억제해 마찰 감소와 기밀성 확보 등 성능 향상이 가능합니다. 최종 제품의 조립 정밀도와 성능이 안정되므로, 결과적으로 제품 전체 품질이 향상됩니다.

비용 최적화

기하 공차를 넣으면 비용이 올라간다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 반대입니다. 기하 공차를 적절히 활용하면 제조 비용 절감과 생산 효율 향상으로 이어집니다. 기하 공차를 사용하지 않고 치수 공차만으로 형상의 왜곡(굽힘이나 뒤틀림 등)을 억제하려면, 필요 이상으로 엄격한 치수 허용값을 설정할 수밖에 없습니다. 이는 가공 난이도를 불필요하게 높이고, 수율 저하와 가공 공정 증가를 초래해 비용 상승의 원인이 됩니다.
반대로, 기하 공차로 필요한 부분의 정밀도를 정확히 지정하면 그 외의 치수 공차를 완화할 수 있어 과도한 고정밀 가공을 피한 효율적인 생산이 가능합니다. 불필요한 재작업도 줄어들어 전체적인 비용 절감이 실현됩니다.

국제 표준화

글로벌화가 진행되는 제조업에서는 국제적인 도면 표준화에 맞추는 것이 피할 수 없습니다.
2016년 JIS 규격 개정으로 일본의 도면 규칙도 ISO 규격에 부합하는 기하 공차 중심의 사고방식으로 전환되었습니다. 현재 세계 표준 도면에서는 기하 공차 사용이 전제로 되어 있어, 이를 제대로 활용하지 못하면 해외 기업과의 거래나 글로벌 공급망에서 소외될 위험이 있습니다. 일본의 도면이 갈라파고스화되는 것을 방지하고, 전 세계 어디서든 통용되는 도면을 만들기 위해서라도, 기하 공차 습득은 현대 설계자에게 필수 과제라고 할 수 있습니다.

기하 공차의 기본 용어

기하 공차를 올바르게 활용하려면, 도면에서 공차를 지정할 때 나오는 용어를 정확히 이해하고 있어야 합니다. 여기서는 설계자가 실무에서 접하게 되는 세 가지 용어를 설명합니다.

공차 기입란

공차 기입란이란 도면에서 기하 공차 지시 내용을 기록하기 위한 직사각형 틀을 말합니다. 기하공차의 「명령문」과 같은 역할을 합니다.

위의 칸에는 왼쪽부터 차례대로 다음 정보가 기입됩니다.

• 기하 특성 기호: 어떤 종류의 공차(위치도, 평면도 등)를 지정하는지를 나타내는 기호
• 기하 공차 값(허용값): 허용되는 오차 범위(단위는 일반적으로 mm)
• 데이텀 기호: 기준으로 하는 면이나 선(데이텀)의 식별 기호(우선 순위)

공차 기입 구역은 보통 수평으로 배열된 여러 구역으로 구성되며, 구역에서 뻗어 나온 화살표가 있는 「인출선」을 대상 형태(면이나 축 등)에 가리켜 어디에 공차를 적용할지 지정합니다.

데이텀

데이터엄 Datum은 기하공차를 지정할 때 기준이 되는 정확한 점·선·면을 말합니다.

도면에서는 알파벳 대문자(A, B, C 등)를 정사각형으로 둘러싸고, 대상이 되는 기준면에 삼각형 기호를 붙여 표시합니다. 설계자는 부품을 설계할 때 「어디를 기준으로 정밀도를 낼지」를 먼저 정해야 합니다. 일반적으로는 다음 장소가 데이텀에 선택됩니다.

• 조립시 상대 부품과 접촉하는 「설치 기준면」
• 회전체의 중심이 되는 「기능축」
• 가공이나 측정 시의 받침면이 되는 「지그 기준면」

데이텀은 왜곡이 없는 이상적인 기준으로 간주되며, 그 기준에서의 오차를 평가함으로써 자세와 위치의 정확도를 정의합니다. 다만, 위치도나 직각도와 같은 공차에는 데이터가 필요하지만, 평면도나 진원도처럼 형태 자체의 정확성을 나타내는 공차(단독 형체)에는 데이터가 필요하지 않습니다.

공차역

공차역이란 지정된 기하공차 범위 내에서 실제 형상이 들어가야 하는 공간적 영역을 말합니다. 치수 공차가 「두 점 사이의 거리」라는 선형적인 개념인 반면, 기하 공차는 「이 공간 안에 형태가 들어가야 한다」는 3차원적인 개념을 사용합니다. 공차 영역의 형태는 지정하는 기하공차의 종류에 따라 다양합니다. 아래에 대표 예시를 제시합니다.

• 진직도: 어떤 직선의 양쪽에 평행한 「두 개의 직선」으로 끼어 있는 띠 모양 영역

• 진원도: 올바른 원에 내접·외접하는 「두 개의 동심원」 사이에 끼어 있는 링 형태의 영역

• 위치도: 공차값에 「⌀」이 붙는 경우, 이상적인 위치를 중심으로 한 「원통형」 영역

• 평면도: 이상적인 평면에 평행한 「2개의 평면」 사이에 끼어 있는 틈 영역

이처럼 공차역은 「형상의 변동이 허용되는 범위」를 공간으로 시각화한 것입니다. 이 영역 안에 부품 전체 형태가 들어가 있으면 합격, 일부라도 벗어나면 불합격(불량)으로 판단됩니다.

기하 공차의 종류와 표기

기하 공차는 치수만으로는 표현할 수 없는 공차를 정하는 것으로, 도면에 치수 등과 함께 기재합니다.

분류	기호	이름	정의
모양		직진도	올바른 직선에 대한 오차 범위
		평면도	올바른 평면에서 가장 낮은 위치와 가장 높은 위치의 오차 범위
		진원도	올바른 원에 대한 변위 오차 범위
		원통도	올바른 원통에 대해 원통 양단의 원 사이즈 오차 범위
윤곽		선의 윤곽도	이론적으로 올바른 윤곽에서 실제 모양의 오차 범위
		면의 윤곽도	이론적으로 올바른 윤곽에서 실제면의 오차 범위
자세		평행도	기준의 직선 또는 평면에 평행해야 하는 선과 면의 오차 범위
		직각도	기준에 직각이어야 하는 면이나 직선의 오차범위
		경사도	기준에 대해 지정된 각도의 오차 범위
위치		위치도	기준에 대한 위치 오차 범위
		동축도	2개의 원통 축의 오차 범위
		대칭도	기준에 대해 대칭인 오차 범위
흔들림		원주 흔들림	올바른 축으로 회전할 때 표면이 변위되는 범위
		전체 흔들림	올바른 축으로 회전할 때 원통 전체가 변위되는 범위

설계자가 먼저 사용하는 3개의 도면 예

기하공차의 종류는 다양하지만, 기계 설계 실무에서 자주 등장하는 기본 공차는 「위치도」, 「평면도」, 「직각도」 세 가지입니다. 각각의 공차가 사용되는 상황과 도면에 기재된 예시를 구체적으로 소개합니다.

위치도

위치도는 부품의 점·선·면이 데이텀에 대해 얼마나 정확한 위치에 있는지를 지정하는 공차입니다. 「데이텀 또는 다른 형태와 관련하여 정해진 이론적으로 정확한 위치에서의 점·직선 형태 또는 평면 형태의 변형 크기」라고 정의하고 있습니다.
대표적인 사용 예는 홀 위치 지정입니다. 예를 들어, 공차 기입 프레임에 「⌀0.2」라고 지정하면, 홀의 중심이 이상적인 위치에서 반경 0.1mm의 원 범위 안에 들어가야 하므로 어느 방향이든 균일한 정밀도를 확보할 수 있습니다.
위치도는 부품 간 조립 정밀도를 좌우하는 매우 중요한 공차입니다. 「홀 위치는 치수 공차가 아니라 위치도로 지정한다」는 것이 공식 규칙이 되었으므로 반드시 숙지해야 할 항목입니다.

평면도

평면도는 대상 면이 얼마나 요철이 없는 평평한 상태인지 규정하는 공차입니다. 「평면 형체가 이론적으로 정확한 평면으로부터의 변위 크기」라고 정의하고 있습니다. 평면도는 그 면 자체의 정밀도를 평가하기 때문에 데이텀이 필요하지 않습니다. 공차 영역은 「이상적인 평면에 평행한 두 평면」 사이에 끼어 있는 틈으로 표시됩니다.
예를 들어, 부품을 밀착시켜 밀봉성을 확보하고 싶거나 나사를 조일 때 흔들림을 방지하고 싶을 때 「평면도 0.1」이라고 지정합니다. 이로써 표면의 요철이 최대 0.1mm 이내로 유지된다는 것이 보장됩니다.
또한, 떨어진 위치에 있는 여러 면을 하나의 평면으로 관리하고 싶을 때는 공통 기호 「CZ」를 함께 표기하는 등 고급적인 활용도 가능합니다.

직각도

직각도는 특정 면이나 선이 데이터에 대해 얼마나 정확히 90도인지 지정하는 공차입니다. 「데이텀 직선 또는 데이텀 평면에 대해 직각이어야 하는 직선형체 또는 평면형체의 변형 정도」라고 정의하고 있습니다. 직각도는 자세를 관리하는 공차이므로 반드시 기준이 되는 데이텀이 포함됩니다. 공차 기입란에는 직각도 기호 「⊥」 뒤에 숫자와 데이텀(예: ⊥|0.1|A)를 기입합니다.
예를 들어, 베이스 판에 수직으로 기둥을 세우거나 두 장의 판을 직각으로 용접할 때 정밀도 보증에 사용됩니다. 기준면 A에 대해 측면 전체가 0.1 mm 폭 안에 들어가도록 서 있으면 직각으로 판단됩니다. 작업기계의 기둥을 수직으로 내보내는 등, 조립 정밀도를 확보하는 데 필수적인 공차입니다.

치수 공차의 표현과 기하 공차의 표현의 차이

아래 그림에 구 도면과 신 도면을 표시합니다. 개정 전후의 표기 차이를 확인해 보겠습니다.

• 구 도면
  많은 설계자들은 어색함 없이 이 도면을 볼 수 있을 것이라고 생각합니다. 홀 위치를 XY 치수와 치수 공차로 완전히 정의해 두었습니다.

•  신 도면
  많은 설계자들은 이 도면에 어색함을 느낄 것이라고 생각합니다. 기존 도면과 비교하면 전혀 다른 치수 표기로 되어 있습니다. 하지만 현재는 이 도면이 규격상의 정식 도면이 됩니다.

신 도면의 특징은 형체 간 위치 지시에 치수 공차가 아니라 기하 공차를 사용한다는 점입니다. 그 결과 기호가 가득한 도면이 되어 버립니다. 또한 홀 직경 치수에 「원형 마크」가 붙어 있지 않은 것을 눈치채셨겠지만, 이것도 신 도면에서는 올바른 표기입니다.

정리

기하 공차는 기존의 치수 공차만으로는 정의하기 어려운 「형상의 왜곡이나 위치의 오차」를 명확히 하는, 현대 설계에 필수적인 규격입니다. 설계자가 기하공차를 적극적으로 사용해야 하는 이유는 제품 품질 향상, 비용 최적화, 그리고 국제 표준(ISO) 적합이라는 큰 장점이 있기 때문입니다.
우선 공차 기입 프레임, 데이텀, 공차 영역 등 기본 용어를 정확히 정리해 보세요. 실무에서는 자주 등장하는 위치도, 평면도, 직각도라는 세 가지 도면 예시를 통해 적용을 시작하는 것이 가장 빠른 방법입니다. 개정으로 인해 치수 공차와 기하 공차의 표현 차이를 올바르게 구분해 사용하는 것이 설계자의 의무라고 할 수 있는 상황이 되었습니다.
기존 관습에 얽매여 고유의 표기를 계속한다면, 세계 제조 현장에서 뒤처져 「 갈라파고스화」될 위험이 있습니다. 글로벌 표준을 습득하고, 이번 내용에서 소개한 내용을 참고하여 세계적으로 통용되는 효율적이고 고정밀 설계를 꼭 실천해 보시기 바랍니다.