평면도 공차란 하나의 표면이 이상적인 평면에서 어느 정도까지 벗어날 수 있는지를 관리하는 기하공차입니다.
금속판이나 가공된 부품의 표면을 눈으로 보면 평평해 보이는 경우가 많습니다. 하지만 실제로 정밀하게 측정해 보면 가운데가 조금 올라와 있거나 한쪽이 내려가 있고, 미세하게 휘어 있는 경우도 있습니다.
이러한 표면의 굴곡을 일정한 범위 안에서 관리하기 위해 사용하는 것이 평면도 공차입니다.
평면도는 길이나 폭처럼 제품의 크기를 관리하는 치수공차와는 다릅니다. 또한 다른 면과 얼마나 평행한지를 보는 평행도와도 차이가 있습니다.
평면도 공차란 무엇인가?
평면도는 특정 표면 전체가 얼마나 평평하게 만들어졌는지를 평가합니다.
완벽하게 평평한 면은 표면의 모든 위치가 하나의 이상적인 평면 위에 존재해야 합니다.
하지만 실제 제조된 제품의 표면을 확대해서 보면 미세한 높이 차이가 존재할 수 있습니다.
예를 들어 어떤 금속 부품의 표면을 여러 위치에서 측정했을 때 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이에 차이가 발생할 수 있습니다.
평면도 공차는 이러한 표면의 높낮이가 지정된 허용영역을 벗어나지 않도록 관리합니다.
평면도는 형상공차에 해당하며, 하나의 표면 자체의 형상을 평가하기 때문에 다른 데이텀을 반드시 기준으로 사용할 필요가 없습니다.
평면도 공차의 허용영역은 어떻게 만들어질까?
평면도 공차를 이해할 때 가장 중요한 부분이 허용영역입니다.
예를 들어 도면에 평면도 공차가 0.1mm로 지정되어 있다고 가정해보겠습니다.
이 경우 해당 표면 전체가 서로 평행한 두 개의 가상 평면 사이에 들어와야 합니다.
두 평면 사이의 거리가 0.1mm입니다.
즉, 표면의 가장 높은 부분과 가장 낮은 부분을 포함한 전체 형상이 0.1mm 두께의 영역 안에 존재해야 한다는 의미입니다.
여기서 중요한 것은 제품의 표면이 특정한 방향으로 놓여 있어야 한다는 의미가 아니라는 점입니다.
평면도는 다른 기준면에 대한 방향을 보는 것이 아니라 해당 표면 자체가 얼마나 평평한지를 판단합니다.
평면도는 왜 데이텀이 필요하지 않을까?
앞에서 살펴본 위치도 공차에서는 데이텀이 매우 중요했습니다.
구멍이 어느 위치에 있는지 판단하려면 먼저 제품의 기준을 설정해야 하기 때문입니다.
하지만 평면도 공차는 상황이 다릅니다.
평면도에서 궁금한 것은 해당 면이 다른 면을 기준으로 어떻게 위치하고 있는지가 아닙니다.
오직 해당 표면 자체가 얼마나 평평한지를 확인합니다.
예를 들어 책상 위에 금속판을 비스듬하게 올려놓더라도 금속판 자체가 완벽하게 평평하다면 평면도 자체는 달라지지 않습니다.
금속판이 공간에서 어떤 각도로 놓여 있는지와 표면 자체의 평평함은 별개의 문제이기 때문입니다.
따라서 평면도는 데이텀을 참조하지 않는 형상공차로 분류됩니다.
평면도와 평행도는 무엇이 다를까?
평면도와 가장 많이 혼동하는 기하공차 중 하나가 평행도입니다.
두 개념 모두 두 개의 평행한 평면 사이에 표면이 들어오는 방식으로 허용영역을 설명할 수 있기 때문에 비슷해 보일 수 있습니다.
하지만 가장 큰 차이는 기준의 존재입니다.
평면도는 하나의 표면 자체가 평평한지를 평가합니다.
반면 평행도는 특정 표면이 데이텀으로 지정된 다른 면이나 축에 대해 얼마나 평행한지를 평가합니다.
예를 들어 상자 형태의 부품에서 윗면 자체가 울퉁불퉁한지를 확인하고 싶다면 평면도를 사용할 수 있습니다.
하지만 윗면이 바닥면과 정확하게 평행한 상태인지를 확인하고 싶다면 바닥면을 기준으로 하는 평행도를 사용할 수 있습니다.
평행도는 방향공차이므로 데이텀과의 관계가 필요하지만, 평면도는 표면 자체의 형상을 평가합니다.
치수는 정상인데 평면도가 불량일 수 있을까?
가능합니다.
예를 들어 두께가 10 ±0.2mm인 금속판이 있다고 생각해보겠습니다.
여러 위치에서 제품의 두께를 측정했을 때 모두 허용범위 안에 들어왔다고 해서 반드시 표면이 평평하다는 의미는 아닙니다.
금속판 전체가 휘어 있거나 특정 부분이 볼록하게 올라올 수도 있습니다.
즉, 제품의 크기와 제품의 형상은 서로 다른 관점에서 확인할 필요가 있습니다.
치수공차는 제품의 두께나 길이와 같은 크기를 관리하고, 평면도 공차는 표면 자체의 형상을 관리합니다.
그래서 제품의 기능에 따라 치수공차와 평면도가 함께 지정될 수도 있습니다.
평면도가 좋지 않으면 어떤 문제가 발생할까?
모든 제품에 매우 엄격한 평면도가 필요한 것은 아닙니다.
하지만 다른 부품과 직접 접촉하거나 밀착되어야 하는 면에서는 평면도가 중요해질 수 있습니다.
예를 들어 두 개의 금속 부품이 넓은 면으로 서로 밀착되어야 한다고 가정해보겠습니다.
한쪽 부품의 표면 가운데가 크게 볼록하다면 두 부품을 결합했을 때 가장자리에서 틈이 생길 수 있습니다.
반대로 표면 일부가 움푹 들어가 있어도 전체 접촉면이 줄어들 수 있습니다.
밀봉이 중요한 구조에서는 이러한 틈이 기능에 영향을 줄 수도 있습니다.
기계 부품에서는 특정 면에 힘이 집중되거나 제품이 흔들리는 원인이 될 수도 있습니다.
따라서 실제 제품이 어떤 방식으로 조립되고 사용되는지를 고려해 필요한 곳에 적절한 평면도 공차를 설정하는 것이 중요합니다.
제조 과정에서 표면이 휘는 이유
제품의 표면이 평평하지 않은 이유는 다양합니다.
가공 부품에서는 절삭 과정에서 발생하는 힘이나 소재 내부의 잔류응력 때문에 가공 후 형상이 달라질 수 있습니다.
프레스 부품은 금형에서 성형된 뒤 소재가 탄성적으로 일부 복원되면서 원하는 형상과 차이가 발생할 수 있습니다.
용접된 제품은 열에 의해 금속이 팽창하고 냉각되는 과정에서 수축하기 때문에 표면이나 전체 부품이 변형될 수 있습니다.
제품을 보관하거나 운반하는 과정에서도 외부 힘에 의해 얇은 판재가 휘어질 수 있습니다.
따라서 평면도 불량이 발생했다면 단순히 측정값만 확인하는 것이 아니라 제조공정에서 어떤 요인이 형상에 영향을 주었는지도 확인할 필요가 있습니다.
평면도 공차는 어떻게 측정할까?
평면도를 확인하는 방법은 제품의 크기와 요구되는 정밀도에 따라 달라질 수 있습니다.
비교적 단순한 방법으로는 정반과 다이얼 게이지 등을 이용해 표면의 높이 변화를 확인할 수 있습니다.
하지만 제품을 단순히 정반 위에 올려놓고 측정한 값이 항상 도면의 평면도와 동일한 의미가 되는 것은 아닙니다.
제품의 지지상태나 측정방법이 결과에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
정밀한 부품에서는 3차원 측정기 등을 이용해 표면 여러 지점의 좌표를 측정하고 표면의 형상을 평가할 수도 있습니다.
최근에는 비접촉식 3D 측정장비를 이용해 많은 측정점을 빠르게 확보하고 전체 표면의 높낮이를 분석하는 방법도 활용할 수 있습니다.
어떤 방법을 사용하더라도 핵심은 특정 지점 하나만 확인하는 것이 아니라 평가 대상인 표면 전체가 지정된 평면도 허용영역 안에 존재하는지를 확인하는 것입니다.
평면도와 표면거칠기는 같은 개념일까?
평면도와 표면거칠기도 혼동하기 쉽지만 서로 다른 개념입니다.
평면도는 비교적 넓은 범위에서 표면 전체가 얼마나 평평한지를 평가합니다.
반면 표면거칠기는 표면에 존재하는 미세한 요철의 상태와 관련된 개념입니다.
따라서 표면이 매우 매끄러워 보여도 전체적으로 휘어 있다면 평면도가 좋지 않을 수 있습니다.
반대로 표면에 미세한 가공 흔적이 있더라도 전체 형상이 충분히 평평할 수도 있습니다.
제품을 평가할 때는 평면도와 표면거칠기를 같은 의미로 해석하지 않는 것이 중요합니다.
평면도 공차가 작을수록 좋은 것일까?
평면도 역시 공차가 작을수록 무조건 좋은 것은 아닙니다.
필요 이상으로 매우 작은 평면도 공차를 적용하면 제품을 만드는 공정의 난도가 크게 높아질 수 있습니다.
정밀 가공이 필요해질 수 있고 검사장비와 검사시간도 늘어날 수 있습니다.
공차를 만족하지 못해 불량으로 판정되는 제품도 증가할 수 있습니다.
결국 제조원가가 올라갑니다.
반대로 평면도가 제품 기능에 매우 중요한 부위인데 지나치게 넓은 공차를 적용하면 조립이나 접촉, 밀봉 등에 문제가 발생할 수 있습니다.
따라서 다른 기하공차와 마찬가지로 제품의 기능을 만족할 수 있는 적절한 수준을 설정하는 것이 중요합니다.
평면도 공차를 이해할 때 기억할 점
평면도 공차는 하나의 표면 자체가 얼마나 평평한지를 관리합니다.
다른 표면과의 방향이나 위치 관계를 관리하는 공차가 아니기 때문에 일반적으로 데이텀을 사용하지 않습니다.
또한 제품의 길이나 두께가 모두 치수공차 안에 들어왔다고 해서 평면도까지 자동으로 만족한다고 볼 수는 없습니다.
크기와 형상은 서로 다른 특성이기 때문입니다.
평면도를 확인할 때는 단순히 눈으로 평평해 보이는지를 판단하는 것이 아니라 지정된 허용영역 안에 표면 전체가 들어오는지를 확인해야 합니다.
결론
평면도 공차란 하나의 표면이 이상적인 평면에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 관리하는 기하공차입니다.
평면도 공차가 0.1mm라면 대상 표면 전체가 0.1mm 간격의 두 평행한 가상 평면 사이에 존재하도록 관리하는 개념으로 이해할 수 있습니다.
평면도는 해당 표면 자체의 형상을 평가하기 때문에 위치도나 평행도와 달리 다른 데이텀을 기준으로 할 필요가 없습니다.
또한 치수가 정상이라고 해서 반드시 표면이 평평한 것은 아니기 때문에 제품의 기능에 따라 치수공차와 별도로 평면도를 관리할 필요가 있습니다.
특히 다른 부품과 넓은 면으로 접촉하거나 밀착되는 제품에서는 평면 상태가 실제 조립과 기능에 영향을 줄 수 있습니다.
평면도까지 이해했다면 다음으로 알아둘 개념은 직각도 공차입니다. 직각도는 하나의 표면 자체만 평가하는 평면도와 달리 기준이 되는 데이텀에 대해 면이나 축이 얼마나 정확하게 90도 방향을 유지하는지를 관리합니다.