위치도 공차란 구멍이나 축과 같은 형체가 설계된 정확한 위치에서 어느 정도까지 벗어날 수 있는지를 관리하는 기하공차입니다.
기계 도면에서 구멍의 위치를 확인할 때 단순히 제품의 끝부분에서 구멍 중심까지의 거리만 측정하면 충분할 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 실제 제조에서는 부품 자체에 크기와 형상의 편차가 존재하고, 측정 기준에 따라서도 결과가 달라질 수 있습니다.
특히 여러 개의 구멍에 볼트나 핀이 동시에 조립되는 제품에서는 각각의 구멍 위치가 조금씩 벗어난 것만으로도 조립이 어려워질 수 있습니다.
이런 문제를 보다 명확하게 관리하기 위해 사용하는 것이 위치도 공차입니다.
위치도 공차란 무엇인가?
위치도는 기하공차 중 위치와 관련된 공차입니다.
설계자가 지정한 이상적인 위치를 기준으로 실제 구멍의 중심이나 축이 허용된 영역 안에 존재하는지를 평가하는 데 사용됩니다.
예를 들어 판재에 구멍 하나가 있다고 가정해보겠습니다.
설계상 구멍의 중심은 왼쪽 기준면에서 50mm, 아래쪽 기준면에서 30mm 떨어진 위치에 있어야 합니다.
실제 제조된 제품에서는 구멍 중심이 정확하게 50mm와 30mm 위치에 만들어지지 않을 수 있습니다.
49.98mm가 될 수도 있고 50.05mm가 될 수도 있습니다.
위치도 공차는 이러한 실제 위치의 편차를 일정한 허용영역으로 관리할 수 있도록 합니다.
단순한 ± 치수로 홀 위치를 관리하면 안 될까?
구멍 위치를 다음과 같이 관리한다고 생각해보겠습니다.
가로 방향 50 ±0.1mm
세로 방향 30 ±0.1mm
이 방법도 일정한 범위에서 구멍 위치를 제한할 수 있습니다.
하지만 가로와 세로 방향을 각각 ± 공차로 관리하면 허용되는 위치 영역이 사각형 형태로 만들어집니다.
구멍은 실제로는 어느 한 방향으로만 움직이는 것이 아니라 평면 위에서 모든 방향으로 벗어날 수 있습니다.
따라서 구멍 중심의 위치를 보다 기하학적으로 관리하려면 원형 또는 원통형 허용영역을 사용하는 방식이 유용할 수 있습니다.
위치도 공차가 널리 사용되는 이유 중 하나입니다.
위치도 공차의 허용영역은 어떻게 만들어질까?
구멍의 위치도 공차를 이해할 때 중요한 것이 허용영역입니다.
예를 들어 위치도 공차가 직경 0.2mm의 영역으로 지정되어 있다고 가정해보겠습니다.
설계상 구멍이 있어야 할 정확한 위치를 중심으로 직경 0.2mm의 원 또는 3차원적으로는 원통 형태의 허용영역이 만들어집니다.
실제 구멍에서 얻어진 중심축이 이 허용영역 안에 존재하면 위치 요구사항을 만족하는 것으로 평가할 수 있습니다.
여기서 중요한 점은 구멍의 가장자리 한 지점이 아니라 구멍에서 얻어지는 중심 또는 축의 위치를 평가한다는 것입니다.
따라서 위치도 공차를 이해하려면 단순한 길이 측정보다 좌표와 축의 개념을 함께 이해하는 것이 좋습니다.
위치도에서 기본치수가 중요한 이유
위치도와 함께 도면에서 자주 등장하는 것이 기본치수입니다.
기본치수는 이론적으로 정확한 위치나 크기 등을 나타내는 치수입니다.
위치도에서는 구멍이 원래 어느 위치에 있어야 하는지를 기본치수로 정의하고, 실제 제품이 그 위치에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 위치도 공차로 관리할 수 있습니다.
예를 들어 구멍 위치가 가로 50mm, 세로 30mm라고 지정되어 있다고 생각해보겠습니다.
이 값이 구멍의 이론적으로 정확한 위치를 정하고 위치도 공차가 실제 구멍이 허용되는 영역을 결정하는 방식입니다.
즉, 기본치수와 위치도 공차는 서로 다른 역할을 합니다.
기본치수는 목표 위치를 정하고 위치도 공차는 그 목표 위치에서 허용할 수 있는 편차를 정합니다.
위치도 공차에서 데이텀이 중요한 이유
위치를 판단하려면 먼저 기준이 필요합니다.
구멍이 50mm 위치에 있다고 말하더라도 어디에서부터 50mm인지를 정하지 않으면 정확한 의미를 알 수 없습니다.
그래서 위치도 공차에서는 데이텀과 함께 사용되는 경우가 많습니다.
예를 들어 부품의 바닥면을 데이텀 A, 측면을 데이텀 B, 다른 측면을 데이텀 C로 설정했다고 가정해보겠습니다.
먼저 이러한 기준을 이용해 부품의 위치와 방향을 정합니다.
그다음 해당 기준에서 구멍이 설계된 위치에 있는지를 확인합니다.
이 방법을 사용하면 제조자와 검사자가 동일한 기준에서 구멍 위치를 판단할 수 있습니다.
앞에서 살펴본 데이텀 개념이 위치도 공차에서 중요한 이유가 바로 여기에 있습니다.
구멍의 크기가 맞아도 위치 불량이 발생할 수 있다
지름 10mm의 구멍이 있다고 생각해보겠습니다.
실제 측정 결과 구멍의 지름이 도면에서 요구한 치수 범위 안에 들어왔습니다.
그렇다면 이 구멍은 무조건 정상일까요?
그렇지 않습니다.
구멍 자체의 크기는 정상이지만 구멍 중심이 원래 설계된 위치에서 크게 벗어나 있을 수 있습니다.
이 상태에서 상대 부품의 구멍과 볼트를 이용해 조립하려고 하면 볼트가 들어가지 않을 수 있습니다.
즉, 구멍을 관리할 때는 두 가지 관점을 구분할 필요가 있습니다.
구멍이 얼마나 큰지는 치수공차와 관련이 있고, 구멍이 어디에 있는지는 위치도 공차와 관련이 있습니다.
제품의 조립성을 확보하려면 두 조건이 모두 중요할 수 있습니다.
여러 개의 홀에서는 위치도가 더 중요해질 수 있다
볼트 네 개로 두 부품을 조립하는 상황을 생각해보겠습니다.
첫 번째 구멍이 조금 오른쪽으로 이동하고, 두 번째 구멍은 왼쪽으로 이동하고, 다른 구멍들도 각각 다른 방향으로 위치가 벗어났다고 가정해보겠습니다.
각 구멍의 지름은 모두 정상일 수 있습니다.
하지만 상대 부품의 네 개 구멍과 동시에 맞추려고 하면 문제가 발생할 수 있습니다.
한 개의 볼트는 들어가지만 나머지 볼트가 들어가지 않는 상황도 생길 수 있습니다.
이처럼 여러 개의 구멍이 하나의 패턴을 이루는 제품에서는 각 구멍의 위치 관계가 조립성에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 볼트 홀이나 핀 홀과 같이 다른 부품과 직접적인 조립 관계가 있는 형체에서는 위치 관리가 중요합니다.
위치도 공차는 어떻게 측정할까?
위치도를 확인하는 방법은 제품과 요구 정밀도에 따라 달라질 수 있습니다.
정밀한 제품에서는 3차원 측정기를 이용해 구멍이나 축을 측정하고 데이텀을 기준으로 좌표계를 구성한 뒤 실제 위치를 계산하는 방법을 사용할 수 있습니다.
전용 검사구나 기능 게이지를 이용하는 방법도 있습니다.
특히 양산품을 빠르게 검사해야 하는 경우에는 제품의 기능적인 조립조건을 고려한 검사구를 사용하는 경우도 있습니다.
중요한 것은 단순히 측정장비의 정밀도만 높다고 정확한 위치도 측정이 되는 것은 아니라는 점입니다.
도면에서 지정한 데이텀을 어떻게 구현하고 제품을 어떤 기준으로 정렬했는지도 함께 고려해야 합니다.
기준이 달라지면 같은 부품이라도 계산되는 위치값이 달라질 수 있기 때문입니다.
위치도와 좌표 측정은 같은 개념일까?
위치도와 단순 좌표값은 비슷해 보이지만 완전히 같은 개념으로 보는 것은 적절하지 않습니다.
좌표 측정은 특정 기준에서 실제 구멍 중심이 어느 위치에 있는지를 숫자로 확인하는 방법입니다.
반면 위치도는 도면에서 지정한 기준과 허용영역을 이용해 해당 형체가 기하공차 요구사항을 만족하는지를 평가하는 개념입니다.
따라서 X 방향으로 몇 mm 벗어났고 Y 방향으로 몇 mm 벗어났다는 정보만 보고 위치도의 합격 여부를 단순하게 판단해서는 안 되는 경우가 있습니다.
도면에서 지정된 허용영역과 적용 조건을 함께 확인해야 합니다.
위치도 공차가 너무 작으면 좋은 것일까?
위치도 공차 역시 무조건 작게 지정한다고 좋은 것은 아닙니다.
필요 이상으로 엄격한 위치도 공차를 적용하면 가공이나 금형 제작의 난도가 높아질 수 있습니다.
제품을 생산한 뒤 검사하는 과정도 까다로워지고 불량률이 증가할 가능성이 있습니다.
반대로 위치도 공차가 너무 크면 상대 부품과 조립되지 않거나 기능적인 문제가 발생할 수 있습니다.
따라서 설계에서는 제품의 조립조건과 사용 목적을 고려해 필요한 수준의 위치도 공차를 설정하는 것이 중요합니다.
위치도에서 MMC가 등장하는 이유
위치도 공차를 공부하다 보면 MMC라는 용어도 자주 만나게 됩니다.
MMC는 최대실체조건을 의미합니다.
홀이나 축과 같이 크기를 가진 형체에서는 실제 제작된 크기에 따라 조립 가능한 여유가 달라질 수 있습니다.
이러한 특성을 활용하면 특정 조건에서 추가적인 위치 허용량이 발생할 수 있는데 이를 보너스 공차와 연결해 설명하기도 합니다.
다만 MMC는 위치도와 함께 이해해야 할 내용이 많기 때문에 별도의 글에서 자세히 다루는 것이 좋습니다.
위치도의 기본 개념을 먼저 이해한 뒤 최대실체조건과 보너스 공차를 공부하면 훨씬 이해하기 쉽습니다.
위치도 공차를 이해할 때 기억할 점
위치도 공차는 단순히 구멍이 몇 mm 이동했는지만 확인하는 기준이 아닙니다.
먼저 데이텀을 이용해 제품의 기준을 설정하고, 기본치수로 이론적인 정확한 위치를 정의한 뒤, 실제 형체가 지정된 허용영역 안에 존재하는지를 평가하는 방식으로 이해하는 것이 좋습니다.
특히 여러 개의 구멍이 상대 부품과 동시에 조립되는 구조에서는 단순 치수공차만으로 위치를 관리하는 것보다 기하학적인 허용영역을 이용하는 것이 설계 의도를 표현하는 데 유리할 수 있습니다.
결론
위치도 공차란 구멍이나 축과 같은 형체의 실제 위치가 설계된 정확한 위치에서 어느 정도까지 벗어날 수 있는지를 관리하는 기하공차입니다.
치수공차가 구멍의 크기를 관리한다면 위치도 공차는 구멍이나 축이 어디에 있어야 하는지를 관리한다고 이해하면 쉽습니다.
위치도를 제대로 적용하려면 기준이 되는 데이텀과 이론적인 정확한 위치를 나타내는 기본치수, 그리고 실제로 허용되는 위치도 공차영역을 함께 확인해야 합니다.
특히 볼트 홀이나 핀 홀처럼 다른 부품과 직접 조립되는 형체에서는 위치가 조금만 잘못되어도 전체 조립에 문제가 발생할 수 있기 때문에 위치 관리가 중요합니다.
위치도를 이해했다면 다음으로 알아두면 좋은 기하공차는 평면도입니다. 평면도는 위치도와 달리 다른 기준과의 위치관계가 아니라 하나의 표면 자체가 얼마나 평평한지를 관리하는 공차입니다.