1. 기하공차란?
기계 및 제조 산업 현장에서 기하공차(Geometric Dimensioning and Tolerancing, GD&T)는 제품의 형상과 위치에 대한 정확도를 정의하기 위해 사용되는 공차 체계입니다.
이는 단순 치수공차로는 표현할 수 없는 형상 및 위치 오차를 체계적으로 관리하기 위해 고안되었습니다.
기하공차는 제품의 조립성 확보, 기능 유지, 품질 안정성 확보를 위해 필수적으로 사용되며, 특히 정밀 조립이 요구되는 산업 분야에서 그 중요성이 강조됩니다.
기하공차(GD&T)의 개념은 20세기 초 미국 항공·군수산업의 발전과 함께 본격적으로 발전하기 시작했습니다.
특히 제2차 세계대전 중 복잡한 무기와 항공기의 대량 생산이 필요해지면서, 단순 치수공차로는 조립 불량과 품질 문제가 빈번히 발생했습니다.
이에 따라 1940년대 후반 미국에서 기하공차 체계가 정립되기 시작했으며, 이후 미국기계학회(ASME)를 중심으로 ASME Y14.5 표준이 제정되었습니다.
이후 1960~70년대에는 ISO(국제표준화기구)가 국제 협업을 위해 독자적인 기준인 ISO 1101 시리즈를 마련하였고,
현재는 ASME Y14.5(미국)와 ISO 1101(국제) 두 가지 체계가 세계적으로 사용되고 있습니다.
기하공차는 현재까지도 정밀 제조·설계의 필수 요소로 자리 잡고 있습니다.
2. 기하공차의 정의 및 필요성
기하공차란 제품의 형상 요소(선, 면, 구멍, 축 등)에 대해 허용 가능한 오차를 체계적으로 규정하는 방식입니다.
단순히 크기(길이, 지름 등)의 오차만 허용하는 치수공차와 달리, 기하공차는 제품 형상 자체의 정밀도를 확보하는 데 목적이 있습니다.
기하공차를 적용함으로써 설계 의도를 정확하게 전달할 수 있으며, 제조 공정 중 발생할 수 있는 불필요한 정밀 가공 비용을 줄이고 효율적인 품질 관리가 가능합니다.
3. ISO 기준과 MSAE 기준의 차이점
기하공차 관련 표준으로는 ISO 1101과 ASME Y14.5(MSAE)가 대표적입니다.
두 표준 모두 동일한 목적을 가지지만, 적용 환경과 세부 표기법에서 차이가 있습니다.
3-1. ISO 기준 (국제표준화기구, ISO 1101)
ISO 기준은 국제표준화기구(ISO)에서 제정한 기하공차 국제표준으로, 전 세계적으로 통용됩니다.
특히 유럽, 아시아 지역을 포함한 글로벌 제조업체 간 협업 시 필수로 적용됩니다.
▶ 장점
- 국제적으로 통일된 표기 체계 제공
- 다양한 기하공차 항목을 엄격하게 정의하여 해석상의 오류를 최소화
- 다국적 기업 간 기술 문서 표준화에 적합
- 수출용 제품 설계 시 필수 적용
3-2. MSAE 기준 (미국기계학회, ASME Y14.5)
MSAE 기준은 미국기계학회(ASME)에서 제정한 표준으로, 주로 북미 지역 제조업체와 관련 산업에서 활용됩니다.
▶ 장점
미국 내 산업 현장에서 실무 적용이 용이
실무 중심 설계에 적합하여 제조공정과 연계성이 뛰어남
미국 내 기존 협력사와의 업무 효율성 향상
4. 기하공차 항목별 정의
기하공차는 크게 형상공차, 방향공차, 위치공차, 흔들림공차(흔들림 정도)로 구분되며, 각 항목은 다음과 같습니다.
▶ 4-1. 형상공차 (Form Tolerance)
형상공차는 단일 형상 요소의 기하학적 정확도를 정의합니다.
진직도(Straightness): 직선 요소가 얼마나 곧은지를 규정합니다.
평면도(Flatness): 면이 얼마나 평평해야 하는지를 정의합니다.
원형도(Roundness): 원 단면이 얼마나 정확한 원이어야 하는지를 규정합니다.
원통도(Cylindricity): 원통 형태가 얼마나 정확하게 원통이어야 하는지를 나타냅니다.
▶ 4-2. 방향공차 (Orientation Tolerance)
방향공차는 형상 요소 간의 기준 방향을 정의합니다.
평행도(Parallelism): 두 요소가 서로 얼마나 평행해야 하는지 규정합니다.
직각도(Perpendicularity): 요소가 기준 요소에 대해 직각을 유지해야 하는 정도를 정의합니다.
경사도(Angularity): 요소가 기준 요소에 대해 일정 각도를 유지해야 하는 정도를 정의합니다.
▶ 4-3. 위치공차 (Location Tolerance)
위치공차는 형상 요소가 어디에 위치해야 하는지를 정의합니다.
위치도(Position): 요소의 정확한 위치 허용 범위를 정의합니다.
동심도(Concentricity): 두 원형 요소의 중심이 일치해야 하는 정도를 나타냅니다.
대칭도(Symmetry): 요소가 기준면 또는 기준축에 대해 대칭이어야 하는 정도를 정의합니다.
▶ 4-4. 흔들림공차 (Runout Tolerance)
흔들림공차는 회전하는 요소의 흔들림 정도를 규정합니다.
진동 흔들림(Runout): 회전 시 표면이 기준으로부터 얼마나 벗어나는지 정의합니다.
전체 흔들림(Total Runout): 회전 요소 전체 표면의 최대 허용 흔들림 범위를 규정합니다.
| 구분 | 항목 | 기호 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 형상공차 (Form Tolerance) |
진직도 (Straightness) | ⎯ | 선 또는 축이 얼마나 곧은지를 규정함 |
| 평면도 (Flatness) | ▱ | 표면이 얼마나 평평해야 하는지를 정의 | |
| 원형도 (Roundness) | ○ | 단면이 정확한 원이어야 하는 정도를 규정 | |
| 원통도 (Cylindricity) | ⌭ | 전체가 정확한 원통이어야 하는 정도 | |
| 방향공차 (Orientation Tolerance) |
평행도 (Parallelism) | ∥ | 두 요소 간 평행 상태 유지 정도를 규정 |
| 직각도 (Perpendicularity) | ⊥ | 두 요소 간 직각 상태 유지 정도를 규정 | |
| 경사도 (Angularity) | ∠ | 지정된 각도를 유지하는 정도를 규정 | |
| 위치공차 (Location Tolerance) |
위치도 (Position) | ⌖ | 형상 요소의 위치 허용 오차를 규정 |
| 동심도 (Concentricity) | ◎ | 중심축 간 일치 정도를 규정 | |
| 대칭도 (Symmetry) | ≠ | 기준 중심에 대해 대칭이어야 하는 정도 | |
| 흔들림공차 (Runout Tolerance) |
진동 흔들림 (Runout) | ⟳ | 단일 회전 시 흔들림 허용 범위 |
| 전체 흔들림 (Total Runout) | ⟳⟳ | 전체 회전 범위 내 흔들림 허용 오차 |
5. 결론 및 적용 시 주의사항
기하공차는 제품의 기능을 유지하고, 조립성을 확보하며, 제조 공정의 불필요한 비용을 절감하는 핵심 요소입니다.
ISO 기준은 국제 협업과 다국적 기술 문서 작성 시 필수적이며, MSAE 기준은 미국 내 제조업 실무에서 효율적으로 활용됩니다.
설계 시 반드시 협력 대상 국가 및 업체의 표준 요구사항을 사전 확인해야 하며, 도면상 표기 오류를 방지하기 위해 표준화 교육 및 실무 경험 강화가 필요합니다.
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