1.서 론

제조 산업이 글로벌화 됨에 따라 제품 설계 시 필요한 도면을 작성할 때 개인 회사에서만 사용하는 것이 아닌 국제 표준에 맞추어서 작성할 필요성이 대두 되고 있다. 하지만 국내 대부분의 기업은 도면에 대한 지식이나 인식 이 아직 취약하며, 사용하더라도 부정확하게 사용하고 있다. 대부분 기계부품의 목표 값을 부품의 치수(dimension)라 하 고 부품의 치수에 허용하는 변동의 크기를 공차(tolerance) 라고 한다. 제품을 제작하기 위한 설계도의 치수는 설계물 의 크기나 위치, 형상에 대한 이상적인 치수를 지정해 준다. 실제 치수는 제작 도중에 필연적으로 발생하는 편차로 인 해 공차를 주게 되는데, 잘못된 기하공차의 사용으로 인한 부품의 치수 변동은 예상되는 성능의 저하를 가져올 수 있으며 제품의 기계적인 오차를 발생시킬 수 있다[2, 8].

위의 <Figure 1>은 도면 오류로 인한 전형적인 비용 결과 를 나타낸 것이다. 만약 도면 오류를 설계 시에 발견하고 고치게 되면 $1~10의 비용이 들 것이고 시제품을 만들고 난 후에 발견하게 되면 $100~500가 들고, 양산단계에서 발 견하면 $2,000~100,000가, 고객에게 판매하고 나서 발견 될 경우 $50,000~1,000,000의 비용을 감수해야만 한다. 이 와 더불어 도면 오류로 인한 추가적인 결과를 보자면 시간 적인 손해, 재료의 낭비와 고객의 불만을 들 수 있다[3, 7].

따라서 도면을 정확하게 그리기 위해서는 도면에 사용 되는 기호를 정확하게 이해 할 필요가 있다. 하지만 앞서 언급 했던 것과 같이 국내의 많은 회사가 그렇지 못한 실 정이다. 때문에 부정확하게 사용되고 있는 기호를 명확히 구별하고자 하며, 그 기호들 중 윤곽을 다루고자 한다.

윤곽은 다른 기하공차에 없는 여러 가지 기능을 가지 고 있으며, 명확한 공차역을 정의하고, 공차의 누적을 없 애주는 유용한 기호이다. 윤곽을 사용하는 방법은 표시 방법에 따라 매우 광범위 하게 나뉘며, 그 방법에 따라 내용, 검사방법, 공차 등에서 차이점을 가지게 된다. 하 지만 이 연구에서 참고로 하는 ASME Y14.5M-1994[1]에 서 조차 명확한 설명이 제시되어 있지 않은 부분이 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 윤곽(composite profile과 multiple single-segment profile)들을 비교분석 하여, 규격 에는 제시되어 있지 않은 사용방법을 제시하고자 한다.

2.이론적 배경

2.1.윤곽공차(Profile Tolerance)의 장점

좌표공차계와 비교해볼 때 기하공차계의 윤곽공차는 많은 이점이 있는데 다음과 같다.

<Figure 2>에서 2개의 부품을 보여주는데 A는 기하공 차계 윤곽공차를 사용하고 B는 좌표공차계를 사용하였다. A에서는 부품의 윗면의 공차역이 확실하게 정의되었다. 즉 진윤곽을 중심으로 균일하게 0.4만큼의 폭을 가진 공차 역을 가진다. 기하공차 기입 틀(feature control frame)을 통 해서 계측기에 접촉해야 할 표면과 그 순서가 명시되어 있으며 윗면의 공차는 단지 윤곽공차에 의해서만 영향을 받는다.

한편 좌표공차계를 사용하는 B는 설계의도를 반영하 지 못한다. 윗면의 공차역이 잘 기술되어 있지 않으며 반 경의 위치도 공차를 가진다. 이로 인한 공차역은 균일하 거나 논리적이지도 못하다. 검사를 위한 표면과 그 순서 가 도면에 명시되지도 않았다. 또한 좌표공차계에서는 반경의 위치에 대해서도 공차를 가지고 있다. 이러한 각 각의 공차는 누적될 수 있고 원하지 않는 누적공차를 만 들어 낸다.

기하공차계 윤곽공차는 좌표공차계보다 더욱 명확하게 의사소통이 되며 많은 업체에서 좌표공차계를 대체하기 위해서 사용한다[5].

2.2.복합윤곽공차(Composite Profile Control)

ASME Y14.5M-1994에 따르면 설계요구사항이 부품 형체 (feature)의 방위공차가 위치공차보다 더 중요할 때 복합윤곽 공차가 사용되어져야 한다. 복합윤곽공차는 <Figure 3>과 같이 표시되며, 기하공차 기입 틀의 상단 부분은 지정된 데이텀에 대해 공차가 주어진 형체의 방위와 위치를 관리하 며, 하단 부분은 지정된 데이텀에 대해 공차가 주어진 형체의 위치를 관리하지는 않는 대신 형상(때로는 크기) 및 형체들 간의 관계와 지정된 데이텀에 대한 방위를 관리한다[6].

2.3.복수단 윤곽공차(Multiple Single-Segment Profile Control)

ASME Y14.5M-1994에는 복수단 윤곽공차의 표시방법에 대한 언급은 되어 있지만 실제 사용방법에 대한 설명은 없다. 하지만 경우에 따라서 복수단 윤곽공차가 필요한 경우 가 발생한다. 물론 꼭 복수단 윤곽공차를 사용하지 않고 여러 개의 다른 기하공차를 동시에 적용하여 사용할 수는 있지만 이러한 경우 도면오류로 이어질 가능성이 증가한다. 따라서 복수단 공차의 기본적인 개념에 따라 설계요구사항이 부품 형체의 위치공차가 2개 이상의 데이텀을 필요로 할 때 복수단 윤곽공차를 사용하는 것이 더 효율적이고 도면오 류를 감소시킬 수 있는 것으로 정의하였다. 복수단 윤곽공차 는 <Figure 4>와 같이 표시되며, 상단 부분은 부품 feature의 위치를 관리하는데 사용되며, 하단 부분은 위치, 크기, 방위 및 형상을 관리하는데 사용된다. 때때로 하단 부분의 데이텀 이 상단의 것과 전혀 다를 수 있는데, 이 경우 하단 부분은 다른 데이텀에 대한 위치를 관리하는데 사용된다[4].

3.연구내용 및 방법

3.1.연구수행 방법

우선 복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차의 여러 경우 중 상·하단 두 가지로 나뉜 경우로 범위를 한정한다. 왜냐 하면 복합윤곽공차는 복합공차의 정의에 따라서 2개의 단 만을 가질 수 있기 때문이다.

두 번째로 면윤곽 경우의 비교이기 때문에 비교가 될 수 없는 선윤곽의 경우는 생각하지 않는다.

세 번째로 복합윤곽공차를 적용하기 힘들고, 복수단 윤 곽공차만 적용되는 경우는 비교대상에서 제외시킨다.

위와 같은 가정을 하고 비교하기에 적합한 도면의 예시 를 들어 복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차의 공통점 및 차 이점을 알아보고 어떻게 활용될 수 있는지를 제시한다.

3.2.복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차의 비교

3.2.1.경우 01

<Figure 5>는 사각형 중앙에 위치한 삼각형 모양의 구 멍에 복합윤곽공차가 적용된 경우이다. 뒷면을 데이텀 A, 아랫면을 데이텀 B 측면을 데이텀 C로 지정하였으며, 각 각의 이론적으로 정확한 치수(basic dimension)로 삼각형 구멍의 위치를 지정하고 있다.

상단 부분은 데이텀 A, B, C의 영향을 받으며, 위치와 방위를 관리한다.

하단 부분은 상단 부분의 공차역을 벗어날 수 없으며, 데이텀 A와 수직을 이루어 방위를 관리한다. 상단 부분 의 진윤곽과 평행을 이루어 형상과 크기를 관리한다.

공차역은 <Figure 6>과 같다. 그림과 같이 하단 부분 에 의해 표시되는 2점 쇄선의 영역은 삼각형의 하단 부 분과 평행을 이루며 상단 부분의 범위 내에서 마음대로 움직인다. 즉, 상단 부분에서 삼각형 구멍의 위치를 잡아 주고 하단 부분에서는 모양을 관리하게 되는 것이다. 단, 데이텀 A, B가 지정되어 있기 때문에 삼각형의 하단 부 분과는 평행해야 한다.

<Figure 7>은 <Figure 6>과 상단 부분만 동일한 도면 의 복수단 윤곽공차인 경우로 상단 부분의 데이텀의 정 보는 <Figure 6>과 동일하다.

상단 부분은 데이텀 A, B, C의 영향을 받으며, 위치와 방위를 관리한다.

하단 부분은 상단 부분의 공차역을 벗어날 수 없으나, 데이텀 A와 수직을 이루어 방위를 관리한다. 상단 부분 의 진윤곽과 데이텀 C에 대해 평행을 이루어 형상과 크 기를 관리한다.

공차역은 <Figure 8>과 같다. 복합윤곽공차의 경우와 달리 데이텀 D와 평행을 이루어 형상, 크기를 관리하게 된다. 즉, 상단의 진윤곽과 데이텀 D에 대하여 동일 선 상에 놓이게 된다.

즉, 복합윤곽공차의 경우 상단과 하단 부분이 동일한 데이텀을 동일한 순서로 사용해야하기 때문에, 데이텀 B 에 대한 방위가 더 중요하게 관리가 되었다. 하지만 복수 단 윤곽공차의 경우, 데이텀 B에 대한 방위보다는 데이 텀 C에 대한 위치가 더 중요하게 관리할 필요가 있을 때 사용되었다.

3.2.2.경우 02

<Figure 9>는 경우 01과 동일하며 하단 부분의 데이텀 이 A만 잡혀 있는 복합윤곽공차의 경우이다. 데이텀의 정보는 경우 01과 동일하다.

상단 부분은 데이텀 A, B, C의 영향을 받으며, 위치와 방위를 관리한다.

하단 부분은 상단 부분의 범위를 벗어날 수가 없으며, 데이텀 A와 수직을 이루어 방위를 관리하며, 형상 및 크 기를 관리한다.

공차역은 <Figure 10>과 같다. 상단 부분의 범위를 벗 어날 수 없으며, 데이텀 B의 영향을 받지 않아 방위가 자유롭다. 형상 및 크기는 0.4의 공차 범위 안에 들어와 야 하며, 단 데이텀 A와는 수직을 이룬다.

<Figure 11>은 경우 01과 동일하며 하단 부분의 데이 텀이 A만 잡혀 있는 복합윤곽공차의 경우이다. 데이텀의 정보는 case 01과 동일하다.

여기서 특이점은 공차역이 <Figure 10>과 같다는 것이 다. 데이텀 B가 하단 부분에 표시 되지 않을 경우 복합 윤곽공차와 복수단 윤곽공차는 동일한 공차역을 가지게 된다.

3.2.3.경우 03

Case 01에서 복합윤곽공차가 위치보다 방위를 더 중요 하게 관리하는 것의 구체적인 예를 <Figure 12>에서 보 여준다. 3개의 직사각형 구멍의 위치보다는 구멍이 틀어 지는 것이 중요할 때는 복합윤곽공차를 사용해야 한다. 이 경우 왼쪽의 경우는 위치공차만을 가지고 관리를 하 는 경우이다.

즉, <Figure 3>의 상단 부분만 사용할 경우, 위치공차 범위 내에서 방위가 틀어짐을 방지할 수는 없다. 하지만 <Figure 3>의 상, 하단 부분을 모두 사용하는 복합윤곽공 차를 사용하면 <Figure 12>의 오른쪽과 같이 위치는 위 쪽으로 조금 올라가지만 방위의 틀어짐은 방지할 수 있 다. 왜냐하면 복합윤곽공차의 하단 부분은 위치를 관리 하지는 않기 때문이다. 물론 하단 부분의 공차값은 상단 부분의 공차값 보다는 적어야 한다.

4.결과 및 분석

지금까지 비교해본 내용들을 정리해보면 다음과 같은 특징을 알 수 있다.

복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차가 같은 결과를 내는 조건은 다음과 같다.

이를 그림으로 표시하면 <Figure 13>과 같다.

또한 각 경우의 결과에서 보면 복합윤곽공차를 사용 할지 복수단 윤곽공차를 사용할지는 다음의 경우에 따라 결정한다.

5.결론 및 향후 연구 과제

윤곽공차는 많은 장점을 가지고 있다. 그 중에서도 복 합윤곽공차와 복수단 윤곽공차는 기능요구에 따라 크기, 위치, 방위 및 형상오차가 다른 값을 가질 때 유용하게 사용 될 수 있는 심볼이다. 하지만 비교 연구를 하면서 여러 자료를 찾아보았지만 복수단 윤곽공차의 사용에 대 한 정확한 정의와 사용법에 대한 자료는 거의 없었다.

본 연구의 결과로써 복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차 의 차이점을 구분하였으며, 같은 평면상에 사용되는 두 기호의 차이는 위치공차와 방위공차의 중요성에 따라 적 용이 달라진다는 것이다.

그렇지만 두 가지를 같이 놓고 사용 할 수는 없다. 연 구를 시작하기 전 세운 가정 중에서 복수단 윤곽공차만 적용되는 경우는 비교대상에서 제외시켰다. 이러한 상황 을 제외한 나머지 상황 즉, 같은 평면상에서의 두 기호사 용은 복합윤곽공차의 경우 지정된 면의 방위가 위치보다 좀 더 중요할 때 사용할 수 있으며, 복수단 윤곽공차의 경우는 복합윤곽공차에 비해 위치가 더 정밀해야할 때 사용 할 수 있다.

기하공차(GD&T : Geometric Dimensioning and Tolerancing) 에 사용되는 심볼은 총 14가지가 있으며, 각각은 다 시 여러 표시방법으로 그 의미를 달리 한다. 본 연구는 윤곽공차, 그 중에서도 복합윤곽공차와 복수단 윤곽공차를 다루었다. 하지만 전체 기하공차의 매우 작은 부분을 다 루었기에 점점 도면의 중요성이 확대되고 있는 시점에서 기하공차의 사용에 대한 정확한 연구 및 분석이 이루어 져야 한다고 본다.