1.서 론

산업의 발전과 더불어 제품에 대한 기능이 늘어나고 이에 따라 형상도 복잡해지고 높은 정밀도가 요구됨에 따라 공차는 점점 엄격해지는 추세이다. 복잡한 기하형 상과 엄격한 공차는 제품설계에 있어서 예상치 못한 정 밀도를 요구한다. 정밀도가 증가함에 따라 사이클 타임 의 증가와 소형화에 따른 공차의 절삭 등으로 기술적인 한계가 대두될 수 있으며, 공차의 감소는 잘못된 의사 결정의 증가로 이익의 감소로 이어 질 수 있으며, 설계 자가 도면을 통해 설계의도를 나타내는데 한계를 드러 낼 수 있다. 이에 따라 윤곽공차가 복잡한 기계부품의 설계와 조립의 실질적인 공차지침으로 부상하게 되었 다. 따라서 본 연구에서는 기존의 (+/-) 공차의 한계점에 대해 살펴보고 어떻게 윤곽공차가 공학도면과 제조과정 의 정밀측정에 대한 기반을 제공할 수 있는지를 보고자 한다[4].

2.이론적 배경

기하공차의 가장 보편적인 규격 ASME Y14.5M-1994 에서 치수에 대한 기본원칙은 Rule #1이라 할 수 있다. Rule #1은 크기한계와 최대실체조건(MMC)에서의 완벽 한 형상윤곽을 관리한다. <Figure 1>에서 직사각형의 가 로와 세로에 대해서 주어진 치수와 공차에서 인지할 수 있는 안과 밖의 경계는 점선으로 추정할 수 있다. 하지만 이 경계가 허용되는 최악(worst case)의 경우를 표현하는 것은 아니다[2, 3, 7].

가로(X축)와 세로(Y축)의 치수와 공차를 Rule #1에 따 라서 각각 허용되는 형상과 치수의 경계를 보도록 하자. <Figure 2>는 Y축의 경우를 보여주며, <Figure 3>는 X축 의 경우를 보여준다.

각각의 축만을 고려할 때는 설계자의 의도대로 원하 는 공차경계를 만족시키는 것을 알 수 있다. 하지만 Rule #1은 feature들 간의 상호연관 관계를 관리하지는 않기 때문에 <Figure 4>와 같이 두 축을 동시에 고려할 경우 공차영역을 벗어나는 형상이 만들어 질 수 있다.

3.연구내용 및 방법

단순한 치수공차만으로는 설계자가 의도하는 공차조 건을 만족시키기에는 한계가 있음을 보았다. 이러한 한 계를 극복하기 위해 기하공차를 사용하여 <Figure 1>을 다시 구성하면 <Figure 5>와 같다.

하지만 <Figure 5>의 기하공차만으로는 주어진 치수와 공차에 대해 설계자의 의도대로 공차를 만족시키기에는 부족한 점이 있다. 즉 X축 방향만을 보았을 때 <Figure 6>과 같이 여전히 주어진 공차를 벗어 날 수가 있다.

이를 보완하기 위한 방안으로 공차조정을 <Figure 7> 처럼 할 수 있지만, 이는 원래 설계자의 의도에 반하게 되는 것이다.

따라서 기본적인 기하공차만으로는 전체윤곽이 +/- 0.1 안에 들어오게 하는 것은 힘들기 때문에 복합기하공차인 윤곽공차를 사용하는 것이 가장 최적의 방법이 된다. <Figure 8>은 <Figure 1>에 윤곽공차를 적용한 것으로 치 수에 공차를 부여한 것이 아니고 기본치수(basic dimension) 에 윤곽공차를 적용한 것이다. 윤곽공차는 공칭형상 (nominal geometry)에 수직으로 적용이 되며, 기본 조건이 양측공차이기 때문에 <Figure 8>과 같이 전체 공칭윤곽에 양방향으로 똑같이 배분이 된다. 결론적으로 이러한 경계 는 원래 설계자의 의도와 일치하게 된다[2, 7].

윤곽공차를 사용해야하는 다른 이유에 대한 예를 보 도록 하자. 즉 단순 선형공차를 사용할 때 생기는 문제를 윤곽공차를 사용함으로써 해결하는 방법을 보여준다.

<Figure 9>는 단순 선형공차를 사용한 도면으로, 부품 상단의 반경에 대한 공차역의 형상이 불분명하다. 또한 측정에 꼭 필요한 데이텀의 설정이 없으므로 측정방법이 모호하다. 마지막으로 구멍들의 공차가 누적됨으로써 상 단의 반경위치에 영향을 미칠 수 있다.

<Figure 10>은 윤곽공차를 사용함으로써 이러한 문제 를 해결한 것으로, 부품 상단의 반경에 대한 공차는 폭이 0.4인 일정한 공차역을 가진다. 또한 측정에 필요한 데이 텀이 설정되어 있으며, 기본치수를 사용함으로써 공차누 적을 방지하였다.

이 예에서 보듯이 단순 선형공차를 사용하는 것에 비 해 윤곽공차를 사용할 경우의 장점은 공차역을 명확하게 정의하고, 측정을 위한 데이텀과의 관계를 보여주며, 공 차누적을 방지한다.

4.결과 및 분석

선형치수(<Figure 1>, <Figure 5>, <Figure 7>)를 가지 는 공학도면은 각각의 feature에 대한 크기, 형상, 방위 및 위치를 검사하여야 한다. 따라서 한 개의 feature라 하 더라도 여러 개의 측정치수 들이 있을 수 있으며, 각각의 치수는 서로 다른 측정방법이 필요할 수도 있다. 반면에 윤곽공차는 크기, 형상, 방위 및 위치를 동시에 관리함으 로써 여러 개의 선형치수를 대체할 수 있다. 윤곽공차는 진윤곽(true profile)에 대해서 균일한 경계가 적용됨으로 써 각 단면의 면요소 들은 반드시 이 경계 안에 있어야 한다. 결과적으로 이러한 경계는 설계의도와 일치하게 된다. 만약 이러한 것을 잘 인지한다면, 설계자는 명확하 게 설계의도를 정의할 수 있으며, 이는 애매모호한 해석 으로 양품을 불량품으로 혹은 불량품을 양품으로 잘못 판단하는 오류를 방지할 수 있다.

추가적으로 특정 기하형상에 대해서 선형치수는 도면 의 규격(데이텀 등)을 만족시키기 위해 측정기(CMM 등) 에서 측정한 점들을 가지고 기하형상을 구성하여야 한 다. 이 경우 복잡한 기하형상의 측정위치가 미세하게 변 동하거나, 짧은 면 혹은 반경이 작은 호(arc) 등은 구성하 고자 하는 기하형상을 계산하는데 있어서 심각하게 영향 을 미칠 수 있다. 반면 윤곽공차는 측정하는 부품이나 feature의 조건을 결정하기 위해, 각 측정점 들의 위치를 CAD 모델의 공칭기하형상으로부터 가져와 사용하기 때 문에 이러한 오류를 방지할 수 있다.

특정 기하형상 중 짧고 좁은 면에 대한 예를 들어 앞 에서 제시한 측정단계를 보도록 하자. <Figure 11>에서 외곽의 2개 면은 데이텀 B, C로 지정되어 짐과 동시에 윤곽공차 0.3을 가진다. 반면 내부의 2개 면은 데이텀 A 를 첫 번째 데이텀으로, 공유면 B-C를 두 번째 데이텀으 로 가지면서 윤곽공차 0.8을 가진다.

이러한 윤곽공차를 검사하기 위해서 CMM 측정기를 사용한다고 할 때, 일반적으로 데이텀을 설정하기 위해 서 데이텀으로 주어진 feature의 표면에서 여러 점을 측 정하여 데이텀설정을 한다. 하지만 위와 같이 면자체가 짧고 좁은 경우에 측정점에 따라 설정되는 데이텀면이 영향을 받을 수 있다. 따라서 <Figure 12>의 데이텀 면 B-C와 같이 데이텀은 CAD에서 설정된 공칭치수에 따라 설정한다[1, 3]. 이후 각 면을 스캔하여 최대한 많은 점 데이터를 얻을 수 있다. 이 데이터로부터 주어진 윤곽공 차를 만족시키는지를 판정할 수 있다. 물론 모든 점 데이 터를 얻을 수는 없지만 기존의 무작위 접촉식 측정에 의 한 판정에 비해 신뢰도를 훨씬 높일 수 있다. 이러한 측 정방법은 <Figure 12>에서 보여준다.

5.결론 및 향후 연구 과제

설계자가 기하형상 표면이 원하는 균일한 공차역 내 에 동시에 존재하기를 바란다면 설계의도를 반영하는 최 적의 방법은 윤곽공차라고 할 수 있다. 윤곽공차는 제품 공급자와 생산자 모두에게 제품설계와 검사측면에서 이 익을 제공할 수 있다. 즉 한 개의 윤곽공차가 최대 20개 까지의 선형치수를 대체 할 수 있다면, 이는 검사시간을 최대 몇 분에서 몇 시간까지 절감할 수가 있기 때문이다.

이러한 윤곽공차가 좋은 것은 알지만 기존의 방법대 로 하기를 원하는 제조업체에서 저항이 있으리라는 것은 당연하다. 이는 단순한 반대일수도 있지만 변화에 대한 두려움이기도 하다. 더불어 제조업체들에게 있어서 훈련, 장비 및 소프트웨어 등의 비용은 부담이 되기 때문이다.

윤곽공차가 분리조건일 경우에 데이텀이 없거나 1개 일 경우는 앞에서 언급한 많은 문제를 해결하는데 최적 의 방법이 될 수 있다. 하지만 데이텀이 3개가 되면서 동 시조건이 적용되는 경우는 원하는 공차영역을 벗어나는 경우가 발생할 수 있다. 왜냐하면 데이텀설정에 따라 공 차역에 역효과가 발생할 수 있기 때문이다[5, 6]. 따라서 이러한 경우에 대한 추가 연구가 필요하다.