1. 서 론

비강체이거나 유연한 부품을 측정하고 정의하는 것은 오랫동안 산업체에서 논쟁이 되고 있다. 논쟁은 크게 2가지를 들 수가 있다. 첫 번째는 비강체가 정확히 무엇인지에 대한 것이며, 두 번째는 비강체를 어떻게 측정하고 정의할 것인지에 대한 것이다. 비강체 부품에 대한 문제는 국가와 국제 표준에 서 간단하게 언급함으로써 더 복잡하게 되었다. 따라서 각각 의 기업이 임시방편으로 독자적인 비강체에 대한 규칙을 만들어 사용하게 하였다. 일반적으로 비강체에는 기하공차 (GD&T)를 사용해서는 안 된다고 믿는 사람들이 있다. 하지만 이는 사실이 아니며, GD&T가 기본조건으로 강체에 적용되지 만 몇 가지 특별한 기법으로 비강체에도 적용할 수 있다. 실제로 설계된 제품의 50~60%는 비강체인 부품을 가지므로, 이 연구에서는 강체와 비강체 부품의 정의를 제시하고, 특히 비강체 부품을 지정하는 방법을 제시하고자 한다.

2. 이론적 배경

기하공차의 가장 보편적인 규격인 ASME Y14.5M에도 강체와 비강체에 대한 정확한 정의는 제시하고 있지는 않 다. 다만 ASME Y14.5M-1994 section 6.8에서 특정 부품에 대해서 자유 상태(free state)와 구속 상태(restrained state) 에 대한 예시를 보여주고 있을 뿐이다[1, 2, 3]. ASME Y14.5M 규격은 기본조건으로 강체에 적용되지만, 강체에 대한 정의는 나와 있지 않다. 강체부품이라는 용어는 오랫 동안 산업체에서 사용되면서 일반적인 용어로 정의되었 다. 즉 대부분의 산업체 사람들이 강체라고 말할 때, 힘(중 력포함)이 가해졌을 때 부품이 변형이나 굴곡이 안 일어나 는 것을 지칭한다. 얼마만큼의 힘이냐는 부품의 형상, 밀 도, 재료 등에 따라 상대적이다. 하지만 실제로 모든 부품 은 충분한 힘이 가해졌을 때 변형이 일어난다. 따라서 이 러한 논리로는 모든 부품은 비강체로 분류 될 것이다. 하 지만 이러한 모호함에도 불구하고 이에 대한 논문연구는 보이지 않는 실정이며 실무자들 간의 논의만 있을 뿐이다 [8, 9]. 실제로 여러 기하공차에 대한 측정과 측정치들의 적용에 대한 연구들이 있기는 하지만 모두 측정부품이 강 체라는 가정을 기본조건으로 하는 연구들이다[4, 5, 6, 7].

3. 제안하는 강체와 비강체의 정의

ASME Y14.5M에서는 기본조건으로 어떠한 조임이나 구속이 없는 자유 상태(free state)인 강체를 요구한다. 하 지만 기하공차의 주요 특징으로 부품의 기능을 중요시 하 는 것을 고려할 때 강체의 정의를 다음과 같이 제시한다.

“강체부품은 원하는 기능을 위해 힘이 가해졌을 때 그 성능에 저해되는 변형이나 굴곡이 생기지 않는 부품이다”

강체부품을 위와 같이 정의할 때 어떤 부품이 비강체 부품으로 분류되는지는 단순하게 강체부품이 무엇인지 를 알고 있으므로 강체의 정의를 만족시키지 못하는 어 떠한 부품이라도 비강체 부품이라고 할 수 있다. 하지만 이는 논리적이기는 하지만 충분하지는 못하다. 부품이 비강체라고 하는 것은 조립이나 원하는 기능을 할 때, 변 형이나 굴곡이 생긴다는 것이다. 어떤 부품은 매우 유연 하여 자체하중만으로도 그 형상을 유지할 수가 없는 반 면, 어떤 부품은 하중이 가해진다하더라도 변형이 셍기 지 않을 수 있다. 다른 말로하면 부품의 유연성 정도에 차이가 있다는 것이다. 따라서 비강체 부품을 다음의 두 조건에 해당하는 부품으로 정의하고자 한다.

그러나 ASME Y14.5M에는 비강체 부품을 표현하는 명 칭은 없다. 따라서 만약 부품이 구속 혹은 고정에 대한 노 트를 가진다면 해당부품은 비강체로 간주한다. 또한 치수 가 구속 혹은 고정에 대한 노트를 가진다면 해당부품의 형체(feature)는 비강체로 간주된다. 기하공차는 도면사용 자가 치수측정을 어떻게 할 것인가 하는 것에 대한 규칙과 심볼의 세트를 사용하는데, 이를 데이텀이라 한다. 데이텀 은 치수측정을 위한 측정기에 어떤 순서로 부품의 표면이 접촉해야 하는지를 명시하며, 또한 치수측정을 위해 부품 의 어느 표면이 측정기에 접촉해야 하는지를 명시한다. 노 트는 도면에 추가적인 정보를 제공하는 것으로 도면의 제 일 아래에 위치하여 참고할 수 있도록 명시한다.

구속 혹은 고정에 관한 노트들이 사용되는 비강체로 분류되는 부품들의 예는 다음과 같이 들 수 있다.

그러나 때로는 부품은 강체이지만 부품 내에 하나 혹 은 그 이상의 비강체 형체(feature)를 가질 수 있다. 예를 들면 하우징(housing)의 주물덮개는 흔히 강체로 간주된 다. 하지만 테두리(flange)의 평탄도는 덮개가 틀에 조여 질 때 가장 중요한 특성이 된다. 따라서 부품이 기능상태 일 때 평탄도 요건은 중요하다. 이 예에서 테두리를 고정 하는 것은 비강체로 간주된다. 이러한 평탄도 요건을 검 사하기 위해서는 국부적인 고정 혹은 구속요건이 지정되 어야 한다.

그렇다면 이러한 구속조건은 어떻게 주어야 하는지를 보도록 하자.

4. 비강체 부품에 대한 구속조건

비강체 부품을 정의하기 위한 구속조건을 정의할 때 고 려하여야 할 조건은 다음과 같다.

구속력의 방향은 도면에서 화살표로 힘의 방향을 제 시할 수 있다. 따라서 구속노트에서 화살표는 힘의 방향 을 지정한다. 대부분의 경우, 힘의 방향은 적용되는 표면 에 대해 직각이다.

구속력의 위치는 대부분 구속노트에 설명되어진다. 구 속조건에 따라 힘은 부품의 위치를 정하는 부품 형체(feature) 에 있거나, 부품을 안정화시키고 고정시키는 부품 형체 (feature)에 있다.

구속력이 적용되는 위치의 개수는 주로 구속노트에 설 명되어지며, 이상적인 상황은 구속력이 적용되는 위치의 수가 부품의 기능위치에 가해지는 위치 수와 동일하다.

구속력의 양은 부품치수 측정에 상당한 영향을 줄 수 있으므로, 각 위치에서의 구속력의 양이 명시되어야 한 다. 구속력은 최대치나 범위로 명시한다. 구속력의 양은 부품이 주어진 기능을 할 때 받는 힘의 양으로 결정한다. 이때 만약 구속력의 규격이 최대라면, 최소는 0이 기본 조건이며, 이는 부품을 자유 상태에서 검사하는 것을 허 용하며, 만약 통과하면 힘을 더 가할 필요는 없다. 하지 만 부품이 이를 통과하지 못하면, 힘을 최대치까지 가해 서 공차규격 내에 들어오도록 한다.

구속력이 적용되는 순서는 치수측정에 영향을 미치므 로 구속력을 적용하는 순서는 도면에 명시하여야 한다. 클램프나 잠금장치 등을 포함하는 구속력의 적용순서를 첫째, 둘째, 셋째의 순서로 명시한다. 구속력의 순서가 명시되어 있지 않을 경우, 많은 검사자들이 순서는 중요 하지 않으므로 검사자의 재량에 따른다는 논리를 적용하 지만, 이는 실질적이지 못하므로 반드시 구속력이 적용 되는 순서를 명시하여야 한다.

앞에서 언급한 구속노트는 크게 두 가지로 일반 구속 노트(general restraint note)와 국부 구속노트(local restraint note)로 분류할 수 있다. 일반 구속노트는 별도로 명시하 지 않는 한, 도면에 있는 모든 해당 치수에 대한 구속조 건을 정의하는 노트로 부품의 대부분의 기하공차가 구속 상태에서 측정하여야 하는 경우에 사용된다.

반면에 국부 구속노트는 도면에 지정된 치수에 구속조 건을 정의하는 노트로, 일반적으로 일반 구속노트에 플래 그노트(flag note)로 표시되거나, 관련된 치수에 직접 표시 한다. 플래그(flag)는 어느 기하공차가 구속 상태에서 측 정되어야 하는지를 지정하는데 사용된다. 단지 부품의 일 부 기하공차만 구속 상태로 측정될 때, 국부 구속노트가 사용되어야 한다. 이러한 일반적인 구속조건이 명시된 노 트가 적용된 예는 <Figure 1>과 같다. 여기서 주어진 기하 공차의 측정은 데이텀 A의 가상 데이텀을 얻어야 가능하 다. 이는 구멍 D와 E의 위쪽으로 클램프를 사용하여 각 클램프에 10~15kg의 힘을 C의 화살표방향으로 가하여 고 정시키는데 구멍 D를 먼저 고정시키고 구멍 E를 다음으 로 고정시켜 데이텀을 설정한 후 측정한다는 노트가 도면 에 명시되어 있다.

<Figure 2>는 국부구속노트에 대한 예로 플래그를 사 용한 것이다. 여기에서 플래그(Δ)가 지정된 치수를 측정 하기 위해서 데이텀 면 A를 설정 시 클램프를 사용하는 데 구멍 D와 E의 위쪽으로 클램프를 사용하여 각 클램 프에 10~15kg의 힘을 C의 화살표 방향으로 가하여 고정 시키는데 구멍 D를 먼저 고정시키고 구멍 E를 다음으로 고정시켜 데이텀을 설정한 후 측정한다는 플래그노트가 도면에 명시되어 있다.

ASME Y14.5M 규격은 앞에서 언급하였듯이 기본조건 은 모든 기하공차는 자유 상태에서 적용하는 것이다. 이 러한 이유 때문에 많은 사람들이 왜 자유 상태 기호가 있 는지에 대해 의문을 가진다. 부품에 구속노트가 있을 때, 자유 상태 기호 Ⓕ는 구속조건 공차의 구속을 해제하는데 사용된다. 따라서 자유 상태 기호는 일반적인 구속노트가 포함된 도면에만 사용할 수 있다.

자유 상태 기호는 기하공차기입틀(feature control frame)의 공차부분에 적용된다. 공차의 검증은 도면에 지정된 구속 조건을 사용하지 않는다.

<Figure 3>은 윤곽공차에 지정된 자유 상태의 예를 보 여준다. 이 예에서 자유 상태를 포함하고 있는 기하공차기 입틀(feature control frame)은 부품을 자유 상태에서 검증 하며, 다른 공차들은 구속 상태에서 부품을 검증한다. 구 속의 형태는 데이텀 A를 설정하기 위해 구멍 D와 E를 클 램프로 고정시키는데 C 화살표 방향으로 28~34kg의 힘으 로 구멍 D를 먼저 구멍 E를 다음으로 구속한다는 노트가 도면에 명시되어 있다. 때로는 부품 형체(feature)에 두 개 의 지정사항이 있을 수 있는데, 한 개는 자유 상태에서의 공차이고 다른 한 개는 구속 상태에서의 공차이다.

이러한 경우에 각각의 지정사항은 독립적인 요구사항 이다.

5. 결 론

설계자는 부품이 강체인지 비강체인지 지정하는 것에 대한 책임이 있다. 만약 설계자가 강체부품을 고려한다 면 도면상에 특별한 표기를 할 필요는 없다. 하지만 만약 설계자가 비강체의 부품을 고려한다면 구속노트를 반드 시 표기하여야 한다. 구속노트가 있다는 것은 모든 도면 사용자에게 부품이 비강체라는 정보를 전달함을 의미한 다. 따라서 설계자는 부품의 기능적 요건과 조립조건을 토대로 구속조건을 준비하여야 한다.

추후 연구과제로는 비강체 부품을 검사하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 구속조건에 맞게 어떠한 방법으 로 구속을 할 것인지에 대한 방법을 체계적으로 정리할 필요가 있다.