기하공차의 형상·자세·위치·흔들림을 한눈에 이해하기

기하공차는 부품의 형태와 조립 정밀도를 어떻게 결정할까

정밀한 기계 부품을 제작할 때는 길이와 지름이 도면에 표시된 치수에 맞는지만 확인해서는 충분하지 않습니다. 표면이 얼마나 평평한지, 특정 기준에 대해 얼마나 정확한 방향을 유지하는지, 구멍이 지정된 위치에 있는지, 회전할 때 표면이 얼마나 흔들리는지도 중요합니다.

이러한 기하학적 특성을 관리하기 위해 사용하는 것이 기하공차(Geometrical Tolerancing)입니다. 기하공차는 부품의 형상, 방향, 위치 및 흔들림에 허용되는 편차를 도면에 표시하고 검사할 수 있도록 하는 기준입니다.

기하공차를 이해하면 치수는 정상인데도 부품이 조립되지 않는 이유나, 회전 부품에서 진동과 흔들림이 발생하는 원인을 분석하는 데 도움이 됩니다. 또한 설계자는 필요한 품질 수준을 명확하게 전달하고, 가공 및 검사 담당자는 어떤 형상을 어떤 기준으로 확인해야 하는지 판단할 수 있습니다.

기하공차는 일반적으로 형상공차, 자세공차, 위치공차, 흔들림공차로 구분해 학습할 수 있습니다. 다만 실제 표준에서는 기하공차를 세부 특성에 따라 더 구체적으로 분류하므로, 네 가지 분류는 기본 개념을 이해하기 위한 체계로 보는 것이 좋습니다.

기하공차와 치수공차는 무엇이 다를까

치수공차는 길이, 지름, 두께와 같은 크기에 허용되는 편차를 관리합니다. 예를 들어 축의 지름이 도면에 지정된 상한과 하한 사이에 들어오는지 확인하는 것이 치수공차 검사입니다.

반면 기하공차는 부품의 형상이나 방향, 위치, 회전 중 나타나는 변동을 관리합니다. 축의 지름이 정상 범위에 있더라도 축이 휘어 있거나 구멍의 위치가 어긋나 있다면 조립이나 작동에 문제가 발생할 수 있습니다.

예를 들어 여러 개의 볼트 구멍이 있는 플레이트를 생각해 보겠습니다. 각 구멍의 지름이 모두 도면에 맞더라도 구멍의 위치가 설계된 패턴에서 벗어나면 상대 부품의 볼트와 맞지 않을 수 있습니다. 이때 구멍의 크기만으로는 품질을 판단할 수 없으며 위치공차를 함께 확인해야 합니다.

따라서 정밀 부품의 품질을 판단할 때는 치수공차와 기하공차를 함께 검토해야 합니다. 두 공차는 서로 다른 특성을 관리하며, 어느 하나가 정상이라고 해서 다른 하나까지 만족한다는 의미는 아닙니다.

형상공차는 부품 자체의 모양을 관리한다

형상공차는 대상 형체 자체가 이상적인 기하학적 형상에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 관리합니다. 대표적인 항목에는 직진도, 평면도, 진원도, 원통도 등이 있습니다.

형상공차의 중요한 특징은 일반적으로 별도의 기준 데이텀을 사용해 대상의 방향이나 위치를 평가하는 것이 아니라, 대상 형체 자체의 형상 특성을 평가한다는 점입니다.

직진도

직진도(Straightness)는 선이나 축이 이상적인 직선에서 얼마나 벗어나는지를 관리합니다. 긴 축, 가이드 레일, 정밀 샤프트처럼 곧은 형상이 중요한 부품에서 활용됩니다.

예를 들어 축이 길이 방향으로 휘어 있다면 지름이 정상이어도 회전이나 조립 과정에서 문제가 발생할 수 있습니다. 직진도 검사는 지정된 선 요소 또는 축이 해당 공차 영역 안에 들어오는지를 평가합니다.

평면도

평면도(Flatness)는 하나의 표면이 이상적인 평면에서 얼마나 벗어나는지를 관리합니다. 정밀한 접촉면, 설치면, 금형 표면 등에서 중요합니다.

평면도 공차가 0.02 mm라면 해당 표면 전체가 간격 0.02 mm인 두 평행 평면 사이에 들어와야 합니다. 평면도는 표면 자체를 평가하는 공차이므로 일반적으로 별도의 기준 데이텀이 필요하지 않습니다.

진원도

진원도(Circularity)는 원형 단면의 형상이 이상적인 원에서 얼마나 벗어나는지를 평가합니다. 베어링과 결합하는 원통 부품이나 정밀 가공된 원형 부품에서 활용됩니다.

진원도는 특정 단면의 원형 형상을 평가하는 공차입니다. 축의 전체 길이에 걸친 원통 형상이나 회전축에 대한 위치 관계를 직접 평가하는 공차와는 구분해야 합니다.

원통도

원통도(Cylindricity)는 원통 표면 전체가 이상적인 원통에서 얼마나 벗어나는지를 관리합니다. 진원도가 주로 특정 단면의 원형 형상을 평가하는 반면, 원통도는 원통 표면 전체의 형상을 평가합니다.

따라서 여러 단면에서 원형도가 양호하더라도 길이 방향의 굴곡이나 테이퍼 등의 영향으로 원통도 조건을 만족하지 못할 수 있습니다. 원통도는 축, 슬리브, 정밀 원통 부품의 형상 관리에 사용됩니다.

자세공차는 기준에 대한 방향을 관리한다

자세공차는 대상 형체가 기준 데이텀에 대해 지정된 방향을 유지하는지를 관리합니다. 대표적인 항목은 평행도, 직각도, 경사도입니다.

자세공차를 평가하려면 도면에서 지정한 기준을 정확하게 설정해야 합니다. 기준이 잘못 설정되면 실제 부품의 방향 관계를 올바르게 평가할 수 없습니다.

평행도

평행도(Parallelism)는 대상 면이나 축이 기준면 또는 기준축에 대해 평행한 관계를 유지하는지를 관리합니다.

예를 들어 기계 베이스의 아래쪽 면을 기준으로 위쪽 면의 방향을 관리할 때 평행도가 사용될 수 있습니다. 대상 면이 기준에 대해 기울어져 있으면 부품의 접촉 상태나 조립 위치가 달라질 수 있습니다.

다만 평행도는 두 면 사이의 높이 차이만을 단순히 비교하는 개념은 아닙니다. 도면에 지정된 기준과 대상 형체에 따라 공차 영역을 설정하고 평가해야 합니다.

직각도

직각도(Perpendicularity)는 대상 면이나 축이 기준에 대해 직각 관계를 유지하는지를 관리합니다.

예를 들어 브라켓의 바닥면에 대해 측면이 직각을 이루어야 한다면 직각도 공차를 적용할 수 있습니다. 직각도는 단순히 각도계로 90°에 가까운지 확인하는 것과 다르며, 기준과 대상 형체에 지정된 공차 영역을 만족하는지 평가합니다.

경사도

경사도(Angularity)는 대상 면이나 축이 기준에 대해 지정된 각도를 유지하는지를 관리합니다. 설계상 90°나 0°가 아닌 특정 각도로 가공해야 하는 부품에서 활용할 수 있습니다.

예를 들어 경사진 지지면이나 특정 각도로 배치되는 기계 부품에서는 경사도 공차를 통해 기준과 대상 형체의 방향 관계를 관리할 수 있습니다.

위치공차는 형체가 있어야 할 위치를 관리한다

위치공차는 구멍, 축, 중심면 등 특정 형체가 이론적으로 정해진 위치에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 관리합니다. 대표적인 항목은 위치도(Position)입니다.

위치공차가 중요한 이유는 형체의 크기가 정상이어도 위치가 잘못되면 조립이 어려워질 수 있기 때문입니다. 특히 여러 개의 볼트 구멍이 일정한 패턴으로 배치되는 플레이트, 하우징, 플랜지 등에서 중요합니다.

예를 들어 네 개의 볼트 구멍이 있는 플레이트에서 각 구멍의 지름이 모두 허용 범위 안에 있다고 가정하겠습니다. 그러나 구멍의 중심 위치가 도면에서 지정한 이론적 위치와 어긋나 있다면 상대 부품의 볼트와 맞지 않을 수 있습니다.

위치도 검사는 도면에 지정된 기준 데이텀과 이론적으로 정확한 위치를 바탕으로 실제 위치가 허용된 공차 영역 안에 있는지 평가합니다. 따라서 구멍 사이의 거리만 측정하는 것으로 충분하지 않을 수 있습니다.

실제 검사에서는 좌표 측정기나 3차원 측정기(CMM)를 이용해 구멍 중심의 좌표를 확인할 수 있습니다. 검사 결과를 평가할 때는 기준 설정, 공차 프레임, 도면의 요구사항을 정확하게 반영해야 합니다.

흔들림공차는 회전할 때 나타나는 변동을 관리한다

흔들림공차(Runout)는 부품을 지정된 기준축을 중심으로 회전시킬 때 측정되는 표면의 변동을 관리합니다. 회전축, 풀리, 플랜지, 기어 등 회전하는 부품에서 중요하게 활용됩니다.

흔들림공차는 기준축을 설정하고 회전시키면서 측정값의 변화를 확인한다는 점에서 다른 공차와 구별됩니다. 대표적인 항목에는 원주 흔들림과 전체 흔들림이 있습니다.

원주 흔들림

원주 흔들림(Circular Runout)은 부품을 기준축을 중심으로 회전시켰을 때 지정된 단면 또는 원형 측정 경로에서 나타나는 변동을 관리합니다.

일반적으로 다이얼 게이지의 측정자를 대상 표면에 접촉시킨 뒤 부품을 회전시키면서 측정값을 기록합니다. 해당 측정 경로에서 나타난 최대값과 최소값의 차이는 원주 흔들림을 평가하는 데 사용됩니다.

다만 이 값에는 회전축에 대한 편심뿐 아니라 측정 위치의 형상 오차 등도 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 측정값만 보고 원인을 하나로 단정해서는 안 됩니다.

전체 흔들림

전체 흔들림(Total Runout)은 부품을 기준축을 중심으로 회전시키면서 대상 표면 전체에 걸쳐 나타나는 변동을 관리합니다. 원주 흔들림이 지정된 한 단면이나 측정 경로를 평가하는 데 초점을 맞추는 반면, 전체 흔들림은 축 방향으로 측정 위치를 이동하며 표면 전체를 평가한다는 차이가 있습니다.

전체 흔들림 검사에서는 회전 중 측정자를 대상 표면을 따라 이동시키면서 여러 위치의 변화를 확인합니다. 따라서 부품의 설치 상태, 기준축 설정, 측정자의 이동 경로가 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

흔들림은 회전 부품의 품질을 평가하는 데 유용하지만, 흔들림이 크다는 사실만으로 원인이 편심인지, 원형 형상 오차인지, 설치 상태의 문제인지 확정할 수는 없습니다. 원인을 구분하려면 필요에 따라 진원도나 원통도 등 다른 측정 결과도 함께 검토해야 합니다.

형상·자세·위치·흔들림공차의 차이

네 가지 기하공차 분류는 관리하는 특성을 중심으로 이해하면 구분하기 쉽습니다.

구분	관리하는 특성	대표적인 공차	핵심 질문
형상공차	형체 자체의 모양	직진도, 평면도, 진원도, 원통도	형상이 얼마나 정확한가?
자세공차	기준에 대한 방향	평행도, 직각도, 경사도	기준에 대해 방향이 정확한가?
위치공차	형체의 위치 관계	위치도	정해진 위치에 놓여 있는가?
흔들림공차	기준축 회전 시 변동	원주 흔들림, 전체 흔들림	회전 중 표면이 얼마나 변하는가?

이 표는 기본적인 이해를 위한 요약입니다. 실제 도면에서는 각 기하공차의 적용 대상과 기준 데이텀, 공차 영역을 함께 확인해야 합니다.

기억하기 쉽게 정리하면 형상은 모양, 자세는 방향, 위치는 자리, 흔들림은 회전 중 변동을 관리합니다. 이 차이를 이해하면 도면에 표시된 기하공차 기호를 해석하는 데 도움이 됩니다.

기하공차는 실제 검사에서 어떻게 확인할까

기하공차의 종류에 따라 적합한 측정 장비와 검사 절차가 달라집니다. 측정 장비를 선택할 때는 부품의 크기와 형상, 요구 공차, 측정 범위, 검사 목적을 함께 고려해야 합니다.

형상공차 검사

평면도는 정반과 다이얼 게이지를 이용해 표면의 높이 변화를 확인하거나, 3차원 측정기로 표면 좌표를 측정해 평가할 수 있습니다. 진원도는 전용 진원도 측정기 등을 이용해 특정 단면의 원형 형상을 평가할 수 있으며, 원통도는 원통 표면의 여러 위치를 측정해 전체 형상을 평가할 수 있습니다.

간이 측정으로 얻은 높이 변화나 반경 방향 변화가 항상 표준에 따른 형상공차 값과 동일한 것은 아닙니다. 엄격한 공차 판정이 필요하다면 측정 방법과 데이터 평가 기준이 해당 공차에 적합한지 확인해야 합니다.

자세공차 검사

평행도, 직각도, 경사도는 기준 데이텀을 설정한 뒤 대상 요소의 방향 관계를 확인합니다. 정반과 다이얼 게이지 또는 높이 게이지를 이용해 여러 지점의 변화를 확인할 수 있으며, 정밀한 평가가 필요한 경우에는 3차원 측정기를 사용할 수 있습니다.

이때 기준면의 상태와 부품의 안착 방식이 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 측정값을 해석할 때는 대상 면 자체의 형상 오차와 기준 설정의 영향을 구분해야 합니다.

위치공차 검사

위치도는 대상 구멍이나 축 등의 좌표를 측정하고, 도면에서 지정한 이론적 위치와 기준 데이텀을 바탕으로 평가합니다. 구멍의 지름이나 구멍 사이의 거리만 확인하는 것으로는 위치도 공차를 충분히 평가하지 못할 수 있습니다.

CMM은 여러 형체의 좌표를 측정하고 기준에 대한 위치 관계를 분석하는 데 유용합니다. 다만 정확한 판정을 위해서는 도면에 지정된 기준과 공차 영역을 측정 프로그램에 올바르게 반영해야 합니다.

흔들림공차 검사

흔들림공차는 부품을 지정된 기준축을 중심으로 회전시키면서 다이얼 게이지 등의 측정값 변화를 확인합니다. 원주 흔들림은 지정된 단면에서 측정하고, 전체 흔들림은 표면을 따라 측정 위치를 이동하면서 변화를 평가합니다.

검사 전에는 부품이 기준축을 중심으로 안정적으로 회전하는지, 지지 장치에 유격이 없는지 확인해야 합니다. 부품의 설치 오차가 측정값에 섞일 수 있으므로 검사 목적에 맞게 기준축과 지지 방식을 설정하는 것이 중요합니다.

기하공차 검사에서 발생하는 오차와 주의사항

기하공차 측정 결과는 부품의 실제 형상뿐 아니라 측정 환경과 방법에도 영향을 받습니다. 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 다음 항목을 함께 관리해야 합니다.

첫째, 기준 데이텀을 정확하게 설정해야 합니다. 자세공차와 위치공차, 흔들림공차는 기준 설정이 중요합니다. 도면에서 지정한 기준과 다른 면이나 축을 사용하면 검사 결과가 설계 요구사항과 달라질 수 있습니다.

둘째, 부품을 안정적으로 지지해야 합니다. 얇거나 긴 부품은 자체 무게나 고정력에 의해 변형될 수 있습니다. 불필요하게 강한 힘을 가하지 말고, 측정 중 부품이 움직이지 않도록 적절하게 지지해야 합니다.

셋째, 온도와 측정 환경을 관리해야 합니다. 금속 부품은 온도에 따라 팽창하거나 수축합니다. 정밀 측정에서는 부품과 장비의 온도 차이, 진동, 주변 환경 등을 고려해야 합니다.

넷째, 측정 장비의 상태를 확인해야 합니다. 장비의 교정 상태, 영점, 프로브의 상태, 스탠드의 흔들림 등은 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 측정 전에 장비 상태를 점검하고 정해진 절차에 따라 검사하는 것이 좋습니다.

다섯째, 측정 지점과 평가 방법을 표준화해야 합니다. 측정 위치가 달라지거나 데이터가 충분하지 않으면 일부 형상 오차를 놓칠 수 있습니다. 반복 검사에서는 측정 위치, 측정 순서, 데이터 평가 방식을 일관되게 유지해야 합니다.

기하공차를 정확하게 관리해야 하는 이유

기하공차는 도면에 복잡한 기호를 표시하기 위한 것이 아니라 부품의 기능과 조립 품질을 관리하기 위한 기준입니다.

예를 들어 축의 지름이 정상이어도 축의 형상이나 회전 상태가 적절하지 않으면 베어링과 결합했을 때 회전 정밀도에 영향을 줄 수 있습니다. 여러 개의 볼트 구멍이 있는 플랜지에서는 구멍의 위치가 설계에서 벗어나면 체결이 어려워질 수 있습니다. 또한 기준면에 대한 방향이 부정확하면 조립된 부품의 위치와 접촉 상태가 달라질 수 있습니다.

따라서 기하공차를 적용할 때는 모든 항목에 무조건 엄격한 공차를 지정하기보다 부품의 기능과 조립 조건에 필요한 공차를 선택하는 것이 중요합니다. 불필요하게 엄격한 공차는 가공과 검사 비용을 높일 수 있고, 필요한 공차를 관리하지 않으면 조립 불량이나 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

설계 단계에서 기능에 필요한 기하공차를 정하고, 가공 단계에서 공정 상태를 관리하며, 검사 단계에서 적절한 장비와 평가 방법으로 확인하는 과정이 함께 이루어져야 합니다.

자주 묻는 질문

Q: 기하공차와 치수공차는 무엇이 다른가요?

A: 치수공차는 길이, 지름, 두께처럼 크기의 허용 범위를 관리합니다. 기하공차는 형상, 방향, 위치, 흔들림 등 기하학적 특성을 관리합니다. 부품이 도면의 치수에 맞더라도 형상이나 위치가 잘못되면 조립이 어려울 수 있으므로 두 공차를 함께 확인해야 합니다.

Q: 형상공차를 검사할 때 기준 데이텀이 필요한가요?

A: 직진도, 평면도, 진원도, 원통도와 같은 대표적인 형상공차는 일반적으로 별도의 기준 데이텀 없이 대상 형체 자체를 평가합니다. 반면 자세공차와 위치공차, 흔들림공차는 해당 공차의 정의와 도면 요구사항에 따라 기준 설정이 중요합니다.

Q: 평면도와 평행도는 어떻게 다른가요?

A: 평면도는 하나의 면 자체가 이상적인 평면에서 얼마나 벗어나는지 평가합니다. 평행도는 대상 면이나 축이 기준에 대해 평행한 관계를 유지하는지 평가합니다. 면이 평평하더라도 기준에 대해 기울어져 있다면 평행도 공차를 만족하지 못할 수 있습니다.

Q: 위치공차는 구멍 사이의 거리만 측정하면 되나요?

A: 반드시 그렇지는 않습니다. 위치도는 도면에서 지정한 이론적 위치와 기준 데이텀을 바탕으로 평가합니다. 구멍 사이의 거리만으로는 각 구멍의 실제 위치가 기준에 대해 적절한지 충분히 판단하지 못할 수 있습니다.

Q: 원주 흔들림과 전체 흔들림은 무엇이 다른가요?

A: 원주 흔들림은 지정된 단면이나 측정 경로에서 회전 중 나타나는 변동을 평가합니다. 전체 흔들림은 대상 표면 전체에 걸쳐 측정 위치를 이동하면서 나타나는 변동을 평가합니다. 따라서 측정 범위와 평가 방식에 차이가 있습니다.

Q: 모든 기하공차를 3차원 측정기로 검사해야 하나요?

A: 그렇지는 않습니다. 부품의 형상과 공차 수준, 검사 목적에 따라 다이얼 게이지, 정반, 높이 게이지, 전용 형상 측정기, 3차원 측정기 등을 선택할 수 있습니다. 중요한 것은 장비의 종류보다 해당 측정 방법이 도면의 공차를 정확하게 평가할 수 있는지 확인하는 것입니다.

마무리

기하공차는 정밀 부품의 품질을 평가하고 조립 정밀도를 확보하기 위한 중요한 기준입니다. 형상공차는 부품 자체의 모양을, 자세공차는 기준에 대한 방향을, 위치공차는 형체의 위치 관계를, 흔들림공차는 기준축을 중심으로 회전할 때 나타나는 변동을 관리합니다.

각 공차는 서로 다른 품질 특성을 평가하므로 치수만 확인하거나 한 가지 측정 결과만으로 부품의 품질을 판단해서는 안 됩니다. 도면에 지정된 공차와 기준을 정확하게 이해하고, 측정 목적에 맞는 장비와 절차를 선택해야 합니다.

기하공차의 개념과 검사 원리를 이해하면 도면 해석 능력을 높이고, 가공 불량의 원인을 분석하며, 부품의 조립성과 작동 안정성을 관리하는 데 도움이 됩니다.