기계설계 기하공차의 종류

1. 공차 영역과 데이텀

기하공차에서 사용되는 공차 영역(tolerance zone)과 데이텀(datum)의 뜻은 다음과 같다.
공차 영역: 치수공차에서 공차는 최대최소 허용 치수 사이의 직선거리를 의미하지만, 기하공차에서 사용하는 공차 영역은 평행한 두 평면, 곡면, 직선 사이의 거리, 원의 내부 영역, 원통의 내부 공간 등을 의미한다.
데이텀: 데이텀이란 서로 관계되는 두 형체(form) 중에서 기준이 되는 것을 말한다. 예를 들어 A와 B 두 직선이 있다고 하면, 'A는 평행하다'라고 하지 않고 'A와 B는 서로 평행하다'라고 한다. 평행이라는 개념은 "어느 하나를 기준으로 같은 평면 위에 있는 두 직선이 만나지 않을 때"로 정의되는 위치 관계이기 때문이다. 이 때 기준이 되는 어느 하나의 직선이 바로 데이텀이다. 따라서 관련되는 형체가 없는, 독립된 형체에 적용하는 기하공차는 데이텀을 사용하지 않는다. 기하공차에서는 가장 정확하다고 가정되는 점, 평면 또는 축선(axis) 등을 데이텀으로 지정하고, 데이텀 식별 기호(datum identification symbol)로 표시한다.

그림 M2-1은 기하공차의 종류와 기호, 데이텀 식별 기호를 나타낸 것이다. 

 
<그림 M2-1>

2. 모양에 관한 공차

모양에 관한 공차(form tolerances)에는 직진도공차, 평면도공차, 진원도공차, 원통도공차, 선의 윤곽도공차, 면의 윤곽도공차 등이 있다. 모양에 관한 공차는 데이텀을 필요로 하지 않는다.
직진도공차(straightness): 평면, 원통의 표면 또는 축선(axis)이 얼마나 정확한 직선이어야 하는지를 정의한다. 평면에 투영되었을 때에는 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 직선 사이가 공차 영역이다. 공차가 Øt일 때에는 지름이 공차 t인 원통(cylinder)의 내부가 공차 영역이다.(그림 M2-2-가)
평면도공차(flatness): 얼마나 정확한 평면이어야 하는지를 정의한다. 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 평면 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-2-나)
진원도공차(roundness, circularity): 얼마나 정확한 원이어야 하는지를 정의한다. 공차 t만큼 떨어진 두 개의 동심원 사이가 대상 평면에서의 공차 영역이다.(그림 M2-2-다)
원통도공차(cylindricity): 진원도공차가 축선에 수직한 단면의 표면을 대상으로 하는 반면, 원통도공차는 원통 전체 표면을 대상으로 한다. 공차 t만큼 떨어진 두 동축(coaxial) 원통 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-2-라) 직진도진원도평행도공차를 동시에 적용한 것과 같다.
선의 윤곽도공차(profile of a line): 윤곽(profile)은 물체의 외부 형상을 말하며, 직선이나 곡선 또는 원호의 조합일 수도 있다. 직진도공차가 직선에 대한 정의라면 선의 윤곽도공차는 곡선에 대한 정의이다. 공차 영역은 정확한 기하학적 형태(true geometrical form) 위에 그 중심이 있고 지름이 공차 t인 원을 포함하는 두 개의 선 사이 또는 정확한 기하학적 형태 위에 그 중심이 있고 지름이 공차 t인 모든 구(sphere)에 의해 제한되는 구부러진 관 모양의 내부 공간이다.(그림 M2-2-마)
면의 윤곽도공차(profile of a surface): 평면 또는 곡면의 모든 표면이 기준 윤곽에서 벗어나는 범위를 제한한다. 정확한 기하학적 형태를 가진 표면 위에 그 중심이 있고 지름이 공차 t인 구를 포함하는 두 개의 표면사이가 공차 영역이다.(그림 M2-2-바) 

 
<그림 M2-2>

3. 자세에 관한 공차

자세에 관한 공차(orientation tolerances)에는 평행도공차, 직각도공차, 경사도공차 등이 있으며 데이텀을 필요로 한다.
평행도공차(parallelism): 두 개의 평면, 하나의 평면과 중심을 가지는 형체, 두 개의 축선이 서로 얼마나 정확하게 평행이어야 하는가를 정의한다. 두 개의 형체 중 하나가 데이텀이다. 데이텀 선에 평행하고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 직선 사이(평면에 투영되었을 때) 또는 데이텀 평면에 평행하고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 평면 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-3-가)
직각도공차(perpendicularity, squareness): 데이텀을 기준으로 평면, 축선이 얼마나 정확한 직각이어야 하는가를 정의한다. 데이텀 평면에 직각이고 지름이 공차 t인 원통의 내부 공간(공차가 Øt일 때) 또는 데이텀 평면에 직각이고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 평면 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-3-나)
경사도공차(angularity): 90°를 제외한 임의의 각도를 가지는 표면, 축선, 중간 면을 대상으로 한다. 데이텀 선 또는 평면에 대하여 지정된 각도로 경사지고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 직선 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-3-다) 

 
<그림 M2-3>

4. 위치에 관한 공차

위치에 관한 공차(locational tolerances)에는 위치도공차, 동축도공차, 대칭도공차 등이 있으며 데이텀을 필요로 한다.
위치도공차(true position): 다른 형체나 데이텀에 관계된 형체의 지정 위치로부터 점, 선, 평면이 벗어나는 정도를 제한한다. 점(point)에 적용할 때에는 이론적으로 정확한 위치(theoretically exact position)를 중심으로 하는, 지름이 공차 t인 원의 내부가 공차 영역이다. 직선에 적용할 때에는 이론적으로 정확한 위치에 대하여 서로 대칭이고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 직선 사이의 거리가 공차 영역이다.(그림 M2-4-가) 위치도공차는 진직도평행도진원도직각도공차를 포함하는 공차이다.
동축도공차(concentricity): 데이텀의 축선과 동일한 직선 위에 있어야 할 축선이 데이텀 축선으로부터 벗어나는 정도를 제한한다. 점에 적용할 때에는 데이텀 점과 일치하는 중심을 가진, 지름이 공차 t인 원의 내부가 공차 영역이다. 축선에 대하여 적용할 때에는 데이텀 축선과 일치하는 축선을 가진, 지름이 공차 Øt인 원통의 내부가 공차 영역이다.(그림 M2-4-나)
대칭도공차(symmetry): 데이텀 축선 또는 데이텀 중심 평면에 대해서 서로 대칭이어야 할 형체가 대칭 위치로부터 벗어나는 정도를 제한한다. 데이텀 축선이나 데이텀 중심 평면에 대하여 서로 대칭이고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 평면 또는 직선 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-4-다) 

 
<그림 M2-4>

5. 흔들림에 관한 공차

흔들림에 관한 공차(run-out tolerances)에는 원주 흔들림공차와 온 흔들림공차가 있다. 데이텀을 필요로 한다.
원주 흔들림공차(circular run-out): 대상 원통을 데이텀 축선을 기준으로 회전했을 때 그 표면이 반지름 방향 또는 축선 방향으로 흔들리는 정도를 제한한다. 반지름 방향(radial)에 적용할 때에는 축선에 직각인 임의의 측정 평면(measuring plane)에서 그 중심이 데이텀 축선과 일치하고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 동심원 사이가 공차 영역이다. 축선 방향에 적용할 때에는 반지름 방향의 임의의 위치에서 그 중심이 데이텀 축선과 일치하고 측정 원통(measuring cylinder) 내부에 놓여 있는 공차 t만큼 떨어진 두 개의 원 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-5-가) 흔들림 공차는 데이텀을 기준으로 한 진원도직진도직각도동축도평행도공차를 포함한 공차이다.
온 흔들림공차(total run-out): 원주 흔들림공차가 축선에 수직한 단면의 표면을 대상으로 하는 반면, 온 흔들림공차는 원통의 전체 표면을 대상으로 한다. 반지름 방향에 적용할 때에는 그 축선이 데이텀 축선과 일치하고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 동축 원통 사이가 공차 영역이다. 축선 방향에 적용할 때에는 데이텀 축선에 직각이고 공차 t만큼 떨어진 두 개의 평행한 평면 사이가 공차 영역이다.(그림 M2-5-나) 온 흔들림 공차는 데이텀을 기준으로 한 진원도직진도직각도원통도평행도공차를 포함한 공차이다. 

<그림 M2-5>

최대 실체 공차 방식과 돌출 공차 영역