기계로 가공된 부품의 허용 오차는 어떻게 되나요?

CNC 기계 가공 분야에서 가공 부품의 공차는 최종 제품의 성능, 조립 정확도 및 수명에 직접적인 영향을 미치는 중요한 지표입니다. 일관된 생산을 추구하는 제조업체, 정밀 부품을 설계하는 엔지니어, 맞춤 가공 부품을 원하는 고객 등 누구에게나 부품 공차에 대한 명확한 이해는 프로젝트 성공에 필수적입니다. 이 글에서는 가공 부품 공차의 모든 핵심 측면을 심층적으로 살펴보고, 이 필수적인 기술 매개변수를 완벽하게 이해하는 데 필요한 지식을 제공합니다.

공차는 부품의 실제 크기, 형상 및 위치와 설계된 이상적인 크기, 형상 및 위치 사이의 허용 가능한 편차 범위를 의미합니다. 실제 CNC 가공에서 이상적인 설계에 완벽하게 부합하는 부품을 생산하는 것은 거의 불가능합니다. 공작 기계 정확도, 절삭 공구 마모, 재료 특성 및 가공 환경과 같은 요인들이 모두 미세한 편차를 발생시킵니다. 따라서 합리적인 공차 범위를 설정하는 것은 단순한 선택이 아니라 필수입니다.

잘 설계된 관용 시스템은 세 가지 핵심 이점을 제공합니다.

▶ 1. 부품 호환성 보장 : 여러 부품을 조립해야 하는 경우, 일관된 공차 표준을 통해 서로 다른 배치 또는 제조업체의 부품을 완벽하게 맞출 수 있습니다. 이를 통해 시간이 많이 소요되는 수동 조정이 필요 없고 부품 폐기 위험도 줄어듭니다.

▶ 2. 생산 비용 관리 : 더 높은 정밀도(즉, 허용 오차 범위 축소)는 더 첨단 장비, 고도로 숙련된 작업자, 그리고 더 긴 처리 시간을 요구하며, 이 모든 것이 생산 비용을 증가시킵니다. 제품의 실제 기능적 요구 사항에 맞춰 허용 오차를 조정함으로써 기업은 품질과 비용 효율성의 균형을 맞출 수 있습니다.

▶ 3. 제품 성능 보장 : 공차는 제품 작동에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 기계 장비의 변속 시스템에서 샤프트와 베어링의 맞춤 공차는 시스템의 회전 정확도와 소음 수준에 영향을 미칩니다. 밀봉 구조에서는 밀봉 표면의 공차가 제품의 밀봉 효과와 수명을 결정합니다.

가공 부품의 공차에는 여러 요인이 영향을 미치며, 생산 공정 최적화를 위해서는 이러한 요인을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 주요 범주는 다음과 같습니다.

▶ 1. 공작기계 정확도

공작기계는 CNC 가공의 중추이며, 그 정확도는 부품의 최소 허용 공차 범위에 대한 기준을 설정합니다. 공작기계 정확도는 세 가지 핵심 측면을 포함합니다.

● 기하학적 정확도 : 기계 구성 요소(예: 가이드 레일, 스핀들)의 상대적 위치 및 형상의 정밀도를 나타냅니다. 가이드 레일의 직진도와 스핀들의 동축도 등이 그 예입니다.

●   위치 정확도 : 기계의 이동 부품(예: 작업대, 공구대)이 지정된 위치에 얼마나 정확하게 도달하는지 측정합니다.

●   반복성 정확도 : 기계의 이동 부품이 같은 위치로 여러 번 돌아올 때의 일관성을 평가합니다.

고정밀 CNC 기계(예: 위치 정확도가 ±0.001mm인 기계)는 허용 오차 범위가 좁은 부품을 생산할 수 있는 반면, 저정밀 기계는 더 큰 허용 오차가 필요한 부품에만 적합합니다.

▶ 2. 절삭 공구 성능 및 마모

절삭 공구는 가공 중에 가공물과 직접 접촉하므로, 공구의 성능과 마모 상태는 가공 정확도와 부품 허용 오차에 상당한 영향을 미칩니다.

●   공구 소재 : 고속도강, 초경합금, 세라믹 등의 소재는 공구의 경도, 내마모성, 내열성을 결정합니다. 예를 들어, 초경합금 공구는 고속도강 공구보다 경도와 내마모성이 높아 고속, 고부하 가공 시에도 안정적인 절삭 성능을 더 오랫동안 유지하여 일관된 부품 공차를 보장합니다.

●   공구 마모 : 공구가 마모되면 절삭날이 무뎌지고 절삭력과 열이 증가합니다. 이는 가공물과 공구 모두의 열 변형으로 이어져 공차 편차가 커집니다. 이를 완화하려면 공구 마모를 정기적으로 점검하고 생산 중에 공구를 즉시 교체하십시오.

▶ 3. 작업물 재질 특성

경도, 탄성, 열전도도와 같은 공작물의 재료 특성도 부품 허용 오차에 영향을 미칩니다.

●   경도 : 스테인리스강이나 티타늄 합금과 같은 소재는 경도가 높아 더 큰 절삭력이 필요하고 공구 마모가 가속화됩니다. 이로 인해 공차 관리가 더욱 어려워집니다.

●   탄성 : 탄성 소재(예: 알루미늄 합금, 구리 합금)는 절삭 공구를 제거한 후 탄성 회복을 겪습니다. 이로 인해 부품의 실제 크기가 설계 크기보다 커져 공차 정확도가 저하됩니다.

●   열전도율 : 열전도율이 낮은 소재(예: 티타늄 합금)는 가공 중 절삭열을 가두어 열팽창을 유발합니다. 가공물이 식으면 수축하여 치수 편차 및 공차 문제가 발생합니다.

▶ 4. 처리 기술 및 매개변수

CNC 가공에서 처리 기술과 매개변수의 선택은 부품 허용 오차를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

●   가공 경로 : 황삭, 준정삭, 정삭의 논리적인 순서가 필수적입니다. 황삭은 대부분의 소재를 제거하여 효율성을 높이는 반면, 준정삭과 정삭은 정밀성과 공차를 보장합니다. 준정삭을 건너뛰면(예: 황삭에서 정삭으로 바로 이동하는 경우) 정삭 시 과도한 절삭력이 발생하여 공작물 변형 및 공차 요구 사항 위반을 초래할 수 있습니다.

●   가공 매개변수 : 절삭 속도, 이송 속도, 절삭 깊이는 신중하게 선택해야 합니다.

절삭 속도가 지나치게 높으면 절삭열이 증가하여 작업물과 공구의 열 변형이 발생합니다.

이송 속도가 너무 높으면 표면 거칠기가 증가하고 치수 정확도에 영향을 미칩니다.

절삭 깊이가 너무 깊으면 절삭력이 증가하고, 기계와 작업물에 진동이 발생하며 가공 정확도가 떨어집니다.

항상 작업물 소재, 공구 유형, 필요한 허용 오차 범위에 따라 매개변수를 조정하세요.

▶ 5. 운영자 기술 및 경험

CNC 가공은 고도로 자동화되어 있지만 작업자의 기술과 경험은 여전히 ​​부품 허용 오차를 유지하는 데 도움이 됩니다.

●   기계 및 도구에 대한 익숙함 : 작업자는 CNC 기계의 작동, 도구 성능, 부품 처리 기술을 이해해야 합니다.

●   실시간 모니터링 : 가공 중 작업자는 칩 형상을 확인하고, 비정상적인 절삭음을 들으며, 가공물 표면 품질을 검사하는 등 공정을 면밀히 관찰해야 합니다. 문제(예: 칩 불균일, 이상한 소음)가 발생하면 즉시 기계를 정지하여 조정하고 공차 편차를 방지해야 합니다.

●   기계 디버깅 : 공구 길이 보정 및 공작물 좌표계 설정 기술은 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 숙련된 작업자는 부품이 지정된 공차 범위 내에 있도록 보장하면서 빠르고 정확하게 디버깅을 완료할 수 있습니다.

CNC 기계 가공에서 가공된 부품의 허용 오차는 제어하는 ​​특성에 따라 주로 크기 허용 오차, 형상 허용 오차, 위치 허용 오차의 세 가지 유형으로 분류됩니다.

▶ 1. 크기 허용 오차

크기 공차는 부품의 실제 크기와 기본 크기(공차 범위를 결정하는 기준이 되는 설계 도면에 명시된 크기)의 허용 가능한 변동 범위입니다. 일반적으로 상한 편차와 하한 편차로 정의됩니다.

●   상위 편차 : 최대 한도 크기와 기본 크기의 차이입니다.

●   하한 편차 : 최소 한도 크기와 기본 크기의 차이입니다.

●   허용오차 : 상한 및 하한 편차의 차이의 절대값입니다.

예:

샤프트의 기본 크기가 50mm이고, 상한 편차가 +0.02mm, 하한 편차가 -0.01mm인 경우:

●   최대 한계 크기 = 50 + 0.02 = 50.02mm

●   최소 한계 크기 = 50 - 0.01 = 49.99mm

●   크기 허용 오차 = 0.02 - (-0.01) = 0.03mm

즉, 크기 허용 오차 요구 사항을 충족하려면 가공 후 샤프트의 실제 크기가 49.99mm~50.02mm 사이여야 합니다.

크기 허용 오차는 두 가지 하위 유형으로 더 나뉩니다.

●   편측 공차 : 공차 영역은 기본 크기의 한쪽에만 위치합니다(상한 또는 하한 편차만 지정됨). 예를 들어, 기본 크기가 100mm이고 상한 편차가 +0.05mm, 하한 편차가 0mm인 구멍의 경우, 실제 크기는 100mm에서 100.05mm 사이여야 합니다.

●   양측 공차 : 공차 영역은 기본 치수의 양쪽에 분포되어 있습니다(상한 및 하한 편차 모두 명시됨). 예를 들어, 기본 치수가 80mm이고 상한 편차가 +0.03mm, 하한 편차가 -0.02mm인 막대의 경우, 실제 크기는 79.98mm에서 80.03mm 사이여야 합니다.

▶ 2. 형상 허용 오차

형상 공차는 부품의 실제 형상과 이상적인 형상의 허용 가능한 변동 범위를 제어합니다. 부품의 표면, 선, 점의 형상 오차를 처리하며, 일반적인 오차 유형은 다음과 같습니다.

●   평탄

평탄도는 이상적인 평면을 기준으로 부품의 실제 평면의 허용 가능한 편차를 나타냅니다. 표면의 불균일성을 제어하는 ​​데 사용됩니다.       

예 : 평탄도 허용 오차가 0.02mm인 직사각형 판(200mm x 150mm)의 경우, 판의 실제 표면의 모든 점은 0.02mm 간격으로 두 개의 평행한 이상 평면 사이에 있어야 합니다.

●   직진성

진직도는 이상적인 직선을 기준으로 부품의 실제 직선(예: 원통의 모선, 판의 모서리)의 허용 가능한 편차입니다. 평면이나 공간에서 측정할 수 있습니다.

예 : 직선도 허용 오차가 0.01mm/m인 공작 기계 가이드 레일의 경우, 가이드 레일의 1미터 내에서 실제 직선과 이상적 직선의 최대 편차는 0.01mm를 초과해서는 안 됩니다.

●   둥글 원형

진원도는 이상적인 원을 기준으로 부품의 실제 단면(예: 샤프트 또는 구멍의 단면)의 허용 오차를 제어합니다. 진원도 오차를 해결합니다.

예 : 직경이 30mm이고 원형도 허용 오차가 0.005mm인 샤프트의 경우 실제 단면은 반경 차이가 0.005mm인 두 동심원 사이에 있어야 합니다.

●   원통형

원통도는 이상적인 원통 표면에 대한 부품의 실제 원통 표면의 허용 오차를 제어하는 ​​포괄적인 공차입니다. 진원도, 모선 진직도, 단면 동축도를 고려합니다.

예 : 원통도 허용 오차가 0.01mm인 원통(직경 50mm, 길이 100mm)의 경우, 실제 원통 표면의 모든 점은 반경 차이가 0.01mm인 두 개의 동축 이상 원통 사이에 있어야 합니다.

▶ 3. 위치 허용 오차

위치 공차는 부품 형상(예: 구멍, 보스, 홈)의 허용 가능한 변동 범위를 기준 형상에 의해 정의된 이상적인 위치에 대해 조절합니다. 형상 간 또는 형상과 기준 형상 간의 위치 오차를 제어하며, 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

●   동축성

동축성은 부품 형상(예: 샤프트, 구멍)의 실제 축이 이상적인 기준 축과 일치하도록 합니다. 여러 원통형 형상의 축을 일치시키는 데 사용됩니다.

예 : 두 개의 섹션(직경 40mm 및 30mm)과 0.008mm의 동축 허용 오차(40mm 섹션의 축에 대한)를 갖는 계단형 샤프트 - 30mm 섹션의 실제 축은 기준 축과 동축인 원통(직경 0.008mm) 내에 있어야 합니다.

●   수직

직각도는 참조 형상에 수직인 이상적인 방향을 기준으로 부품 형상(예: 평면, 선)의 허용 가능한 편차를 제어합니다. 평면-평면, 평면-선, 선-선 관계에 적용됩니다.

예 : 수직 허용 오차가 0.01mm/m인 수직면(수평 기준면에 대한)의 경우, 높이 1미터 내에서 실제 수직면과 이상적인 수직면의 최대 편차는 0.01mm를 초과해서는 안 됩니다.

●   병행

평행성은 부품 형상(예: 평면, 선)의 실제 방향이 참조 형상과 평행한 이상적인 방향과 일치하도록 합니다. 직각성과 마찬가지로, 평행성은 평면-평면, 평면-선, 선-선 관계에 적용됩니다.

예 : 평행도 허용 오차가 0.005mm/m인 가이드 레일 표면(다른 기준 가이드 레일 표면 대비)의 경우, 길이 1미터 내에서 실제 가이드 레일 표면과 이상적인 평행 표면의 최대 편차는 0.005mm를 초과해서는 안 됩니다.

●   위치

위치 공차는 부품의 형상(예: 구멍, 보스)이 기준 형상을 기준으로 좌표계에 의해 설정된 이상적인 위치를 기준으로 허용 가능한 편차를 정의합니다. 여러 개의 구멍, 보스 또는 이와 유사한 형상을 가진 부품에 널리 사용됩니다.

예 : 직경 10mm, 위치 허용 오차 φ0.02mm(XY 좌표계를 형성하는 두 개의 수직 기준 평면에 상대적)인 구멍의 경우, 구멍의 실제 중심은 XY 시스템에서 구멍의 이상적인 위치를 중심으로 하는 원(직경 0.02mm) 내에 있어야 합니다.

●   대칭

대칭성은 부품의 특징(예: 홈, 보스)이 이상적인 기준 대칭 평면을 기준으로 대칭적으로 위치하도록 보장합니다.

예 : 대칭 허용 오차가 0.01mm인 폭 8mm 홈(기준 대칭 평면에 대해) - 홈의 실제 중심선은 기준 평면에 대해 대칭인 두 평행 평면(0.01mm 간격) 사이에 있어야 합니다.

CNC 가공 후, 부품 공차를 검출하는 것은 설계 요건을 충족하는지 확인하는 데 필수적입니다. 가장 일반적인 검출 방법은 다음과 같습니다.

▶ 1. 일반 측정 도구를 사용한 수동 감지

일반 측정 도구는 접근성과 조작 용이성 때문에 수동 공차 검사에 널리 사용됩니다. 일반적인 측정 도구는 다음과 같습니다.

●   캘리퍼스

캘리퍼스(버니어, 디지털, 다이얼)는 길이, 너비, 직경, 깊이를 측정합니다.

버니어 캘리퍼스: 일반적인 정확도는 0.02mm 또는 0.05mm입니다.

디지털/다이얼 캘리퍼스: 정확도는 최대 0.01mm입니다.

허용 오차 범위가 더 큰 부품에 적합합니다(예: 크기 허용 오차 > 0.01mm).

●   마이크로미터

마이크로미터는 외경, 내경, 두께의 고정밀 측정에 특화되어 있습니다. 정확도는 일반적으로 0.001mm로 캘리퍼스보다 높습니다. 정밀 샤프트나 와셔처럼 공차 범위가 작은 부품(예: 크기 공차 <0.01mm)에 적합합니다.

●   깊이 게이지

깊이 게이지는 구멍, 홈 등의 깊이를 측정합니다. 정확도는 캘리퍼스(0.01mm 또는 0.02mm)와 동일합니다.

●   다이얼 인디케이터

다이얼 인디케이터는 형상 및 위치 오차(예: 평탄도, 진직도, 직각도, 흔들림)를 감지합니다. 측정 스탠드 및 V-블록과 같은 보조 도구와 함께 사용하여 0.001mm 또는 0.002mm의 정확도로 정밀하게 측정합니다.

●   필러 게이지

필러 게이지는 두 표면 사이의 간격(예: 가이드 레일-슬라이더 간격, 밸브-밸브 시트 간격)을 측정합니다. 두께가 표시된 얇은 강판 세트로 구성되어 0.001mm의 정확도를 제공합니다.

▶ 2. 정밀 장비를 활용한 첨단 탐지

초고정밀도가 요구되는 부품(예: 항공우주 부품, 의료기기)의 경우 첨단 장비가 필요합니다.

●   좌표측정기(CMM) : 프로브를 사용하여 부품 형상의 3D 좌표를 측정하여 크기, 형상 및 위치 공차를 정확하게 감지합니다. 최대 0.0001mm의 정확도를 제공하며 복잡하고 고정밀 부품에 적합합니다.

●   광학 비교기 : 부품의 확대된 이미지를 화면에 투사하여 작업자가 부품의 실제 형상을 참조 템플릿과 비교할 수 있도록 합니다. 소형 부품의 형상 공차(예: 원형도, 직진도)를 감지하는 데 적합합니다.

●   레이저 스캐너 : 부품 표면의 3D 데이터를 빠르게 캡처하여 포괄적인 공차 분석을 가능하게 합니다. 대형 또는 복잡한 부품에 효율적이며 형상 및 위치 오류를 모두 감지할 수 있습니다.

공차는 CNC 가공의 초석으로, 설계부터 생산 및 품질 관리에 이르기까지 모든 단계에 영향을 미칩니다. 공차의 중요성, 공차에 영향을 미치는 요인, 다양한 유형, 그리고 공차 감지 방법을 이해함으로써 가공 공정을 최적화하고, 비용을 절감하며, 고객 기대치를 충족하거나 뛰어넘는 고품질 부품을 제공할 수 있습니다. CNC 가공 초보자든 숙련된 전문가든, 부품 공차를 완벽하게 이해하는 것은 정밀 제조 산업에서 경쟁력을 유지하는 데 필수적입니다.