공차 누적, 그리고 결국 나사를 바꾸게 되는 이유

모든 부품을 확인하는 것은 올바른 직감입니다

조립이 되지 않으면 누구나 먼저 부품을 측정합니다. 순진한 행동이 아니라 올바른 행동입니다. 대부분의 조립 문제는 실제로 부품 하나가 공차를 벗어난 것이며, 그것을 찾는 데는 오후 한나절과 캘리퍼스면 충분합니다.

그래서 다섯 부품이 모두 공차 안이라는 결과가 나오면, 측정이 틀렸거나 누군가 부품을 바꿔 넣었거나 도면에 무언가 빠졌다고 해석하는 것이 자연스럽습니다. 다시 측정합니다. 보통 두세 번은 다시 잽니다.

그래서 부품을 확인합니다. 그런데 모두 합격입니다

치수 체인에 부품 다섯 개가 있고 각각 공차가 ±0.05 mm입니다. 다섯 개 모두 공차 안으로 출하되었고 모두 양품입니다. 다섯 개가 우연히 같은 방향으로 치우치면 누적 치수는 호칭에서 0.25 mm 벗어납니다. 가능한 결과 전체로 보면 한쪽 극단에서 다른 쪽 극단까지 0.50 mm입니다.

이것이 공차 누적입니다. 제조 결함이 아니라 여러 부품이 같은 치수 체인 위에 놓이면 언제나 생기는 현상입니다.

두 가지 방법과 각각의 가정

aᵢ는 체인에 있는 각 치수의 민감도 계수입니다. 항이 그대로 더해지는 1차원 체인에서만 생략할 수 있으며, 각도, 지렛대와 기하학적 증폭이 있으면 값이 달라집니다.

어느 쪽도 정답이 아닙니다. 같은 위험에 값을 매기는 두 가지 방식입니다. 최악 조건법은 확실성을 사고 비용으로 치릅니다. RSS는 비용을 아끼고 꼬리를 관리해야 하는 부담으로 치릅니다. 그리고 최악 조건법이 단순히 지나치게 보수적인 것은 아닙니다. 안전에 중요한 부품이나 모든 합격 부품이 서로 호환되어야 하는 경우에는 여전히 올바른 방법입니다.

체결 부품 자체의 치수 공차가 어디에서 오는지는 제품 등급은 품질 등급이 아닙니다를 참고하십시오.

늦게 발견했을 때 각 대책의 비용

공차 누적 문제는 설계 검토에서 드러나는 일이 드뭅니다. 시험 조립에서 드러나며, 그때 남은 선택지는 다음과 같습니다.

나사를 바꾸는 것이 저렴한 길이 아닌 경우

• 나사가 안전에 중요하거나 규제 대상이거나 이미 인증을 받았습니다. 변경하면 재인증이 필요합니다
• 길이를 줄이면 나사산 물림 길이가 줄어듭니다 — 나사산 파손 위험, 또는 막힌 구멍에서 여유가 달라짐
• 머리 지름, 높이 또는 형상을 바꾸면 지지 면적이 줄어듭니다 — 자리잡음 또는 머리 빠짐
• 재질, 강도 등급, 열처리, 코팅 또는 윤활을 바꾸면 초기 체결력, 피로, 부식, 갈바닉 거동과 취성을 다시 검증해야 합니다
• 특수품에는 금형, 최소 주문 수량과 소재 조달이 필요합니다 — 때로는 상류 부품을 바꾸는 편이 실제로 더 쉽습니다

따라서 질문은 나사를 바꾸는 것이 더 싼지가 아니라 그 변경으로 무엇을 다시 검증해야 하는지입니다. 목록이 짧으면 저렴하고 길면 그렇지 않습니다.

나사가 흡수할 수 있는 것

• 길이. 누적 치수가 한쪽으로 치우쳐 체결 후 끝이 튀어나옵니다. 0.2 mm 짧게 하면 해결됩니다. ⚠️ 측정 기준은 머리 형상에 따라 다릅니다 — 접시머리는 전체 길이, 그 밖에는 머리 아래부터입니다. 기준을 잘못 지정하면 변경해도 효과가 없습니다.
• 머리 형상. 머리가 하우징에 닿거나 머리 높이 때문에 표면 위로 튀어나오는 경우입니다. 대개 하우징을 바꾸는 것보다 저렴합니다. 다만 지지 면적이 여전히 하중을 견디는지 확인하십시오.
• 재질과 표면 처리. 가장 자주 놓치고 가장 자주 원인을 잘못 짚는 항목입니다. 마찰은 나사의 모재가 정하지 않습니다. 마찰은 접촉 시스템의 특성입니다. 나사산 쌍, 지지면, 거칠기, 코팅, 윤활, 청결도, 그리고 이전에 체결한 적이 있는지가 모두 영향을 줍니다. 이 중 하나라도 바뀌면 토크와 체결 축력의 관계를 실제 조합에서 다시 측정해야 하며 재질 이름으로 추정해서는 안 됩니다.

누적의 일부는 무언가를 만들기 전, 도면 표기에서 이미 시작됩니다. 두 가지 표기 체계를 참고하십시오.

금형을 만들기 전에 재고품으로 검증하십시오

저희가 고객에게 권하는 방법이며, 일부러 금형 매출을 포기하는 방법이기도 합니다. 먼저 재고 규격으로 시험해 보십시오.

• 가설을 검증합니다. 0.2 mm 짧게 하면 해결된다고 생각한다면 확정하기 전에 확인하십시오
• 금형 위험이 없습니다. 진단이 틀렸다면 잃는 것은 금형이 아니라 한 로트입니다
• 가장 빠른 방법입니다. 재고품은 바로 출하되지만 금형 변경은 일정을 잡아야 합니다

검증이 끝나면 대화는 “이것으로 해결되는가”에서 “양산에서 유지할 수 있는가”로 바뀝니다. 금형은 바로 그것을 위해 있습니다. 금형은 셋업 비용이지 주문 하나가 소모하는 것이 아닙니다.

다음 치수 체인을 위한 다섯 가지 질문

• 이 체인에 부품이 몇 개 있으며, 최악 조건법과 RSS 중 무엇으로 해석했습니까?
• 자체 공차가 없는 고리는 몇 개이며, 실제로 어떤 규칙이 적용됩니까? 일반적인 길이 치수와 각도 치수는 표제란의 보통 공차를 따릅니다. 아무도 치수 옆에 적지 않았지만 실제로 존재하는 숫자입니다. 괄호 안의 치수와 테두리 친 치수는 그렇지 않습니다. ISO 2768-1은 둘 다 제외하며, 테두리 친 값은 대신 기하 공차로 관리됩니다. 여기에 보통 공차를 적용하면 어떤 도면도 지정한 적 없는 숫자를 체인에 넣게 됩니다
• RSS라면 공정이 실제로 중심이 맞고 공정 능력이 충분합니까, 그리고 공차를 σ에 어떻게 대응시킨다고 가정했습니까?
• 이상값은 어떻게 처리합니까? 재작업입니까, 폐기입니까?
• 체인에서 나사가 차지하는 비중은 얼마이며, 그 공차는 나머지와 비교해 큽니까 작습니까?
• 나사가 오차를 흡수해야 한다면 조정 여유가 얼마나 남습니까? 도금이 그 여유를 잡아먹지는 않습니까? (특히 M1–M1.4)

참고 자료

• Types of Tolerance Stackup Analyses — PTC Creo documentation(RSS의 가정으로 공정 평균이 공차 중심에 있는 Cp = 1.0을 명시)
• Introduction to Root Sum Squared (RSS) Tolerance Analysis — Five Flute
• NASA — 지지면 윤활이 토크 계수를 어떻게 바꾸는지 보여 주는 체결부 시험
• ISO 16047 — Fasteners — Torque/clamp force testing

이 글은 방법과 절충을 설명하며 특정 제품의 설계값이 아닙니다. 공차 배분은 여러분의 치수 체인, 공정 능력과 합격 기준에 따라 달라집니다.

이 글은 6단계: 문서를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.