초급 #07 사이즈 피쳐의 경계 : 외부경계와 내부경계

사이즈 피쳐는 사이즈 공차와 위치공차의 영향으로 2종류의 경계가 생성된다. 내부경계와 외부경계이다. 이름 그대로 내부경계는 안쪽에 있는 경계이고, 외부경계는 바깥쪽에 있는 경계이다. 안쪽과 바깥쪽으로 있는 것으로 구분된 경계로 내피쳐든 외피쳐든 상관없이 안쪽에 있는 경계는 내부경계고 바깥쪽에 있는 경계는 외부경계가 된다. 이 내부경계와 외부경계는 사이즈 피쳐가 어떤 재료조건에서 정의되었느냐에 상관없이 생성되는 일반적인 경계이다.

 

ASME에서 내부경계와 외부경계를 어떻게 정의하고 있는지 살펴보자.

boundary, inner: a worst-case boundary generated by the collective effects of the smallest feature of size (MMC for an internal feature of size, LMC for an external feature of size) and the applicable geometric tolerance.
ASME Y14.5-2018 - para 3.2

 

boundary, outer: a worst-case boundary generated by the collective effects of the largest feature of size (LMC for an internal feature of size, MMC for an external feature of size) and the applicable geometric tolerance.
ASME Y14.5-2018 - para 3.5

 

ASME에서 내부경계는 사이즈 피쳐가 가장 작은 상태에서 기하공차의 영향을 받아 생성되는 최악의 경계이고, 외부경계는 사이즈 피쳐가 가장 큰 상태에서 기하공차의 영향을 받아 생성되는 최악의 경계로 정의하고 있다. 내부경계와 외부경계는 가장 작은 상태와 가장 큰 상태라고 구분하여 설명한다. 이는 사이즈가 가장 작을 때, 사이즈가 가장 클 때를 말한다. 피쳐가 외피쳐인지 내피쳐인지에 따라 사이즈가 가장 클 때 MMC가 되기도 하고 LMC가 되기도 하는 것과는 차이가 있음을 알아야 한다. 따라서 기하공차에서 가장 처음 접할 때 가장 생소했던 개념인 최대재료상태, 최소재료상태라는 재료에 관한 개념이 반영되지 않았다. 재료에 대한 개념없이 안쪽에 있으면 내부경계, 바깥쪽에 있으면 외부경계이다.

 

그렇다면 이와 비슷한 것처럼 보이는 VC경계와 RC경계가 있는데 왜 내부경계와 외부경계라는 개념이 필요할까?

 

VC경계와 RC경계가 위치공차를 MMC 또는 LMC와 같은 특정재료조건에서 정의했을 때 생기는 경계인 반면에 내부경계와 외부경계는 위치공차를 특정재료조건에서 정의하지 않아도 항상 생성되는 경계이다. 따라서 MMC, LMC에서 정의된 위치공차 뿐만 아니라 RFS에서 정의된 위치공차의 경계를 설명하기 위해서는 내부경계와 외부경계라는 더 포괄적인 용어를 사용하는 것이 올바르다.

 

내부경계와 외부경계는 경계의 위치에 따라 구분하여 정해진 이름이고, VC경계와 RC경계는 경계의 의미에 따라 정해진 이름이다. 따라서 RFS에서 정의된 위치공차는 VC경계와 RC경계가 가지는 의미를 사용할 여지가 없다. 따라서 정의된 위치공차에 의해 생성되는 경계를 VC경계와 RC경계라고 불러서는 안된다.

 

이렇게 내부경계와 외부경계라는 용어를 정리하는 이유는 위치공차가 특정재료조건에서 정의되지 않은 경우를 모두 포함하여 생성되는 경계를 설명할 때 경계 이름을 올바르게 사용해야 하기 때문이다. 기하공차에 대해서 어느 정도 이해가 생기고 나니 VC경계나 RC경계가 많이 익숙해졌을지 모르겠지만 VC경계와 RC경계는 특정재료조건에서 정의되었을 때 생성되는 특별한 경계인 반면 내부경계와 외부경계는 재료조건에 상관없이 생성되는 일반적인 경계이기 때문이다.

 

홀과 같은 내피쳐의 경우 내부경계와 외부경계가 어떻게 생성되는지 핀과 같은 외피쳐의 경우 내부경계와 외부경계가 어떻게 생성되는지 차례로 살펴보자.

 

먼저 내피쳐를 살펴보자.

 

홀은 사이즈 정의에 의해 가장 큰 사이즈와 가장 작은 사이즈로 사이즈 한계가 정해진다. 그리고 위치공차에 의해 위치 한계가 정해진다. 홀이 사이즈 공차가 정의되고, 위치공차가 정의되었다면, 한계 사이즈의 홀이 한계 위치에 있는 최악의 경우를 생각해볼 수 있다.

 

먼저 내부경계를 살펴보자. 내부경계는 가장 작은 사이즈가 최악의 위치에 있을 때 생기는 경계를 말한다.

 

왼쪽 그림은 내부경계의 개념을 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 실제 부품에서 가장 작은 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 경우를 시각화하였다.

 

실제 부품에서 가장 작은 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 모든 경우를 모아보니 홀의 서피스가 들어가지 않는 특정한 크기의 경계가 내부에 생성된다. 이를 두고 내부경계라고 한다.

 

이제 홀의 외부경계를 살펴보자. 

 

외부경계는 가장 큰 사이즈가 최악의 위치에 있을 때 생기는 경계를 말한다.

 

왼쪽 그림은 외부경계의 개념을 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 실제 부품에서 가장 큰 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 경우를 시각화하였다.

 

실제 부품에서 가장 큰 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 모든 경우를 모아보니 홀의 서피스가 들어가지 않는 특정한 크기의 경계가 외부에 생성된다. 이를 두고 외부경계라고 한다.

 

이렇게 홀과 같은 내피쳐의 내부경계와 외부경계를 살펴보았다. 결국 내부경계와 외부경계의 의미는 해당 서피스가 있어야 하는 안쪽 경계와 바깥쪽 경계를 정의하는 것이다.

 

이제 외피쳐를 살펴보자.

 

핀은 사이즈 정의에 의해 가장 큰 사이즈와 가장 작은 사이즈로 사이즈 한계가 정해진다. 그리고 위치공차에 의해 위치 한계가 정해진다. 홀이 사이즈 공차가 정의되고, 위치공차가 정의되었다면, 한계 사이즈의 홀이 한계 위치에 있는 최악의 경우를 생각해볼 수 있다.

 

먼저 내부경계를 살펴보자. 내부경계는 가장 작은 사이즈가 최악의 위치에 있을 때 생기는 경계를 말한다.

 

왼쪽 그림은 내부경계의 개념을 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 실제 부품에서 가장 작은 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 경우를 시각화하였다.

 

실제 부품에서 가장 작은 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 모든 경우를 모아보니 홀의 서피스가 들어가지 않는 특정한 크기의 경계가 내부에 생성된다. 이를 두고 내부경계라고 한다.

 

이제 외부경계를 살펴보자.

 

외부경계는 가장 큰 사이즈가 최악의 위치에 있을 때 생기는 경계를 말한다.

 

왼쪽 그림은 외부경계의 개념을 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 실제 부품에서 가장 큰 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 경우를 시각화하였다.

 

실제 부품에서 가장 큰 사이즈의 홀이 최악의 위치에 있는 모든 경우를 모아보니 홀의 서피스가 들어가지 않는 특정한 크기의 경계가 외부에 생성된다. 이를 두고 외부경계라고 한다.

 

이렇게 홀과 같은 내피쳐의 내부경계와 외부경계를 살펴보았다. 결국 내부경계와 외부경계의 의미는 해당 서피스가 있어야 하는 안쪽 경계와 바깥쪽 경계를 정의하는 것이다.

 

결론

내피쳐든 외피쳐든 상관없이 내부경계는 안쪽에 외부경계는 바깥쪽에 생긴다. 실제 부품의 서피스는 이 내부경계와 외부경계 사이에 있어야 한다. 피쳐를 정의한 사이즈와 위치공차에 의해 피쳐의 서피스가 어디에 있어야 하는지를 정의하게 된다.

 

처음에 설명했듯이 내부경계와 외부경계는 피쳐의 사이즈와 위치공차를 정의하면 무조건 생성되는 경계이다. 반면 VC경계와 RC경계는 위치공차를 특정재료조건에서 정의했을 때 생성된다. 말하자면, VC경계와 RC경계는 특별한 경우의 내부경계, 외부경계인 것이다.