끼워맞춤

보통공차가 길이 치수와 각도 치수에 대한 공차라면 끼워맞춤(fit)은 끼워 맞춰지는 구멍과 축 사이의 공차 방식(system)이다. 끼워 맞춰지는 구멍과 축 사이의 관계라고 이해하면 된다.
다만 끼워맞춤에서의 구멍(hole)은 구멍과 같은 역할을 하는 안쪽 형체 모두를 의미하고, 축(shaft)은 축과 같은 기능을 가진 바깥쪽 형체 모두를 의미한다는 것을 염두에 두어야 한다.

끼워맞춤은 다음의 두 가지 요소로 구성되어 있다.
구멍 또는 축의 표준 공차 등급
IT 등급
도면에 끼워맞춤을 지시할 때에는 기준 치수 다음에 이 두 가지 요소를 함께 표시해야 한다.
Ø16H7: Ø16은 기준 치수, H는 구멍의 표준 공차 등급, 7은 IT 등급이다.
Ø16g6: Ø16은 기준 치수, g는 축의 표준 공차 등급, 6은 IT 등급이다.
구멍 또는 축의 표준 공차 등급과 IT 등급을 합해서 공차 등급(tolerance grade)이라 부른다.

1. IT 등급

IT(international tolerance) 등급은 IT 01, IT 0, IT 1, IT 2 ... IT 18까지 20 등급으로 되어 있으며, 흔히 IT 기본 공차 또는 IT 공차라고 부른다.
표 L2-1은 IT 등급별 공차의 일부를 나타낸 것이다. 기준 치수가 클수록, IT 등급이 높을수록 공차가 커진다.

기준 치수
(mm)
IT 등급
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
초과 이하 공차(μm) 공차(mm)
  3 0.8 1.2 2 3 4 6 10 14 25 40 60 0.10 0.14
3 6 1 1.5 2.5 4 5 8 12 18 30 48 75 0.12 0.18
6 10 1 1.5 2.5 4 6 9 15 22 36 58 90 0.15 0.22
10 18 1.2 2 3 5 8 11 18 27 43 70 110 0.18 0.27
18 30 1.5 2.5 4 6 9 13 21 33 52 84 130 0.21 0.33
30 50 1.5 2.5 4 7 11 16 25 39 62 100 160 0.25 0.39
50 80 2 3 5 8 13 19 30 46 74 120 190 0.30 0.46
80 120 2.5 4 6 10 15 22 35 54 87 140 220 0.35 0.54
120 180 3.5 5 8 12 18 25 40 63 100 160 250 0.40 0.63
180 250 4.5 7 10 14 20 29 46 72 115 185 290 0.46 0.72
250 315 6 8 12 16 23 32 52 81 130 210 320 0.52 0.81
315 400 7 9 13 18 25 36 57 89 140 230 360 0.57 0.89
400 500 8 10 15 20 27 40 63 97 155 250 400 0.63 0.97
<표 L2-1>

표 L2-2는 구멍과 축을 제작할 때 IT 등급을 적용하는 기준이다. 우리가 논의할 부분은 끼워맞춤용이다. 구멍의 IT 등급은 축의 IT 등급보다 한 등급 위의 것을 적용한다. 예를 들어, 축이 IT 5이면 구멍은 IT 6을 적용한다. 이것은 구멍이 축보다 가공하기 어렵기 때문이다.

용도 게이지 제작 끼워맞춤 끼워맞춤 외
구멍 IT 01 ∼ IT 5 IT 6 ∼ IT 10 IT 11 ∼ IT 18
IT 01 ∼ IT 4 IT 5 ∼ IT9 IT 10 ∼ IT 18
<표 L2-2>

2. 기초가 되는 치수 허용차

그림 L2-1 (가)와 같이 구멍의 치수가 Ø48이고 IT 등급이 7이라면 위의 표 L2-1에서 기준 치수 30초과 50이하, IT 7등급에 해당된다. 따라서 이 구멍의 공차는 25μm(0.025mm)이다.
그렇다면 이 구멍의 최대 허용 치수와 최소 허용 치수는 얼마일까?
이것만으로는 알 수 없다.
왜냐하면 0.025는 치수 허용차가 아닌 공차이기 때문이다.
다시 말해서 ±0.025(위 치수 허용차 +0.025, 아래 치수 허용차 -0.025)를 의미하는 것이 아니다.
0.025는 위 치수 허용차에서 아래 치수 허용차를 뺀 값이다.(그림 L2-1-가)
그러므로 위 치수 허용차 또는 아래 치수 허용차 중 어느 하나의 값을 알아야 나머지 하나의 값을 구할 수 있다. 미지수가 두 개인 방정식(x-y=0.025)과 같다.
만일 아래 치수 허용차가 0이라면 위 치수 허용차는 +0.025가 된다.(+0.025-0=0.025)
위 치수 허용차와 아래 치수 허용차가 결정되었으므로
이 구멍의 최대 허용 치수는 Ø48.025, 최소 허용 치수는 Ø48.000이다.(그림 L2-1-나)
여기에서 계산의 기초가 된 아래 치수 허용차를 기초가 되는 치수 허용차라고 한다.
기초가 되는 치수 허용차(fundamental deviation)는 IT 등급과 함께 최대 허용 치수와 최소 허용 치수를 구할 때 기준이 되는 치수 허용차이며, 위 치수 허용차와 아래 치수 허용차 중 기준 치수에 가까운 것을 기초가 되는 치수 허용차로 한다.

그림 L2-1
<그림 L2-1>

3. 구멍과 축에 대한 표준 공차 등급

KS B 0008-2는 일반적으로 많이 사용되는 구멍과 축의 치수 허용차를 각각 28 등급으로 정의하고 다음 규칙에 따라 표시하도록 규정하고 있다.
구멍의 표준 공차 등급은 알파벳 대문자로 표시한다.
축의 표준 공차 등급은 알파벳 소문자로 표시한다.
알파벳 i, l, o, q, w, I, L, O, Q, W는 사용하지 않는다.
위 치수 허용차는 ES와 es로 표시한다.
아래 치수 허용차는 EI와 ei로 표시한다.
구멍의 표준 공차 등급 A∼H는 EI를 가지며, J∼ZC는 ES를 가진다.
축의 표준 공차 등급 a∼h는 es를 가지며, j∼zc는 ei를 가진다.
표준 공차 등급 JS(js)는 ES(es)와 EI(ei)를 모두 가지며, 그 값은 공차의 1/2이다. 예를 들어 기준 치수가 16, IT 등급이 7인 경우, 표 L2-1에서 공차가 0.018(18μm)이므로 ES(es)와 EI(ei)는 각각 +0.009, -0.009이다. 단, JS7(js7)∼JS11(js11)에서 공차가 μm 단위로 홀수인 경우에는 치수 허용차가 정수가 되도록 ±(공차-1)/2를 치수 허용차로 한다. 예를 들어 기준 치수가 16, IT 등급이 9인 경우, 공차가 43μm이므로 치수 허용차는 ±43/2=±21.5μm가 아닌 ±(43-1)/2=±21μm이다.
구멍과 축에 대한 표준 공차 등급은 구멍과 축을 분류하는 기준이 되기 때문에 구멍과 축의 종류로 설명되는 경우가 많다.
그림 L2-2는 구멍과 축에 대한 표준 공차 등급과 치수 허용차의 상대적인 크기를 나타낸 것이다.

그림 L2-2
<그림 L2-2>

그림 L2-2에서 구멍의 표준 공차 등급 B, H, ZC에 대하여 설명하면 표 L2-3과 같다.

등급 의미
B EI를 가지고 있으며, 이 값은 기준 치수보다 큰 양(+)의 값이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
ES=EI+(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 EI의 위쪽(+쪽)에 위치한다.
EI와 ES 모두 양(+)의 값이므로
이 등급의 구멍은 실 치수가 기준 치수보다 항상 크게 가공된다.
H EI를 가지고 있으며, 이 값은 0이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
ES=EI+(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 EI의 위쪽(+쪽)에 위치한다.
EI가 0이므로 최소 허용 치수가 기준 치수와 같다.
이 등급의 구멍은 실 치수가 기준 치수와 같거나 크게 가공된다.
ZC ES를 가지고 있으며, 이 값은 기준 치수보다 작은 음(-)의 값이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
EI=ES-(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 ES의 아래쪽(-쪽)에 위치한다.
ES와 EI 모두 음(-)의 값이므로
이 등급의 구멍은 실 치수가 기준 치수보다 항상 작게 가공된다.
<표 L2-3>

표 L2-4는 축의 표준 공차 등급 d, h, u에 대하여 설명한 것이다.

등급 의미
d es를 가지고 있으며, 이 값은 기준 치수보다 작은 음(-)의 값이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
ei=es-(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 es의 아래쪽(-쪽)에 위치한다.
es와 ei 모두 음(-)의 값이므로
이 등급의 축은 실 치수가 기준 치수보다 항상 작게 가공된다.
h es를 가지고 있으며, 이 값은 0이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
ei=es-(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 es의 아래쪽(-쪽)에 위치한다.
es가 0이므로 최대 허용 치수가 기준 치수와 같다.
이 등급의 축은 실 치수가 기준 치수와 같거나 작게 가공된다.
u ei를 가지고 있으며, 이 값은 기준 치수보다 큰 양(+)의 값이다.
이 값이 허용 한계 치수를 구할 때 기초가 되는 치수 허용차가 된다.
es=ei+(IT 등급에 따른 공차)이며 그림 L2-2에서 ei의 위쪽(+쪽)에 위치한다.
ei와 es 모두 양(+)의 값이므로
이 등급의 축은 실 치수가 기준 치수보다 항상 크게 가공된다.
<표 L2-4>

4. 끼워맞춤의 종류

끼워맞춤에서 사용하는 틈새와 죔새는 다음과 같이 정의한다.
틈새(clearance): 축이 구멍보다 작을 때 생기는 치수 차(틈)이다.
죔새(interference): 축이 구멍보다 클 때 생기는 치수 차(간섭)이다.

끼워맞춤을 끼워맞춤 방식에 따라 분류하면 다음과 같다.
구멍 기준 끼워맞춤(basic hole fit): 기초가 되는 치수 허용차 EI가 0인 H 등급의 구멍을 기준으로 이에 적당한 축을 선정하여 죔새나 틈새를 얻는 방식이다. 일반적으로 이 방식을 많이 사용한다.
축 기준 끼워맞춤(basic shaft fit): 기초가 되는 치수 허용차 es가 0인 h 등급의 축을 기준으로 이에 적당한 구멍을 선정하여 죔새나 틈새를 얻는 방식이다.
표 L2-5는 상용하는 구멍 기준 끼워맞춤(preferred tolerance for holes)이고, 표 L2-6은 상용하는 축 기준 끼워맞춤(preferred tolerance for shafts)이다. 상용하는 끼워맞춤은 일반적으로 많이 사용하는 끼워맞춤을 모아 규정한 것이다.

끼워맞춤을 끼워맞춤 상태에 따라 분류하면 다음과 같다.
헐거운 끼워맞춤(clearance fit): 구멍의 최소 허용 치수가 축의 최대 허용 치수보다 큰 경우, 쉽게 말해서 구멍이 축보다 큰 경우이다. 따라서 항상 틈새가 생긴다.
억지 끼워맞춤(interference fit): 구멍의 최대 허용 치수가 축의 최소 허용 치수보다 작은 경우, 즉 구멍이 축보다 작은 경우이다. 항상 죔새가 생긴다.
중간 끼워맞춤(transition fit): 축, 구멍의 치수에 따라 틈새 또는 죔새가 생기는 끼워맞춤이다.

구멍 축의 공차 등급
헐거운 끼워맞춤 중간 끼워맞춤 억지 끼워맞춤
H6           g5 h5 js5 k5 m5              
        f6 g6 h6 js6 k6 m6 n6 p6          
H7         f6 g6 h6 js6 k6 m6 n6 p6 r6 s6 t6 u6 x6
      e7 f7   h7 js7                  
H8         f7   h7                    
      e8 f8   h8                    
    d9 e9                          
H9     d8 e8     h8                    
  c9 d9 e9     h9                    
H10 b9 c9 d9                            
<표 L2-5>

구멍의 공차 등급
헐거운 끼워맞춤 중간 끼워맞춤 억지 끼워맞춤
h5             H6 JS6 K6 M6 N6 P6          
h6         F6 G6 H6 JS6 K6 M6 N6 P6          
        F7 G7 H6 JS7 K7 M7 N7 P7 R7 S7 T7 U7 X7
h7       E7 F7   H7                    
        F8   H8                    
h8     D8 E8 F8   H8                    
    D9 E9     H9                    
h9     D8 E8     H8                    
  C9 D9 E9     H9                    
B10 C10 D10                            
<표 L2-6>

틈새와 죔새의 계산

치수공차 끼워맞춤 끼워맞춤의 적용