게이지(Gauge) 설계의 이해
게이지(Gauge) 설계
게이지에 대한 최초의 사고방식은 모범적인 것을 만들어 놓고 그것과 똑같은 것을 만 들어 낸다고 하는 데에서 출발하고 있다. 따라서 처음에는 같은 모양의 축에 대해서 는 그것과 같은 지름의 원통을 사용하여 퍼스에 의해 옮기거나 양자를 손톱 끝으로 배교하거나 하는 방법이 채택되었다 부품의 가공은 도면에 주어진 치수로 정확하게 가공 및 제작하기란 불가능하다. 그것 은 제조방법을 피할 수 없는 부정확도 때문이라고 말할 수 있다. 그러나 사용목적에 알맞게 하기 위하여 2개의 허용 한계치수를 주어서 그 허용한계 치수 내에 있으면 사 용에 만족하도록 하고 있다, 이러한 허용 한계치수의 차를 공차라 하고, 그 공차 범위 를 검사하는 기구를 게이지라 한다.
1. 게이지(Gauge)의 필요성
기계를 제작한다는 것은 두 개 이상의 부품을 만들어 그것을 조립하는 것이다, 기계 를 다량 생산할 때에는 가장 능률적인 방법으로 생산할 필요가 있다. 그러기 위해서 는 조합될 부품을 일일이 현물에 맞추어서 가공하지 않고 조합 부품을 별도로 해도 조립 후에 예정된 기능을 충분히 얻을 수 있어야 한다. 이와 같이 다량 생산된 부품이 생산된 장소나 시간에 관계없이 곧 조립되고 또한 예정된 기능을 갖추는 것을 호환성 이 있다고 한다. GAUGE는 치수 공차를 관리하고 바로 이러한 호환성을 얻을 목적으로 사용되는 것이 다. 다량생산 방식이 되고 분업화됨에 따라서 제품을 간단한 방법으로 또한 충분한 호환성을 얻을 수 있는 방법으로 검사할 필요가 있다. 즉 구멍 가공에는 원통형의 GAUGE를 축 가공에는 구멍형의 GAUGE를 사용하여 가각 끼워 맞추었을 때 무리 없 이 통과하게 되면 합격이라고 판정하는 방법이다, 그러나 이 방법으로서는 GAUGE에 대해 제품을 꼭 맞춰서 만드는데 한계가 있고 정도가 높이 요구됨에 따라서 끼워 맞 춤에 지장을 초래하게 되었다. 그래서 더욱 검사방법이 진보하여 현재 사용되고 있는 한계 GAUGE방식이 확립되었던 것이다.
2. 게이지(Gauge)의 이점
(1) 검사는 간단하고 능률적인 것이다 (2) 게이지는 간단한 구조로 만들어져 있어 다른 검사기기 보다 가격이 싸다. (3) 게이지를 이용한 측정은 숙련을 요하지 않고 간단하게 사용할 수가 있다. (4) 작업 중에 조기불량 발견이 용이하다. 따라서 기술 습득이 빨라지며 작업에 속도 감이 붙는다. (5) 미숙련공이 게이지를 사용하여 만든 부품이 숙련공이 게이지 없이 만든 것과 같은 품질이거나 오히려 더 나을 수도 있는 경우도 있다. (6) 완성품 중에 불량품의 혼입을 미연에 방지할 수 있음으로 다음 공정에서 불량 개소를 모르고 가공하는 사례를 미리 예방할 수도 있다. (7) 기능상 별 지장이 없는 범위에서 허용하는 최대 공차를 인정 합격시킴으로써 필요이 상의 정밀도를 요구하지 않기 때문에 결과적으로 코스트 다운을 가능하게 한다.
3. 게이지의 종류
게이지라고 하는 말은 실제로 상당히 넓은 의미로 사용되고 있어서 측정기를 포함하 고 있는 경우가 많다. 조정가능의 게이지도 있지만 우리가 흔히 게이지라고 부르고 있는 것은 고정치수 게이지를 말한다.
(1) 형상에 따른 분류
1) 지시식 게이지(indicating gage) 다이얼 게이지, 전기 마이크로미터, 공기 마이크로미터 등이 있으나, 주로 인디 게이터를 사용하며 한계 치수내의 합격, 불합격판정은 물론, 실제치수를 측정 하여 정밀 끼워 맞춤을 가능하게 할 수 있으며, 지시된 수치는 반드시 실제의 치수에 대해서 1:1이 안되는 경우도 있다.
2) 고정식 게이지(Fixture gage) 블록 게이지, 테이퍼 게이지, 나사 게이지 등과 같은 미리 정하여진 치수, 각도 형상을 검사하는 것과 치수가 조절 가능한 것이 있으며, 대부분의 한계 게이지 가 이분류에 속한다.
3) 복합(조립) 게이지(Multiple gage) 1회의 검사로서 제품 또는 공작물의 1개 이상의 치수를 검사하고 측정하기 위 한 특수 게이지이다, 주로 제품의 치수관계등을 검사하기 위하여 조립되어 만 들어진 게이지로서, 동시에 여러 가지의 요소를 검사할 수 있도록 되어 있는 것을 포함한다. 따라서 이것은 1개 이상의 고정치수 게이지 또는 지시식 게이 지가 조립된 조립 게이지이다. 이와 같은 것을 검사 고정구라고 할 때도 있다.
4) 링 게이지(Ring gage) 원형 내측 면을 갖는 게이지로서 원통상과 원추상(데이퍼 게이지)이 있다.
5) 플러그 게이지(Plug gage) 여러 가지 단면형상의 외측 면을 갖는 게이지로서 테이퍼가 붙어 있는 것도 포 함된다.
6) 스냅 게이지(Snap gage) 바깥지름, 길이, 두께 등을 검사하기 위한 평행, 평면의 내측 면을 갖는 게이지 이다
7) 갤리퍼 게이지(Caliper gage) 스냅 게이지와 같은 형상이나 플러그 게이지와 같은 외측을 함께 갖는 게이지 로서, 오늘날 그 사용이 잘 안 되고 있다. 스냅 게이지를 갤리퍼 게이지라고 부 르는 경우도 있다
8) 리시빙 게이지(Receiving gage) 원형 이외의 여러 가지 단면형의 내측 면을 갖는 게이지를 총칭한 것으로서, 구면 게이지라든가 스플라인, 링 게이지 라든가 하는 경우와 같은 대상이 되는 명칭을 붙여 부르는 경우가 많다.
9) 플러시 핀 게이지(Flush pin gage) 주로 깊이 검사 등에 사용되는 것으로서 슬리브와 핀으로서 구성되고 그 냥단 면의 차를 손끝 또는 손톱 끝으로 판정하는 게이지이며, 독일에서는 타스테라 고도 부른다. 그 이용 범위는 매우 넓다
10) 판형 게이지(Profile gage, Template gage) 제품의 형상에 대응하여 여러 가지 측정 면을 가진 게이지이며, 간단하기 때문 에 이용범위가 넓다.
11) 에어 게이지(Air gage) 공기를 이용하여 검사하는 방법으로 그 상용범위가 광범위하며 극히 미세한 초정밀 검사에 응용할 수 있다. 검사시 에어 게이지는 헤드와 디스플레이를 함 께 사용하여야 하며, 헤드만 교체하여 사용가능 하므로 비용도 적게 든다.
12) 전자식 게이지(LVDT System) 차동트랜스(LVDT)를 응용한 검사 System으로 검사 자동화 부분에 많이 응용하 는 추세이다. 그 응용분야가 매우 광범위하고 초정밀 측정이 가능하여 많은 발 전을 거듭 하는 추세이다
(2) 사용목적에 따른 분류
1) 표준(기준)게이지(Master gage) 제품에 대해서는 직접 사용하지 않는 것을 원칙으로 하고, 게이지의 점검관리 상의 치수기준이 되는 것이다
2) 점검 게이지(Reference gage) 제품에 대하여 사용하지 않고 게이지의 치수검사 또는 마모 등을 검사할 때 사 용한다
3) 검사용 게이지(Inspection gage) 샘플링 검사, 또는 수입검사에 주로 사용한다. 공작용 게이지가 일정량 마모되 면 전용하여 사용한다. 공작용에 합격한 제품이 반드시 검사용 게이지에서도 합격할 수 있도록 치수가 정해져 있는 것이 보통이다
4) 공작용 게이지(Working gage) 제품의 가공 중 또는 공장 내에서의 검사에 사용된다.
4 게이지(Gauge)사용상 주의 사항
(1) 게이지 선정
게이지는 제품의 호환성을 유지하면서 경제적으로 제품을 제작하는 것을 목적으 로 하고 있다. 따라서 제품의 생산량, 가공조건, 게이지의 가격 등을 고려하여 얼 마만큼의 정밀도와 어떠한 종류의 게이지를 사용하는 것이 좋은지를 결정해야 한다.
(2) 취급시 주의사항
게이지는 정밀도가 높고 가격이 비싸므로 신중하게 다루지 않으면 손상을 입게 되고, 수명을 단축시키게 된다. 게이지의 일반적인 주의사항은 다음과 같다. 1) 기계 운전중에는 사용을 금한다. 2) 필요이상의 힘을 가해서 사용하지 않는다. 3) 떨어뜨리거나 부딪치지 않게 주의한다. 4) Chip이나 먼지 등이 묻은 상태에서 사용하지 않는다. 5) 녹이 슬지 않게 잘 보관해야 한다 6) 정기적이 정도 검사를 해야 한다
한계 게이지(Limit Gauge)
1. 한계 게이지
기계나 각종 치공구의 부품의 가공에 있어 치수에 주어지는 허용범위내의 공차를 조 사하여 부품을 가공한 후 실제치수가 그 공차 범위내에 있도록만 하면 상호관계가 만족되고 또한 조립작업도 용이하고 대량생산에 따른 부품의 호환성도 있기 때문에 경제적으로 유리하게 된다. 이와 같이 생산량이 많은 부품 또는 제품의 합부를 검사 하기 위한 기구를 한계 게이지라 하며, 허용치수범위에서 최대값 및 최소값이 주어진 통과측과 정지측의 두 개의 게이지를 조합한 형식을 취하고 있다.
(1) 한계 게이지의 장점
1) 검사하기가 편하고 합리적이다. 2) 합. 부 판정이 쉽다 3) 취급의 단순화 및 미숙련공도 사용 가능 4) 측정시간 단축 및 작업의 단순화
(2) 한계 게이지의 단점
1) 합격 범위가 좁다. 2) 특정 제품의 한하여 제작되므로 공용사용이 어렵다
2. 한계 게이지의 사용재료
(1) 한계 게이지 재료에 요구되는 성질
1) 열팽창 계수가 적을 것 2) 변형이 적을 것 3) 양호란 경화성 : HRC 58 이상 4) 고도의 내마모성 5) 가공성이 좋으며 정밀 다듬질이 가능할 것
(2) 한계 게이지의 재료
1) 표면 경화강 및 합금공구강(STC3) 2) 탄소공구강 STC4
(3) 한계 게이지 등급
1) XX급 : 최고급의 정도를 갖고 실용되는 최소 공차로 정밀한 래핑(lapping)가 공을 한 마스터 게이지로, 극히 제품 공차가 작거나 또는 참고용 게이지에만 사용되는 데, 플러그에만 적용된다.
2) X급 : 제품 공차 비교적 작을 때에 사용되는 래핑 가공이 된 게이지로, 제품 공차 0.002인치 이하인 것이다.
3) Y급 : X급보다 제품 공차가 큰 경우(0.0021~0.004인치)로 가장 많이 쓰이는 래핑 가공을 한 게이지 이다.
4) Z급 : Y급보다 제품 공차가 큰 경우 0.004인치 이상일 때로 보통 래핑 가공을 원칙으로 하나 연삭 가공으로 완정해도 좋다고 되어 있다.
5) 공차 부호의 방향 : 통과측 플러그 게이지는 +로 하고, 정지측 게이지는 -로한다.
3. 한계 게이지의 종류
(1) 구멍용 한계 게이지
구멍용 한계 게이지는 여러 가지 형상의 것이 있으며, 호칭 치수에 크기에 따라 다른 종류의 것이 사용된다. 즉, 호칭 치수가 비교적 작은 것은 플러그 게이지 (plug gauge)가 사용되고, 그보다 큰 것은 평 플러그 게이지(flat plug gauge), 그 이 상은 봉 게이지(bar gauge)가 사용되며 한계 게이지의 종류와 치수의 적용 범위는 [표 5-1]에 나타난다.
[표 5-1] 구멍용 한계 게이지의 종류와 치수의 범위
1) 플러그 게이지(plug gauge) 보통 사용되는 플러그 게이지는 구조는 통과측(go end)과 정지측(not go end)이 있고, 통과측은 원통부의 길이가 정지측보다 길게 되어 있다. 구멍과 통과측 지 름에 차가 극히 작을 때는 게이지를 구멍에 넣기 어려우므로, 구멍의 축선과 게 이지의 축선이 일치 되도록 하여야 한다, 만약 플러그 게이지가 기울면 움직이 지 않게 되어 게이지의 표면에 흠이 생길 수도 있다. 이런 경우에는 게이지 선 단부에 적당한 안내면을 만들어 구멍에 밀어 넣기 좋게 하는 방법도 있다.
2) 평 플러그 게이지(flat plug gauge) 용도는 호칭지름이 큰 구멍의 측정에 플러그 게이지(plug gauge)를 사용하면 중 량이 많아 취급이 곤란할 경우에 평 플러그 게이지를 사용한다. 구조는 플러그 게이지를 얇게 절단한 것과 같은 모양으로 원통의 일부를 측정 면으로 한다
3) 봉 게이지(bar gauge) 용도는 부품의 호칭 치수가 더욱 커지면 평 플러그 게이지로도 무겁고 취급하 기 어려워지므로 봉 게이지를 사용한다. 단면이 원통 면과 구면인 것의 두 가 지가 있다.
4) 터보 게이지(ter-bo gauge) 통과측(go end)은 최소 허용과 동일한 지름을 갖는 구의 일부로 되어 있고, 정 지측(not go end)은 같은 구면상에 공차만큼 지름이 커진 구형의 돌기모양의 볼(Ball) 붙어 있다. 따라서 이것을 넣고 돌릴 때 돌기를 넣어서 돌지 않으면 허 용 한계 치수 내에 있다는 것을 알 수 있다. 터보 게이지는 테일러의 원리에 맞지 않으므로 이 게이지는 구멍의 길이가 짧 고 구멍의 진직도가 제작 방법에 의하여 보증되어 있으며 그다지 중요하지 않 은 긴 구멍에 주로 쓰인다. 그러나 회전 및 전후로 이동함으로서 진직도, 타원 형 등 형상오차를 알 수 있는 장점이 있으나 연한재질은 깎아먹을 우려가 있어 검사에 주의를 요한다
(2) 축용 한계 게이지
이 한계 게이지의 종류 및 치수의 범위를 [표 5-2]애 나타냈다. ISO규격에 호칭치 수 315mm 이하에서는 스냅 게이지를 사용하고 315mm를 초과하는 것에는 마이크 로 인디게이터 부착 게이지 사용을 권장하고 있다. 단, 작은 지름에 대하여 통과 측에는 링 게이지를 또 얇은 두께의 공작물에 대하여는 통과측, 정지측 모두 링 게이지를 사용하고 있다
[표5-2] 축용 한계 게이지의 종류와 치수 범위
1) 링 게이지(ring gauge) 지름이 작은 것이나 두께나 얇은 공작물의 측정에 사용된다. 링 게이지는 스냅 게이지에 비하여 가격이 비싸지만 테일러의 원리에 따라 통과측에는 링 게이 지를 사용하는 것이 바람직하다.
2) 스냅 게이지(snap gauge) 스냅 게이지를 사용한 방법은 일반적으로 측정 압력이 작용하므로 취급에 주 의하여야 한다. 조립식(multiple gauge라 고도하며, 0.8~12mm의 것이 있음)은 고정식 게이지로 만들면 비경제적이므로 적은 수의 부품을 검사할 때 유리하 다. 이것은 마모되면 측정 면을 수정할 수 있고, 또 중간에 끼우는 블록(block) 게이지의 검사에 원통형의 검사 게이지를 사용할 수 있으며, 지름이 100mm 까지는 원판 게이지 그 이상의 것은 원통 게이지를 사용한다. 스냅 게이지는 테일러의 원리에 따라 정지측에만 사용하는 것이 좋으나, 게이 지 원가가 싸고, 사용상 편리성, 축의 형상오차가 작다는 것 등을 고려하여 통 과측, 정지측 모두 사용하고 있다.
스냅 게이지는 고유치수와 작동치수로 구별되는데, 고유치수는 힘을 받지 않 을 때 까지는 치수이고, 작동치수는 연직으로 한 스냅 게이지를 주의 깊게 가 만히 정지시켰다 놓았을 때 사용하중에 의하여 통과하는 점점 게이지의 지름 이다. 작동치수와 고유치수의 차이는 스냅 게이지의 형상, 탄서으 마찰계수 및 사용하중과 관계가 있다, 조절식 한계 게이지는 게이지 버튼 또는 슈우(shoe) 를 조정하여 치수를 맞출 수 있도록 설계된다. 조절식 게이지의 치수 조절은 검사의 대상이 되는 공작물의 수량이 많아 게이지의 치수를 결정하는 부분이 마멸되어 치수 조절이 가능하다. 유사치수의 공작물을 검사할 때에도 치수를 조절함으로서 사용이 편리하다. 그러므로 통과측에 부여하는 마모여유를 부여 하지 않는다, 이 조정식 스냅 게이지를 사용하면 다품종 소량생산의 공작물 검 사에 유리하다.
(3) 기타의 한계 게이지
이상의 구멍과 축 이외의 폭, 길이 단의 깊이와 높이, 원호 등을 측정할 수 있는 게이지가 있고, 이것들은 주로 판 게이지(profile gage, template gage)되어 있다 KS방식에 의한 한계 게이지 설계
(1) KS에 의한 한계 게이지 방식
한계 게이지의 치수차. 공차를 정할 경우에 고려사항은 다음과 같다. 1) 제품의 한계 치수를 확실하게 지킬 수 있도록 되어 있는가? 2) 통과측 게이지의 마모여유를 필요로 하며, 그 양은 적당한가? 3) 정지측은 마모되더라도 제품에 지장을 미칠 수 있을 정도로 제품공차에 게이 지 공차가 먹어 들어가거나 밖으로 지나치게 벗어나 있지 않은가? 4) 위치도, 동심도의 양자에 의해 게이지공차의 점유되는 양이 지나치게 많아 제 품 공차를 부당하게 축소시키고 있지 않은가? 5) 검사용. 공작용의 2종류의 게이지로 적용시켰을 때 공작용 게이지에 합격한 것 이 반드시 검사용 게이지에 합격하도록 되어 있는가?
(2) 한계 게이지 설계
1. 구멍용 플러그 한계 게이지(PULG GAGE) (ISO, KS, JIS방식)
ㄱ. 통과측 : (구멍의 최소치수+마모여유)±게이지공차/2 편측공차환산=(구멍의 최소치수+마모여유-게이지공차/2)+게이지공차 ㄴ. 정지측 : (구멍의 최대치수)±게이지공차/2 편측공차환산+(구멍의 최대치수+게이지공차/2)-게이지공차
[그림5-1] 구멍용 플러그 한계 게이지
설계보기)) 호칭치수 35K6(35+0.003-0.013)인 구멍을 검사하기 의한 PLUG GAGE의 설계 (호칭치수 35, 제품공차 0.016, 마모여유 0.004, 게이지공차 0.0025) ㄱ. 통과측 : (34.987+0.004)±0.0025/2 (34.987+0.004-0.0025/2)+0.0025=34.98975+0.00250 ㄴ. 정지측 : 35.003±0.0025/2 (35.003+0.00125)=35.004250-0.0025
2. 구멍용 플러그 한계 게이지(PLUG GAGE) (MI S-STD방식)
ㄱ. 통과측 : (구멍의 최소치수+마모여유(w))+게이지공차(G) ㄴ. 정지측 : (구멍의 최대치수)-게이지공차(G)
설계보기)) 호칭치수 35+0.003-0.013인 구멍을 검하사기 의한 PLJE GAGE의 설계 (호칭치수35, 제품공차0.1, 마모여유0.001, 게이지공차0.0015) ㄱ. 통과 : (34.987+0.001)=34.988+0.00150 ㄴ. 정지 : 35.0030-0.0015
3. 축용 링 및 스냅 한계 게이지(RING AND SNAP GAGE)(ISO, KS, JIS방식)
ㄱ. 통과측 : (축의 최대치수-마모여유(w))±게이지공차(G)/2 편측공차환산=(축의 최대치수-마모여유+게이지공차/2)-게이지공차 ㄴ. 정지측 : (축의 최소치수)±게이지공차(G)/2 편측공차환산=(축의 최소치수-게이지공차/2)+게이지공차
설계보기)) 호칭치수 88m5(88+0.028+0.013)인 축을 검사하기 위한 RING AND SNAP GAGE의 설계 (호칭치수 88, 제품공차 0.015, 마모여유 0.005, 게이지공차 0.004) 통과측 : (88.028-0.005+0.004/2)=88.025-0.0040 정지측 : (88.013-0.004/2)=88.0110-0.004
(4) 축용 링 및 스냅 한계 게이지(RING AND SNAP GAGE) (MI L-STD방식)
통과측 : (축의 최대치수-마모여유(w))-게이지공차(G) 정지측 : (축의 최소치수)+게이지공차(G)
설계보기)) 호칭치수 88+0.028+0.013인 축을 검사하기 위한
1. RING GAGE의 설계 (호칭치수 88, 제품공차 0.015, 마모여유 0.005, 게이지공차 0.002) ㄱ. 통과 : (88.028-0.005)-0.005=88.0230-0.002 ㄴ. 정지 : (88-0.013)=87.987+0.0020 2. SNAP GAGE의 설계 설계방법은 구멍용 한계 게이지와 동일
위치도 검사 게이지 설계(ISO, KS, JIS방식)
1. 검사할 제품이 구멍일 경우
보기 1. MMC 방식 게이지 핀의 치수 : (구멍의 최소치수-위치도)±게이지공차(G)/2 ※ 위치도는 10% 마모여유는 주지 않는다 보기 2. 좌표공차방식 게이지 핀의 치수 : (구멍의 최소치수-구멍간 거리(Total 공차의 1/2)) ±게이지공차(G)/2 게이지 핀간 거리 공차 : 구멍간 거리 Total공차의 ±5%적용 0.0025~0.0127 ※ 마도여유는 주지 않는다
동심도 검사 게이지(MMC 적용) 설계 (ISO, KS, JIS방식)
1. 검사할 제품이 구멍일 경우
기준부위 치수 : (구멍의 최소치수)±게이지공차(G)/2 동심부위 치수 : (구멍의 초소치수-동심도)±게이지공차(G)/2 ※동심도는 10% 마모여유는 주지 않는다
[그림 5-4] 동심도 검사 게이지(MMC 적용)
2. 검사할 제품이 축일 경우
기준 부위치수 : (축의 최대치수)±게이지공차(G)/2 동심 부위 치수 : (축의 최대치수+동심도)±게이지공차(G)/2 ※동심도는 10% 마모여유는 주지 않는다.
위치도 검사 게이지 설계(MI L-STD방식)
1. 검사할 제품이 구멍일 경우
보기1. MMC적용 게이지 핀의 치수 : (구멍의 최소치수-위치도)+게이지공차(G) ※위치도 10% 마모요유는 주지 않는다 보기2. 좌표공차 적용 게이지핀의 치수 : (구멍의 최소치수-구멍간 거리(Total 공차의 1/2))+ 게이지공차 게이지핀간 거리공차 : 구멍간 거리 Total 공차의 ±5%적용 0.0025~ 0.0127 ※마모요유는 주지 않는다.
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