단독 [TECH] 성공적 가공을 위한 '역방향' 접근 방식

[산업일보]
제조업체들은 여러 종류의 피삭재 재질로 끝없이 다양한 부품을 만들어내기 위해 여러 가공 공정을 채택하고 있다. 이와 관련된 방법 및 결과물은 매우 다양하지만 제조업체들의 공통된 목표는 정해진 수량의 부품을 원하는 품질로 정해진 시간 안에 적절한 비용으로 생산하는 것이다.대부분의 제조업체에서는 고품질 부품 가공 시 수익성을 향상하기 위해 공구 선택과 적용으로 시작해 대응적인 방식으로 문제를 해결하는 미시적 방식을 따르고 있다. 그러나 최근 연구 결과는 전체 가공 공정 중 3가지 주요 구성 요소 또는 측면에 초점을 맞추고 이러한 접근 방식을 역으로 취할 것을 제안하고 있다.

제조업체는 전체 가공 공정의 점검부터 시작해 목표 달성에 심각한 장애를 초래할 수 있는 불합격 부품이나 예기치 못한 중단 시간을 없애는 데 중점을 둬야 한다. 안정적이고 신뢰할 수 있는 공정을 확립한 후에는 생산 경제 분석을 수행해 생산 속도와 제조 비용의 균형을 맞춰야 한다. 마지막으로 가공 공정을 완벽하게 최적화할 수 있도록 절삭 조건과 공구를 신중하게 선택해야 한다.

제품 품질을 일관되게 유지하는 것은 모든 제조업체가 공통으로 추구하는 가장 중요한 목표이다. 가공된 부품이 고객이 요구하는 수준의 품질을 달성하지 못할 경우 부품의 수량, 가공 속도 혹은 비용 효율성이 아무리 뛰어나도 의미가 없다.

품질 표준에는 공차, 표면 조도, 부품의 일관성 등이 있다. 제조업체들은 언제나 부품 품질이 양호한 수준이며 자사 가공 시 이 품질을 가장 중요하게 다룬다고 주장한다. 그러나 이러한 주장은 대체로 낙관적이거나 자기 기만적이며, 실제 제조 산업에서는 상당 비율의 불량품이 생산돼 재작업이 필요하거나 폐기돼야 하는 경우가 많다.

불량품 생산은 재질, 노동력, 가공 시간뿐 아니라 생산 계획에 차질을 발생시키며 비용 또한 증가시킨다. 일부 작업장은 불합격 부품 발생률을 생산 일정 계획에 포함시켜 신뢰성 또는 예측 가능성에 대한 환상을 만들어내기도 한다. 고객이 10개의 부품을 요청할 경우 2개의 부품이 손실/폐기될 것을 대비해 12개 부품의 가공을 준비하는 것이다. 이러한 노력으로 자원과 시간이 낭비되며 품질 미달 부품이나 불필요한 재고가 발생하게 된다.


결함 있는 부품은 생산 공정 중 하나 이상의 요소가 잘못 이해되거나 통제되지 못할 때 발생한다. 일부 제조업체는 부품 문제에 대응해 생산 공정의 일부 측면 조작과 같은 결론적으로는 중요하지 않은 일에 상당한 노력을 기울이지만, 이로 인해 공정의 중요한 측면을 놓치게 되는 경우가 있다.

예를 들어 사이클 타임을 단축해 최대 생산량을 달성하는 데만 신경을 쓰면 금속 가공 작업의 신뢰성이 저하될 수 있다. 작업을 항상 극한의 성능으로 진행하다 보면 그러한 극한을 넘어설 경우 불합격 제품과 함께 시간과 비용 손실이 발생한다. 부품 생산은 가공 공정의 안전을 기할 수 있는 가공 변수와 함께 균형을 맞춰야 한다.

반면에 불합격 제품이 가공 공정의 구성 요소와 별개의 문제로 인해 발생할 수도 있다. 예를 들어 한 우주항공 제조업체의 경우, 가공 후 버가 남아 있던 특정 부품군을 고객이 반품하는 일이 발생했다. 디버링 작업은 부품 비용을 20% 높이는 수동 작업을 필요로 하므로, 생산 출력에 앞서 버 생성을 차단하는 문제를 우선적으로 고려해야 한다.

제조 자원을 최대한 활용하려면 중단 시간, 즉 기계 공구가 칩을 만들어내지 않는 시간을 최소화해야 한다. 기계 공구의 프로그래밍과 유지보수, 고정 장치의 설치, 피삭재 적재 및 하적, 툴링 변경 시에는 중단 시간이 필수적으로 발생하며 이는 계획된 중단 시간이다.

제조업체는 생산 일정에서 계획된 중단 시간을 고려해야 하나, 불합격 부품이 생산될 경우 불시의 중단 시간이 발생한다. 불합격 피삭재는 재가공이 필요하기 때문에 이를 가공한 최초의 시간에 불시의 중단 시간이 더해져 시간이 낭비된다.


이전에는 작업장에서 불시의 중단 시간을 줄이기 위해 문제 발생으로 생산이 중단되면 그제서야 해결 방안을 찾는 대응적인 방식이 사용됐다. 하지만 이처럼 부정적인 상황이 발생한 후에 대응하기보다는, 처음부터 작업의 목표를 설정하고 이에 따라 작업을 진행시키는 사전 계획 방식이 더욱 효과적이다. 대부분의 작업장은 20%의 시간을 준비 작업에, 이후 80%의 시간을 구현 및 테스트 작업에 소비한다. 그보다는 80%를 준비 작업에 투자하고 나머지를 구현 및 필요에 따른 조정에 투자하는 편이 바람직하다.

가공 작업을 준비하려는 작업장은 목표를 분석한 뒤 목표 달성을 위해 신뢰할 수 있는 공정을 개발해야 한다. 생산 속도 향상이 항상 기본적인 목표일 수는 없다. 자동차 부품 생산과 같은 일부 제조 환경은 고도의 대량 생산 체제를 유지할 수 있지만, 일반적인 제조 환경은 점차 다품종 소량 체제로 전환되고 있다.

대량 생산 체제에서는 가공 공정 개발 시 50개 또는 100개의 부품 손실이 발생해 장기적으로는 수십만 개의 손실로 이어지더라도, 전체 생산량과 비교하면 매우 작은 비율에 지나지 않아 쉽게 처리가 가능하다. 그러나 다품종 소량 체제에서는 부품 제작을 시작하기 전에 공정을 최대한 완전히 개발해야 하며 소규모 배치, 한자릿수의 로트 사이즈, 맞춤형 단일 부품이 제작될 수도 있다. 이러한 경우 단 몇 개의 부품에 불합격 판정이 나도 수익과 손실의 차이가 발생하게 된다.

사전 공정 분석
가공 작업의 사전 분석은 이것 하나만 놓고 보면 시간 낭비일 수 있으나, 결과적으로 매우 큰 가치가 있다. 금속 절삭 공정은 피삭재 구성 및 재질, 장비 공정 기능 및 데이터, 공구/툴링 시스템, 인력 요인, 외부 장비 및 유지보수 문제를 비롯한 여러 가지 요인으로부터 영향을 받는다.

제조된 제품의 최종 용도와 제품의 재료에 해당하는 피삭재 재질은 공정의 신뢰도에 영향을 주는 수많은 주요 요인을 결정한다. 예를 들어 니켈계 합금 재질의 중요한 우주항공 부품을 가공할 때는 피삭재 재질의 열전도율과 경화되는 경향을 고려해 분석해야 한다. 날카로운 절삭 공구에 보수적인 가공 변수를 적용하면 생산성과 생산 일관성 간의 균형을 맞출 수 있다.

반대로 알루미늄 피삭재는 자유로운 가공이 가능하나 최대한 날카롭고 마모에 강한 절삭 공구를 사용해야 재질의 마찰을 견딜 수 있다. 칩 제어 공구 형상, 고압 절삭유 및 기계 공구 칩 컨베이어와 같은 칩 관리 외부 장치도 알루미늄 가공 작업의 신뢰도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

CNC 및 자동화 시스템은 가공 작업의 예측 가능성을 크게 높일 수 있으나, 이러한 장비의 효과적인 활용 여부는 작업자의 조작에 따라 달라진다. 정보가 부족하거나 부주의한 상태로 프로그래밍할 경우 고도로 자동화된 시스템에서 결함 있는 부품이 생산될 것이다(금속 작업 기술 교육과 관련된 내용은 사이드바 참조). 작업자의 조작은 불시의 중단 시간이 발생하는 것을 막기 위해 피삭재의 적재 및 고정, 생산 장비의 지속적인 유지보수가 적절하게 이루어져야 하는 작업 현장에도 중요한 요인으로 작용한다.

모든 제조업체의 공통된 목표는 정해진 수량의 피삭재를 원하는 품질로 정해진 시간 안에 적절한 비용으로 생산하는 것이다. 그러나 부품이 낮은 단가로 빠르게 제작돼도 불합격 판정을 받는다면 아무 의미가 없기 때문에, 원하는 수준의 품질을 달성하는 것이 가장 중요하다. 여러 제조업체에서는 미시적이고 개별적인 관점으로 부품의 품질 문제를 해결한다. 그러나 전체적인 제조 목표를 분석한 다음 이러한 결과 달성을 위해 공정 조정 작업을 사전에 계획하는 것이 더욱 효과적이다.

신뢰할 수 있는 우수한 품질의 부품 생산 공정을 개발한 후에는 비즈니스의 생존을 위한 수익성 확보를 위해 제조업체가 처한 환경의 생산 경제를 고려해야 한다. 그리고 마지막으로 절삭 조건 및 절삭 공구를 선택함으로써 공정을 완벽하게 최적화하고 이를 기반으로 생산 결과를 극대화할 수 있다.

정보력을 바탕으로 한 금속 절삭 기술
가공 기술은 툴링 재질 및 형상의 발전, 기계 공구의 성능 및 정확도 향상, CNC 소프트웨어 시스템을 통한 데이터 관리 입력을 포함해 나날이 발전을 거듭하고 있다.

가공 기술과 이를 적용하는 데 필요한 지식 간의 연관성은 점점 더 중요해지고 있으나, 작업자 자체가 새로운 가공 기술을 만들어내기 위한 강도 높은 연구와 개발 노력의 대상이 될 수는 없다. 또한 제조 산업 전반적으로 우수한 가공 지식을 대량으로 보유한 작업자는 점점 줄어들고 있다.

Seco는 제조업체에서 금속 절삭 가공의 증가하는 복잡성을 인식하고 이를 완전히 활용할 수 있도록 STEP(Seco 기술 교육 프로그램)을 개발했다. 회사에서는 직원들을 교육해 Seco 고객이 최고 수준의 교육을 이수한 금속 절삭 전문가로부터 상담을 받게 할 수 있다. STEP은 또한 급속하게 변화하는 산업계에서 고객과 관계를 유지하고 회사의 최대 생산 효율을 달성할 수 있도록 설계됐다.

금속 절삭 기술을 개발할 때는 다양한 시나리오를 비교하는 과정이 매우 중요하다. 예를 들어 상이한 응용 분야에는 새 공구가 필요하거나, 그에 대한 대안으로 절삭 기법을 수정해 특정 피삭재 재질의 기계 가공성을 개선할 수 있다. 제조업체는 STEP을 통해 얻은 지식으로 Seco 및 기타 산업 공급자가 제공할 수 있는 생산적 대안을 확인할 수 있다.

STEP은 교육 강좌와 교육 세미나, "Metal Cutting, Theories and Models", "Metal Cutting, Theories in Practice"와 같은 Seco 발간 인쇄 자료를 통해 체험할 수 있다. 이 프로그램은 현재 3가지 점진적 단계로 구성돼 있다. STEP Core 커리큘럼은 기술자 수준의 교육을 목표로 가공 및 툴링 기술을 상세하게 소개한다. STEP Advanced 커리큘럼은 Core 커리큘럼을 더욱 발전시켜 기술 전문가 수준의 지식을 제공한다. NEXT STEP은 제조 및 생산 경제 자료를 추가해 기술 전문가에게 학술적 수준의 교육을 제공한다. 즉 STEP 프로그램은 생산성과 비용 절감, 피삭재 품질의 대폭 개선을 도모해 금속 절삭 사업의 경쟁력 향상을 지원한다.