생산 균형 유지를 통해 효율적인 가공 실현

필자: Patrick de Vos, Seco Tools 기업 기술 교육 매니저

 

제조업체는 서로 다른 피삭재 재질로부터 다양한 부품을 생산하면서 여러 가공 공정을 활용한다. 그러나 모든 제조업체의 공통된 목표는 지정된 시간 안에 적절한 비용으로 원하는 품질의 피삭재를 원하는 수량만큼 제작하는 것이다. 많은 제조업체는 이 목표를 달성하기 위해 공구 선정과 적용과정에서 사후 대응으로 문제를 해결하는 미시적 모델을 따르고 있다. 그러나 이러한 접근 방식을 역으로 활용하면 비용을 절감하고 효율성을 높일 수 있다. 문제가 발생할 때까지 기다린 후 개별 가공 공정을 조정하는 대신, 제조업체는 먼저 불합격 부품과 예상치 못한 작동 중단 시간이 발생하지 않도록 사전에 계획된 선제적 방식에 초점을 맞춰야 한다. 안정적이고 신뢰할 수 있는 공정을 확립한 후에 생산 경제학 개념을 적용하면 제조업체는 생산율과 제조 비용 사이의 균형을 찾을 수 있다. 그리고 안전하고 경제적으로 효율적인 공정의 토대를 마련하여 가공 공정에 완벽하게 최적화된 공구 및 절삭 조건을 선택할 수 있다.

 

생산 경제학

금속 절삭을 최적화하기 전에 안전하고 믿을 수 있는 공정이며, 결함 부품이나 예상치 못한 작동 중단 시간을 줄일 수 있는지 먼저 확인해야 한다. 공정 안전성을 보장하려면 안정적인 생산 환경을 조성해야 한다. 이를 위해 기계 공구의 유지보수, CAM 프로그래밍, 공구 홀딩 시스템, 절삭유 사용 등의 영역을 제조업체에서 분석해야 한다. 평가에서 팔레트나 로봇형 제품 적재 시스템과 같은 작업 처리의 자동화도 중요하다. 생산 경제학의 학술 분야에서는 높은 생산성과 낮은 제조 비용을 유지하면서 최대한의 안전과 제조 공정의 예측 가능성을 보장하는 데 초점을 맞춘다. 금속 절삭 공정과 환경이 안전하고 예측 가능한 경우 두 가지 차원의 목표를 추구한다. 하나는 제조업체의 특정 상황에 적절한 생산량과 제조 비용 사이의 균형을 찾는 것이다. 단순 부품의 대량 생산에서는 최소의 비용으로 생산량을 극대화하는 것이 주요 고려 사항이다. 반면, 까다롭고 복잡한 부품과 같은 다품종 소량 제조 환경에서는 제조 비용을 해결하기 전에 먼저 전반적인 안정성과 정확성에 초점을 맞춰야 한다.

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불시의 중단 시간 최소화

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제조자원을 최대한 활용하려면 작동 중단 시간을 최소화해야 한다. 작동 중단 시간이란, 장비가 칩을 만들지 않는 시간을 말한다. 일부 필요한 작동 중단 시간은 미리 계획된다. “오래 걸리는 프로그래밍, 기계 공구 유지보수, 고정 장치 설치, 피삭재 적재, 공구 변경 작업 등이 있다. 제조업체는 생산 일

정에서 계획된 작동 중단 시간을 고려해야 한다. 그러나 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 문제 발생으로 생산이 중단되면 그제서야 해결 방안을 찾는 대응적인 방식이 사용되었다. 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 작업 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. 생산율 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 발생하여 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.

 

 

미시적 관점과 거시적 관점

금속 절삭 생산량을 극대화하는 방법은 개별 작업에서 개별 공구를 최적화하는 좁은 관점의 미시적 모델에 기반한다. 반면, 거시적 모델은 좀 더 넓은 관점에서 제조 공정을 바라본다. 이 모델은 지정된 피삭재를 생산하는 데 필요한 전체 작업장 간 시간에 초점을 맞춘다. 미시적 경제 모델과 거시적 경제 모델 사이의 관계를 그림을 그리면 예술가의 관점에 비유할 수 있다. 미시적 모델은 예술가가 한 번의 붓 놀림에 집중하는 것과 같이 세부적인 부분에 집중한다. 하지만 거시적 모델은 그림 전체를 바라보듯이 한발 물러나 부품 생산 공정 전반을 바라본다. 세부적인 부분에도 관심을 기울여야 하지만, 전반적인 제조 목표를 잊어서는 안 된다.

 

숨겨진 비용

세부 사항에 지나치게 집착하면 최종 공정 결과를 효과적으로 파악할 수 없다. 준비와 인덱싱에 10분이 더 소요되는 추가 공구를 사용해서 절삭 시간을 10초 줄인다면 전혀 효율적이지 않는 것이다. 마찬가지로 고객 요구 사항을 넘어서서 너무 높은 품질의 제품을 제작할 경우 비용과 생산 시간이 증가한다. 이런 경우 “최악의 피삭재를 생산하는 데 드는 시간과 비용은 어느 정도인가, 이러한 공정도 과연 기능상 허용 가능한가”를 진지하게 고민해봐야 한다.

 

 작업 비용

가공 비용 모델 역시 미시적/거시적 관점으로 표현할 수 있다. 미시적 경제 모델은 절삭 조건을 절삭 비용에 직접 연결하여 좁은 관점에서 절삭 공정을 이해한다. 거시적 경제 모델은 더 넓은 관점을 통해 지정된 피삭제를 생산하는 데 필요한 전반적인 시간을 강조한다. 제조업체는 일정 기간에 완성된 피삭재에서 공정을 완료하는 데 필요한 전체 기간에 이르기까지 다양한 방식으로 생산율을 측정한다. 피삭재 형상 요구 사항, 재질 특성, 전체 설비에서 제품 흐름, 인력 투입, 유지보수, 주변 장치 및 환경, 재활용, 안전 문제를 비롯해 다양한 요인이 생산율에 영향을 미친다(사이드바 참조).

일부 제조 비용 요소는 고정되어 있다. 피삭재 복합성과 재질은 일반적으로 부품을 만드는 데 필요한 가공 작업 유형과 수를 결정한다. 설비의 기계 공구를 확보하고 유지 보수하는 비용과 가동 동력은 기본적으로 고정된 비용이다. 인건비는 다소 유동적이지만 단기적으로 봤을 때 고정된 요소이다. 이 비용은 가공 부품의 판매 수익으로 상쇄해야 한다. 피삭재를 완성품으로 만드는 생산 속도가 향상되면 고정 비용이 상쇄된다.

 

 개별 작업 최적화

제조업체는 거시적 관점에서 공정의 전반적인 생산성과 비용 효율성 사이에 균형을 유지하고 최적화한 후, 개별 작업을 신중하게 최적화하여 추가적으로 개선 효과를 볼 수 있다. 절삭 깊이, 이송 속도, 절삭 속도와 같은 절삭 조건은 생산성과 비용의 균형을 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 이 세 가지 중 하나 또는 모두가 가공 시간을 줄이는 데 기여할 수도 있지만, 공정 안정성에 미치는 효과는 저마다 다르다. 절삭 깊이는 특히 공구 수명에 영향을 주지 않고, 이송 속도는 공구 수명에 약간의 영향을 준다. 반면 절삭 속도는 공구 수명은 물론, 절삭 공정의 안정성을 결정하는 가장 중요한 요소이다. 많은 작업장 관리자가 절삭 속도를 높여 일정 기간에 많은 부품을 만들면 제조 비용이 줄어든다고 생각한다. 일반적으로는 맞는 말이지만, 이때 상쇄 효과가 발생한다. 보통 공정이 빠를수록 안정성이 떨어지기 때문이다. 또한 빠른 절삭 속도는 공구와 피삭재 모두에서 더 많은 열이 발생한다. 공구는 더 빨리 마모되고 예측성이 떨어지며, 공구 마모나 진동으로 인해 부품 치수가 변하거나 표면 조도가 나빠질 수 있다. 공구가 피삭재를 부수거나 흠집을 낼 수도 있다. 또한 인건비를 절약할 수 있는 가능성을 배제하면서 신뢰성이 중요한 공정을 관리하지 않고 방치해서는 안 된다. 매우 높은 절삭 속도와 적극적인 가공 변수적용에는 장비 유지보수 비용이 추가될 수 있으며, 심지어 기계 고장으로 인해 가동 중단이 초래될 수도 있다.

 

20세기 초에 미국의 기계 엔지니어 F.W. Taylor는 이러한 문제를 인식하고 공구 수명을 평가하는 모델을 개발했다. 이 모델은 주어진 절삭 깊이와 이송의 조합에서 안전하게 공구의 열화를 예측하고 제어할 수 있는 특정 절삭 속도의 범위가 있음을 보여준다. Taylor의 이 모델은 비용 효율성과 생산성의 균형을 맞추고 작업에서 최적의 절삭 속도에 대한 명확한 정보를 제공하며 절삭 속도, 공구 마모, 공구 수명 사이의 관계를 정량화한다. 일반적으로 제조업체는 공구 클램핑, 피삭재 고정 장치 및 기계 공구의 안정성과 장비 동력에 따라 각 작업에서 가능한 최고의 절삭 깊이와 이송 속도를 선택해야 한다. 칩 형성 및 배출, 진동, 피삭재 변형과 관련하여 작업 안정성도 고려해야 한다. 균형 잡힌 접근 방식은 이송과 절삭 깊이의 상승에 비례하도록 절삭 속도를 줄이는 것이다. 가장 깊은 절삭 깊이를 사용해서 필요한 절삭 패스의 수를 줄이면 가공 시간이 단축된다. 이송 또한 최대화해야 하는데 이송이 과도하면 피삭재 품질과 표면 조도의 요구 사항이 영향을 받을 수 있다. 대부분 절삭 속도를 유지하거나 줄이고 이송과 절삭 깊이를 증가시키면 절삭 속도만 더 높였을 때 도달 가능한 수준으로 금속 제거율을 증가시킬 수 있다. 생산 비용은 공구 비용과 기계 비용을 합한 금액이다. 절삭 속도가 증가하면 가공 시간은 짧아지고 기계 비용은 감소한다. 그러나 특정 시점이 지나면 공구 수명이 짧아져 공구 비용이 증가하고 공구 변경이 기계 비용으로 인한 절감 효과를 상쇄하기 때문에 전반적인 비용이 증가한다. 이송과 절삭 깊이의 조합이 안정적이고 신뢰할 수 있을 때의 절삭 속도는 공정의 최종 보정에 적용할 수 있다. 목표는 높은 절삭 속도에서 기계 비용을 감소시키는 것이지만 공구 마모의 가속화로 인해 절삭 공구 비용이 과도하게 증가되어서는 안 된다.

 

 절삭 외 문제

환경 및 안정성 문제는 생산 경제학에서 최근 부각되는 과제이다. 이와 관련해 제조업체는 에너지를 보존해야 한다는 부담을 안고 있다. 냉각수 및 절삭유의 사용과 처분에 관한 규정도 늘어나고 비용도 높다. 절삭 조건에 대한 균형 잡힌 접근 방식은 제조업체가 이 문제나 유사한 과제를 해결하는 데 도움을 준다. 절삭 속도를 낮추는 동시에 이송을 늘리고 절삭 깊이를 줄이면 금속을 제거하는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있다. 균형 잡힌 조건은 공구 수명을 늘리고 공구 소비와 처분 문제도 줄인다. 에너지 소비가 감소하면 발생하는 열도 줄기 때문에 절삭유 가공을 없애거나 최소화할 수도 있다.

 

결론

생산 경제 개념을 채택하려면 가공 환경에 대한 전반적인 분석을 해야 하고 기존의 금속 절삭 관행에 반하는 사고 방식을 수용해야 한다. 하지만 이 권장되는 전략을 실행하면 비용을 절감하고 피삭재의 품질을 향상시키는 한편 전체적으로 안정적이고 신뢰할 수 있는 제조 공정에서 생산성 및 수익성을 유지하면서 더욱 환경 친화적인 생산을 할 수 있다.

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전체 설비 관점

거시적 관점에서 가공 공정을 고려할 경우 개별 금속 절삭 공정을 고려할 때보다 더 다양한 이점을 활용할 수 있다. 넓은 시야에서는 모든 생산 단계의 상호 관계를 고려할 수 있다. 간단한 예를 들고자, 부품 하나를 생산하기 위해 한 계열에서 두 개의 기계 공구를 사용하는 상황을 가정한다. 기계 A는 생산량 향상에 초점을 맞춰 최적화되었지만 기계 B는 향상시킬 수 없는 경우 첫 번째 기계의 부품은 두 번째 기계를 기다리는 동안 재고에서 반제품으로 방치되므로 비용이 증가한다. 이 경우 첫 번째 기계에서 생산량 대신 절삭 비용을 최적화하면 전반적인 가공 비용을 낮추면서 생산량을 유지할 수 있다. 반면, 기계 B가 기계 A에서 부품 가공을 기다리는 상황이라면 첫 번째 기계의 생산량을 늘려 전체 생산량을 증가시킨다. 많은 부분이 작업장의 생산 흐름 구성 방식(라인, 배치 또는 병렬 순서)에 따라 달라진다. 기계 공구 취득 비용도 제조업체의 전반적인 비즈니스와 관련하여 평가할 수 있다. 일반적으로 한 주 동안 40시간씩 밀링 기계를 가동하는 작업장에서 더 비싸고 정교하며 빠른 속도의 기계로 바꾸려는 상황을 가정한다. 그러나 새 기계를 준비하고 가동하면 절반은 유휴 상태로 보내야 한다.

 

작업장은 이 문제에 직면해 새 기계를 계속 사용하도록 작업량을 늘리면서 새 기계에 대한 투자를 정당화한다. 하지만 새 기계 능력을 모두 활용하는 작업이 작업장의 다른 나머지 작업이나 시장에 맞지 않을 수도 있다. 이 경우 더 나은 방법은 더 큰 시야를 갖고 새 기계의 늘어난 생산량으로 얻을 수 있는 장단점을 비교하는 것이다. 더 저렴하고 다소 구식인 기계가 현재와 예상되는 부품 요구 사항 및 생산량에 더 적합할 수도 있다. 이전 기계와 함께 더 신중하게 선택한 공구를 사용하면 탄력성을 늘리고 여분의 공정을 보장하여 계획되거나 계획되지 않은 기계 작동 중단 시간에 대처할 수 있다.

공정 최적화에 대한 포괄적인 시야를 견지할 경우 매우 단순하고 기본적인 조치와 분석도 수반되어야 한다. 사용한 공구에 대한 검사를 수행하면 작업장의 진행 상황을 파악할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 작업장이 12mm 길이 절삭 인선의 인서트를 사용하지만 공구 마모 패턴이 아직 2mm 또는 2½mm인 경우 현재 작업에 너무 큰 인서트를 사용하고 있음을 의미할 수도 있다. 이 경우 6mm 절삭 인선의 공구로도 충분히 적합할 수 있다. 6mm 길이 절삭 인선의 공구는 12mm 절삭 인선의 공구보다 훨씬 더 저렴하다. 이러한 단순한 관찰을 통해서도 생산성을 유지하면서 공구 비용을 50%나 절감할 수 있다.