Kapp Niles, 기어 휠 생산 사이클 34초

자동차 산업은 경쟁력을 유지하기 위해 생산 시간을 줄여야 한다. 그런데 수십 년간 최적화해 온 생산 시간을 어떻게 줄일 수 있을까? 하지만 독일의 카셀 Volkswagen 공장 기어 제조 분야는 이를 정말로 줄이고 있다.

마틴 비취(Martin Witzsch): 프리랜서 저널리스트

핵심 내용

– 자동차 산업이 기어에 제시하는 요건이 점점 까다로워지고 있다. 하지만 이를 경제적으로 이행해야 한다.

– 이 과제를 성공적으로 해결하기 위해서는 올바른 가공 시스템과 불량 없이 높은 부품 생산성이 중요하다.

– Volkswagen 카셀 공장도 Audi 변속기 DL 382 기어 스카이빙과 관련하여 이러한 압력에 노출되어 있다.

– 카셀 공장은 기어 휠을 생산하기 위해 Kapp Niles의 기어 센터를 사용하고 있으며, 생산을 새로운 수준으로 끌어올렸다.

Volkswagen 카셀 공장은 약 17,000명이 근무하는 독일에서 두 번째로 큰 공장이다. Volkswagen은 이곳에서 승용차 기어를 제작하며 있으며, 현재는 10개 시리즈를 생산하고 있다. 생산 라인의 절반은 Kapp Niles의 기어 센터를 사용한다. Kapp Niles는 생산성과 품질을 결합하여, 드레싱이 가능한 공구를 적용한 스카이빙 전문 업체로 명성이 자자하다.

Kapp Niles 시스템은 Audi의 듀얼 클러치 변속기 DL 382 제작에 사용된다. 이 듀얼 클러치 변속기는 7개 기어단을 변속하기 위해 16개의 기어가 필요하다. 그중 10개는 연속 가공하고 6개는 호닝 가공하며, 수요에 따라 한 주에 5 ~ 7일 24시간 제작에 들어간다. Volkswagen은 부품 가공에서 하루의 EPEI(every part every interval) 값을 추구한다. 이는 하루에 DL 382 부품 스펙트럼 전체를 생산할 수 있다는 의미이다. 하지만 이와 같은 매끄러운 생산을 위해서 마찰 없는 프로세스와 높은 유연성이 필요하다. Volkswagen에서 DL 382 생산 절차를 책임지고 있는 기술 컨설턴트 크리스티안 한의 설명이다. “당사는 기어 휠 제작에 Kapp Niles의 기어 센터 5대와 샤프트 제작에 2대를 사용합니다. 기어 휠 제작 기계는 EPEI 값을 달성하기 위해 하루에 두 번 장비를 세팅하여 하루에 10가지 기어 휠을 제작하고 있습니다.”

그림 2: Kapp Niles의 KX 100 Dynamic은 Volkswagen에서 기어 휠 생산을 담당한다.

이처럼 유연한 생산 과정에서 문제는 짧은 사이클 타임이다. 하루 880개의 변속기 물량으로 인해 기어 휠 생산 기계는 1,760개의 부품을 만들어야 하고, 고장 시간과 셋업 시간까지 모두 합쳐 라인 사이클은 34초가 되어야 한다. Kapp Niles의 응용 기술자인 베른트 큄펠의 설명이다. “처음에 5초 ~ 6초를 단축하는 것이 말이 안 된다고 생각했습니다. 그 시간은 전체의 15%에 해당하는 시간입니다. 변경 불가한 시간 비율을 최소 40%라고 가정하면, 실제 프로세스 시간에서 30 ~ 40%를 줄여야 합니다. 이런 방식에서 34초는 정말 큰 시간입니다.”

Volkswagen은 총 7대의 Kapp Niles의 기계를 사용한다. 이 기계들은 상대적으로 콤팩트한 구조를 가지고 있으며, Volkswagen의 고도로 자동화된 생산에 매우 이상적이다. 이 기계 그룹은 기어 휠 제작을 위한 3대의 KX 100 Dynamic(그림 2)와 2대의 KX 260 Twin 그리고 샤프트 제작을 위한 KX 160 Twin 2대로 구성된다(그림 3).

그림 3: 샤프트 제작, 특히 불안정한 중공 샤프트를 제작하는 경우, Volkswagen는 Kapp Niles의 KX 160 Twin을 사용한다.

크리스티안 한과 베른트 큄펠은 원하는 사이클 타임이 여러 가지 조치를 조합해야 가능하다는 것을 잘 알고 있었다. 크리스티나 한은 매일 되풀이되는 셋업 시간을 최소화하기 위해, 하나의 기계에서 제작하는 휠의 보어가 동일한 크기여야 한다는 점에 유의하였다. 따라서 기계 셋업을 변경하더라고 클램핑 인터페이스는 변경하지 않아야 했다. 나머지 셋업 작업은 KX 100 Dynamic의 지능형 셋업 컨셉트로 최소화했다. 다시 설명하면 셋업 시간은 기계당 20 ~ 25분이다. “KX 100 Dynamic은 반자동 셋업으로 사용자 친화적입니다.”(베른트 큄펠)

전체 셋업은 알렌 렌치 하나로 가능하며, 이 렌치로 롤러 드레서의 유압 확장 척을 작동한다. 다른 모든 것은 HSK 인터페이스(중공 섕크 테이퍼)에 간단하게 연결되어 있다. 작업자는 기계 컨트롤 시스템의 안내와 시각적 지원으로 처리하고, 모든 것이 제대로 진행되었는지 확인 절차를 거친다. 이런 방식으로 비용이 많이 드는 고장을 사전 예방할 수 있다. 공구 드레싱은 솔리드 프로파일 롤러에서 이루어진다. 원통 웜의 모든 줄에 동시에 접근하여 성형할 수 있고, 5줄 솔리드 프로파일 롤러로 품질 손실 없이 드레싱 시간을 반 이상 줄일 수 있다(그림 5).

그림 5: 5줄 솔리드 프로파일 롤러로 품질이 저하될 것을 우려하는 일 없이 다른 구조에 비해 드레싱 시간은 절반 이상 줄일 수 있다.

내장된 측정 시스템도 시간을 줄여준다. 크리스티안 한의 설명이다. “셋업이 끝나고 기계 밖에서 매번 품질 점검을 대기합니다. 하지만 기계 내에 내장된 측정 프로브로도 품질과 관련된 요소를 본질적으로 점검할 수 있습니다. 따라서 외부 측정 결과가 나오기 전에 부품을 생산할 수 있습니다.” 외부 측정에서는 기어를 점검하고 기어 모니터링 측정 프로토콜을 작성할 수 있다.

연삭 공정도 최적화하였다. 메인 롤러 역할을 하는 것은 3M의 Cubitron-II 공구로, 종래의 드레싱이 가능한 연삭 웜에 비해 형태가 결정된 삼각 절삭 보디를 달고 있다. 크리스티안 한은 이 롤러의 장점을 다음과 같이 설명한다. “훨씬 강하게 접근할 수 있습니다. 한 줄에서 재료가 빠르고 더 많이 절삭됩니다.”

Kapp Niles는 이 공구의 장점을 DL-382 시리즈에도 적용하기 위해 사전에 수많은 연삭 테스트를 진행하였다. “CII로 부품에 열적 손상 없이 많은 칩을 제거할 수 있습니다. 부품에 따라서는 다른 공구로 가공하는 것보다 약 30% 빠르게 작업할 수 있습니다.”(베른트 큄펠)

이 생산 설비의 특징은 공장 전체를 통과하는 벨트를 연결하는 것이다(그림 7). 직원들은 이를 ‘하이웨이’라고 부른다. 하지만 사용 가능한 공간이 매우 제한적이기에 콤팩트한 KX 100 Dynamic 기계를 사용한다. 이 시스템에는 회전 가능하게 설치된 두 개의 독립적인 기둥이 있고, 이 기둥에는 각각 하나의 공작물 스핀들을 장착한 픽업 축이 수직으로 이동할 수 있도록 부착되어 있다. 공작물이 연삭 되는 동안, 다른 픽업 축이 가공한 공작물을 내려놓고 새로운 부품을 공작물 스핀들에 전달한다. 공작물은 작업 챔버 밖에서 정렬되고 공작물 스핀들은 가공 속도로 작업 챔버 안으로 선회할 수 있어 비생산 시간을 최소화할 수 있다.

그림 4: 운반 장치가 컨베이어 벨트의 로딩 및 언로딩을 담당한다. Volkswagen 담당자에 따르면 이 운반 장치는 다른 시스템에 비해 훨씬 저렴하다.

컨베이어 벨트의 로딩 및 언로딩을 담당하는 것은 운반 장치가 있다(그림 4). “일반적으로 기계 바로 아래에 있는 벨트로 운반합니다. 하지만 이러한 방식이 더 이상 가능하지 않습니다. 그래서 운반 장치를 이용하여 벨트와 기계 사이의 높이와 거리 차이를 해소하였습니다.”(베른트 큄펠) 이 장치는 콤팩트하지 않지만 효율적이다. 하지만 내장된 자동 장치가 기계 가격의 약 25%를 차지한다. 간단한 운반 장치도 기계 가격의 약 10%를 차지한다.

그림 6: 상대적으로 긴 중공 샤프트, 이 중공 샤프트의 까다로운 가공 공정은 KX 160 Twin 기계는 매우 우수하게 구사한다.

이 프로젝트에서 장비 개조와 시운전 시간이 별로 없었다. 시간당 부품 100개를 생산하고 100% 측정하는 기계 용량 검사를 포함한 시운전은 2016년 여름에 이루어졌고, 본격적인 조업은 9월 첫째 주에 시작되었다.

사이클 타임 외에 샤프트 제작 등에서 또 다른 문제를 해결하였다(그림 6). “샤프트는 가운데가 비어 있어 상대적으로 불안정합니다. 따라서 연삭 공정에서 불가피한 진동을 감쇠할 수 있는 특수한 클램핑 기술과 기계가 필요합니다.” KX 160 Twin은 중량감 있는 구조를 가지고 있어 이 조건이 가능하다.

Kapp Niles는 신속한 서비스를 보장하기 위해 Volkswagen 공장을 관리하는 직원 한 명을 카셀 공장에 상주시켰다. “우리는 어떤 상황이 발생하여도 바로 대응하여 생산에 차질이 없도록 보장합니다.”(베른트 큄펠). Volkswagen은 이러한 24시간 관리를 높이 평가하고 만족하고 있다

그림 7: Volkswagen 카셀 공장에서 하이웨이라 불리는 기어휠 컨베이어 벨트