안전한 선반 척 클램핑 프로세스

수직 선삭 시 공작물이 클램핑 시스템에서 느슨해지고 불안정해질 수 있다. 이에 대한 원인은 대부분 인적 오류에서 기인하는데, 클램핑이 불량하면 어떤 일이 발생하고 어떻게 대처해야 하는지, 이에 대한 전문가들의 견해를 들어 봤다.

공학박사 마틴 딕스 교수(Martin Dix): 프라운호퍼 공작기계 및 성형기술 연구소(IWU) 소장 겸 헴니츠 공과대학 IWP 생산 시스템 및 생산 프로세스 교수.

석사 막스 엥겔만(Max Engelmann): IWP 연구 직원 및 기술 신뢰성, 기계 동역학 및 센서 특성화 분야에서 활동.

석사 아드리안 암베로 로하스(Adrian Albero Rojas): 동 연구소 연구 직원. 기술 신뢰성 기록 및 비교성 연구.

공학박사 요아힘 레겔(Joachim Regel): IWP 생산 시스템 및 생산 프로세스 교수직으로 공작 기계 및 절삭 제조 기술 연구 부서 지도

핵심 내용

  • 선삭 가공 시, 공작물은 기계 타입에 따라 수평 또는 수직으로 클램핑된다. 안전 관점에서 수직 클램핑이 더욱 중요하다.
  • 수직 선삭 시 클램핑 오류는 중대한 사고로 이어질 수 있다. 사고 원인은 인적 요인과 기술적 요인이 있다.
  • 헴니츠 공과대학 연구원과 산학 파트너는 클램핑 오류를 방지할 수 있는 전체적인 평가 프로그램을 개발하였다.

수직 선삭 과정에서(그림 1), 공작물이 클램핑 척에서 풀린다면 이는 대부분 인적 요인으로 소급되는 경우가 많다. 이에 헴니츠 공과대학은 산학 파트너들과 협력하여 안전 측면에서 수직 선삭의 공작물이 클램핑에 실패할 경우, 그 인과 관계를 평가하는 프로그램을 개발하였다.

선삭 중에 공작물은 대부분 죠와 척으로 고정되며, 기계 유형에 따라 수평 또는 수직으로 고정된다. 공작물이 불안정하게 클램핑되는 경우는 수직보다는 수평 클램핑에서 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 클램핑된 공작물은 정지 상태이거나 저속일 경우 안정을 유지하고 있어, 작업자는 안전하다고 오인할 수 있다. 하지만 속도가 증가함에 따라 공작물의 운동 에너지와 잠재적 위험이 기하급수적으로 증가할 수 있다. 특히 공작물 수동 클램핑은 안전 측면에서 무시할 수 없는 인적 요인이 있다[1]. 공작물이 풀리는 경우, 클램핑 상태가 충분하지 않기 때문이며. 이는 독일 산업 보험의 사고 통계가 뒷받침하고 있다[2].

헴니츠 공과대학과 업계의 파트너는 “MTZ Dreh – 수직 선삭 중 공작물 클램핑의 인적, 기술적 신뢰성 기록과 비교”라는 프로젝트의 일환에서 이러한 사고의 원인을 조사하였다. 이 프로젝트의 목표는 지지대가 없는 수직 선삭의 공작물 클램핑이 실패할 가능성이 있는 경우, 그 인과 관계를 평가하는 프로그램을 개발하는 것이다. 여기에는 개선된 작업자 지침으로 기계 안전성이 향상되는 것을 포함한다. 따라서 그림 2에 표시된 접근 방식은 기술적 측면뿐만 아니라 인적 요인에도 중점을 두었다. 이러한 다양한 기준 값은 전체적인 관점에서 실행 가능한 방식으로 서로 연결되어야 한다.

그림 2: 절삭 시 공작물 클램핑 측면에서 지침을 통한 안전 증대를 위한 솔루션 접근법

기술적 신뢰성 측면

기술적 신뢰성의 중심에는 작업자에 따른 클램핑 상태가 어떤 상황에서 공작물의 풀림으로 이어지고 풀림 단계는 어떻게 시작되는지, 이에 대한 질문이 있다. 이에 답하기 위해 밀링 선삭에 대한 산업용 테스트 벤치에서 광범위한 정적 및 동적 클램핑 테스트를 수행하고, 이를 통계적으로 평가했다. 정적 테스트로 가공력을 시뮬레이션하기 위해 테스트 벤치에 적절한 힘과 변위 측정 기술과 유압 실린더를 장착했다(그림 3).

정적 테스트 계획을 기반으로 달성 가능한 클램핑 힘, 클램핑 조의 변위와 변형, 안전 관련 영향 매개변수(예: 작동 모드, 척의 윤활 상태, 클램핑 직경)에 따른 공작물 클램핑 시스템의 한계 하중을 식별하고 설명할 수 있다. 동적 테스트에서 클램핑은 회전 속도와 제어 측의 가속 및 감속에 따라 분석하였다. 이를 위해 테스트 벤치에 고속 카메라와 레이저 삼각 측량 센서를 장착하고, 회전 중 공작물 변위 데이터를 기록했다(그림 3 참조). 작업자의 안전과 기존의 대형 보호 쉘 외에 테스트 벤치의 손상을 방지하기 위해 추가적인 보호 장치를 설치하였고, 정적 및 동적 테스트에서 수집된 데이터를 통계적으로 평가하여 가능한 공작물 풀림과 관련된 인과 관계를 정량화했다.

그림 3: 테스트 벤치에서 정적 시험(왼쪽)과 동적 시험(오른쪽)을 위한 측정 컨셉트

작동 유형과 윤활 상태가 중요한 역할을 한다

수동으로 조작해야 하는 조와 척 시스템의 정적 시험에서 조와 척의 작동 유형과 윤활 상태가 도달 가능한 클램핑력에 미치는 영향을 분석했다. 이는 최대 클램핑 토크의 토크 렌치를 사용하여 여러 번 클램핑하였으며, 제조업체에 의하면 이 토크는 약 15%의 허용 오차로 240kN의 클램핑력이 가능하다고 한다.

짧은 클램핑 스트로크로 클램핑할 경우(즉, 클램핑 조가 클램핑 해제될 때 바깥쪽으로 약간만 이동됨), 제조업체 정보보다 40~50% 낮은 클램핑력을 얻을 수 있다. 하지만 그에 비해 매 5번째 반복 측정 전후에 클램핑 조를 내부 및 외부 끝 위치로 이동함으로써 동일한 클램핑 토크에서 높은 클램핑 힘이 측정되었다. 그 이유로는 클램핑 과정에서 압력 표면에서 밀린 윤활 그리스가 짧은 클램핑 스트로크로 고르게 분포되지 않기 때문이며, 최대 클램핑력은 클램핑 조를 끝 위치로 이동하고 매 5번째 반복 측정 전후에 압력 표면을 수동으로 윤활하여 달성할 수 있었다. 따라서 지정된 목푯값은 허용 오차 내에서 달성되었으며, 결과는 그림 4에서 확인할 수 있다.

공작물 클램핑 시 인적 요소

인적 신뢰성을 산출하기 위해 ‘수직 선삭 중 수동 공작물 클램핑’이란 작업 프로세스를 먼저 조사했다. 42명의 작업자에 대한 온라인 설문 조사와 전문가 인터뷰는 수동 조와 척을 사용한 수직 선삭의 예를 사용하여 현재 작업에 대한 포괄적인 통찰력을 제공하였다. 이러한 방식으로 회전할 공작물을 클램핑할 경우 실제 절차에 대한 지식과 약점을 식별할 수 있다.

온라인 설문 조사의 결과와 기술적 신뢰성 결과는 사용자 테스트를 설계하는 데에 반영하여, 사용자 테스트는 훈련된 조작자가 실제 조건에서 클램핑 과제를 수행하였다(그림 5). 이 과정에서 인적 오류가 기록되고 클램핑 토크와 힘을 측정하여, 사용자에 의한 클램핑 상태 변동이 통계적으로 정량화하였다.

지침을 통한 안전 개선

사용자 테스트와 인장 테스트 결과를 종합적으로 고려하여 작업자의 요건에 맞는 사례별 안전 지침을 도출한다. 이러한 안전 지침의 효과는 숙련된 기계 작업자와의 사용자 테스트로 입증되었다. 영향을 줄 수 있는 다른 변수를 다각화하여 조치에 대한 권장 사항도 도출할 수 있다.

궁극적인 목표는 공작물을 클램핑할 때 기술적, 인적 신뢰성을 확인하기 위해 정량화된 테스트 데이터와 함께 특정 모델에 반영되는, 잘못된 조작 가능성을 산출하는 것이다. 이러한 방식으로 공작물 클램핑 중 인간과 기계의 상호 작용 인과 관계와 지침을 통한 안전성 개선을 위한 구체적인 조치를 도출할 수 있다.

VDW 연구소의 ‘MTZ Dreh- 수직 선삭 중 공작물 클램핑의 예를 사용한 인적 및 기술적 신뢰성의 기록 및 비교’ (IGF-프로젝트 번호 21034) 프로젝트는 독일 연방의회의 결의에 기초하여 AiF를 통해 IGF(산업 공동체 연구) 촉진 프로그램의 일환으로 독일연방 경제에너지부가 후원하였다.