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가공물 당 비용 절감을 위해서는 전체 강 선삭 공정을 고려해야, 샌드빅 코로만트가 제안하는 변동하는 시장 대처 방법

미국 제조업 협회(US National Association of Manufacturers, NAM)의 조사에 따르면 제조업체들의 53%는 COVID-19가 사업에 영향을 줄 것으로 예상하고 있고 제조업체들은 고인성 강 가공물이 수반되는 대량 생산 등에서 경쟁력을 높여야 한다는 거센 압박에 직면해 있다. 샌드빅 코로만트의 제품 매니저 롤프 올로프손(Rolf Olofsson)이 강 선삭 가공에 대한 대안적인 접근법을 통해 어떻게 가공물당 비용과 전반적인 수익성을 최적화할 수 있는지 설명했다.

기업의 수익성을 결정하는 것은 경제성 있는 제조이다. 금속 절삭에서 경제성 있는 제조는 안정적이고 예측 가능한 공정과 환경을 보장하는 데 중점을 두어야 한다. 이와 관련해 두 가지 궁극적인 목표가 있다. 첫 번째는 생산성을 극대화하는 것이고 두 번째는 생산 비용을 최소화하는 것이다. 각각의 목표는 제조업체가 처한 특정한 상황에 맞춰져야 한다.

SAC188 - ST - Bringing down cost per part - 1이러한 목표는 병목현상, 생산 속도 저하, 생산 가공물 수 제한 등을 경험할 수 있는 강 선삭 가공에서 여러 가지 과제를 초래한다. 그리고 현재 이러한 과제는 COVID-19에 의해 더욱 심화되었다. NAM의 53% 통계에 대해 Pricewaterhouse Coopers는 “이러한 암울한 기대는 유가와 수요의 급락, 공급망 병목현상, 소비 둔화, 신용 시장에 대한 불안감 속에서 이미 현실화되고 있다”고 논평했다.

특히 대량 생산을 하는 제조업체들은 강 선삭 작업을 관리할 때 가공물당 비용에 특히 신경을 쓴다. 기본적으로 가공물당 비용은 총 고정 비용과 총 변동 비용을 더한 다음 총 생산 단위로 나누어 계산한다. 또한 강 선삭 작업에서 생산 비용 감소나 생산량 증가와 관련된 매개 변수는 시장 수요에 따라 크게 달라진다.

예를 들어, 자동차 부품을 제조하는 기업들은 향후 수요가 높거나 낮은 상황에 직면할 수 있다. 수요가 낮은 상황에서는 날당 더 많은 가공물을 생산하고 반품을 줄여 공정 안정성을 높일 수 있는 공구가 필요하다. 수요가 높은 상황에서는 금속 제거율을 높이고 사이클 시간을 단축하고 생산 중단을 최소화해 기계 가동률을 높일 수 있는 툴링 솔루션이 필요하다.

어떤 시나리오에 직면하든 제조업체들은 가공 생산성을 극대화하는 방향으로 나아가야 하고, 샌드빅 코로만트의 조사에 따르면 이를 통해 가공물 비용을 15%까지 줄일 수 있다. 그러나 이를 달성하면서 공정 안정성을 극대화하려면 툴링에 대한 대안적인 접근법이 필요할 수 있다. 

 비절삭 시간의 감소
샌드빅 코로만트의 계산에 따르면 공구 비용은 전체 제조 비용의 3~5%를 차지한다. 강 선삭용 초경 인서트 같이 시간이 지나면서 마모되는 공구의 구매를 고려할 경우 초기 단가만 고려하는 것은 당연하다. 대신 샌드빅 코로만트는 고객이 상황을 조금 다르게 바라보고 기계 감가상각 같은 간접비를 포함한 전체 생산 원가 계산 프로세스의 관리에 공구 비용을 고려하는 방식을 다시 평가할 것을 권장한다. 

생산 현장에서 일반적인 근무일 중에, 예를 들어 총 14.4시간인 2교대 중에 총 시간의 60%는 생산 또는 절삭 시간이고 나머지 40%는 기타 또는 비절삭 시간이다. 물론 목표는 비절삭 시간을 줄이고 가공 시간을 극대화하는 것이어야 한다. 이를 달성하는 최상의 방법은 생산 시간을 단축하면서 가공 기계의 가동률을 높이는 것이다. 샌드빅 코로만트의 조사에 따르면 기계 가동률을 20% 높일 경우 매출총이익이 10% 증가한다.

공구 수명의 향상
제조업체들은 생산율을 다양한 방식으로 측정하는데, 그중 하나는 특정 시간에 걸쳐 완성한 가공물 수를 확인하는 것이다. 그러나 몇 가지 요인으로 인해 제조업체가 원하는 교대 조당 가공물 수에 도달하지 못할 수 있다. 잦은 인서트 교환, 생산 중단, 용도 또는 소재별로 적합한 인서트를 찾지 못하는 상황 등이 모두 현대의 생산에서 시간을 낭비하는 가장 큰 요인으로 간주한다.

어떻게 하면 제조업체들이 이러한 과제를 극복하면서 알루미늄, 비합금강 및 기타 가공물 소재로 만들어진 고인성 가공물을 성공적으로 가공할 수 있을까? 이 경우 주로 가공물에 적합한 인서트 재종을 선택해야 한다. 너무도 많은 변수가 절삭 공구 인서트 성능에 영향을 주기 때문에 P15~P25 영역의 광범위한 요건을 충족하는 단일 재종을 찾는 것은 어렵기만 하고 보상은 없는 과정이 될 수 있다. P15~P25는 절삭 조건, 표면 조도, 절입 깊이, 가공 표면 또는 거친 표면, 연속 절삭 또는 단속 절삭 등의 다양한 가공 매개 변수에 기인하는 다른 절삭조건에 대한 요구사항을 가리킨다.

실제로 이러한 요구 사항을 충족하는 재종에 대한 다양한 전제 조건이 있다. 예를 들어, 절삭 영역에서 극한의 온도로 인해 나타나는 소성변형을 방지하는 데 필요한 경도가 높은 절삭날이 중요하기 때문에 파손 저항성이 매우 중요하다. 또한 인서트 코팅은 전면 마모, 상면 마모 및 구성인선을 방지해야 한다. 또한 코팅은 모재에 밀착되어야 한다. 코팅이 밀착되지 않으면 모재가 노출되어 빠르게 손상될 수 있다. 

이러한 결과를 방지하려면 연속적이고 제어 가능한 마모를 줄이고 불연속적이고 제어 불가능한 마모를 없애는 것이 성공의 열쇠이다. 다시 말해 예측 가능한 공구 마모가 목표이다. 물론 완전한 예측 가능성은, 특히 관리가 제한적이거나 전혀 없는 현재의 가공 시장 동향을 고려할 때, 달성하기가 쉽지 않다.

모든 경우에서 최적의 인서트 마모 패턴은 예측 가능한 절삭날 수명을 보장하는 제어된 전면 마모이다. 이상적인 재종은 원하지 않는 마모 유형의 진행을 줄이고 일부 작업에서 진행을 완전히 방지하는 재종이다.

생산되는 가공물 수를 극대화하려면 적합한 초경 인서트를 선택하는 것이 중요하다. 이는 샌드빅 코로만트가 각각 P15와 P25에 대응하는 GC4415와 GC4425라는 이름의 새로운 ISO P 선삭 초경 재종을 출시하는 이유이기도 하다. GC4425는 향상된 내마모성, 내열성 및 인성을 제공하고, GC4415는 더욱 향상된 성능과 내열성이 필요할 때 GC4425를 보완한다. 두 재종 모두 저합금강 및 비합금강에 이상적이다. 또한 대량 및 배치 생산 셋업에서 더 많은 가공물을 생산할 수 있고 공구 수명 연장, 돌발 파손 방지, 재작업 및 불량 감소 등의 이점을 제공한다.

GC4425는 향상된 내마모성, 내열성 및 인성을 제공하고, GC4415는 더욱 향상된 성능과 내열성이 필요할 때 GC4425를 보완한다.
GC4425는 향상된 내마모성, 내열성 및 인성을 제공하고, GC4415는 더욱 향상된 성능과 내열성이 필요할 때 GC4425를 보완한다.

GC4415 및 GC4425 재종에는 알루미나 코팅층에 일방향 결정 구조를 구현한 2세대 Inveio® 기술이 적용되었다. Inveio가 혁신적인 이유는 현미경 수준에서 관찰하면 알 수 있는데, 표면이 일방향 결정 구조로 되어 있어 알루미나 코팅의 모든 결정이 동일한 방향으로 배열되기 때문에 절삭 영역을 향해 강한 방어벽을 생성한다. 2세대 Inveio 코팅은 결정 방향이 크게 개선되었다.

Inveio는 내마모성이 우수하고 수명이 긴 인서트를 제공한다. 물론 공구 수명이 길면 가공물당 비용을 줄이는 데 유리하다. 또한 엔지니어들은 다른 선택 매개 변수 외에 인서트의 형상이 칩 컨트롤과 가공 성능에 어떤 영향을 주는지 고려해야 한다. 

향상된 형상
형상은 정삭, 중삭, 황삭 등 가공 유형에 따라 설계되는 인서트 모양을 말한다. 각각은 이송률과 절입 깊이에 따라 허용 가능한 칩 브레이킹을 기준으로 절삭 속도에 고유한 영향을 미친다. 샌드빅 코로만트는 CoroPlus® Tool Guide를 통해 온라인에서 고객이 각자의 요구사항에 가장 적합한 선삭 인서트와 재종을 선택할 수 있도록 지원한다.

선삭 가공에서는 3가지 주요 절삭 매개 변수인 속도, 이송 및 절입 깊이가 공구 수명과 가공물당 비용에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 절삭 조건을 20% 높이면 가공물의 비용을 10% 줄일 수 있다. 미국의 기계 엔지니어 프레더릭 윈즐로 테일러(Frederick Winslow Taylor)는 20세기 초에 개발한 모델을 통해 절삭 속도, 공구 마모 및 공구 수명 간의 관계를 정립했다.

테일러는 최대한 큰 절입 깊이를 사용하면 필요한 절삭 패스 수가 감소해 가공 시간이 단축된다고 결론지었다. 그러나 그는 또한 최적화된 강 선삭 가공은 공구가 장착되는 클램프의 안정성, 가공물의 치공구와 가공 기계에서 절삭유의 사용 그리고 가공 기계의 출력에 달려있다고 조언했다. 

전체론적 접근법
테일러의 모델은 최적화된 강 선삭 가공은 재종과 형상 이외의 것에서도 영향을 받는다는 사실을 보여준다. 대신에 제조업체들은 전체론적 툴링 접근법을 고려해야 한다. 인서트 재종, 클램프 설계, 공구 홀더 등 모든 것이 생산성을 높이고 비용을 줄이고 공정 안정성을 향상할 수 있다. 

이러한 전체론적이고 대안적인 접근법은 샌드빅 코로만트의 GC4425 초경 인서트를 사용해 트랙 샤프트를 제조한 한 일반 엔지니어링 부문의 고객에 의해 시험대에 올랐다. GC4425는 내마모성, 내열성 및 인성이 향상되도록 설계되었다. 또한 더 높은 절삭 조건에서도 사용할 수 있다. 경도 40 HRC(또는 로크웰 경도 C)의 크롬-몰리브덴 합금강인 4140 선조질강(PHT)에서 이 인서트를 사용했다. 이 재종은 기어와 펌프에서 자동차 및 건설 산업의 다양한 작업에 이르는 모든 분야에서 일반적으로 사용된다.

4140 PHT 가공물의 경우 여러 방향에서 외경 황삭 가공을 수행했다. 테스트를 위해 GC4425의 성능을 동일한 공정에 사용된 경쟁사의 ISO 인서트와 비교했다. 결과적으로 절삭 속도(vc)와 이송률(fn)을 높일 수 있었다(경쟁사 인서트의 경우 vc=183 m/min (600 ft/min) 및 fn=0.33 mm/rev (.013 in/rev), GC4425의 경우 244 m/min (800 ft/min) vc 및 0.51 mm/rev (.020 in/rev)).

결국 샌드빅 코로만트의 인서트를 사용한 결과 생산성은 100% 증가했고 사이클 시간은 50% 단축되었다. 전반적으로 고객은 30% 비용 절감을 달성했다. 이 결과는 제조업체들이 전체론적 툴링 접근법을 고려하여 생산 수익성을 높이고 가공물당 비용을 낮출 수 있다는 사실을 보여준다. 인서트 재종, 형상 및 전반적인 제조 경제성에 대한 이 전체론적 접근법은 제조업체들이 계속되는 COVID-19의 충격 속에서 경쟁력을 유지하기 위해 반드시 필요하다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.

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