생산 경제성: 금속 절삭 공정의 전체적 최적화 (1편)
제조업에서는 금속 절삭을 비롯한 다양한 생산 공정을 사용하여 지정된 치수, 모양, 공차 및 표면 무결성을 갖춘 공작물을 생산합니다. 금속 절삭에는 일반적으로 폭넓은 공구 제품군을 제공하는 공급업체의 다양한 절삭 공구를 사용합니다. 이로 인해 몇 가지 의문이 생깁니다. 첫째, 이 공구들이 정말 다 필요할까요? 둘째, 성능 잠재력을 최대한 발휘하면서 사용하고 있을까요?
금속 절삭 공정에는 항상 개선할 수 있는 상황이 있습니다. 이는 종종 병목 현상이 되어 제조 기업이 효율성과 효과성이라는 궁극적인 목표에 도달하는 데 방해가 되기도 합니다.
차례
병목 현상은 생산성(더 빨리 생산해야 함), 비용 효율성(더 낮은 비용으로 생산해야 함), 품질(더 높은 품질의 완제품이 필요함)에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 제조업체는 종종 네 번째 병목 현상을 간과하거나 잊어버립니다: 공구 구성을 간소화하여 최종 제품을 얻기 위한 공구의 수를 더 줄이는 능력. 2회에 걸친 시리즈 중 1편에서는 처음 세 가지 병목 현상에 대해 집중적으로 살펴봅니다. 네 번째 주제인 공구 합리화 및 간소화에 대해서는 2편에서 다룹니다.
‘생산 경제성’은 금속 절삭 생산 공정을 최적화하기 위한 모든 조치들을 설명하는 용어입니다. 최적화 목표는 생산성 향상, 프로세스 비용 절감, 예측 가능성 향상, 생산 공구의 광범위한 적용, 공작물 품질 향상 등 여러 가지가 있을 수 있습니다.
보다 구체적으로 이러한 목표는 최대 공구 수명, 코너 당 가공 수량, 고정 사이클 타임, 최대 수익, 최소 공구 및 공정 비용, 최대 생산 및 조정된 공구 인덱싱(코너 교체)을 나타냅니다.
전체적 생산 경제성이란 “최고의 생산성과 최저 생산 비용을 유지하면서 공정의 최대 안정성과 예측 가능성을 보장하는 것”으로 정의할 수 있습니다. 이 정의는 모든 제조 공정의 최종 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다: “최소한의 노력으로 가장 짧은 시간에 가장 낮은 비용으로, 정확하고 완성도 높은 공작물을 생산하는 것”
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- 생산적인 시간
- 공구 취급
- 문제 해결
- 공작물 취급
- 장비 셋업
| 6. 절삭 공구 7. 절삭유 8. 기타 공구 9. 간접비 10. 장비, 인건비 |
금속 절삭 생산의 비용과 시간에 대한 미시경제학적 분석은 몇 가지 시사점을 보여줍니다.
- 전체 생산 공정은 장비 셋업, 공구 취급 및 문제 해결에 많은 시간을 소비합니다. 사용하기 쉬운 다목적 툴링은 이러한 문제를 최소화하고 가공에 효과적으로 사용할 수 있는 시간을 늘려줍니다.
- 셋업이 완료되면 다음 우선 순위는 가용 생산 시간을 최대한 효율적으로 사용하는 것입니다.
- 툴링은 전체 비용에서 상대적으로 낮은 비율을 차지합니다. 잘 사용되고 제대로 작동하는 공구는 생산을 중단시켜 막대한 비용을 유발시키는 작동하지 않는 공구보다 비용이 적게 듭니다.
거시경제적 관점에서 전체 생산 공정을 분석하면 더 중요한 요소들이 드러납니다. 스웨덴 룬드 대학교의 스탈 교수는 이 분야의 기초 연구를 수행했습니다. 몇 가지 발견점:
- 반제품의 중간 재고에는 많은 비용이 숨어 있습니다. 이를 통해 미시경제학적 접근은 매우 신중하게 이루어져야 한다는 교훈을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 공작기계 A의 절삭 시간을 최적화해도 공작기계 B가 생산성 병목 현상을 일으킨다면 도움이 되지 않습니다. 이렇게 하면 두 공작기계 사이에 반제품 형태의 추가 비용이 발생할 뿐입니다. 이 예에서는 공작기계 B의 절삭 비용을 최적화하는 것이 훨씬 낫습니다. 이는 공작기계 A의 생산성 저하를 의미하지만 전체 공정에서 공작기계 B는 생산성을 제한하는 요소입니다.
- 공구 셋업 및 공구 인덱싱(코너 교체) 및 이와 관련된 테스트에는 추가적인 위험이 도사리고 있습니다. 이것은 공정 불안정성을 유발하기도 합니다. 그러나 더 중요한 것은 공구 셋업과 인덱싱(코너 교체)이 공작물 품질 손실의 주요 원인이라는 점입니다. 많은 공작물이 공구 셋업 또는 인덱싱(코너 교체) 직후에 품질이 좋지 않아 폐기됩니다.
이러한 관찰을 통해 최종 목표인 효율적이고 효과적인 생산 공정을 위해 취해야 할 단계를 정의할 수 있습니다.
- 가능한 최상의 생산 환경 또는 작업 조건(CAM, 공작기계, 공작물 고정, 절삭유 등)을 선택하세요. 이러한 요소들은 나중에 최적화 프로세스에서 제약 조건이 될 수 있습니다.
- 1:1 최적화(미시경제적, 비생산적 시간을 최소화한 방식) 또는 보다 포괄적인 접근 방식(거시경제적, 단순히 장비 비용과 시간에만 집중하지 않고 전체 공정 비용과 시간에 집중한 방식)을 결정하세요. 최적화 프로세스에 비생산적인 시간을 최소화하는 작업을 포함하세요.
- 상황과 목적(다용도, 안전, 최고의 성능 등)에 적합한 최상의 공구를 선택하세요.
- 사용 가능한 장비 전력 및 토크, 공작물 고정 장치 및 공구 클램핑의 안정성에 따른 제약 조건을 토대로 각 작업에 대해 가능한 가장 큰 절삭 깊이(최소 패스 수)를 선택하세요.
- 각 작업에 대해 가능한 가장 높은 이송(피드)을 선택하세요. 공작물 품질과 공구 고장 위험에 따른 제약 조건을 고려하세요.
- 칩 형성 및 배출, 진동, 치구 보안 및 안정성, 공작물 변형 등을 고려하여 작업 안전을 위해 절삭 깊이와 이송을 보정하세요.
- 적절한 가공 최적화 기준(최소 비용 또는 최대 생산성)을 선택하세요.
- 절삭 속도를 사용하여 최적화 기준을 보정하세요.
1. 공구 수명
2. 최소 안정성 등급
ap (절삭깊이) : 5 / 5.5 / 6 mm
f (이송) : 0.50 / 0.55 / 0.60 mm/rev
Vc (절삭속도) : 200 / 220 / 240 m/min
예를 들어, 절삭 조건을 10% 높이면 재료제거율이 10% 증가합니다(생산성 10% 증가). 하지만 비용과 안정성은요?
최적화를 진행하는 동안 가장 중요한 관심사는 항상 공정을 안전하고 안정적으로 유지하는 것입니다. 저렴하지만 결함이 있는 공작물을 빠르게 생산하는 것은 아무 쓸모가 없습니다. 금속 절삭의 최대 안정성과 예측 가능성은 공정과 모든 변수 간의 상호 작용에 대한 깊은 이해를 통해서만 달성할 수 있습니다.
예를 들어, 가공 시간을 줄이려면 어떤 절삭조건을 높여야 할까요? 우리는 절삭 깊이, 이송 또는 절삭 속도를 조정할 수 있습니다. 세 가지 방법 모두 가공 시간 단축이라는 목표를 달성하는 데 도움이 되지만, 변경하는 절삭 조건에 따라 공정 신뢰성에 미치는 영향은 크게 달라집니다. 절삭 깊이는 공구 수명(보안 및 비용, 그러나 안정성이 문제가 될 수 있음)에 심각한 영향을 미치지 않지만 절삭 속도는 매우 큰 차이를 만듭니다. 빠른 절삭 속도는 공정 신뢰성뿐만 아니라 절삭 공구 비용에도 상당한 영향을 미칩니다.
목표는 보다 효과적이고 효율적으로 생산하는 것이므로 공정의 모든 다양한 요소를 잘 평가하고 공정 신뢰성을 위협할 수 있는 잠재력에 대해 가중치를 부여해야 합니다. 이러한 위험이 너무 높으면 추가 최적화 작업에서 이러한 요소를 변경 또는 수정하거나 그 영향을 올바르게 고려해야 합니다.
보다 효과적이고 효율적인 가공을 위해 평가해야 할 툴링 요소
평가할 툴링 요소 | 잘못된 평가 및 적용의 위험 |
공구 선택 기준 | 잘못된 작업을 위한 잘못된 공구 |
공구 재고 보관 | 필요한 시점에 필요한 공구가 누락된 경우 |
공구 유지보수 | 더 많은 공구 소모 |
칩 형성과 배출 | 추가 칩 제거를 위한 생산 중단 |
절삭 부하 | 진동 및 파손된 공구 |
공구 마모 | 갑작스러운 파손으로 인한 생산 중단 가공된 표면의 품질 불량 |
열 발생 | 짧은 절삭날 수명 |
절삭깊이 및 이송 | 위험한 칩 형성 |
절삭 속도 | 제어되지 않는 공구 마모 |
이제 우리는 올바르게 정의된 전체적 성과 목표에 따라 공구를 선택하여 비생산적인 시간을 최대한 최소화하는 상황에 집중합니다. 즉, 앞서 언급한 4번 지점에서 최적화 시스템으로 진입합니다.
4. 사용 가능한 장비 전력 및 토크, 공작물 고정 장치 및 공구 클램핑의 안정성에 따른 제약 조건을 토대로 각 작업에 대해 가능한 가장 큰 절삭 깊이(최소 패스 수)를 선택하세요.
5. 각 작업에 대해 가능한 가장 높은 이송(피드)을 선택하세요. 공작물 품질과 공구 고장 위험에 따른 제약 조건을 고려하세요.
6. 칩 형성 및 배출, 진동, 치구 보안 및 안정성, 공작물 변형 등을 고려하여 작업 안전을 위해 절삭 깊이와 이송을 보정하세요.
7. 적절한 가공 최적화 기준(최소 비용 또는 최대 생산성)을 선택하세요.
8. 절삭 속도를 사용하여 최적화 기준을 보정하세요.
개별 금속 절삭 공정은 가능한 가장 낮은 비용으로 높은 재료제거율(MRR = 생산성)을 만들어야 합니다. 이를 위해 세 가지 절삭조건으로 작업합니다.
- 높은 이송 및 절삭깊이
- 낮거나 중간 절삭속도
- 공정의 안전성과 예측가능성을 극대화하면서 최고의 생산성과 최저의 생산 비용을 유지.
- 이송과 절삭깊이가 낮은 경우에만 생산성 및 비용 절감 효과를 제공합니다
우리는 이미 최고의 공정 안정성을 위해 절삭 깊이와 이송을 극대화하여 더 높은 MRR(4, 5, 6단계)을 만드는 데 가장 큰 관심을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 하지만 이를 위해서는 안정적인 작업 조건(안정적인 공구 클램핑, 양호한 공작물 고정, 공작기계 안정성 및 가용 절삭력)이 필요하다는 점을 이해해야 합니다. 이러한 한계에 도달하면 절삭속도로 전환하여 추가 미세 조정을 할 수 있습니다(7단계 및 8단계).
절삭속도가 특정 금속의 절삭 공정에 미치는 영향을 평가할 때, 절삭속도가 높으면 생산성(MRR)이 증가하지만 비용(공구 수명 단축)도 증가하는 반면, 절삭속도가 낮으면 그 반대의 효과가 나타나는 것을 관찰할 수 있습니다: 비용은 절감되지만 생산성은 떨어집니다.
생산 비용은 공구 비용과 장비 비용의 합계를 나타냅니다.
이러한 비용을 평가할 때 절삭 속도가 빨라지면 비용이 낮아지지만 특정 시점이 되면 다시 비용이 증가하기 시작하는 것을 관찰할 수 있습니다. 절삭속도가 일정 수준 이상 높아지면 공구 수명이 매우 짧아져서 절삭날을 자주 교체해야 하므로, 장비 비용 감소 효과보다 공구 비용 증가 효과가 전체 그림에 더 큰 영향을 미칩니다. 어딘가에 두 비용의 합이 균형을 이루어 총 비용이 최소가 되는 절삭속도가 있습니다. 이를 경제적 절삭속도라고 하며, 이에 수반되는 공구 수명을 경제적 공구수명이라고 합니다*.
A. 가공 비용 / 개당
1. 경제적 절삭조건
2. 공구 비용
3. 장비 비용
경제적 절삭조건 공식
1 Kg
TC = ( ___ - 1 ) ___________
m KL + CMT
m = 테일러 상수
TC = 최소 비용 기준 공구 수명
Kg = 공구 비용
KL = 장비 비용
CMT = 인건비
B. 생산성
4. 최대 생산량 기준 절삭조건
경제적 절삭조건 공식
1
Tm = ( ___ - 1 ) TCT
m
m = 테일러 상수
Tm = 최대 생산량 기준 공구 수명
TCT = 절삭날(공구)를 교체해야 하는 시점
생산 경제성 - 최소 비용과 최대 생산성
C. 최소 비용과 최대 생산량
1. 경제적 절삭조건
2. 공구 비용
3. 장비 비용
4. 최대 생산량 기준 절삭조건
생산성에도 이와 같은 접근 방식을 적용할 수 있습니다. 절삭 속도가 빨라지면 MRR(재료제거율)이 증가하고 생산성이 향상됩니다. 그러나 어떤 절삭속도에서는 이 효과가 반전됩니다. 공구 수명이 너무 짧아져 더 빠른 절삭으로 확보하는 시간이 마모된 절삭날의 교체로 인해 잃는 시간보다 작아집니다. 이 균형 잡힌 절삭속도를 최대 생산량 기준 절삭속도라고 하며, 해당 공구 수명은 최대 생산량을 위한 공구 수명입니다*.
비용 효율성과 생산성을 함께 고려할 때 올바른 절삭속도를 정의하는 방법을 명확하게 알 수 있습니다. 선택한 절삭속도가 경제적인 절삭속도와 최대 생산을 위한 절삭속도에 모두 근접할 때, 이 절삭속도를 고효율 절삭속도(HE 절삭속도)라고 합니다.
이 문서에 설명된 원칙은 독자가 주어진 용도에 가장 적합한 절삭조건 조합을 찾는 데 도움이 될 것입니다. 이를 1:1 최적화라고 하며, 하나의 가공 상황과 하나의 절삭 공구를 의미합니다. 이 접근 방식은 지나치게 많은 계산 없이도 변화하는 생산 환경이 비용과 절삭 시간에 미치는 영향을 더 잘 이해할 수 있게 해줍니다.
다음 사항을 관찰하세요
- 장비 비용이 올라가면(더 비싼 장비 사용) 가공 비용도 증가합니다. 절삭속도를 높이면 이 문제를 일부 보완할 수 있습니다.
- 공구 비용이 올라가면(더 비싼 공구를 사용하면) 가공 비용도 증가합니다. 절삭속도를 줄이면 이 문제를 일부 보완할 수 있습니다.
- 장비 및 툴링 셋업 시간이 길어지거나 배치(로트) 크기가 작아지거나 재료제거량이 많아지면 가공 비용이 증가합니다. 절삭속도 변경으로는 이 문제를 보완할 수 없습니다.
- 공작물 소재의 가공성이 나빠지면 절삭 비용이 상승하고 고효율 절삭영역이 좁아집니다. 비용 곡선이 어떻게 가파르게 변하는지 관찰하세요. 이를 위해서는 낮은 절삭속도를 잘 선택해야합니다.
- 마지막으로, 절삭깊이 또는 이송을 늘리면 비용이 절감되고, 절삭속도를 줄임으로써 더 미세하게 조정할 수 있다는 것을 관찰하세요.
따라서 위에서 언급한 경우에는 항상 가능한 가장 큰 절삭깊이와 이송으로 작업하는 것이 유리하다는 명확한 결론에 도달할 수 있습니다. 이는 1:1 최적화 전략의 첫 번째 단계입니다.
이 첫 번째 기사에서는 금속 절삭 공정에 대한 최적화 전략에 대해 간략하게 설명하고 일반적인 최적화 전략을 제시하였습니다. 이 글의 목적은 이 전략을 실행에 옮기기 위한 모든 수학적 도구*를 독자에게 설명하는 것이 아닙니다. 즉각적인 조치를 취하고 싶은 분들을 위해 세코 PCA와 같은 보다 실용적인 도구를 사용할 수 있습니다. 후속 글에서는 일반적인 최적화 전략의 첫 번째 단계에 대해 자세히 설명합니다. 이러한 첫 단계는 이 첫 번째 글에서 설명한 것보다 훨씬 더 중요합니다. 잘못 선택한 공구를 최적화하면 고통을 완화할 수는 있지만 근본 원인을 치료할 수는 없습니다.
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*경제적 절삭속도와 최대 생산 기준 절삭속도(및 그에 상응하는 경제적 공구 수명 및 최대 생산 기준 공구 수명)는 금속 절삭 공정의 일반적인 비용 및 시간 방정식과 금속 절삭을 위한 일반화된 테일러 방정식(필요에 따라 수정 요인과 요소들을 적용하여 조정)에서 수학적으로 도출할 수 있습니다. 그러나 이러한 계산은 이 글에서 다루지 않습니다. 광범위한 개요와 자세한 설명은 스웨덴 룬드 대학교 스탈 교수가 세코와 협력하여 출간한 '금속 절삭, 이론 및 모델'의 9장에서 확인할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법을 사용하려면 몇 가지 전제 조건이 충족되어야 합니다. 이 문서에 설명된 최적화 전략의 1~6단계와 이 분야의 스탈 교수가 수행한 연구도 참조하세요.
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