신규 장비 선정, 범용장비, 전용장비, 복합공정의 분류, 프로그레시브 금형(progressive), 트랜스퍼 금형(transfer), 복합 금형(composite die)

 

<기출>

• 17-3-4 제품가공 공정설계 수행 시 신규 장비를 선정해야 할 이유 3가지와 신규 장비를 선정할 경우 필요한 정보를 얻을 수 있는 방법 6가지를 설명하시오.
• 15-2-3 복합공정을 분류하고 장단점을 설명하시오.
• 15-2-4 범용장비와 전용장비의 장점을 설명하시오.
• 13-3-5 생산 가공 현장에서 새로운 설비 도입을 위한 사전 검토사항과 설비견적 사양에 대하여 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 공정 설계시 장비의 선정 

제품 생산을 위한 공정 설계 단계에서 적절한 장비의 선정은 생산 효율성, 품질, 제조 비용에 장기적으로 큰 영향을 미침 

장비 선정은 기존 장비를 활용할 수 있고, 신규 장비를 선정할 수 있는데 각각 장단점이 있음
기존 장비 활용시 투자 대비 효율성이 증대되지만 생산 목표 달성 가능 여부를 판단해야함
신규 장비 선정시 생산 목표 달성 및 최적화는 요이하지만 투자비와 생산능력을 바탕으로 경제성 검토를 해야함 

 

2) 신규 장비 선정의 필요성

① 생산 목표 달성

기존 장비로는 생산량, 품질, 정밀도 등 생산 목표 달성 어려움

 

② 효율성 증대

자동화, 고속생산, 에너지 효율 등을 통한 생산 비용 절감 

 

③ 신기술 도입 

 FMS, 스마트 팩토리 구현 목적. 최신 기술 적용으로 제품 품질 증대 및 경쟁력 강화

 

스마트팩토리 (Smart Factory), 공장자동화 (FA; Factory Automation)와의 차이, CPS, ERP, MES

자동화 설비, PLC(Programmable Logic Controller), 유압, 공압

 

3) 신규 장비 선정시 필요한 정보 확보 방안 

(1) 신규 장비 선정시 필요한 정보

• 제품 정보 : 제품 특성, 생산량, 품질 기준, 생산 규모
• 공정 정보 : 공정별 작업, 필요한 기능, 작업 순서
• 기술 정보 : 적용 가능한 기술, 최신 기술 동향
• 장비 정보 : 성능, 가격, 유지보수, 공급업체 정보
• 시장 정보 : 경쟁사 현황, 시장 트렌드, 수요 예측
• 투자 정보 : 투자 비용, 투자 회수 기간, 경제성 분석

(2) 신규 장비 정보 수집 방법

• 제조업체 견적 및 제안 : 장비의 장 단점 파악, 사양 비교, 시연 요청
• 산업 전시회 및 박람회 : 최신 장비 및 기술 트렌드 파악
• 전문가 자문 : 기술 컨설팅, 기술 평가, 시장 분석
• 온라인 자료 : 제조업체 웹사이트, 기술 정보 사이트, 정부 지원 사이트
• 학술 논문 및 기술 보고서 : 최신 기술 연구 동향 파악
• 정부 지원 사업 및 컨설팅 : 투자 정보, 기술 개발 지원

(3) 장비 선정시 고려사항  :  생산계획에 의거하여 철저한 검토 후 장비 선정 필요 

• 기술적 요구 사항 : 제품 특성, 생산량, 품질 기준 충족
• 운영 및 유지보수 : 사용 편의성, 기술 지원, 부품 공급
• 환경 영향 : 에너지 효율, 폐기물 발생, 환경 규제 준수
• 경제성: 투자 비용, 유지보수 비용, 생산 비용 절감 효과
• 미래 확장성 : 생산량 증가, 신제품 생산 등에 대한 확장 가능성, 생산계획 

생산계획 (Production Planning), 생산 능력, 생산 적합성 판단, 가동률, 생산 능력 측정, 생산 관리

 

4) 신규 설비 도입시 사전 검토 사항

①생산 현황 및 목표 분석

현재 생산량, 공정, 품질 수준, 생산 비용, 향후 수요 및 변동성 등을 고려하여 설비 도입의 필요성과 타당성 검토

설비 도입시 설비 도입의 기대효과를 명확히 함 (생산 목표, 품질 목표, 비용절감 목표)

 

② 설비 기능 및 성능 검토

도입 예정 설비의 기능, 성능, 사양을 자세히 검토하여 생산 목표 달성에 적합한지 검토 

동일한 기능을 가진 다른 설비와 비교 분석하여 최적의 설비 선정

 

③ 공간 및 인력 확보 검토

공장에 부지는 남아있는지, 전문 인력은 운용할 여력이 되는지, 기존 인원의 교육은 가능한지 검토

설비 설치 및 운영, 유지에 필요한 추가적인 비용 검토

 

④ 예산 검토

설비 운영 및 유지 보수에 필요한 기술 지원 및 교육을 제공받을 수 있는지 확ㅇ니

사후 서비스 및 A/S 정책 확인 

 

5) 설비 견적 사양 (견적시 확인해야할 기능 / 사양) 

기본적으로 3개 이상의 업체 비교 견적이 원칙이다 
견적 내용을 정확하게 이해하기 위해 전문가와 상담하는 것이 중요하며, 검토 후 필요시 수정 또는 추가 조항을 협의하는 활동이 필요 (장기적인 투자이고 장기적으로 비용 및 수익성에 영향을 미치므로 신중하게 결정 필요)

① 기본 정보 

설비 명칭, 모델, 제조사, 생산 연도

 

② 기능 및 성능

주요 기능, 성능, 사양 등을 상세히 명시 (평가 방법 포함)

생산량, 처리 능력, 정확도, 작업 시간 등 명시 

 

③ 부속품 및 옵션

기본 설비에 포함되는 부속품 및 옵션 등을 명시

 

④ 가격 및 조건

설비 구입 가격, 설치 비용, 운영 비용, 유지 보수 비용, A/S 정책, 지불 조건, 보증 기간 등 명시

 

⑤ 기타 사항

설치공간, 전력 공급, 운영 인력 등 설비 운영에 필요한 조건 명시

교육 및 기술 지원 내용을 명시 

 

2. 범용장비와 전용장비의 결정 

범용장비
범용장비는 다양한 작업에 활용 가능한 장비. 생산에 유연하게 대처될 수 있어서 FMS는 범용장비를 중심으로 구성됨
선반, 밀링, 연삭기 등의 기계를 의미 
 가공 범위가 넓고 절삭속도, 이송 속도의 범위가 커서 공작물 크기나 재질에 따라 알맞는 절삭 조건으로 변화시켜 가공 가능 
 소량 가공에는 능률적이지만 대량 생산에는 적합하지 않음 
(범용장비 예시 : CNC머신, MCT, CNC 드릴링 머신 등)

전용장비
전용장비는 특정 작업에 최적화된 장비. 특정 기능에 집중하여 설계되어 높은 효율성을 제공하지만 활용 범위는 좁음 
(전용장비 예시 : 호빙머신, 나사 전조기계 등 ) 
단지 한 종류만의 제품을 대량으로 생산할 수 있도록 제작됨 (다이를 변경하면서 여러 제품을 만들 수 있는 압출기는 범용 장비로 구분될 수 있음)
재료의 설치, 가공속도, 이송속도 등 모두가 한 종류이며 변화시킬 수 없음

만능 공작기계  
다양한 가공을 할 수 있는 공작기계 (선반, 밀링머신, 드릴링 머신 등의 작업을 한 기계에서 작업 
장소가 좁고 많은 작업을 하지 않는 소규모 작업장에 유리 
만능 밀링머신, MCT 등이 예시 

단능 공작기계 
단순하게 한 가지 가공만을 할 수 있는 공작기계 
대량 생산성은 높지만 다른 종류의 가공은 하지 못하기 때문에 융통성은 떨어짐 
공구 연삭기나 센터링 머신 등이 예시 

 

CNC가공, NC 가공, 서보기구(servo mechanism), 공구제어방법, CNC 주축 열변위특성

스마트팩토리 (Smart Factory), 공장자동화 (FA; Factory Automation)와의 차이, CPS, ERP, MES

FMS (Flexible Manufacturing System, 유연생산시스템), GT (Group Technology, 그룹테크놀로지), 셀형 제조 방식 (

 

1) 범용장비의 장점

• 장비 1대에서 다양한 제품의 형상 가공이 가능
• 공간 확보에 대한 부담이 없음 (공정 각각의 장비가 따로 필요하지 않음)
• 제품 개발, 양산의 준비과정을 능동적으로 대처 (공법이 바뀌더라도 범용 장비로 유연하게 생산 가능하나 전용장비는 신규 투자 필요)
• 투자 비용을 최소화할 수 있음
• 제품 별 치공구 (Jig, Fixture)만 관리하면 가공시간을 단축할 수 있음 
  : 제품 별 치공구는 각각 준비할 필요가 있음
• 상황에 따라 제작 조건을 변화시킬 수 있음 (절삭속도, 이송속도, 절삭조건 등)

치공구 기본 이론, 위치결정면, 위치결정구(locator), 클램프(clamp)

2) 전용장비의 장점

• 제품이 동일하여 생산성이 향상됨
• 공구 교체에 시간이 단축될 수 있음 (공법이 비슷)
• 품질이 향상 
• 일정하고 비슷한 소재를 투입하기 때문에 경제성 확보 가능 (재료비 절약)
• 구조가 간단하고 조작이 수월하며 경제적임 

3) 범용장비와 전용장비의 비교 

구분	범용장비	전용장비
용도	다양한 작업 및 공정에 활용 가능	특정 작업만 가능
활용 범위	넓음	좁음
설계	일반적 기능 중심	특정 기능 중심
효율성	다양한 작업에 적용 가능하나 특정 작업에는 최적화되지 않을 수 있음	특정 작업에 최적화되나 다양한 작업에는 활용 불가능
전문성	낮음	높음
유연성	높음	낮음

 

 

3. 복합 공정 

 

1) 복합 공정의 정의

공정의 복합 :  복합공정은 조립 상에 부품 유사하거나, 제작에 있어 공정이 유사할때 둘 이상의 공정을 함께 진행하는 것
시간과 비용을 절감할 수 있으며 공정을 제어하고 유지하는 데 효율성을 가져올 수 있음 

 복합 공정은 생산성 향상을 위한 공정설계
 오늘날 제조업은 다품종 소량생산, 변종변량생산, 짧은 납기, 원가절감, 경량화 기능의 복합화에 따른 복잡형이 증가하여 복합가공이 각광받고 있음

 복잡한 형상의 공작물을 가공하기 위한 다수의 공정이나 작업을 1대에서 수행할 수 있는 기능을 가진 공정을 의미

 가공방법을 변화시켜 다양한 가공을 할 수 있도록 하는 것, 가공원리가 다른 절삭가공과 연삭가공, 열처리 등을 복수로 조합하여 1대의 기계에서 가공하는 것 (다품종 소량생산의 요구에 부응함)

복합금형 : 블랭킹, 피어싱, 노칭 등의 작업을 프레스의 1행정과 금형의 1공정에서  동시에 한 종류 이상의 전단 작업을 할 수 있는 구조

• 대표적인 복합 공정으로 CNC 가공, MCT가공, 트랜스퍼 금형, 프로그레시브 금형 등을 활용한 공정이 있음

 

프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프

 

CNC가공, NC 가공, 서보기구(servo mechanism), 공구제어방법, CNC 주축 열변위특성

 

 

2) 복합 공정의 구현 방법 및 우선 순위 

공구 복합시 : 공작기계 모델에서 팰리 사이즈와 최대 공작물 사이즈 등의 정보를 알아내고, 공작물의 치수와 비교하여 작업 면에서 가공할 수 있을지 여부 결정 (불가능시 다른 공작 기계에서 수행)
가능한 사이즈일 경우 모델링을 보고 피쳐 타입, 크기, 요구 정밀도를 고려하여 보유 중인 공구, 공작기계 기능을 기반으로 사용할 공구 및 가공 방법을 결정

그룹 테크놀로지 (GT)와 유사한 개념임

완성품의 형태와 재질, 용도에 따라 제조라인의 배치, 가공형태, 설비의 배열이 상이해짐 
최대한 효율적인 방법을 추구. (여러 공정이 통합하여 우ㅜㄴ영되기에 사전에 충분한 검토가 필요) 

FMS (Flexible Manufacturing System, 유연생산시스템), GT (Group Technology, 그룹테크놀로지), 셀형 제조 방식 (

(1) 공구를 복합시킬 경우 필요한 정보

• 가공 피쳐의 형상
• 사용 가능한 공구
• 절삭 방법, 공구의 이동 방향
• 절삭면의 상황
• 공작물의 재질
• 다듬질 정밀도, 표면 정밀도
• 구멍가공 조건 (탭 가공, 리머 가공 필요 여부 등) 

(2) 복합 공정 수행 방법 

① 제작 공정 

공정별 진행 (비슷한 공정을 모아서 한번에 진행 → ex. 선삭과 드릴링 복합 진행 등)

금형 공정은 공정별 배치 (전자레인지 사출 부품 생산과 냉장고 사출 부품 생산을 같이 배치)

 

② 조립 공정 

제품별로 진행 (유사한 부품은 같이 조립 수행) 

전자제품의 최종 조립 라인은 제품별로 구분 (냉장고라인, 전자레인지라인 별도 구성)

 

(3) 복합 가공을 위한 구성 조건

① 스마트한 구동축의 구성

범용 공작기계에서, 주축과 모터를 분리하고 벨트나 커플링으로 동력을 전달하는 경우 고속회전시 진동이 심해서 고속 가공 불가능 

고속가공 복합가공에서는 모터를 직접 주축에 부착해서 사용 필요

 

② 공정을 줄이기 위한 구조

공정을 줄이기 위한 구조적 기능을 확장 

선삭 후 평면가공, 엔드밀가공, 드릴가공을 주축이 이동하여 한 번에 끝낼 수 있게 함 

테이블축을 가공에 적합하게 자유롭게 회전하며 가공함으로써 한번 고정된 위치에서 장착, 탈착을 최소화 할 수 있음 (5축 CNC 가공 등) 

 

③ 툴링 기능 (고성능 툴링)

축이 더 많은 공정을 처리하여야하므로 적은 공구로 최대한의 성능을 발휘할 수 있어야함 

 

④ 이종가공의 복합 가공

선삭, 밀링, 호브절삭, 드릴가공, 탭가공, 보링가공, 연삭가공, 열처리 등이 복합적으로 진행됨 (일반적)

추후 용접, 프레스, 버니싱, 굽힘, 전조 등도 복합가공이 가능하도록 개발 중 

 

 

3) 복합 공정의 목적 (장점)

• 2차 가공 공정의 가격 절감 
• 소재 가공 ~ 조립 완성품에 이르기까지의 과정 단축 
• 품질 증대 
• 부품 생산성 증대 (공정 단순화 및 공정 단축) 
• 조립 공정수 감축 
• 작업의 시간, 인원, 공간 절약 
• 공간 효율성이 좋음 (여러 공작기계가 하는 일을 한 대가 할 수 있음, 공장 설비비 및 바닥 면적 축소)
• 지그 제작시간 및 제작 비용 절감 
• 가공물 가공을 위한 탈착, 부착이 적어지므로 가공 오차의 발생이 적음 

※ 하지만 복합이 어렵고, 복합화된 공작기계는 구조적으로 복잡해지고 고장의 위험이 많다는 단점이 있음 

 

4) 복합 공정의 분류

(1) 프로그레시브 금형 기준 복합 공정의 분류

• 점차 이송타발형 : 구멍타발, 노치, 트리밍 등의 전단 가공을 차례로 진행 
• 점차 이송절단성형 : 여러 전단가공을 차례로 진행한 뒤 소재를 잘라버리면서 성형가공
• 절곡성형 점차이송형 : 전단가공들과 함께 도중에 성형 가공을 하고 최종 제품 부분을 잘라버리면서 가공
• 점차 이송 드로잉형 : 드로잉가공을 순서대로 하여 제품을 성형하는 형 
• 타발복귀 점차이송형 : 타발한 부분을 다시 소재 속으로 밀어 넣고 다음 공정에서 성형 가공을 하며 최종 제품을 찍어 떨어뜨리는 형식

또한, 전단 공법에 따라 아래와 같이 구분도 가능함

• 피어싱 - 블랭킹 프로그레시브 금형 
• 노칭-파팅에 의한 프로그레시브 작업
• 노칭-벤딩 프로그레시브 금형
• 피어싱-드로잉 프로그레시브 금형
• 블렝킹-포밍 프로그레시브 금형

피어싱-드로잉 프로그레시브 금형

블랭킹-포밍 프로그레시브 금형

(2) 복합 공정의 예시 (연속해서 공정을 수행해도 복합 공정으로 볼 수 있음)

• 자동차 생산 라인: 용접, 조립, 도장 등 여러 공정을 연속적으로 진행
• 전자제품 생산 라인: 부품 삽입, 납땜, 검사 등 여러 공정을 자동화 시스템으로 수행
• 식품 가공 공정: 세척, 절단, 조리, 포장 등 여러 공정을 연속적으로 진행
• 화학 공정: 원료 투입, 반응, 정제, 분리 등 여러 공정을 하나의 시스템으로 구축
• 3D 프린팅: 모델링, 슬라이싱, 프린팅, 후처리 등 여러 단계를 3D 프린터로 수행

 

5) 복합 공정별 장단점 (프로그레시브 금형과 트랜스퍼 금형을 중심으로) 

(1) 프로그레시브 금형 (Progressive Die)

여러 개의 공정을 한 개의 금형 안에서 모두 이루어져 완제품으로 나오는 금형
다수의 가공공정을 순차적으로 이송시키며, 연속작업을 하는 프레스 가공법 (품질이 향상)

장점	단점
소형 정밀부품 대량 생산에 적합	금형 제작, 설계의 난이도가 매우 높음
소재 스크랩이 적어 자재 사용률이 좋음	프레스 설비 투자가 많이 필요, 금형이 고가
하나의 금형에서 완제품까지 나오므로 작업자 안전 확보	금형 관리가 요구됨
생산성 증대, 안정성 향상	설계 변경이 어려움
복합 가공이 가능하고 금형 기술 수준 향상	상대적 치수 정밀도 한계
가공 속도가 우수함	사용 프레스 기계에 제약이 있음

프로그레시브 금형

(2) 트랜스퍼 금형 (Transfer Die)

금형과 자동화 설비가 합쳐진 형태
각 공정의 프레스 가공을 다른 공정으로 옮겨주어 순차적으로 가공이 이루어짐 (하나의 설비로 볼 수 있음) 

 트랜스퍼 프레스 라인은 소요 공정수에 상당하는 대수의 프레스 기계를 병렬로 배치한 프레스 라인을 통해 가공제품을 이송하여 각 기계간에 흐르게 하는 방법 (+ 자동이송장치)

 각 공정 간의 가공품의 반송이 확실하고 정확한 것이 중요 (반송장치가 가장 중요) 

즉, 범용 프레스 기계에 트랜스퍼 피더를 합친 구조 

장점	단점
각기 다른 공정을 사용하므로 금형 설계가 쉬움 (프레스는 같지만 금형은 구분됨)	여러 금형과 트랜스퍼 시스템으로 인해 제작비와 설비투자가 많이 필요
중, 대형 제품 생산에 적합	각 공정의 제어 기술 요구
대량 생산에 적합하고 제품 형상에 영향을 받지 않음  (생산성이 높고 작업 능률이 좋음)	금형 관리 요구 (내구성, 보수, 정비)
피드바를 뗴어내면 다른 공정에 사용 가능 (범용 프레스)	트렌스퍼 장치의 예측 못한 불량 발생 가능성
작업 안정성을 높임	가공성 검토가 필요
무인화 또는 작업 인원 감소가 가능	위치결정, 분리, 스크랩 처리 등에 세심한 주의가 필요
재료비 절감, 설치 공간 절약

트랜스퍼 금형

(3) 복합 금형 (Composite Die, compound die), 조합금형 (combination die)

두 가지 부품이 한 개의 금형 안에서 가공과 조립이 모두 이루어지는 금형 
1스트로크에서 전단가공을 2종류 이상 동시에 행하는 것 (플랭켕-피어싱, 트리밍-피어싱, 노칭-피어싱) 

조합금형은 전단가공 금형과 성형가공 금형을 1벌의 금형에 조합시켜 1행정(1 stroke)에서 작업을 완료하는 금형 

장점	단점
2차 공정을 줄일 수 있음	설계 기술, 프레스 기술, 금형제작기술이 많이 필요
설비 투자가 기술에 비해 저렴	금형 관리 기술이 요구
소형 정밀 부품에 적합

복합 금형

복합 금형

조합금형

 

프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프