이 글에서는 공정 계획이란 무엇인지, 이 공정의 요구 사항, 공정 계획 단계, 유형, 장점, 단점, 포함된 활동의 순서에 대해 학습합니다. 정의부터 시작해 보겠습니다.
공정 계획은 부품이나 제품 생산에 필요한 제조 작업의 상세 목록을 개발하는 절차입니다. 제품 설계와 제품 제조 사이의 연결 고리 역할을 합니다.
공정 계획은 효율적인 작업 순서를 수립하고, 적절한 설비와 공구를 선정하며, 그 작업을 명시하여 제품이 사양의 모든 요구 사항을 충족하도록 합니다. 동시에 공정은 최소 비용과 최대 생산성으로 수행됩니다.
기본적으로 공정 계획을 생성하는 두 가지 방법이 있습니다:
1. 수동 공정 계획(Manual Process Planning)과
2. 컴퓨터 지원 공정 계획(Computer Aided Process Planning)
합리적으로 좋은 공정 계획은 다음 요구 사항을 충족해야 합니다:
1. 제조할 작업에 대한 간단한 설명으로, 그 기능적 역할을 명확하고 포괄적으로 정의합니다.
2. 기능적 역할을 규정하는 사양과 표준.
3. 완전한 사양을 갖춘 작업 도면.
4. 블랭크(소재) 도면.
5. 기간당 제조할 부품 수량 데이터. 단위당 필요한 예비 부품.
6. 기간당 제조할 총 부품 수량.
7. 공작 기계의 사양 및 용량 데이터, 기타 가용 설비 데이터, 공장 내 설비 배치 및 적재 데이터 등 설비 데이터.
8. 생산 엔지니어링과 제조가 조직되고 수행되는 조건, 즉 신규 또는 기존 플랜트 여부, 플랜트 내 가용 설비, 신규 설비 도입 가능성 등.
9. 플랜트 위치.
10. 플랜트 인력 확보를 위한 가용 인력.
11. 작업 시작일과 납기일.
기본 요구 사항을 이해했으니, 이제 공정 계획의 여러 단계로 넘어가겠습니다.
공정 계획의 목적은 부품을 생산하는 데 필요한 최적의 공정을 결정하고 설명하는 것입니다. 이 목적을 달성하기 위해 다음 단계를 따를 수 있습니다:
1. 부품의 기능적 역할에 익숙해집니다.
2. 기능적 역할을 정의하는 제조 사양과 다양한 표준(정밀도, 출력, 효율 등)을 연구하고 비판적으로 분석합니다.
3. 제품의 연간 생산량에 익숙해집니다.
4. 작업 도면을 연구하고 비판적으로 분석하여 부품을 모든 면에서 생산 가능할지 확인하고, 도면의 오류를 발견하고 수정합니다.
5. 제조할 부품과 구매할 부품을 완전한 식별과 필요 수량으로 결정합니다.
6. 외부에서 구매할 적절한 품질과 수량의 원자재 목록을 작성하고, 형상, 크기, 특수 특성을 명시합니다.
7. 블랭크(소재)를 얻기 위한 가장 경제적인 공정을 선정하고, 원가 계산을 위해 생산 수량을 결정합니다.
8. 현재 생산 일정, 납기, 생산 수량, 품질 표준을 고려하여 부품 제조에 가장 경제적인 공정을 결정합니다.
9. 특정 공정에서 각 부품에 수행할 최적의 작업 순서를 결정합니다.
10. 요구 정밀도로 작업을 수행할 공작 기계를 선정합니다.
11. 지그, 고정구, 다이, 게이지 등 더 높은 생산율을 위해 필요한 기타 액세서리와 설비를 선정합니다.
12. 설비와 작업장을 배치하고, 기계 부하를 계산하며, 공정의 필요한 수정을 가합니다.
13. 실제 생산에서 공정이 실현될 때 발견된 모든 실수와 결함을 수정하기 위해 공정을 수정합니다.
14. 제조의 여러 단계에서 정확하고 빠르게 검사하기 위해 필요한 검사 단계, 검사 절차, 한계 게이지를 결정합니다.
15. 각 작업의 셋업 시간과 표준 시간을 결정하고 지급률을 정합니다.
16. 작업 성공적 수행을 위한 노동 종류를 결정합니다.
17. 제품의 추정 원가를 결정하여 판매 시장에서 경쟁력이 있는지 확인합니다.
공정 계획은 기술적 변화와 공정을 고려하여 가공을 단순화하는 동적인 활동이며, 계획자는 제조 공정의 생산 절차를 분석해야 합니다.
위 공정 계획 단계 중 일부는 추가 설명이 필요하므로 아래에서 더 자세히 다룹니다.
제조 사양: 제조 사양이 나열된 주요 문서는 상세 도면입니다. 도면은 다음을 지정합니다:
1. 적절한 기하학적 형태에서 허용되는 편차와 함께 치수 및 가공 정밀도.
2. 다양한 표면의 조정 정밀도와 허용 편차.
3. 열처리 대상 부위와 필요한 열처리 유형. 4. 표면 품질.
5. 지정된 표면 조도를 얻기 위해 필요한 가공 방법(필요한 경우).
6. 보호 코팅 부위와 코팅 유형 및 두께. 7. 완성 부품의 치수 측정 기준 위치. 8. 필요한 경우 X선, 수압 시험 등 특수 검사 절차.
마지막으로 사양은 가능한 한 최대한 가공 공정과 검사와 조율되어야 합니다. 필요하다면 계획을 성공시키기 위해 약간의 변경이나 수정을 가할 수 있습니다.
블랭크(소재) 결정: 공정 계획은 실제로 블랭크 선정에 시작됩니다. 블랭크 크기와 완성 부품 사양은 상호 연관되어 있으며, 가공 및 마무리 작업의 일반적인 윤곽을 결정합니다.
제조 방법에 따라 달라지는 블랭크의 정밀도와 완성 기계 부품의 사양은 가공 공정의 일반적인 윤곽과 거친 가공, 반정삭, 정삭 작업으로의 세분화를 결정합니다.
공작 기계 선정: 다음 공정 계획 단계는 공작 기계 선정으로, 이는 부품 가공 공정 또는 방법 선택에 크게 좌우됩니다. 즉, 가공 공정을 지배하는 원칙이 공작 기계 선정의 기초가 되어야 합니다. 특정 가공에 대한 공작 기계를 선정하는 명확한 규칙을 수립하기는 어렵지만, 특정 작업에 공작 기계를 선정할 때 다음 요소를 고려해야 합니다:
1. 공작물의 크기, 형상, 소재.
2. 요구되는 정밀도와 표면 조도.
3. 요구 생산량과 공작 기계의 생산 능력.
4. 공작 기계의 동력이 작업을 수행하기에 충분한지 여부.
5. 작업 수행이 경제적인지 여부. 6. 공작 기계 조작의 용이성과 편의성.
가용성 차트(Availability Charts): 가용성 차트는 공작 기계를 클래스별로 정렬한 목록(분류 목록)입니다. 예: 엔진 선반, 터렛 선반, 자동 선반 등. 식별 번호, 모델 번호, 위치, 일반적인 상태, 가용 공구, 절삭 속도와 이송 등을 제공합니다. 그러나 신규 공작 기계의 경우 절삭 속도와 이송은 카탈로그에서 얻습니다. 이 가용성 차트는 기존 플랜트에서 신제품의 공작 기계를 선정하는 데 필수적입니다.
기계 부하 차트(Machine Load Charts): 어떤 기계가 유휴 상태이고 어떤 기계가 부하가 걸렸는지 보여줍니다. 이에 따라 공정 계획자는 가공 작업을 수행할 특정 공작 기계를 선정합니다. 공정 계획자는 생산 계획자만큼 기계 부하 차트에 관심을 두지는 않습니다.
능력 차트(Capability Charts): 능력 차트는 공작 기계의 작업 수행 능력을 보여주는 차트로 정의할 수 있습니다. 능력 차트는 공작 기계가 정격 용량의 얼마만큼을 만족스럽게 수행할 수 있는지 보여줍니다. 공작 기계는 다른 기계와 마찬가지로 사용에 따른 마모로 구매 당시 상태를 유지하지 못하며, 장기적으로 정밀도를 잃습니다. 공작 기계의 현재 상태를 보여주는 능력 차트는 공정 계획자가 적절한 기계를 선택하는 데 가이드 역할을 합니다.
최적의 작업 순서를 결정하는 것은 공정 계획의 중요한 단계이자 생산을 위해 설계된 제품을 실현하는 데 중요합니다. 제품 원가와 제품 품질 모두 작업 순서와 밀접하게 관련되어 있습니다. 다른 작업 순서를 수행하면 작업 시간, 작업 센터까지의 운송 시간, 다른 위치 결정 및 클램핑 면에 따른 다른 공구 등이 달라집니다.
제품을 위해 신규 플랜트를 구축하는 경우, 공정 계획자는 목적에 가장 적합한 작업 순서를 결정하는 데 훨씬 더 많은 자유가 있습니다. 기존 플랜트의 경우 신제품의 작업 순서는 가용 설비와 설비의 부하 조건을 기반으로 결정해야 합니다. 후자의 경우 공정 계획자는 다음 정보를 제공받아야 합니다:
그러나 어떤 경우에도 최적 작업 순서 계획에 따라야 할 몇 가지 기본 원칙이 있습니다:
1. 먼저 기준 면(Datum Surfaces)을 신중하게 선정해야 합니다. 기준 면 선정은 이후 모든 가공 작업과 검사에 영향을 미칩니다. 가공되지 않은 채로 남아야 할 면은 첫 가공 작업의 경우에만 첫 번째 셋업 기준 면으로 선정해야 합니다. 이후 작업에서는 가공된 면만 셋업 기준으로 사용할 수 있습니다.
2. 가공해도 공작물의 강성을 크게 저하시키지 않는 면을 순서상 먼저 가공해야 합니다.
3. 내부 가공을 외부 가공보다 먼저 수행합니다. 이는 항상 지켜야 할 규칙은 아닙니다. 내부 가공을 조기에 수행하는 주된 이유는 내부 표면이 자재 취급과 후속 공정에서 손상될 가능성이 적어, 공작물 고정 수단으로 더 적합하고 내외경 동심도 보장에 도움이 되기 때문입니다.
4. 작업 순서는 가장 두꺼운 금속 층을 제거하는 것으로 시작해야 합니다. 두꺼운 층을 깊은 절삭으로 제거하면 원자재(주로 주물이나 단조품)의 내부 결함을 가벼운 절삭보다 훨씬 쉽게 발견할 수 있습니다. 공작물은 내부 응력에서 해방되어 후속 작업에서의 휨 위험을 제거합니다.
깊은 절삭과 관련된 큰 절삭력과 클램핑력은 동일 공작물의 다른 부분의 마감 면 정밀도에 영향을 미치며, 거친 가공용 기계가 필요합니다. 또한 거친 마무리를 수반하는 깊은 절삭은 보통 미세 마무리보다 빠르고 저렴한 작업자로 가능합니다.
5. 위와 같이 결함 발견으로 인해 불량품 발생이 예상되는 작업은 기계 순서의 가능한 한 초기에 수행해야 합니다. 결함 소재에서 작업이 수행되고 있음을 최소한의 2차 공정 투자로 가능한 한 빨리 알아내는 것이 항상 유리합니다.
6. 정삭 작업은 마감 면 손상, 치수 및 다른 면과의 좌표 변화 위험을 줄이기 위해 작업 순서의 마지막에 수행해야 합니다.
7. 거친 가공과 정삭 가공은 별도 기계에서 수행해야 정삭용 기계의 정밀도가 거친 작업의 큰 하중으로 인해 방해받지 않습니다.
8. 검사 단계는 (a) 거친 가공 후, (b) 타 공장이나 부서에서 수행할 작업 전, (c) 힘들고 중요한 작업 전(예: 기준 면 준비 전)과 후, (d) 마지막 가공 작업 후에 도입해야 합니다.
9. 가공 작업 순서는 기계 부품 제조에서 매우 중요한 열처리 작업과 조율되어야 합니다. 열처리 후 공작물 변형은 후속 작업의 가공 여유를 증가시켜 부품의 기하학적 형상을 가공으로 보정해야 합니다.
10. 자재 취급은 원자재, 공정 중 부품, 완제품, 포장재, 스크랩 폐기 등의 이동에 적용되므로 모든 생산 활동의 필수 요소입니다. 따라서 작업 순서와 자재 취급은 밀접하게 연관됩니다. 이는 제조 원가의 큰 비중을 차지하는 비용 절감의 유망한 영역입니다. 따라서 현대적 추세는 가능한 한 취급 시스템을 기계화하는 것입니다.
11. 창고나 공정 중 자재 대기는 관련된 다양한 비용 매개변수를 수반하므로 가능한 한 피해야 합니다. 가능한 한 사용 지점과 인접하게 배치하여 최소 비용을 들이도록 합니다.
작업 순서는 고정적이지 않습니다. 제품마다, 심지어 동일 제품 내에서도 달라집니다. 더 나은 방법 개발, 생산성 증대, 비용 절감을 위해 지속적으로 검토해야 합니다.
공정 계획서는 부품 제조에 필요한 다양한 작업 관련 정보를 표 형태로 상세히 기록한 문서입니다. 분석서, 지시서, 작업서 또는 공정 설계서라고도 합니다. 표 22.1에 공정 계획서 예시가 나와 있습니다.
공정 계획서에 표시된 작업과 그 요소에 대한 설명은 무엇을, 왜 해야 하는지에 대한 매우 간결하면서도 포괄적인 정보를 제공해야 합니다. 데이터는 작업을 어떻게, 무엇으로 수행할지 명확히 나타내야 하며, 가능하다면 소요 시간도 표시해야 합니다.
이러한 시트의 형태는 생산 조건에 따라 다를 수 있습니다. 공정 시트의 성격은 주로 생산 규모와 제조 중인 제품의 중요도에 따라 달라집니다. 또한 이미 가동 중인 제조 개념과 신규 플랜트를 설계하는 조직에서는 다른 유형의 시트를 사용합니다.
대부분의 경우 공정 시트에는 다음 정보가 기재됩니다:
1. 공작물 관련 정보: 명칭, 도면, 가능하면 기능적 역할.
2. 블랭크 관련 정보: 소재, 블랭크로 사용 시 재고 크기, 특성 등.
3. 작업 및 그 요소의 설명과 번호.
4. 공작 기계, 액세서리, 공구, 보조 설비 등 제조 설비 정보.
5. 지그, 고정구, 공구 등의 설명, 크기, 코드 번호.
6. 표준 시간 요소: 셋업 시간, 취급 시간, 가공 시간 등.
7. 각 작업에 대한 작업자 직무 등급.
가공 작업의 제조 공정을 계획할 때 다양한 작업에 대한 작업 스케치를 자주 그립니다(도 22.2 참조). 가공할 면에 원하는 공차를 표시합니다.
수동 공정 계획(MPP)에는 많은 단점이 있습니다:
컴퓨터 지원 공정 계획(CAPP)은 통합 CAD/CAM 시스템으로 가는 가장 중요한 연결 고리가 되었습니다. CAPP는 컴퓨터를 적용해 인간 공정 계획자가 공정 계획 기능을 수행하는 것을 지원합니다. CAPP는 일관된 공정 계획 준비에 드는 시간과 노력을 줄일 뿐만 아니라, 컴퓨터 지원 설계(CAD)와 컴퓨터 지원 제조(CAM) 사이의 자동화된 인터페이스를 생성하여 제조 시스템 내 완전한 통합을 달성합니다.
이 공정의 입력은 생성할 공작물의 CAD 모델이고, 결과는 공작물을 생성/제조할 수 있는 상세 공정 계획입니다.
완전한 CAPP 시스템에는 다음이 포함됩니다:
1. 설계 입력.
2. 소재 선정.
3. 공정 선정 및 순서 결정.
4. 기계 및 공구 선정.
5. 중간 표면 결정.
6. 고정구 선정.
7. 가공 파라미터 선정.
8. 비용/시간 추정.
9. 계획 작성.
10. NC 테이프 이미지 생성.
자동화된 공정 계획의 두 가지 기본 접근법은:
1. 변형형(Variant)과 2. 생성형(Generative)
변형형 방법: 변형형 공정 계획은 부품 간 유사성을 탐색하고, 데이터베이스를 검색하여 해당 부품이 속한 부품 패밀리의 표준 공정 계획을 검색합니다. 이 계획을 검색하여 수정함으로써 신규 부품에 적합한 계획을 만듭니다.
변형형 접근법에서 공정 계획은 두 운영 단계로 생성됩니다:
1. 준비 단계와 2. 생산 단계.
준비 단계에서 기존 부품을 코드화, 분류, 부품 패밀리로 그룹화합니다. 분류와 코드화는 부품 간 유사성을 식별하는 비교적 쉬운 방법을 제공합니다. 유사한 부품을 클러스터링하여 부품 패밀리를 형성할 수 있습니다.
다양한 코드화 체계가 수립됩니다. MICLASS, DCLASS, OPITZ, CODE 등이 분류 체계입니다. 부품 패밀리가 형성되면 각 패밀리에 표준 계획이 할당됩니다. 표준 계획은 부품을 만드는 공통 공정 세트를 나타내는 가공 공정 세트로 구성됩니다.
생산 단계에서 들어오는 부품은 기하학적 특징이나 가공 요구 사항에 따라 코드화됩니다. 준비 단계에서 사용한 동일한 코드화 체계를 여기서도 활용합니다. 결과 코드를 기준으로 부품이 부품 패밀리에 할당됩니다.
코드화 시스템이 효율적으로 활용되면, 해당 부품은 그 패밀리에 속한 다른 부품들과 유사해야 합니다. 신규 부품을 위한 공정 계획은 데이터베이스에서 검색한 표준 계획(신규 부품이 속한 부품 패밀리의)을 수정하여 얻을 수 있습니다.
생성형 방법: 생성형 컴퓨터 지원 공정 계획(GCAPP)은 제조 정보를 종합하여 신규 부품(컴포넌트)을 위한 공정 계획을 생성합니다. 의사 결정 로직과 최적화 방법이 시스템 자체에 인코딩되어 공정 계획에 사람의 개입이 최소화되거나 전혀 필요 없습니다.
생성형 시스템은 엔지니어링 도면이나 CAD 파일로부터 완전한 공정 계획을 생성합니다.
GCAPP 시스템의 세 가지 영역은:
1. CAD 파일 형태의 부품 정의. 부품 특징과 부품 사양을 포함합니다.
2. 공정 계획자의 지식 식별, 포착, 표현. 공정 계획자가 공정 선정, 순서 결정 등에 대해 내린 결정의 추론을 고려합니다.
3. 계획자 로직의 호환성
GCAPP에서 설계 사양이 시스템에 입력됩니다. 의사 결정 로직은 소재와 부품의 가공 특징을 인식합니다. 또한 최적의 작업 순서와 최적의 고정구 유형 및 위치를 결정합니다.
GCAPP 시스템에서 다음과 같은 단점이 관찰됩니다:
1. 현재까지 제한적 사용. 필요한 정보(공차 등)가 CAD 모델에 보통 없습니다.
2. 시스템이 입력되는 모든 다양한 부품 유형을 처리할 수 있도록 많은 지식을 추가해야 합니다.
3. 알고리즘의 높은 복잡성과 막대한 계산 노력으로 인해 일부 시스템은 특정 형상 유형의 계획 개발에 특화됩니다. 일부 시스템은 부품의 제조 가능성을 검사하고 필요 시 설계 변경을 제안하는 정도까지 나아갑니다.
지금까지 공정 계획 단계, 정의, 유형, 활동 순서, 다양한 공정 계획 유형의 장단점에 대해 학습했습니다. 이 기사를 친구들과 공유하고 아래 댓글로 피드백을 남겨주세요.
산업기술
브로칭(Broaching)이란? 브로칭은 날카롭고 경화된 이빨이 있는 공구가 공작물에서 재료를 일관되고 연속적이며 정확하게 제거하는 가공 공정입니다. 브로칭 공정은 크기가 다른 돌출된 이빨을 가진 공구를 사용하여 공작물을 통과할 때마다 지정된 양의 재료를 정밀하게 절삭합니다. 브로칭에서 다중 절삭 공구는 움직이고 공작물은 정지해 있거나, 공작물이 움직이고 공구는 정지해 있습니다. 어떤 경우에는 공구와 공작물 사이에 상대적 회전이 있을 수 있습니다. 브로칭 공정은 공작물 중심을 관통하는 내부 브로칭이거나 공작물 표면을 가로지르는 외부
단조(Forging)란 무엇인가? 단조는 해머, 프레스, 롤링 등으로 금속에 압축력을 가해 형상을 만드는 제조 공정입니다. 이 압축력은 해머나 다이(Die)를 통해 전달됩니다. 가공 온도에 따라 냉간 단조, 온간 단조, 열간 단조로 나뉩니다. 탄소강, 합금강, 스테인리스강 등 다양한 금속이 단조 가능하며, 알루미늄, 황동, 구리 같은 연질 금속도 단조할 수 있습니다. 단조는 최소한의 소재 손실로 우수한 기계적 물성(높은 피로 강도, 강도)을 가진 부품을 생산하며, 양산성과 특정 물성 구현에 경제적입니다. 대장장이들이 수천 년간 주방
