동사는 1961년 4월에 시즈오카현 구 키요미즈시에서 창업, 그룹 기업을 포함해 종업원 90명 이상이 근무하는 자동차 조명기구의 수지성형 금형 메이커이다(그림 1). 헤드램프 보디 금형, 리어 콤비네이션 보디 금형, 헤드램프 리플렉터 금형, 하이마운트램프 금형, 포그 보디 금형 등을 중심으로 형체력 100~1,600t까지의 금형을 제조하고 있다.
▲ 그림 1. 동사 외관
그림 2에 동사 금형가공의 대략적인 프로세스를 나타냈다. 이들 공정 외에 그라파이트 전극가공, 와이어 방전가공, 그리고 5축가공을 하고 있다. 이와 같은 가공 프로세스는 동일한 금형을 제조하고 있는 타사와 큰 차이는 없다고 생각한다.
▲ 그림 2. 동사의 금형가공 프로세스
또한 일본 내의 다른 제조업과 동일하게 동사도 오퍼레이터의 스킬에 의존하지 않는, 안정된 품질의 금형 제조를 목표로 하고 있다. 이에 최신 공작기계를 활용해 정도를 구하고, 금형 제조의 능률을 높이고 싶다고 생각한다.
동사의 과제
가급적 사내 가공 비율을 높임으로써 금형가공의 리드타임 단축에 노력하고 있다. 그러나 매달 금형의 생산 수에 편차가 있기 때문에 기계가공에서 설비의 가동률 평준화가 과제이다. 기계가공이 겹쳐서 사내 대응이 불가능한 케이스도 있다. 또한 재료나 부품의 흐름도 원활하다고는 할 수 없다.
이들 과제의 해결을 위해 최근 수년 간 절삭가공 주체의 대응을 도모해 왔다. 특히 5축가공기를 이용한 효율화는 성과를 올리고 있다. 또한 거친가공은 노후화된 머시닝센터(MC)로 해 왔는데, 거친가공으로 특화한 MC를 신규 도입함으로써 오퍼레이터가 절삭하기 힘들다고 말하던 재료의 가공 시간을 단축할 수 있었다.
그러나 대응해 가면서 절삭가공의 문제도 볼 수 있게 됐다. 절삭으로 무엇이든 할 수 있는가? 하고 물으면, 그 대답은 ‘Yes’이다. 그러나 그것이 고능률인가? 하고 물으면, 대답은 ‘No’이다.
방전리스라고 해서 10년 이상 절삭가공할 수 있는 범위는 확대되어 왔다. 그러나 깊거나 단단한 영역의 절삭가공에는 고도의 기술이 필요하다. 그렇기 때문에 오히려 리드타임이 늘어나게 되는 케이스도 있다. 또한 기계가공 현장뿐만 아니라 NC 프로그램 제작의 문제도 있다. 특히 5축가공에서는 CAM 작업에 시간이 걸리고, 가공에 CAM 작업이 따라오지 못하는 경우도 있었다.
프로세스의 수정
앞에서 말한 상황을 감안해, ‘문제 해소=리드타임 단축’을 목표로 해서 다시 새로운 관점에서 금형가공의 프로세스 수정을 하고 있다. 수정은 세상에서 말하는 ‘작업방식 개혁’을 의식해 문제 해소뿐만 아니라, ‘작업의 효율화=오퍼레이터의 스트레스 경감’도 필요하다고 생각했다.
우선 구멍뚫기 공정의 능률 향상을 도모했다. 동사에서도 3차원 모델을 사용한 금형 제작을 목표로, 구멍뚫기 공정에도 3차원 CAM을 도입하고 있었다. 그러나 3차원 CAM은 단순한 구멍뚫기 가공용 NC 프로그램의 작성에도 오퍼레이터의 기술을 필요로 한다. 그 결과, 오히려 NC 프로그램 제작에 시간이 걸리고 있었다. 현재는 기술을 그다지 필요로 하지 않는, 간단한 2차원 CAM으로 되돌아가고 있다(그림 3).
▲ 그림 3. 구멍뚫기 가공의 효율화
또한 깊은 리브나 핀 각은 예전에는 형조 방전가공에 의존하고 있었다. 그러나 일반적으로 형조 방전가공에서 멀티 리브 전극을 사용한 경우, 이상 방전에 의한 가공 속도 저하의 문제가 있었다. 이에 리브나 핀 각마다 부분 적극을 제작, 방전가공을 하고 있었다. 다수의 전극을 사용하기 때문에 방전가공기의 세팅이 증가하는 만큼 오퍼레이터의 부하가 증가, 실수를 유발할 가능성이 높아진다. 또한 가공은 오퍼레이터 나름이므로 리드타임 단축에 한계가 있었다.
이러한 상황에서 5축가공기 도입은 유효한 설비 투자였다. 그러나 앞에서 말했듯이 공구의 선정이나 CAM 작업에 숙고해야 하는 상황이 새롭게 생겨, 그것이 새로운 문제가 되고 있었다.
이에 다시 형조 방전가공을 수정했다. 공작기계 메이커와의 테스트 결과, 리브마다 복수의 부분 전극을 이용한 가공과 멀티 리브 전극 1개 가공을 비교한 경우, 전자에 비해 후자의 가공 시간은 40% 단축되는 결과가 됐다(그림 4). 또한 전원 펄스의 제어 기술 진화에 의해 특별히 의식하지 않고도 멀티 리브 전극에서도 이상 방전이 잘 생기지 않는 방전가공을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
▲ 그림 4. 부분 전극과 멀티 리브 전극에 의한 가공 시간의 비교
동사가 도입한 최신 형조 방전가공기 ‘EDNC 15’의 신전원은 완전 대화식으로 경험이 적은 오퍼레이터라도 간단히 프로그램 작성이 가능하도록 되어 있다. 또한 10년 전의 형조 방전가공기에 비해 가공이 4배 빠르고, 더구나 오퍼레이터가 이상 방전하지 않도록 컨트롤할 필요가 없기 때문에 오퍼레이터의 부담을 경감할 수 있었다.
이 외에도 노후화된 형조 방전가공기는 로스트 모션이 증가해 작은 요동이 불가능하기 때문에 정도를 내는 데는 기술이 필요하다는 문제를 해결할 수 있었다. 최신 전원을 탑재한 형조 방전가공기를 사용함으로써 오퍼레이터가 어렵게 생각하지 않아도 부분 전극을 사용하지 않아 멀티 리브 전극에서도 이상 방전을 하지 않으며, 또한 가공 시간의 단축이 가능해졌다.
▲ 그림 5. 도입한 형조 방전가공기 ‘EDNC 15’
그러나 부분 전극을 사용하지 않는 것은 아니다. 동사는 그라파이트 전극가공기를 여러 대 갖추고 있다. 2년 반 전에 워크 체인저가 있는 소형 그라파이트 전극가공기 ‘V33iGr’(그림 6)을 도입, 가공 시간이 짧은 부분 전극은 자동화된 이 기계로 집약해 가공시키고 있다. 한편으로 중·대형 그라파이트 전극가공기에서는 가공 시간이 긴 멀티 리브 전극을 가공하고 있다. 사이즈에 맞는 기계를 사용함으로써 전극가공의 효율이 올라갔다.
▲ 그림 6. 워크 체인저가 있는 소형 그라파이트 전극가공기 ‘V33iGr’
또한 철을 절삭하는 것보다 그라파이트를 절삭하는 쪽이 쉽다. 동사는 이전부터 멀티 리브 전극도 부분 전극도 간단히 가공할 수 있는 그라파이트 전극을 활용하고 있다.
작업의 수정
금형가공 공정의 문제 해소에 대응해 왔는데, 여전히 리드타임 단축을 도모하기 위해 수정해야 할 것이 많이 있다. 이하에 수정 내용을 들었다.
① 형조 방전가공기의 세팅은 결코 최신 기술로 하고 있다고는 할 수 없다. 형조 방전가공기의 헤드에 멀티 리브 전극을 장착하는 것은 단순히 볼트를 죄는 것이었다. 이에 지레식 다이얼 인디케이터로 전극 전도를 수정하고 있었는데, 현재는 3차원 암으로 계측, 수정하고 있다.
② 방전이 불안정해지기 쉬운 얇은 리브의 가공에서는 적재적소에서 멀티 리브 전극이 아니라 부분 전극으로 하도록 했다.
③ 깊은 부분의 방전가공을 위해 전극과 헤드 간의 익스텐더는 아직 가는 것을 사용하고 있다. 그렇기 때문에 측정구에 대한 접촉 감지의 정도는 만족스럽지 않다. 앞으로 익스텐더를 가볍고 굵게 해 갈 예정이다.
④ MC에서 사용하는 공구는 주축으로 가지고 와서 진동을 확인하고 있으며, 결코 자동화율 향상에 만족하지 못하고 있다. 공구의 외부 세팅화도 중요한 과제 중 하나이다.
앞으로의 대응
금형가공에는 도구가 필요하며, 공작기계도 도구의 하나이다. 자신의 도구가 자신이 말하는 것을 듣고 있는가? 도구를 조작하는 자신의 실력을 알고 있는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 오퍼레이터의 기술이나 요령이 아니라 측정기가 중요하다고 생각한다. 기능뿐만 아니라 도구가 필요하고, 고정도의 측정기를 효율적으로 활용해 갈 필요가 있다.
또한 공정마다의 측정 데이터를 수집, 그 데이터를 기초로 오퍼레이터끼리 서로 이야기해 사내 개선을 도모하는 것이 동사의 IoT를 위한 첫걸음이라고 생각한다.
기술의 계승은 상당히 어려운 과제이다. 아날로그(오퍼레이터의 기술)와 디지털(자동화, 규격화)의 싸움이라고 할 수 있다. 한편, 기술의 전승을 위해 매뉴얼화를 너무 추진하면, ‘평소와 다르기 때문에 할 수 없어’라고 나약한 소리를 하는 오퍼레이터가 나올지도 모른다. 매뉴얼화의 폐해가 갑자기 나타날 가능성도 있다. 고리타분한 말을 한다고 할지도 모르지만, 하려고 하는 의지는 중요한 요소라고 생각한다.
구멍뚫기의 2차원 CAM에 의한 프로그래밍, 형조 방전가공기의 효율적인 활용 등이 동사가 최적화를 도모하는 효율화의 결과이다.
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형조 방전가공기는 뛰어난 기술을 가지고 있지 않아도 사용할 수 있는 도구이다. 현 시점에서는 5축가공기로 고민스럽게 가공하는 것보다도도 형조 방전가공 쪽이 저렴하고 간단하게 할 수 있다고 동사는 생각하고 있다.
그러나 대형 5축가공기가 크게 활약하는 시대가 곧 올지도 모른다. 여기에 머물지 않고 앞으로도 사람과 기계의 기술 향상에 계속 대응해 감으로써 금형가공의 리드타임 단축을 추진해 가려고 한다.
오쿠야마 토모카즈 (奧山 友和) 竹田선텍(주)
본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.
