A Study on the Remanufacturing of Used Machine Tools

노후된 공작기계의 재제조에 관한 연구

Abstract

Continuous industrial development has led to a better quality of life for everyone, even further accelerating industrial growth. Industrial development, however, has also caused environmental degradation, which is posing a serious threat to humanity. It has also encouraged the indiscriminate use of limited resources, causing resource depletion. Efficient resource management based on resource circulation is critical to saving resources. Resource circulation methods are as follows: reducing the use of resources in the manufacturing process, recycling used or reprocessed products and reusing used resources without being reprocessed, remanufacturing with end-of-life products with disassembled parts. Furthermore, remanufacturing process including cleaning, inspection, repairing, and reassembling facilitate performance level as well as new typical products. It is noteworthy that the remanufacturing of machine tools can significantly save resources because their structural parts are substantially large in size. Machine tools have served as a foundation for the manufacturing industry, which has driven Korea's industrial development. Nevertheless, a few research has been reported for remanufacturing technology with used machine tools. Relevant research of developing a remanufacturing process chart and method is prerequisite for saving the resource and environments.

1. 서론

지속적인 산업발전으로 인간의 삶은 보다 편리해졌으며, 산업의 성장 속도는 점점 빨라지고 있다. 하지만 산업의 발전으로 주변 환경은 점차 파괴되고 있으며, 무분별한 자원의 사용으로 자원은 점점 고갈되어 가고 있다. 환경보전을 위해 각 나라별 환경 기준을 강화하고 있으며, 국제 환경 협약도 확대를 하고 있다. 특히, 유럽을 중심으로 유해물질로 인한 환경 오염 저감과 재활용 촉진을 위해 환경규제를 강화하고 있다. 자원 절약을 위해서는 자원순환을 통한 효율적인 관리가 필요하며, 자원순환의 방법에는 제조 공정에서 자원의 사용량을 줄이는 감량(Reduce), 사용한 제품, 원료 등을 재생하여 다시 사용하는 재활용(Recycle), 사용한 자원을 가공하지 않고 다시 사용하는 재사용(Reuse), 사용이 끝난 제품 또는 부품을 회수하여 분해, 세척, 검사, 복원, 재조립 등의 과정을 거쳐 신제품과 동등 수준의 성능을 갖도록 하는 재제조(Remanufacturing)가 있다. 특히, 재제조는 신제품 생산에 투입된 생산요소의 많은 부품을 재사용하기 때문에 생산요소 투입 비용을 절감할 수 있으며, 환경 개선의 효과도 매우 커서 선진국에서도 많은 관심을 가지고 있는 분야이다. 선진국에서는 약 100여 년 전부터 항공기부품, 자동차부품, 프린터 카트리지, 토너, 공작기계, 의료기기 등 다양한 산업분야에서 재제조에 대한 연구를 진행하고 있다. 국내에서는 자동차부품에 대한 재제조가 대부분이며, 선진국에 비해 시작 단계에 불과하다.

공작기계는 국내 산업 발전에 큰 영향을 줬으며, 재제조에 대한 기술이 부족하여 단순 점검 및 수리(Overhaul)해서 재사용하고 있다. 노후 공작기계의 성능 저하는 가공 제품의 불량으로 이어지고 생산성이 떨어지게 된다. 공작기계는 베드(Bed), 컬럼(Column), 테이블(Table), 주축(Spindle) 등 구조물의 크기가 크기 때문에 재제조를 통한 자원의 절감 및 환경 개선 효과가 매우 크다. Fig. 1은 원자재가 제품으로 생산되고, 사용된 후 폐기되기까지의 물질순환 사이클을 나타낸다.[1-2]

Fig. 1 Diagram of resource circulation

재제조 산업에 대해 선진국에서는 연구 및 시장을 점차 확대해 나가고 있으며, 미국, 영국 등에서는 다양한 분야에서 재제조 산업이 발달하고 있다. 재제조 산업이 가장 발달한 나라는 미국이며, 1920년대 자동차 분야를 시작으로 공작기계 등의 기계류, 건설 중장비, 전자제품 등 여러 산업 분야에서 발전 해왔다. 국내는 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 자동차, 토너 카트리지 등 한정적인 분야에서 발전 해왔다.

Mok등은 국내 재제조 산업 문제점을 파악하고, 재제조 산업의 발전 방안에 대해 연구하였다.[3] 그리고 자동차부품의 재제조 산업 및 자동차부품별 재제조업체의 현황을 분석하여, 자동차부품 재제조산업의 문제점 및 개선 방안에 관한 연구를 하였다.[4] Jung등은 재제조, 자원순환기술의 국내외 산업화 동향을 분석하고, 국내 품목별 재활용 현황에 대해 연구하였다.[5] Du등은 여러 국가에서 공작기계의 재제조 산업의 현황을 분석하였고, 공작기계 재제조의 경제적, 환경적 이점에 대해 연구하였다.[6] 공작기계의 성능 향상에 관한 연구는 많이 있으나 노후 공작기계 재제조에 관한 연구는 미미한 실정이다. 이에 본 연구에서는 노후된 공작기계에 대한 구조해석을 통한 안정성을 검토하였다. 그리고 노후된 공작기계의 재제조를 통한 재제조 전과 후의 성능평가 결과를 비교하여 재제조에 따른 성능 향상에 관해 연구하였다.

2. 노후 공작기계의 구조해석

ANSYS Workbench R17.1 프로그램을 사용하여 노후 공작기계의 해석을 통한 구조물의 변형, 응력 및 고유진동수를 확인함으로써 구조 안정성을 확인하였다. 노후 공작기계는 1997년에 생산된 화천 VMC650을 선정하여 구조해석을 수행하였다. 스핀들과 테이블은 강소재로 이루어져 있으며, 스핀들과 테이블을 제외한 나머지 Body는 GC계열의 회주철로 구성되어 있다.

절삭력에 의한 구조물의 변형 및 응력을 확인하기 위해 X, Y, Z축의 각 방향으로 1,000 N의 힘을 적용하여 해석을 수행하였다. 힘의 합력은 1732.1 N 이며, 실제 공구 끝단에서 작용하는 힘과 같이 구현하기 위해 Remote force 조건으로 하중을 입력하였다. 노후 공작기계의 최대 변형은 0.007 mm, 최대 응력 0.73 MPa로 나타났다. 최대 변형 지점은 스핀들 상단, 최대 응력은 스핀들 끝단에서 나타났다. Fig. 2는 절삭력을 고려한 해석의 결과를 나타낸다.

Fig. 2 Analysis results by cutting force

3. 노후 공작기계의 모달해석

노후 공작기계의 운전영역(Maximum 4,000 rpm)에서 고유진동수 및 모드형상을 검토하기 위해 모달해석을 수행하였다. Fig. 3과 Table 1은 모달해석의 결과값을 나타낸다. 1∼5차 모드까지 운전 영역 내에 고유진동수가 존재함을 확인하였다. 또한 1, 2차 모드가 약 3 Hz(약 180 rpm)의 차이를 보이며, 1,720 rpm∼1,900 rpm 사이의 상용 운전조건에 속한다. 이는 가공 시 공진발생에 따른 가공정밀도에 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

Fig. 3 Modal analysis results

Table 1. Modal analysis results

따라서 가공정밀도 향상을 위해 공작기계 재제조 시 고유진동수를 증가시키기 위한 구조물 보강 및 강성증대 설계가 필요하다.

1차 모드에서는 X축 방향으로, 2차 모드에서는 Y축 방향으로 구조물 형상이 변형하였다. 고유진동수를 증가시키기 위해 구조물 보강안을 Fig. 4와 같이 나타내었다.

Fig. 4 Reinforcement shape of structure

1∼6차 보강안에 따라 구조 모델링 및 모달해석을 수행하였다. 1차 보강안에서는 1차 모드에서 약 3 Hz 증가하였으나, 이후 모드에서는 일정하게 증가한 경향이 나타나지 않으며 초기 모델의 결과와 유사한 결과를 보였다.

2차 보강안의 보강재 형태는 1차 보강안과 반대편 보강재의 크기는 동일하며, Z축 방향으로 열려있는 부분을 20t의 판재로 막은 형태이다. 초기 모델 및 1차 보강안보다 고유진동수가 약간 증가 한 것으로 나타났으나, 여전히 5차 모드까지 운전 영역 내에 포함되어 있다.

3차 보강안의 보강재 형태는 1차 보강안과 반대편 보강재의 크기는 동일하며, Z축 방향으로 열려있는 부분을 완전히 채운 형태이다. 초기 모델 및 1차 보강안에 비해 고유진동수가 상당히 증가하였으며, 운전영역 내에 포함되는 모드가 3차 모드로 축소되었다. 그러나 중실형상은 단면적 대비 효율이 좋지 않다.

4차 보강안의 보강재 형태는 1, 2, 3차 보강안의 단점인 단면적 대비 효율을 개선하기 위해 격자형 구조를 제시하였다. 그러나 초기 모델과 거의 결과가 같으며 보강효과가 없는 것으로 나타났다.

5차 보강안의 보강재 형태는 4차 보강안에서의 문제점을 개선하기 위해 보강재의 폭을 450 mm로 증가시켜 X축 방향의 휨강성을 향상시켰다. 초기 모델에 비해 고유진동수가 상당히 증가하였으며, 운전영역 내에 포함되는 모드가 3차 모드로 축소되었다. 또한 고유진동수가 가장 많이 증가했던 3차 보강안과 유사한 결과이며 단면적 대비 보강효율이 증가하였다.

6차 보강안의 보강재 형태는 5차 보강안의 개선안을 고려하여 전체적인 단면적을 감소시켰다. 5차 보강안보다 단면적이 감소했으나, 해석결과는 유사한 결과를 나타낸다. 또한 1, 2차 모드의 고유진동수 간격(약 60 rpm)이 좁으며, 2,000 rpm 이상의 운전영역으로 고유진동수를 증가시켰다. 1∼3차 모드의 운전조건만 회피한다면 공진 발생 문제를 해결 할 수 있을 것이라 판단된다. 따라서 6차 보강안을 최종 보강재 형상으로 선정하여 재제조 시 반영하였다. Table 2는 1∼6차 보강안에 따른 모달해석 결과값을 나타낸다.

Table 2. Modal analysis results by reinforcement of structure

4. 노후 공작기계의 재제조

공작기계의 노후화는 가공을 위한 이송축의 이송 과정에서 많은 마모가 발생을 하고, 가공 시 주축에 부하가 걸려 정밀도가 떨어져서 성능 저하가 발생한다.

대부분의 노후 공작기계들은 일부 성능이 작동이 잘 안되거나 성능이 저하된 상태이다. 베드, 새들, 컬럼, 테이블 등을 분해하여 상태를 확인한 후 재사용 품목과 재제조 품목으로 분류를 한다. 손상 및 마모가 이루어진 부분을 중심으로 재제조를 진행하며, 손상 부품에 대해 복원 및 교체를 한 후 조립을 진행한다.

Fig. 5는 재제조의 순서를 나타낸다. 노후 공작 기계를 입고 시킨 후 분해 공정에서 주축 및 이송장치, ATC, 볼스크류, NC 등의 유닛을 분해하여 세척한 후 파손 및 마모 상태에 따라 재사용, 재제조, 신품 교체 품목으로 분류한다. 재사용 및 재제조 품목에 대해서는 재제조 과정을 거친 후 도장을 하고 전체 조립을 한다. 조립이 끝나고 나면 성능평가를 통해 재제조 전과 후의 성능 향상을 비교한다.

Fig. 5 Remanufacturing process

5. 노후 공작기계의 성능평가

공작기계의 주요 성능 평가 항목은 회전체의 회전 정밀도, 소음과 주축 및 이송시스템의 위치 결정 정밀도, 반복 정밀도가 있다. 위치결정 정밀도(Position precision) 및 반복 정밀도(Repeatability)는 레이저 측정기로 측정하였고, 주축 런아웃(Run-out)은 인디게이터(Indicator)로 측정하였다. 소음(Noise Level)은 소음측정기(Phone meter)로 측정하였다. 성능 평가는 주변 환경의 온도와 습도를 최대한 동일하게 유지하여 무부하상태로 시험을 진행하였다. 이송축의 성능 평가는 측정전 충분히 작동시켜 예열 시킨 후 측정값에 영향을 미치지 않도록 시험하였다. Table 3은 각 측정 항목의 측정 장비 제조사 및 모델명을 나타낸다.

Table 3. Measuring equipment of performance evaluation

직선운동의 위치결정 정밀도 및 반복 정밀도의 측정은 5개의 측정 포인트를 지정하고, 이송축 왕복을 5회 실시하여 측정된 평균값으로 확인하였다. 주축의 런아웃은 300 mm 테스트바(Test bar)를 주축 선단에 장착하고 인디게이터의 촉침을 테스트바의 끝단에 접촉시켜 주축의 회전에 의해 변화하는 인디게이터의 눈금 최대 변화량을 기록하는 방법으로 측정하였다. 측정 시 주축의 회전수는 50 rpm으로 설정하였고, 총 5회 반복 측정을 진행하였다. 공작기계의 소음 측정은 주축을 기준으로 동일한 높이의 1 m 거리에 소음측정기를 설치하여 최대 소음값을 측정하는 방법으로 진행하였다. 측정 위치는 주축의 전면, 좌측면, 우측면으로 총 3면에서 측정하였다. 소음 측정을 위한 주축의 회전 속도는 최대 속도로 회전을 시켜 측정하였다.

Fig. 6은 위치 정밀도, 반복 정밀도, 주축 런아웃, 소음에 대한 노후 공작기계의 재제조 전과 후의 성능평가 결과를 나타낸다.

Fig. 6 Measurement results of Performance Evaluation

6. 결론

본 연구에서는 노후 공작기계의 구조적인 안정성 검토를 위해 구조 및 모달해석을 수행하였다. 노후된 공작기계의 입고에서부터 재제조 후 성능 평가에 이르기까지 각 공정별 기술을 바탕으로 재제조를 진행하였다. 그리고 노후된 공작기계의 재제조 전과 후의 성능 평가를 통하여 성능 향상을 비교하였다.

본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 얻었다.

1) 노후 공작기계의 모달 해석을 통해 가공 정밀도에 영향을 주는 공진 발생 운전 영역을 분석하여 공진 회피를 위한 운전 조건과 강성 증대를 위한 구조물 보강안을 제시하였다.

2) 노후 공작기계의 재제조 전과 후의 성능 평가를 통해 재제조를 통한 성능 향상을 확인하였다. 위치결정 정밀도의 경우 약 3-18배의 성능 개선이 되었고, 반복 정밀도는 약 2-16배 성능이 향상된 것을 확인하였다. 그리고 주축 런아웃은 약 2배의 성능이 개선되었고, 소음은 약 8.3% 정도 감소한 것을 확인하였다. 재제조를 통해 가공 정밀도 향상 및 소음저감 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.