Ⅰ. 주물재료주물재료에는 주철, 주강, 동합금, Al합금, Zn합금 등이 있으며, 주물의 사용목적에 따라 알맞는 금속을 선택할 수 있어야 하고, 주조시에 생기는 성분의 증감과 변화에 대한 지식이 있어야 한다.1. 주철(鑄鐵; cast iron)주철은 강도는 다소 낮으나, 주조성이 좋고, 값이 싸며, 기계가공성이 좋아 널리 사용된다. 주철에는 주조시에 흑연이 석출하여 파단면이 회색인 회주철(灰鑄鐵; grey cast iron)과 흑연의 존재가 적은 백주철(白鑄鐵; white cast iron)이 있으며, 이 두 가지의 중간에 속하는 반주철(斑鑄鐵; mottled cast iron)이 있다. 최근에는 회주철의 강도도 많이 향상되었고, 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵) 등이 출현하여 주강(鑄鋼) 및 가단주철(可鍛鑄鐵) 못지 않게 많이 사용된다.주철조직에 가장 큰 영향을 주는 원소는 C와 Si이며, 독일인 E. Maurer는 전탄소량(全炭素量; total carbon)과 규소량의 관계가 각종 주철조직에 미치는 영향에 대하여 아래와 같은 E. Maurer 선도를 발표하였다. E. Maurer는 용선(熔銑)을 1250oC에서 지름 75mm의 건조형에 주입하고 냉각속도를 일정히 한 응고조직에서 data를 얻은 것이다.그림 주철의 종류와 E. Maurer 선도(1) 회주철(보통주철, 灰鑄鐵; grey cast iron):주철 중의 탄소의 일부가 유리되어 흑연화되어 있는 것을 회주철이라 하며, 선철과 고철을 용해하여 만든다. 인장강도를 크게 하기 위하여 강 scrap을 첨가하여 Ca-Si 등의 접종제로 C와 Si를 감소시켜 백선화(白銑化)되는 것을 방지한다. 회주철은 주조성(鑄造性)과 절삭성(切削性)이 양호하므로 각종 기구, 공작기계 bed, 내연기관 cylinder, piston 및 주철관 등에 사용된다. 회주철에도 흑연의 상태에 따라 편상흑연주철(片狀黑鉛鑄鐵), 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵) 및 공정상흑연주철(共晶狀黑鉛鑄鐵) 등이 있다.(2) 고급주철:보통주철의 인장강도는 10~20kg/mm²인데 반하여, 고급주철의 인장강도는 30~40kg/mm²정도이다. 제조법은 기지(基地)의 조직을 개선하는 방법과 흑연 상태를 개선하는 방법이 있다. 기지의 조직을 개선하는 Lanz법은 T.C.(total carbon; 全炭素量)=2.5%~ 3.5%, Si=0.5~1.5%, T.C.+Si=4.2%를 표준 성분으로 하고, 주형을 예열하여 냉각속도를 느리게 함으로써 백선화(白銑化)를 방지한 pearlite 조직을 얻는다. 이를 일명 pearlite 주철이라고도 한다. 흑연상태를 개선하는 방법에는 Emmel법, Piwowarsky법 및 Deschene법 등이 있는데, Emmel법은 용선로에 50% 이상의 강철 scrap와 선철을 용해하여 T.C.를 3% 이하로 저하시켜 제조하며, 조직은 흑연이 미세하고 균일하게 분포된 기지의 pearlite 이다.Piwowarsky법은 주입온도를 높게하면 흑연이 미세하고 균일하게 되는 경향을 이용하여 용선로에서 용탕을 전기로에 옮겨 1500~1600℃까지 가열하여 주입함으로써 강도가 큰 주철을 얻는 방법이며, 일명 고온주철이라고도 한다.Deschene법은 용융상태의 주철에 진동을 주어 비중이 작은 불순물 같은 것을 뜨게 하고, 흑연의 성장을 방해하여 흑연이 완전히 용입(熔入)되며 미세하게 된다. 압탕구가 있는 주형에 이 방법을 사용하면 흑연이 생긴다하여도 S와 같은 불순물과 함께 위로 부상(浮上)하여 제거되기 때문에 일명 진동탈황주철(振動脫黃鑄鐵)이라고도 한다.Meehanite 주철은 미국의 Meehan 회사가 개발한 것으로 선철에 많은 강 scrap을 배합한 저탄소 주철에 Ca-Si, Fe-Si 등으로 접종하여 균일 미세화시킨 고급주철의 일종이다. 열처리 경화가 가능하고, 내마모성이 우수하여 cylinder, cam, crank, 축, 치차, press die 등에 사용된다.(3) 구상흑연주철(球狀黑沿鑄鐵): 덕타일 주철(ductile cast iron)보통주철 중의 편상흑연(片狀黑沿)을 구상화(球狀化)한 조직을 갖는 주철로서, 기지의 종류에 따라 pearlite 형과 ferrite 형이 있다. 미국에서는 nodular graphite cast iron, 영국에서는 spheroidal graphite cast iron 이라 부른다. pearlite 형은 인장강도가 50 ~ 70kg/mm2, 연율이 1 ~ 5%, ferrite 형은 인장강도가 50 ~ 60kg/mm2 , 연율이 10 ~ 20%이다. 구상흑연주철은 경도 220 ~ 230HB 이며, 내열성 및 내마모성이 우수하고, 절삭성이 좋다.구상흑연주철의 제조법은 다음과 같다.선철, 강 scrap 등이 사용되고, 제품의 종류 및 용해로에 따라 배합비율이 다르다.용선로, 저주파전기로 등의 노를 사용한다.S는 흑연구상화가 되기 전에 0.02% 이하가 되도록 탈황되어야 한다.주입하기 직전 용탕에 원소를 첨가하는 Mg 처리법, Ce 처리법, Ca 처리법에 의하여 구상흑연주철을 얻는다.cementite 분해와 ferrite 화를 위하여 풀림한다.(4) 합금주철(특수주철, 合金鑄鐵):원소 C, Si, Mn, P, S 외에 Ni, Cr, Cu, Mo, Al, W. Mg, V 등을 첨가하던가 Si, Mn, P를 증가시켜 강도, 내열성, 내부식성, 내마모성 등을 개선한 주철을 합금주철이라 하며, 첨가되는 원소의 영향은 다음과 같다.Cu: 0.25 ~ 2.5% 첨가하면 경도, 내마모성 및 내부식성이 커진다.Cr: 0.2 ~ 1.5% 첨가하면 pearlite 조직이 미세화되며, 경도, 내열성, 내마모성이 증가한다.Ni: 두꺼운 부분의 조직이 조대화되는 것을 방지함과 동시에 얇은 부분의 chill 발생을 방지한다. 14~38% 첨가하면 내열성, 내산성, 내 alkali 성이 되며, 비자성(非磁性)인 austenite가 된다.Mo: 흑연화를 방지하며, 0.25~1.25% 첨가하면 흑연을 미세화시키고 강도, 경도, 내마모성을 증대시킨다.Ti: 탈산제로서 흑연화를 촉진하나, 너무 많이 첨가하면 흑연화를 방해한다. 0.3% 이하 첨가하면 고탄소, 고규소철의 흑연을 미세화시켜 강도를 높인다.V: 0.10 ~ 0.50% 첨가하면 흑연을 미세화시키고, 강력한 흑연화의 방지제가 된다.그림 보통주철에 합금원소를 첨가하였을 때 인장강도의 증가율(5) 가단주철(可鍛鑄鐵; malleable cast iron):백선철(白銑鐵)을 열처리해서 가단성(可鍛性)을 부여한 것이며, 파단면의 상태에 따라 백심가단주철(白心可鍛鑄鐵)과 흑심가단주철(黑心可鍛鑄鐵)로 나눈다. 가단주철은 인장강도와 연율이 연강에 근사하고 주철의 주조성을 갖고 있어 주조가 용이하므로 자동차 부품, 관이음 등에 많이 사용된다.가단주철의 제조 과정은 다음과 같다.화학조성: 앞의 표에서와 같이 백심가단주철에는 흑심가단주철에 비하여 S가 많고 Si가 적다. 반대로 흑심가단주철에는 Si가 많고 S가 적다. 흑연화를 촉진하는 것으로서 큰 것부터 나열하면 Co, Cu, P, Ni, Ti, Al, Si 등이고, 흑연화를 방해하는 것은 W, Mo, Mn, V, Cr. S의 순이다.용해 및 주조: 용해에는 용선로, 도가니로, 반사로, 전기로 등이 이용된다. 주입온도가 너무 높으면 흑연화에 시간이 너무 오래 걸리므로 용선로와 반사로에서는 1320 ~ 1420℃ 정도가 적당하다. 백선철은 탄소량이 보통주철보다 적으므로 용해온도가 높다.열처리: 백선철 주물을 상자에 넣어 풀림로에서 다음 그림과 같이 열처리한다. 열처리 온도가 흑연화에 미치는 영향은 크며, 저온에서 열처리를 행하면 시간은 오래 걸리나 흑연이 미세해져 가단성이 커진다.그림 가단주철의 열처리[2] 주강(鑄鋼; cast steel)일종의 탄소강으로서 C가 0.1 ~ 0.6% 정도이며, Si가 0.20~0.70%, Mn이 0.5~1.0%, P
차례1. 동시공학의 성공적인 사례2. RP(Rapid Prototyping)3. QFD(Quality Function Deployment)4. 6sigma1. 동시공학의 성공적인 사례1. 동시공학하나의 제품이 만들어지기까지 순차적으로 거치는 여러단계의 각 과정을 정보통신망과 전산시스템으로 묶어 동기화(同期化)함으로써 개발기간과 비용을 줄이는 개념을 말한다. 1980년대 미국의 항공기 업체들이 처음 시작한 것으로 최근 각광받고 있는 CALS(광속상거래)의 실현수단으로서 급속히 확산되고 있다. 동시공학을 구현하기 위해서는 각 부서가 독립적으로 운영하던 컴퓨터 지원 설계(CAD)·제조(CAM)·엔지니어링(CAE)·실험(CAT) 등 전산시스템을 하나로 통합, 공유할 때 가능하다. 또 각종 제품정보를 한 곳에 모아둔 생산자료관리(PDM·Product Data Management)시스템과도 연계해야 하며, 특히 동시공학이 효과를 거두기 위해서는 부품업체들과도 정보통신망으로 연결돼야 한다. 동시공학이 고도로 발전하면 컴퓨터 안에서 시제품을 개발하고 테스트까지 마친 뒤 곧바로 생산라인을 거쳐 사용제품을 출시할 수 있게 된다.동시공학(concurrent engineering)이란 기업간 동시에 관여하여 공동으로 설계, 개발하는 방식으로서 개발에 있어서 시간경쟁력개념과 기업간 분업과 시너지효과를 동시에 추구하는 공학이다.1.동시공학의 성공적인 사례1) 수십년전부터 토목공학 분야에서 사용설계사무소나 시공업자가 프로젝트의 처음부터 끝까지 서로 긴밀하게 협조하면서 일을 진행해 나가는 것을 의미하는데, 그것이 제조업으로 확대되었다. 제조업에서 처음으로 CE를 채택한 것은 군수산업이고, 그 다음이 자동차 산업이다.2) 자동차 산업에서 CE가 본격적으로 적용된 것은 1980년대 중반가. 포드자동차의 알파 프로젝트'Do it right first time(처음에 올바르게 하라 - 불량을 막기 위한 슬로건으로 자주 쓰이는 말. 검사 시험에 의존하지 말고 애초부터 정확히 업무 또는 생산 작업을지 투자에 대한 수익률이라기보다는 마진요소와 속도요소로 나누어 해석되고 있다.예를 들어 동시공학을 구현하는 한가지 방법으로 가상현실 기술의 응용을 들 수 있다. 즉, 항공기를 설계할 때, 컴퓨터상에서 3차원으로 설계된 항공기의 각 부분들을 가상으로 조립하여 봄으로써 조립이 용이한지 기계역학적으로는 타당한지 등을 검사할 수 있다. 이렇게 함으로써 실험의 정확도를 높이는 동시에 개발기간을 단축하여 개발비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 항공기 조정석의 3차원 CAD 모델로부터 비행 시뮬레이터를 제작할 수 있는데, 이를 통해 항공기 개발 전에 가상으로 시험비행을 함으로써 실제로 발생할 수 있는 여러 문제를 미연에 방지할 수 있다.2. RP(Rapid Prototyping)1. RP 배경 및 목적제조업분야에서는 소비자의 다양한 욕구를 만족시킬 수 있는 새로운 기능과 디자인을 갖춘 제품개발의 중요성이 증대되고 있으며, 또한 이러한 소비자의 다양한 욕구에 따라 제품의 라이프사이클도 점점 짧아지고 있다.이와 같이 급변하는 제조환경에서 신제품의 개발기간을 단축하는 것은 제품의 시장 경쟁력에 있어서 결정적인요소가 되며, 기업의 매출과 이윤에 직접적으로 영향을 끼치게 된다. 이러한 제품 디자인 및 개발기간을 단축시키는 가장바람직한 방법은 CAD를 디자인 및 설계단계에서 적용하여 각종부품을 CAD에서 모델링한 후 컴퓨터상에서 조립시의 간섭확인절차(DIGITAL MOCK-UP)를 걸쳐서 제품을 설계하는 것이다. 그 이후 시제품을 만들어 제품의 성능을 평가한 후, CAM을 이용하여 양산에 필요한 금형을 제작하는 것이다.그러나, 지금까지 이러한 CAD/CAM을 이용하여 시제품을 만드는 과정에서 시간을 낭비하는 문제가 남아있다. 통상수작업에 의한 MOCK-UP을 제작하여 설계를 검토하고, 이를 이용하여 시제품을 만드는데 아무리 숙련된 기술자라도 MOCK-UP 제작기간이 1 -2개월 걸리기 때문에 개발기간의 단축과 비용감소를 얻는데 한계가 있다. 3차원 고속 적층 조형법(RAPID P 기술이 두개골이 붙어서 태어난 쌍둥이의 분리수술 성공에 커다란 기여를 한 사례3. QFD(Quality Function Deployment)1. QFD의 개요◎ 품질은 더 이상 생산이나 연구개발부서에 한정된 관심사가 아니며 마케팅을 비롯한 조직구성원 모두의 노력이 뒤따라야 하는 전사적 품질의 개념으로 발전하게 되었다.◎ 이와 같은 개념의 품질을 중심으로 제품이 물리적 또는 기능적 실체를 갖추어나갈 수 있으려면 고객의 요구와 자사의 엔지니어링 특성을 연결시키는 고리가 필요한데, 품질기능전개(QFD : quality function deployment)는 바로 이와 같은 연결고리의 역할을 수행한다고 볼 수 있다.◎ QFD는 1972년에 처음으로 일본 미쓰비시 중공업의 고베 조선소에 적용되었으며, 1975년 도요타 자동차를 필두로 자동차산업에 적용되기 시작하면서 산업 전반에 확산되었다.◎ 도요타 자동차는 1984년 QFD를 이용하여 자사에게 가장 시급한 문제가 차량 부식이라는 사실을 깨닫고 이에 노력한 결과 현재 부식방지에 있어서 탁월한 수준으로 평가 받고 있다.◎ 도요타사는 당시 차체 지속성이라는 항목으로 관련부분을 53개로 분류하고 모든 부분에 대하여 기후에서부터 조작환경까지 테스트를 실시했다.◎ 고객으로부터의 피드백 정보를 활용하여 펌프 동작부터 온도조절 및 도장재료 구성에 이르기까지 거의 모든 생산과정에 대한 실험 및 재설계를 실시하였는데, 모든 공정은 부식방지라는 고객의 요구사항에 초점을 두고 실시되었다.◎ 그 후에도 도요타사는 다양한 고객의 요구를 제품에 반영하여 1984년 이후 도요타사의 양산 전 투입비용은 QFD 도입 이전 시점인 1977년에 비하여 61%나 절감하였으며, 시장 출고까지의 기간도 1/3 가량 단축했을 뿐만 아니라 제품의 품질 또한 향상시킬 수 있었다.◎ 1980년대 일본 자동차산업이 미국을 위협할 때 일본과 미국의 품질, 비용, 납기를 비교 정리한 것이 [도표 1]이다.[도표 1] 80년대 QFD를 이용한 일본과 미국의 품질, 비용,질특성과의 관계를 규명한다.◎ 코스트 전개 : 부품전개 시에 비용이 적절한지 분석한다.◎ FT 전개 : 새로운 메카니즘이나 소프트웨어가 일으킬 수 있는 예상문제점을 전개하여 품질특성과의 관계를 규명하여 사전 예방을 목적으로 사용한다.◎ FM 전개 : 전개된 부품특성들이 일으킬 수 있는 예상 고장모드를 전개하여 부품특성과의 관계를 규명하여 사전에 예방을 목적으로 사용한다.3. QFD의 효과(1) 설계변경의 횟수를 줄이는데 기여한다.◎ 이는 고객 요구를 더 잘 이해하고 제조부문이 일찍 관여하게 되며 설계과정에서 문제예방에 중점을 두기 때문임. 일본의 자동차회사에서는 첫차가 새로운 모형의 조립라인을 빠져 나오기 전에 이미 설계가 실질적으로 동결됨에 반하여 미국에서는 첫차 제조 이후에도 몇 달 동안 설계변경이 이루어지고 있다.(2) 생산준비비용을 절감시킨다.◎ 일본의 도요타 회사는 QFD를 사용하지 않은 1977년보다 이를 사용한 1984년에 61%의 생산준비비용 감소를 초래하였다. 이러한 비용절감은 설계 및 도구변경의 감소, 수리 및 폐기물의 감소, 문제해결에 필요한 행정비용의 감소 등의 결과이다.(3) 제품개발기간을 단축시킨다.◎ 새로운 제품을 도입하는 데 소요되는 기간을 1/3 내지 1/2만큼 단축시킬 수 있는데, 이는 설계변경이 줄어들었기 때문이다. QFD를 사용하여 도요타와 혼다는 3.5년마다 신제품을 시장에 출하함으로써 미국 자동차회사의 5년보다 훨씬 빠른 개발기간을 보였다.(4) 부서 사이의 협조와 팀워크를 증진시킨다.◎ 설계, 제조, 마케팅 등 모든 기능 부서가 대표되고 함께 작업하므로 다른 부서의 업무에 대해 이해를 증진하고 문제해결에 협조정신을 갖게 되고, 종업원만족이 향상된다.(5) 보증 클레임 수가 감소한다.◎ 이는 설계가 향상되고 제조통제가 강화되기 때문인데, 보증 클레임의 수는 QFD의 실시로 20~50% 감소하였다.(6) 고객만족이 증진된다.◎ 상상하지 못한 고객의 희망을 규명하고 이들을 기쁘게 함으로써 제품혁신이 고안된다.(7) 품질, 비되는 QFD는 다음과 같은 단점을 가지고 있다.- 첫째, 제품 전체를 보지 못하고 HOQ 자체에 치우치는 경향이 있으며 이를 보완하기 위해 Pugh Concept을 사용하기도 한다.- 둘째, 제품특성치 사이에 상충점이 있다. 따라서 QFD를 사용함에 있어서는 결과로 나온 특성치들에 대해서 QFD의 단점을 보완할 수 있는 다른 기법이나 방법들을 사용한다면 보다 더 고객지향적인 제품개발의 목적을 달성할 수 있을 것이다.5. 품질의 집(HOQ)◎ 품질의 집에 대한 개념을 요약하면 다음과 같다.(1) 고객의 목소리◎ QFD는 고객의 의견을 듣고, 그들이 원하는 것이 무엇인가를 알아내어 어떻게 하면 한정된 자원을 가지고 고객의 요구를 충족시킬 수 있는지를 결정해 주는 합리적인 시스템을 만들어내는 방법상의 도구이다.◎ QFD는 고객만족도에서 나타난 고객체감 품질요소를 개선 가능한 기술품질로 전환하여 분석하며, 고객의 중요도와 우선순위에 따라 품질개선 과제를 선택하고 품질개선을 통해 고객지향적인 품질을 만들어 간다.◎ 고객의 요구사항은 우선 제품의 설계특성으로 변환하고 이를 다시 부품특성, 공정특성, 그리고 결국 생산을 위한 구체적 사양으로까지 변환한다.- 이러한 품질기능개선기법은 지속적인 기술개발 및 연구와 적시에 고객요구사항을 파악하여 신제품을 적기에 그리고 경쟁기업보다 먼저 시장에 내놓는데 있어 유리하며 부서 간의 유기적 기능 통합에 기초한 신제품개발 기법이라는 특성을 가진다.- 품질과 기능이 보장되도록 미리 계획하는데 중점을 두고 있다는 특성을 가진다.(2) 요구품질의 중요성◎ 각 요구품질에 대한 중요도는 각 요구품질에 대한 시장의 요구 정도를 나타내는 척도로서 고객의 생생한 목소리를 반영하는 것이 중요하다. 요구품질에 대한 시장정보를 사내에 축적하여 D/B화하고 시장요구 변화를 즉시 파악할 수 있는 체제를 구성할 필요가 있다.◎ 중요도를 정하는 방법은 다음과 같이 두 가지 방법이 있다.- 직접 고객으로부터 중요도를 수집하는 방법. 대상이 되는 모집단을 명확히 하여시한다.
1. 주조(Casting)란?금속을 용해하여 일정한 주형 속에 주입한 후 응고시켜서 목적하는 모양으로 만드는 작업을 말한다. 다른 가공법과 달리 고온으로 용융한 금속을 주형 속에 부어 응고시키는 방법을 취하므로 공정이 복잡하고 곤란한 점도 많아서 현재까지도 미비한 문제점이 조금 있는 편이다. 기본적으로 금속주조공정은 용융금속이 주형 속으로 주입되면서 이루어지는데 이때 주형 안에서 금속이 응고되면서 주형 모양대로 만들어진다. 주조는 주형에 용융금속을 주입하고 냉각 응고 시켜 제품을 만드는 과정 또는 주조 작업이라 하고 주물은 주조 작업에서 얻어지는 제품 또는 주조물이라고도 한다. 주조공정은 복잡한 제품 또는 구멍이 있는 부분도 경제적으로 생산할 수 있다. 그러한 전형적인 예로 엔진블록, 크랭크축, 피스톤, 밸브, 기차바퀴, 장식품 등을 들 수 있다. 주조의 주요 가공목표는 결함이 없고 강도, 치수정확도, 표면 정도에 대한 요구조건을 만족하는 제품을 생산하는 것이다.① 주조(casting)란 용어는 주조과정(casting process)와 이 과정을 통하여 만들어지는 생산품(product) 모두를 지칭② 주조과정은 용융금속을 주형(mould)에 부어서 냉각응고시킴으로써 주형내의 공동(cavity) 모양과 같은 제품을 얻는 것③ 주조산업은 넓은 범위에 적용되고 있으며 미국에서 6번째로 큰 산업임(ex) 배관의고정구, 자동차나 비행기엔진의 실린더 블록, 피스톤, 피스톤링, 공작기계의 구조물과 베드, 크랭크샤프트, 휠 등2. 사형의 주조 (CO2주형의 주조)모래, 사혼련기(모래와 물유리를 고르게 혼합), 플라스크, 점결제(물유리), 주형틀(주형 상자), 모형(목형 사용), CO₂가스(모래, 점결제와 반응하여 사형을 딱딱하게 굳히는 것에 사용 ), 가스 스토브 (제작된 사형의 수분 제거에 사용)3. 사형의 주조방법1)실험의 준비만들고자 하는 형상의 금형을 준비하고, 주물상자 사이에 목형을 넣고 조립한다.2)사형의 주재료인 주물사 준비3)물유리와 주물사의 혼합준비한 주물사 무게의 약 3~6%정도의 물유리를 모래와 혼합한다.혼합된 주물사를 손으로 쥐었을 때 그 형태가 남았을 정도의 시간종안 혼합을 계 속한다.4)주형틀에 주물사와 물유리의 혼합물 채워 넣기주형틀에 모래와 물유리의 혼합물을 꼼꼼히 채워 넣고 적당하고 고른 힘으로 다짐 봉을 사용하여 다져준다.5)Co2가스 주입적당한 깊이의 가스 주입구를 뚫어 적당한 량의 co2가스를 주입하여 주물사와 물 유리의 혼합물을 경화 시킨다. 이때 손가락으로 표면을 확인하여 적당한 량의 가 스를 주입해야한다. 주물사가 경화하여 굳으면 주물상자를 분리해 목형을 꺼낸다. 그 후 주물 상자를 재조립한다.