금속가공학

[전설]

금속가공학

■ 서 론

금속이 기계 혹은 구조물의 한 부분으로 사용될 시 이 금속재료가 어느 정도까지의 하중을 받을 수 있는가 또 금속을 주조 상태로부터 보다 유용한 형태로 소성가공시 보다 쉽게 작업 할 수 있는 온도 및 하중 속도 등의 조건 등을 야금학 적 측면에서 다루는 학문을 가공학이라고 한다.

● 탄성 및 소성가공

한 물체에 하중이 가해지면 변형하게 되고, 어느 정도까지의 하중을 가한 후에 그것을 제거하게 되면 그 물체는 원래의 치수를 다시 회복하게 된다. 이와 같이 하중을 제거하면 물체가 원래의 칫수로 되돌아가는 한계를 탄성한계라고 한다. 변형이 탄성한계를 초과하게 되면 힘을 제거하더라도 영구변형이 남아있게 된다. 이와 같이 힘을 제거하여도 회복이 되지 않는 변형을 소성변형이라고 한다.

하중이 탄성한계를 초고하지 않는 경우에는 대부분의 재료에 대하여 변형은 하중에 비례한다. 이 관계를 훅(Hook)의 법칙

σ_X = Eε_x (E: Young's modulus)

을 통해서 알 수 있고 이것을 응력은 변형률에 비례한다고 표현하는 경우가 많다.

● 평균변형률과 변형률

◆ 변형률

그림 1. 축방향의 하중을 받고 있는 환봉

변형전에 보의 표면에 두 표점을 찍고 그 사이의 거리를 L₀라고 하고 봉으 한 쪽을 고정시키고 다른 한 쪽에 하중 P를 걸었을 때 표점간의 거리가 δ만큼 늘어났다고 하면 평균 변형률은 단위 거리당 길이 변화로 정의한다.

여기서 L₀와 δ는 길이의 단위이므로 변형룰은 무차원의 양이다.

그 림 2. 그림1의 자유물체도

외력 P가 내부반력 ∫σdA와 평형을 이루고 있다. 여기서 σ는 단면에 수직인 응력이고 A는 봉의 단면적이다. 평형방정식은

여기서 만약 응력이 면적 A에 균일하게 분포되어 있다면, 즉 σ가 일정하다면 이 식은

이 식은 평균응력을 나타낸다.

탄성한계내에서는 훅의 법칙이 적용 될 수 있으므로 평균응력은 평균 변형률에 비례한다.

여기서 상수 E 는 탄성계수 혹은 영(Young)률이라 부른다.

● 연성금속의 인장응력

적절히 실계된 시편에 축방향의 하중을 가하여 그 시편이 파단할 때까지 하중과 변형량을 측정함으로써 응력과 변형률간의 관계를 통해서 연한금속의 기계적 성질의 기본이 되는 자료를 얻을 수 있다.

그림 3. 전형적인 인장응력-변형률곡선

인장실험에서 얻은 자료는 보통 응력과 변형률의 곡선으로 나타낸다. 초기 직선부분 OA는 훅의 법칙이 적용되는 탄성영역이고, 점A는 탄성한계, 즉 응력제거시 영구변형을 우발하지 않는 한계이다. 탄성한계는 때로는 비례한계(A')에 의해서 대신하여 지기도 한다. 비례한계는 응력변형도 곡선이 직선으로부터 벗어날 때의 응력을 말하고, 이 영역의 응력-변형률 곡선의 기울기가 탄선계수이다.

항복점B까지를 탄성거동의 한계라 한다. 항복강도는 미소량의 영구변형을 유발 할 수 있는 응력으로 정의한다. 일반적인 공학설계에서는 그것을 0.002정도의 변형률에 해당하는 응력으로 정의한다.

소성변형은 탄성한계를 초과할 때 시작한다. 소성변형이 진행되면 금속은 가공경화하게 되므로 계속적인 변형을 위해서는 하중을 높여주어야 한다. 결국 그 하중은 최대값에 도달하게 되고, 그 최대값을 시편의 초기 단면적으로 나눈 값이 재료의 인장강도이다.

● 연성-취성거동

그림 4. (a) 완전 취성재료의 응력-변형률 곡선
(b) 약간의 연성을 가진 취성재료의 응력-변형률 곡선

하중을 받고 있는 금속의 일반적인 거동은 연성 혹은 취성으로 분류 할 수 있고 그것은 그 재료가 소성변형을 많이 유발 할 수 있느냐 그렇지 않느냐에 따라 달려 있다. 완전취성재료는 탄성한계에서 판단하게 된다. 취성재료에서는 항복강도와 인장강도는 같으므로 응력집중이 없더라도 파단은 갑자기 일어난다.

● 파단의 원인

기계나 구조물의 구성품은 사용중 그 기능을 상실하는 수가 있다. 그 유형은 일반적으로 다음 세가지로 분류된다.

1. 과다 탄성변형
2. 항복 혹은 소성 변형
3. 파단

기계부품의 과다한 탄성 변형은 완전 파단과 동일하게 기능적인 손상을 의미 할 수 있다. 예를 들면, 축(shaft)이 쉽게 휘어진다면 베아링의 빠른 마모를 유발 할 수 있고, 잘 조립된 부품들에서 한 부품의 과다한 탄성변형은 부품들간의 간섭을 유발하여 그 부위의 손상을 초래 할 수 있다.

항복 혹은 소성변형은 금속이 탄성한계를 초과하였을 때 일어나고, 그것은 부품의 기능 손상을 의미하기도 한다. 상온에서 정하중을 받고 있는 연성금속에서 항복이 파단을 유발하는 예는 드물다.

기계부품의 대부분의 파단은 피로에 기인한다. 피로파단은 계속적으로 변화하는 응력조건하에서 있을 때 일어난다. 작은 크랙이 한 부위에서 발생하게 되면 그 부분에서 응력집중이 일어나게 되고, 따라서 점진적으로 그 크랙이 전체 단면을 통과하게 되어 파단을 유발하게 된다. 피로파단은 재료의 강도보다 훨씬 낮은 응력에서 일어날 수 있고, 이 경우 파단전에 항복이나 파단을 감지 할 수 없다. 피로파단은 국부적인 임계 인장 응력에 의해서 일어나므로 그것을 추정하기는 어렵다.

지연파단은 고온에서 장시간 동안 정하중을 받는 금속에서 발생한다. 응력과 온도에서 관계하지만 파단전에 항복을 유발하지는 않는다. 강이 상온에 서 수소에서 노출된 상태에서 장기간 하중을 받고 있을 때에도 항복없이 지연파단하는 경우가 있다.

이와같이 예기지 않은 파단을 예방하기 위하여 허용응력은 항상 파단을 유발할 수 있는 것보다 낮아야 한다. 한 특정재료가 특정목적으로 사용될 때의 안전응력 값을 설계응력(working stress)σ_w라고 한다. 설계응력은 항복응력 혹은 인장강도를 안전계수로 나눈 값으로 생각할 수 있다.

여기서 σ_w = 설계응력
σ₀ = 항복력
σ_u = 인장강도에 해당하는 응력
N₀ = 항복강도에 기본을 둔 안전계수
N_u = 인장강도에 기본을 둔 안전계수

● 응력의 개념 및 유형

그림 5. 응력의 분해

하중 P가 면적A를 가진 면의 수직선 Z와 이루는 각을 θ라 하고, 그 면의 수직벡타와 만드는 면이 면 A를 자르는 선을 점선으로 표시하였다. 여기서 총 응력을 ΔA에 수직인 성분(수직응력, σ)과 그면에 평형하게 작용하는 응력(전단응력, τ)으로 분해하여 생각하는 것이 편리하다. 점선 OC는 y축과 ψ만큼 기울어져 있다고 하면 수직응력은 다음고 같이 주어진다.

선 OC를 따라서 작용하는 전단 응력은

이 전단 응력은 다시 x축과 y축에 평행한 성분으로 나누어질 수 있다.

그러므로 보통 주어진 하나의 면에 작용하는 응력은 한 개의 수직응력과 두 개의 전단응력으로 나타낼 수 있다.

● 변형률의 개념과 변형률의 형태

변형률을 한 시점에서의 미소 길이의 변화로 표시하면

으로 나타 낼 수 있다. 이것을 자연 혹은 대수변형률이라 부른다. 이 것은 진변형률로도 불리우며 공칭변형률과 구별된다.

한 물체의 탄성변형이 길이 변형만 수반하는 것이 아니고 두 선이 이루는 초기 각에 있어서의 변화도 초래한다. 직각으로부터 각도변화를 전단변형률이라 한다. 전단변형률을 일반적으로 그 회전각으로 표시한다.

● 응력의 단위

영어권의 국가에서는 응력의 단위로 kips per square inch(ksi)를 사용하여 왔다.(1ksi = 1000psi) 보통 SI(for System International) 단위로 불리어지는 국게규격 체계에 의하면, 공식적인 응력의단위는 Newton per square meter, N/m²이다. N/m²은 아주 작은 응력(1N/m² = 0.000145psi)이므로, meganewton per square meter(1MN/m² = 10⁶N/m² = MPa = 145psi)의 단위를 주로 쓴다.

금속의 가공

■ 금속가공의 기본

공업분야에서 금속이 널리 이용되고 있는 것은 봉, 판, 튜브 등의 형상으로 쉽게 가공할 수 있기 때문이다. 필요한 형상을 만드는 데는 두 가지 방법이 있다.

1. 소성변형 공정: 재료의 체적과 질량을 한 부분으로부터 다른 부분으로 이동시키는 방법에 의해서 필요한 형상을 만드는 방법.

2. 기계가공: 필요한 형상을 만들기 위하여 불필요한 부분의 금속을 제거하는 방법.

소성변형에 의한 급속가공공정에는 수백가지의 공정이 이용되고 있지만 재료에 작용하는 하중의 상태를 기본으로 하여 나누어 보면 몇 가지의 범주로 좁혀진다.

1. 직접 압축형 공정 - 단조와 압연

2. 간접 압축형 공정 - 인발, 압출, 디이프 드로잉

3. 인장형 공정 - 스트레칭

4. 굽힘 공정 - 판재에 굽힘모멘트를 주므로써 행하여진다.

5. 전단 공정 - 판재 금속에 파단을 유발할 수 있을 정도의 전단하중을 가하므로써 재료를 절단 하는 방법

잉고트 및 빌릿으로부터 판, 박판, 봉재등 간단한 형상으로 가공하는 공정을 일차적 소성가공 공정(processing)이라 부르며, 최종의 요구 형상으로 만드는 가공공정을 이차적 소성가공 공정(tabrication)이라 부른다.

그림 1. 대표적인 가공공정

응력 변형률 곡선에서 탄성변형부분을 벗어나는 부분이 소성변형이다. 변형속도와 변형속도와의 관계는 변형속도가 빠라지면 유동곡선이 상승하고 연성은 감소한다. 반면에 온도가 올라가면 유동곡선은 낮아지고 연성은 증가한다.

● 취성

취성에는 청열취성(blue brittleness), 적열취성(red brittleness), 템퍼취성(temper brittlrness)등이 있다.

청열취성은 yield drop이 일어나는 취성이다. C와 N과 같은 interstitial atom이 칼날 전위와 상호 작용하여 전위의 움직임을 어렵게 하다가 어느 순간 서로 떨어져서 전위는 보다 쉽게 움직이므로 응력이 갑자기 떨어진다. 250 ∼ 400℃에서의 가공에서는 청열취성이 일어난다.

적열 취성은 고온으로 가열시 저융점 액상이 되어 결절립계로 편석되어 얇은 필름형태로 존재하여 온도가 내려가면 얇은 판상의 고체로 변한다. 이렇게 되었을 때는 충격을 받으면 입계를 따라 파괴되는 취성을 말한다.

템퍼 취성은 온도구역 450 ∼ 600℃에서 장시간 테퍼링하거나 이 온도구역을 천천히 지나며 냉각될 때 embrittling 원소들(Sb, P, As)등이 결정립계로 편석되어 결정립계가 취약해져 일어나는 취성이다.

● 열간가공

열간가공이란 재결정이 일어나는 조건이상의 온도와 변형률 속도 조건에서 변형을 주는 공정으로 가공경화를 수반하지 않고 큰 변형률을 얻을 수 있다.

열간가공의 장점은

-작은 힘으로 가공할 수 있다.
-가공량을 많이 할 수 있다. ← 균열없이 화학성분이 고르다. (∵온도가 높으므로 빠른 확산속도)
-기공(void)등의 결함이 메꿔질 수 있다.
-작은 재결정립을 얻을 수 있다.

등이 있고 반면에 단점으로는

-표면이 산화한다.
-표면이 거칠다]
-산소나 수소(interstitial atom)에 의한 취성을 일으킬 수 있다.
-표면에서 탈탄(decarburization)에 의한 취성을 일으킬 수 있다.
-표면과 속의 틀린 냉각속도로 인해 성질이 균일치 못하다.

등이 있다.

열간가공에서 온도가 너무 높으면 red shortness가 일어날 수 있고 너무 잦으면 위의 장점을 이용하지 못한다. 따라서 가능한 한 낮은 온도에서 가공한 후 빠른 속도로 냉각해야 한다. 트? l마자막 공정은 낮은 온도에서 많은 deformation을 해주어야 작은 재결정립을 얻을 수 있다.

열간가공의 기구(mechanism)은 동적회복과 동적재결정으로 나눌수 있다. 동적회복은 크리프 변형에서 처럼 크로스 슬립과 클라임에 의해서 잘 형성된 서브그레인 조직을 형성하므로 일어난다. 반면에 격자 결함에너지가 낮은 금속에서는 열간가공에서 연화를 위한 활성화에너지가 크리프의 그것보다 낮다. 따하서 이러한 금속에서는 연호가 동적 재결정에 의해서 일어난다.

● 냉간가공

재결정온도를 기준으로 냉간가공과 열간가공을 구별하는데 열간가공이 적은 힘을 필요로 하고 표면이 거칠며 성형이 목적인 반면에 냉간가공은 많은 힘을 필요로 하고 표면이 깨끗하며 강도상스이 목적이다. 냉간가공은 재료의 경도와 강도의 증가와 연성의 감소를 수반하다. 냉간가공으로 한꺼번에 많은 소성변형을 하면 파단이 일어나게 된다. 따라서 어닐링을 도중에 행하여 회복을 시키거나 재결정을 시킨 뒤 다시 소성변형을 시켜야 한다.

● 마찰 및 윤활

◆ 마찰

그림 2. 원판압축에서의 응력

원판의 상하면의 마찰조건은 쿠롬마찰계수(coefficient of Coulomb friction)에 의해서 아래와 같이 표시된다.

여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다. 반경방향의 힘의 평형으로부터

의 식을 얻을 수 있다. 여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다.

◆ 윤활

계면 윤활제란 금속의 표면에 무리적으로 혹은 화학적으로 흡착되어 막을 형성하는 유기질을 말한다. 윤활의 목적은

1. 가공하중을 줄인다.
2. 가공한계를 늘일 수 있다.(undeformed region을 줄일 수 있다.)
3. 재료표면을 곱게 한다.
4. 기계에 부착되는 금속을 방지한다.
5. 기계의 마모를 줄인다.
6. 재료와 기계의 열차단을 한다.
7. 재료와 기계의 열을 식힌다. → 온도가 올라가면 상변태가 일어남.

● 변형정도의 측정

plane strain case는 두께를 잰다

bar의 경우는 단면적을 잰다

● 정수압

소성가공 공정에서 정수압이 걸리면 항복응력은 변하지 않지만, 인장응력은 크랙을 유발하는 임계값이하로 낮추어주는 결과가 된다. 따라서 정수압은 물체의 연성을 높히고 damage를 적게 준다. 결과적으로 많은 소성변형이 가능하다 압출의 경우 다이반각이 크면 tenssile stres가 커지고 작으면 정수압이 커져 많은 가공이 가능하게 된다. 너무 각을 줄일 경우 변형량이 작아져 작업능률이 저하되므로 보통 45°를 많이 사용한다.

● 가공도

가공도는 소성변형이 얼마나 쉽게 되는지 즉 균열없이 가공할 수 있는 정도를 말한다. 가공균열이 생기는 원인은

1. 기계와 물체사이에 생기는 temp. gradient에 의한 inhomogeneous deformation
2. matrix와 2nd phase 사이에서의 inhomogeneous deformation
3. tensile necking

등이다. 금속가공에서 나타나는 크랙은 크게 세 가지 종류로 나누어질 수 있다.

1. 원판의 평다이 압축에서 배부름이 일어나는 자유표면에서 혹은 평판 압연의 모서리 자유표면에서 나타나는 크랙
2. 압출공정에서 처럼 계면 마찰이 높은 부위에서 나타나는 크랙
3, 인발에서 나타나는 내부 쉐브론 크랙

● 잔류응력

외력이 작용하지 않는 물체에 존재하는 응력을 잔류응력이라 한다. 이러한 잔류응력은 불균일한 소성변형에 기인하고, 표면부는 늘어나려고 하는 반면 내부는 영향을 받지 않으면서 전체적으로 연속을 유지하려고 한다. 이 잔류응력은 응력제거 소둔 처리에 의해서 제거될 수 있다.

금속의 기계가공

고체상태에서 재료를 필요한 형상으로 가공하는데는 두가지 방법이 있다. 그 하나는 필요없는 부분을 제거하므로서 요구하는 형상을 얻는 기계가공공정이고 다른 하나는 재료의 손실없이 소성변형에 의하여 가공하는 공정이다. 대부분의 절삭작업은 공구와 소재간의 상대운동에 의하여 국부적인 변형집중을 유발하여 재료를 국부적으로 파단시키므로 이루어진다.

절삭은 높은 칫수정도, 양호한 표면 그리고 복잡한 형상의 제품을 생산하는데 주로 이용된다. 절삭가공은 통상 열간압연, 단조 혹은 주조와 같은 1차 공정에 의해서 만들어진 소재에서 수행되어지므로 2차 가공공정이라 부른다. 생산부품의 80%이상은 완제품이 되기전에 절삭가공을 거친다.

그림 1. 일반적인 절삭가공의 개략도

● 공작기계 형태

소수의 예외를 제외하면, 공작기계는 크게 두가지 형태로 나누어진다. 회전운동에 의하여 절삭면을 생성시키는 것과 직선운동에 의하여 절삭면을 생성시키는 그것이다. 주공정인자는 절삭속도ν, 절삭깊이 d, 송입량 f이다. 길이 L_w인 원주표면을 가공하기 위하여 소재를 L_w / f만큼 회전시켜야 한다. 만약 분당소재 회전수가 n_w이면 그때 한 패스(pass)에 소요되는 시간은 t = L_w / fn_w.중공실린더의 내부를 가공하는 경우를 보링(boring)이라 부른다. 아주 큰 작업물의 경우에는 축에 대하여 수직으로 회전하는 수직 보링기위에 올려놓고 작업한다. 쉐이핑은 하나의 끝을 가진 공구가 작업물 표면을 직선적으로 왕복운동하는 공정이다. 평평한 표면을 만드는 가장 효과적인 방법중의 하나가 밀링공정이고, 밀링커터는 여러 개의 날을 가진 공구이다.

가공 방법 기호 설명 1

가공 방법 기호

(KS B 0107)

적용범위

주로 금속에 대하여 일반적으로 사용되는 2차 가공 이후 방법을 도면, 공정표 등에 표시할때 쓰이는 기호에 대하여 규정함.

주조 Casting\

가공 방법	기 호	의 미
사형 주조	CS	Sand Mold Casting
생형 주조	CSG	Green Sand
표면 건조형 주조	CSS	Surface Dry Sand
건조형 주조	CSD	Dry Sand
자경성 주형 주조	CSH	Self-Hardening Mold Process
유동성 주형 주조	CSFS	Fluid Sand Mixture Process
CO2 프로세스	CSC	Carbon Dioxide Process
V 프로세스	CSV	V Process
풀 몰드 프로세스	CSFM	Full Mold Process
셸 몰드 프로세스	CSM	Shell Mold Process
금속형 주조	CM	Metal Mold Casting
정밀 주조	CP	Precision Casting
로스트 왁스 프로세스	CPL	Lost Wax Process
셔어 프로세스	CPS	Shaw Process
다이캐스팅	CD	Die Casting
원심 주조	CCR	Centrifugal Casting
저압 주조	CL	Low Pressure Casting
감압 주조	CV	Vacuum Casting
고압 주조	CH	High Pressure Casting
연속 주조	CCN	Continuous Casting

소성 가공 Plastic Working

(a) 단조 Forging

가공 방법	기 호	의 미
자유 단조	FF	Free Forging
스트레칭	FFST	Stretching
스웨이징	FFSW	Swaging
스프레딩	FFSP	Spreading
업세팅	FFU	Upsetting
피어싱	FFP	Piercing
맨드릴 단조	FFM	Mandrel Forging
링 단조	FFR	Ring Forging
굽히기	FFB	Bending
트위스팅	FFT	Twisting
절단(전단)	FFC	Cutting
형 단조	FD	Die Forging
업세팅	FDU	Upsetting
헤딩	FDH	Heading
스웨이징	FDSW	Swaging
압출	FDE	Extruding
피어싱	FDP	Piercing
트리밍	FDT	trimming
사이징	FDSZ	Sizing
코이닝	FDC	Coining

(b) 프레스 가공 Press Working

가공 방법	기 호	의 미
절단(전단)	PS	Shearing
곡선 절단	PSR	Rotary Shearing
슬리팅	PSS	Slitting
펀칭	PP	Punching
절단	PPC	Cutting
블랭킹	PPB	Blanking
피어싱	PPPC	Piercing
노칭	PPN	Notching
슬리팅	PPSL	Slitting
파팅	PPPR	Parting
트리밍	PPT	trimming
딩킹	PPD	Dinking
랜싱	PPL	Lancing
하프 블랭킹	PPH	Half Blanking
파인 블랭킹	PPF	Fine Blanking
셰이빙	PPSH	Shaving
굽히기	PB	Bending
다이스 밴딩	PBD	Dies Bending
V 밴딩	PBD-V	- V-Bending
U 밴딩	PBD-U	- U-Bending
L 밴딩	PBD-L	- L-Bending
Z 밴딩	PBD-Z	- Z-Bending
O 밴딩	PBD-O	- O-Bending
W 밴딩	PBD-W	- W-Bending
박스 밴딩	PBD-B	- Box-Bending
컬 밴딩	PBD-C	- Curl-Bending
헤밍	PBD-H	- Hemming
폴딩	PBF	Folding
롤러 벤딩	PBR	Roller Bending
드로잉	PD	Drawing
리드로잉	PDRD	Redrawing
리버스 드로잉	PDRV	Reverse Drawing
아이어닝 드로잉	PDI	Drawing witd Ironing
포밍	PF	Forming
벌징	PFBL	Bulging
플랜징	PFF	Flanging
네킹	PFN	Necking
코루게이팅	PFCR	Corugating
버링	PFBR	Burring
스테이킹	PFST	Stacking
비딩	PFBD	Beading
컬링	PFCL	Curling
헤밍	PFHM	Hemming
시밍	PFSM	Seaming
와이어링	PFW	Wiring
엠보싱	PFEM	Embossing
익스팬딩	PFEP	Expanding
하이드로 포밍	PFHD	Hydraulic Forming
러버포밍	PFRB	Rubber Forming
스트레치 포밍	PFSR	Stretch Forming
롤 포밍	PFRL	Roll Forming
스탬핑(압축 성형)	PC	Stamping(Forming by Compression)
코이닝	PCC	Coining
업세팅	PCU	Upsetting
인덴팅	PCI	Indenting
사이징	PCS	Sizing
마킹	PCM	Marking

(c) 스피닝 Spinning

가공 방법	기 호	의 미
심플 스피닝	SSM	Simple Spinning
시어 스피닝	SSH	Shear Spinning
튜브 스피닝	ST	Tube Spinning
익스팬딩	SEP	Expanding

(d) 전조 Rolling

가공 방법	기 호	의 미
나사 전조	RLtd	tdread Rolling
- 원통형 다이스	RLtd-C	- Cylindrical Dies
- 평 다이스	RLtd-F	- Flat Dies
- 유성 다이스	RLtd-P	- Planetary Dies
기어 전조	RLT	Gear Rolling(Tootded Wheel Rolling)
냉간 전조	RLTC	Cold Gear Rolling
열간 전조	RLtdT	Hot Gear Rolling
스플라인 전조	RLSP	Spline Rolling
세레이션 전조	RLSR	Serration Rolling
널링 전조	RLK	Knurling
버니싱	RLB	Burnishing

(e) 압연 R Rolling

(f) 압출 E Extruding

(g) 인발 D Drawing on Drawbench

가공 방법 기호 설명 2

기계 가공 Machining

(a) 절삭 Cutting

가공 방법	기 호	의 미
선삭	L	Turning(Latde Turning)
선삭	L	Latde Turning
테이퍼 선삭	LTP	Taper Turning
페이싱	LFC	Facing
나사 깍기	Ltd	tdread Cutting
절단	LCT	Cutting off
센터링	LCN	Centering
리세싱	LRC	Recessing
라운딩	LRN	Rounding
스카이빙	LSK	Skiving
스케일링	LSC	Scaling
드릴링	D	Drilling
리밍	DR	Reaming
태핑	DT	Tapping
보링	B	Boring
밀링	M	Milling
평밀링	MP	Plain Milling
페이스 밀링	MFC	Face Milling
사이드 밀링	MSD	Side Milling
엔드 밀링	ME	End Milling
조합 밀링	MG	Gang Cutter Milling
총형 밀링	MFR	From Milling
홈파기	MFL	Fluting
모방 밀링	MCO	Copy Milling
다이싱킹	MDS	Diesinking
슬리팅	MSL	Slitting
평삭	P	Plaining
형삭	SH	Shaping
슬로팅	SL	Slotting
브로칭	BR	Broaching
소잉	SW	Sawing
기어 절삭	TC	Gear Cutting(Tootded Wheel Cutting)
창성 기어 절삭	TCG	Generate Gear Cutting
호빙	TCH	Hobbing
기어 형삭	TCSH	Gear Shaping
기어 스토킹	TCST	Gear Stocking
기어 셰이빙	TCSV	Gear Shaving
이 모떼기	TCC	Gear Chamfering

(b) 연삭 Grinding

가공 방법	기 호	의 미
원통 연삭	GE	External Cylindrical Grinding
내면 연삭	GI	Internal Grinding
평면 연삭	GS	Surface Grinding
센트리스 연삭	GCL	Centreless Grinding
모방 연삭	GCO	Copy Grinding
벨트 연삭	GBL	Belt Grinding
나사 연삭	Gtd	tdread Grinding
기어 연삭	GT	Gear Grinding(Tootded Wheel Grinding)
센터 연삭	GCN	Centre Grinding
연삭 절단	GCT	Cut Off Grinding
래핑	GL	Lapping
호닝	GH	Honing
슈퍼 피니싱	GSP	Super finishing

(c) 특수 가공 Special Processing

가공 방법	기 호	의 미
방전 가공	GE	Electric Discharge Machining
전해 가공	GI	Electro-Chemical Machining
전해 연삭	GS	Electrolytic Grinding
초음파 가공	GCL	Ultrasonic Machining
전자 빔 가공	GCO	Electron Beam Machining
레이저 가공	GBL	Laser Beam Machining

다듬질 Finishing(Hand)

가공 방법	기 호	의 미
치핑	FCH	Chipping
페이퍼 다듬질	FCA	Coated Abrasive Finishing
줄 다듬질	FF	Filing
래핑	FL	Lapping
폴리싱	FP	Polishing
리밍	FR	Reaming
스크레이핑	FS	Scraping
브러싱	FB	Brushing

용접 Welding

가공 방법	기 호	의 미
아크 용접	WA	Arc Welding
저항 용접	WR	Resistance Welding
가스 용접	WG	Gas Welding
브레이징	WB	Brazing
납 땜	WS	Soldering

가공 방법 기호 설명 3

열처리 Heat treatment

가공 방법	기 호	의 미
노말라이징	HNR	Normalizing
어닐링	HA	Annealing
완전 어닐링	HAF	Full Annealing
연화 어닐링	HASF	Softening
응력제거 어닐링	HAR	Stress Relieving
확산 어닐링	HAH	Homogenizing
구상화 어닐링	HAS	Spheroidizing
등온 어닐링	HAI	Isotdermal Anneling
케이스 어닐링	HAC	Box Annealing(Case Annealing)
광택 어닐링	HAB	Bright Annealing
가단화 어닐링	HAM	Malleablizing
담금질	HQ	Quenching
프레스 담금질	HQP	Press Quenching
마르템퍼링(마르첸칭)	HQM	Martempering
오스템퍼	HQA	Austemper
광택 담금질	HQB	Bright Quenching
고주파 담금질	HQI	Induction Hardening
화염 경화	HQF	Flame Hardening
전해 담금질	HQE	Electrolytic Quenching
고용화 열처리	HQST	Solution treatment
워터 터프닝	HQW	Water tdoughening
템퍼링	HT	Tempering
프레스 템퍼링	HTP	Press Tempering
광택 템퍼링	HTB	Bright Tempering
시효	HG	Ageing
서브제로 처리	HSZ	Subzero treatment
침탄	HC	Carburizing
침탄질화	HCN	Carbo-Nitriding
질화	HNT	Nitriding
연질화	HNTS	Soft Nitriding
침황	HSL	Sulphurizing
침황질화	HSLN	Nitrosulphurizing

표면 처리 Surface treatment

가공 방법	기 호	의 미
클리닝	SC	Cleaning
알칼리 클리닝	SCA	Alkali Cleaning
디스케일링	SCD	Descaling
전해 클리닝	SCEL	Electrolytic Cleaning
에멀션 클리닝	SCEM	Emulsion Cleaning
전해 피클링	SCEP	Electrolytic Pickling
피클링	SCP	Pickling
용제 클리닝	SCS	Solvent Cleaning
초음파 클리닝	SCU	Ultrasonic Cleaning
워싱	SCW	Washing
폴리싱(연마)	SP	Polishing
버핑	SPBF	Buffing
벨트 연마	SPBL	Belt Polishing
배럴 연마	SPBR	Barrel Finishing
화학 연마	SPC	Chemical Polishing
전해 연마	SPE	Electrolytic Polishing
액체 호닝	SPLH	Liquid Honing
텀블링	SPT	Tumbling
블라스팅	SB	Blasting
그릿 블라스팅	SBG	Grit Blasting
숏 블라스팅	SBSH	Shot Blasting
샌드 블라스팅	SBSN	Sand Blasting
워터 블라스팅	SBW	Water Blasting
기계적 경화	SH	Mechanical Hardening
숏 피닝	SHS	Shot Peening
하드 롤링	SHR	Hard Rolling
양극 산화	SA	Anodizing
경질 양극 산화	SAH	Hard Anordizing
화성 처리	SCH	Chemical Conversion Coating
베마이트 처리	SCHB	Boehmite treatment
크로메이트 처리	SCHC	Chromating
인산염 처리	SCHP	Phosphating
피막 코팅	SCT	Coating
세라믹 코팅	SCTC	Ceramic Coating
글래스 라이닝	SCTG	Glass Lining
플라스틱 라이닝	SCTP	Plastic Lining
용융 도금	SD	Hot Dipping
일렉트로 포밍	SEL	Electroforming
법랑	SEN	Enamelling
에칭	SET	Etching
금속 용사법	SM	Metal Spraying
착색	SO	Colouring
블랙크닝	SOB	Blackening
증기 처리	SOS	Steaming
도장	SPA	Painting
브러싱 도장	SPAB	Brushing
디핑	SPAD	Dipping
전착 도장	SPAED	Electrode Position
정전 도장	SPAES	Eletrostatic Coating
분체 도장	SPAP	Powder Coating
롤러 도장	SPAR	Roller Coating
스프레이 도장	SPAS	Spraying
도금	SPL	Plating
전기 도금	SPLE	Electroplating
무전해 도금	SPLEL	Electroless Plating
이온 도금	SPLI	Ion Plating
스퍼터링	SSP	Sputtering
증착	SVD	Vapour Deposition
금속 침투법	SZ	Diffusion Coating(Zementation-독어)

조립 Assembly

가공 방법	기 호	의 미
체결	AFS	Fastening
나사 체결	AFST	tdread Fastening
리베팅	AFSR	Riveting
끼워넣기	AFT	Fitting
압입	AFTP	Press Fitting
때려 박기	AFtd	Driving Fitting
가열 끼워 박기	AFTS	Shrinkage Fitting
삽입	AFTI	Insertion
코킹	ACL	Caulking
스웨이징	ASW	Swaging
접착	ACM	Cementing
밸런싱	AB	Balancing
게이징	AG	Gauging
선택	AGS	Selection
수리	AGR	Repair
마킹	AM	Marking
배선	AW	Wiring
배관	APP	Piping
조정	AA	Adjusting
운전	ARN	Running

기타

가공 방법	기 호	의 미
스트레이닝	ZS	Straightening
에이징(시효)	ZA	Ageing
금긋기	ZM	Marking Off
챔퍼링	ZC	Chamfering
디버링	ZD	Deburring
검사	ZI	Inspection
시험	ZT	Testing

1.1 제품 및 공정 설계 단계 1

1.1 제품 및 공정 설계 단계

1.1.1 사전 제품 품질 계획 (Advanced Product Quality Planning)

사전 제품 품질 계획은 고객이 만족할 수 있는 신뢰성과 품질의 제품을 개발하기 위해 필요한 단계를 정의하고 수립하는 구체화된 방법으로, 제품 기획 단계부터 양산 단계까지의 각 단계별 추진 조직, 일정, 임무와 목표 등을 정하고, 참여 인원이나 조직 사이의 의사 소통을 원활하게 해, 모든 단계가 정해진 일정대로 추진될 수 있도록 하기 위한 수단이다.

즉, APQP의 핵심은 선행성, 동시성, 팀활동이라고 할 수 있으며, 예측 대응으로 모든 품질 문제를 개발 과정에서 모두 해결하는 것을 목적으로 한다

1) 도입 배경 및 목적

GM, Ford, Chrysler 미국의 3대 자동차 업체가 공동으로 Task Force Team을 구성하여 개발한 절차로 제품 품질 계획 및 관리 계획 지침과 요구 사항을 1차 공급자와 2차 공급자에게 전달하여 반영되도록 하기 위한 목적으로 개발되었다.

즉, 제품 개발을 선행적/동시적으로 진행시켜 개발 기간을 단축하고, 각 진행 단계별로 개발 기법을 적용하도록 하여 개발 능력을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

2) APQP 추진 단계

APQP 추진 단계는 아래의 5단계로 구분한다.

단계 구분	주요 추진 항목 (APQP 요건)	활용 개발 기법
1단계 개발 계획 단계	- 상호기능팀(CFT : Cross Functional Team) 구성 - 고객 요구 사항 / 과거 품질이력 조사 - 제품 및 공정 벤치마킹 - 예비 설계구상(제품 및 공정 가정) - 제품 품질 및 신뢰성 목표 설정 - 예비 자재수급서(BOM) 작성 - 예비 공정흐름도 작성 - 제품 및 공정 특별 특성 예비 목록 작성 - 개발 추진 일정 계획(Master Plan) 작성 - 1단계 추진 경과 점검 및 경영자 승인(Sign-off)	QFD 1단계
2단계 제품 설계 및 개발 단계	- 설계 고장 유형 및 영향 분석(Design FMEA) - 조립성/원가/보수 등을 고려한 설계(DFX) - 설계 검증 - 설계 검토 - 시작품 관리 계획 작성 - 엔지니어링 도면 작성 - 기술 사양 검토 및 확정 - 재료 사양 검토 및 확정 - 신장비, 금형 등 설비 요구 사항 검토 - 특별 제품 및 공정 특성 설정 - 게이지, 시험장비 요구 사항 검토 - 2단계 추진 경과 점검 및 경영자 승인(Sign-off)	QFD 2단계 D-FMEA DOE/ROBUST DESIGN VE/DFX
3단계 공정 설계 및 개발 단계	- 공정 고장 유형 및 영향 분석(Process FMEA) - 공정흐름도 작성 - 공정 배치 계획 작성 - 특성 매트릭스 분석 - 양산 선행 관리 계획 작성 - 작업표준서 작성 및 배포 - 측정시스템 분석 계획 수립 - 초기 공정 능력 조사 계획 수립 - 포장 규격 및 사양 설정 - 3단계 추진 경과 점검 및 경영자 승인(Sign-off)	QFD 3단계 P-FMEA 관리계획서 DOE/Robust Design
4단계 제품/공정 유효성 확인 단계	- 양산 시험 가동 - 측정 시스템 평가(MSA) - 초기 공정 능력 조사 - 양산 부품 승인 - 양산 유효성 확인 - 포장 평가 - 양산 관리 계획 수립 - 4단계 추진 경과 점검 및 경영자 승인(Sign-off)	QFD 4단계 P-FMEA 관리계획서 MSA/SPC
5단계 양산 및 지속적 개선 단계	- 감소된 산포 : 주요 품질 특성 통계적 공정 관리(SPC) : 품질 이력 관리 및 지속적 개선 활동 - 인도 및 서비스 : 고객 불만, Field Claim 품질 개선 - 공정관리 실태조사/부적합사항 개선 - 정기 품질 회의 실시 - 5단계 추진 경과 점검 및 경영자 승인(Sign-off)	SPC QM팀 활동

1.1 제품 및 공정 설계 단계 2

1.1.2 Robust Design

Robust Design은 실험계획법(DOE : Design Of Experiment)의 일종으로, 다구찌 기법(Taguchi Method)의 다른 이름이다.

다구찌 품질공학이라고도 하며, 미국에서는 주로 저비용 품질공학(Quality Engineering for Low Cost)이라는 명칭을 사용한다

'Robust'의 사전적 의미는 '강건한', 또는 '둔감한'이며, Robust Design은 잡음에 강하거나 둔감한 설계, 즉 잡음 인자에 영향을 별로 받지 않는 최적의 설계 변수를 찾기 위해 실험을 계획하고, 실험 결과를 분석하기 위한 수단과 방법을 제공한다.

예를 들어 볼펜을 개발하는 경우를 생각해보면 고객은 봄, 여름, 가을, 겨울의 계절이나, 사용하는 사람의 누르는 힘 등에 관계없이 잘 써지고 오래 가는 볼펜을 원한다고 볼 수 있다.

이런 볼펜을 개발하기 위해서는 우선 이런 잘 써지고 오래 가야 된다는 고객의 요구를 객관적으로 평가하고 수치화시킬 수 있는 품질 특성치로 변환시키고, 이 품질 특성치에 영향을 미치는 인자들을 찾아 설계에 반영할 필요가 있다.

이 품질 특성치에 영향을 미치는 인자들 중 사용 온도나 습도 환경, 사용시 누르는 힘 등 제조 업체에서 관리할 수 없는 인자를 잡음 인자, 잉크 구성 성분 및 성분별 비율, 볼의 재질 및 치수 등 관리가 가능한 인자를 제어인자(설계 변수)로 구분한다.

단, 관리에 많은 비용과 시간이 소요되는 제어 인자는 잡음 인자로 분류할 수 있다.

예를 들면, 잉크 구성 성분 중 불순물 함량이 문제가 되지만 순도를 높이기 위해서는 많은 비용이 소요되는 성분이 있을 경우, 이 성분의 순도를 잡음 인자로 분류한다.

실험을 실시한 후, 각 설계변수가 품질 특성치에 미치는 영향을 분석하고 평가해, 잡음인자의 영향을 가장 적게 받는 최적 수준의 설계변수 조합을 찾아 설계에 반영한다.

물론, 실험 결과를 제품 설계나 공정에 반영하는 것은 투입 비용과 품질 특성치에 미치는 영향의 정도 등을 고려해, 관련 부문 협의를 거쳐 결정해야 되지만, 실험 결과에 대한 분석 및 평가 자료는 의사 결정에 아주 중요한 참고 자료가 된다.

일반적으로 실험에는 많은 시간과 비용이 소요되므로, 시행 착오를 줄이기 위해서 실험 계획 단계에서 분야별 전문가들이 참여해 신중하게 검토하고 협의할 필요가 있다.

계획 단계에서 설계변수(제어인자)와 잡음인자(비제어인자) 선정 및 수준 결정, 품질 특성치의 선정 등이 제대로 되지 않으면 실지 의사 결정에 참고할 수 있는 실험 결과를 얻을 수 없으며, 다시 실험을 해야되는 경우가 생긴다.

일반적으로, 단 한번에 원하는 실험 결과를 얻기는 어렵지만, 초기 실험 계획 단계에서 좀 더 많은 시간을 투자하는 것이 시행 착오를 줄이고, 실험 기간과 비용을 줄일 수 있는 가장 확실한 방법이라고 할 수 있다.

1) Robust Design의 특징

Robust Design의 특징을 간단히 요약하면 아래와 같다.

① 제어인자(설계변수)와 비제어인자(잡음인자)를 분리하여 실험 계획 수립

② 실험 횟수를 줄일 수 있도록 직교배열표 사용.

③ 실험 결과 분석 및 평가방법 제시(특별한 통계적 지식이 없는 실무 엔지니어들이 쉽게 활용 가능).

즉, Robust Design은 통계적 지식이 별로 없는 실무 엔지니어들이 제품 개발 과정에서 쉽게 실험을 하고, 결과를 분석해 제품이나 공정 설계에 반영할 수 있도록 하기 위한 수단을 제공한다.

2) 다구찌 품질 철학

① 품질의 정의

제품이 출하된 시점으로부터 성능 특성치의 변동으로 말미암아 사회에 끼친 총손실

- 소비자의 불만족 (시간, 돈)

- 시장의 잠재적인 상실

- 수리(Repair) 비용

- 폐기(Scrap), 재작업(Rework) 비용 등

② 잡음 (Noise)

관리할 수 없거나 관리하기 힘든 변수, 또는 관리하기 적당치 못한 변수

제어인자로 보는 것이 타당한 항목이라도, 투입 비용, 생산성 등의 문제로 실지 적용이 곤란할 경우 잡음으로 간주할 수 있다.

■ 잡음 인자의 구분

외란 (Outer Noise)	환경 변수
내란 (Inner Noise)	마모와 같은 제품 품질 저하
불완전 제조	제조품 변동 (4M)

잡음에 대한 대응책은 일반적으로 잡음을 제거, 또는 통제하는 직접적인 방법과 잡음을 그대로 둔 상태에서 성능 특성치가 잡음에 둔감하도록 최적의 제어 인자 조합을 찾아 적용하는 두가지 방법이 있을 수 있다.

<사례> 일본 이나 타일사 (Ina Tile Company)

건축 재료인 타일 생산업체인 일본의 이나 타일사에서는 생산된 제품의 크기가 고르지 못하여 어려움을 겪고 있었다.

주된 원인은 타일을 구워내는 가마 내의 온도가 불균일하기 때문이라는 판단을 하고 있었으나, 좀 더 고른 온도 분포를 얻기 위해서는 많은 투자 비용을 필요로 하는 문제점이 있었다.

이에 따라, 이나 타일사에서는 투자 부담 없이 이 문제를 해결하기 위한 방안으로, 가마 내의 온도 분포가 불균일하더라도 제품의 크기가 균일하게 나올 수 있는 설계변수를 찾기 위한 실험을 실시하였다.

즉, 가마 내의 온도 분포 불균일을 불완전 제조의 잡음으로 보고, 이 잡음에 둔감한 원료 구성 성분별 비율의 최적 조합을 찾는 실험을 통해, 석회석의 비율을 현재의 1%에서 5%로 증가시키는 것만으로 이 문제를 해결할 수 있었다.

Robust Design 추진을 위한 실험 계획 수립시 제어인자, 비제어인자, 품질 특성치의 결정은 관련 부서 실무 담당자들이 협의를 거쳐 결정할 필요가 있다.

위의 경우처럼 실험에서 가마내의 온도 분포를 제어인자로 할 것인지, 또는 비제어인자로 할 것인지 등은 실험을 계획하는 과정에서 아주 중요한 부분이라고 할 수 있다.

③ 손실함수

실지 소비자가 관심을 가지는 항목은 해당 제품의 합격/불합격보다 제품의 신뢰성이라고 할 수 있으며, 제품이 공차를 만족하더라도 품질 특성치가 목표값을 벗어나면 출하 후 사회적 손실을 끼칠 수 있다.

다구찌 박사는 이런 의미에서 손실 함수를 다음과 같이 정의하였다.

- 합격, 불합격의 개념이 아닌 품질 특성치의 변동으로 손실 함수를 정의

- 품질 특성치가 목표치에서 벗어난 정도를 손실 금액으로 평가

<사례> 비닐 쉬트의 두께와 손실 함수

농가의 비닐 하우스에 사용되는 1mm 비닐 Sheet의 두께에 대한 규격치는 1.0 ± 0.2(mm) 이었다.

그리고, 일본의 어느 업체에서는 공정 능력의 향상을 통해 두께의 변동을 0.02mm 이내로 유지할 수 있었고, 이 업체는 재료비 절감을 위해 비닐 쉬트의 두께를 0.82 ± 0.02(mm)로 만들어 농가에 보급하였다.

그러나, 이 비닐 쉬트의 두께는 합격/불합격의 관점에서는 전혀 문제가 없었지만, 다른 회사 제품에 비해 파손이 많아 사용하는 농가에는 큰 피해를 주었다.

이 업체에서는 실지로 농가에서 원하는 제품은 두께 공차를 만족하는 제품이 아니고 파손이 적은 제품이라는 점을 간과함으로써 사회적으로 큰 손실을 야기시켰다고 할 수 있다.

즉, 간신히 규격을 만족하는 제품은 규격을 벗어난 제품과 거의 비슷한 손실을 가져올 수 있으며, 다구찌의 손실 함수는 이를 구체적으로 보여주고 있다.

Robust Design이나 QFD는 관리해야 될 특성치를 찾아 관리할 수 있도록 하기 위한 수단을 제공한다.

위의 경우를 예로 들면, 고객이 원하는 요구 품질은 파손되지 않는 정도라고 할 수 있으며, 이를 기술 언어인 인장 강도 등의 품질 특성으로 변환하고, 이 품질 특성에 영향을 미치는 제어인자와 각 제어인자별 영향 정도를 찾아 분석해, 어떤 제품 특성이나 공정 특성을 관리해야 되는지에 대한 결정을 하도록 하는 일련의 과정에 대한 지침을 Robust Design이나 QFD 등의 기법이 제공한다.

④ ON-LINE / OFF-LINE 품질 관리

생산된 제품의 최종 품질과 비용은 제품 설계 / 공정 설계 단계에서 대부분 결정되며, OFF-LINE 품질 관리 단계에서 외란, 내란의 잡음 인자에 대한 영향 및 신뢰성 평가를 하고, 대책을 세워 개선하는 것이 비용, 시간 측면에서 훨씬 유리하다.

실지 제품 설계, 공정 설계가 완료되고 난 후의 ON-LINE 품질 관리 단계에서는 외란, 내란에 대한 개선이 거의 불가능하므로, 심각한 결함일 경우 제품 개발 자체를 처음부터 다시 시작해야 되는 경우도 생길 수 있다.

구분	단계	잡음
		외란	내란	불완전 제조
OFF-LINE 품질 관리	제품 설계	○	○	○
	공정 설계	X	X	○
ON-LINE 품질 관리	생산	X	X	○
	사용 현장	X	X	X

3) Robust Design 적용 단계 구분

제품 개발 과정에서의 Robust Design의 적용은 아래의 3단계로 구분할 수 있다.

① 시스템 설계 (System Design)

- 제품의 원형 개발 / 기능 시스템 연구

- 전문 지식, 기술, 경험이 바탕

- 주로 제품 기획 단계에서 적용

② 파라미터 설계 (Parameter Design)

- 적은 비용으로 가능한 손실 함수 값을 작게 하는 제품 또는 공정의 설계 변수 발견

- 분산을 작게, 동시에 평균을 목표치에 근접하도록 한다.

- 잡음에 둔감한 설계 변수 들의 최적 조합

- 품질 특성치에 영향을 미치지 않는 인자는 경제적인 수준으로 결정(예 :저렴한 부품 이용)

- 직교배열표 이용

- 주로 제품 설계/ 공정 설계 단계에서 적용

③ 허용차 설계 (Tolerance Design)

- 품질특성치의 변동이 불만족스러울 경우, 큰 영향을 미치는 인자들을 선별적 선택 평가, 범위 결정

- 주로 제품 상세 설계 단계부터 양산 단계에서 적용

4) 손실 함수

① 품질 특성 구분

종류	내용	예
망목 특성 Nominal-the-best	- 품질 특성치가 특정 목표치일 때 좋은 경우 - 양쪽 규격으로 관리	길이, 중량 등
망소 특성 Smaller-the-better	- 품질 특성치가 작을수록 좋은 경우 - 규격 상한으로 관리	마모, 진동 등
망대 특성 Larger-the-better	- 품질 특성치가 클수록 좋은 경우 - 규격 하한으로 관리	강도, 수명 등

② 각 특성별 손실 함수

자료실 참조

③ 손실 함수/불량율/공정 능력 지수(Cp, Cpk)

자료실 참조

④ 손실 함수와 파라미터 설계

■ 파라미터 설계

- 적은 비용으로 가능한 기대손실(L)을 작게하는 제품/공정 변수 값 결정

==> 품질 특성은 작게, 평균치는 목표치에 근접하도록 함

- 일반적으로 인자 X와 품질 특성 Y의 평균 또는 분산의 이론적 관계는 찾기 어려움

==> 실험에 의한 경험적 접근

5) 직교 배열에 의한 실험 계획

① 실험의 기본 구성요소

구분	설명	비고
제어인자	품질 특성치에 영향을 미치고 관리가 가능한 인자	설계변수
비제어인자	품질 특성치에 영향을 미치지만 관리할 수 없어 채택 안한 인자	잡음인자
신호인자	사용자가 요구 특성을 달성하기 위해 사용중 조정하는 입력변수	입력변수
출력인자	제품의 기능/신뢰성을 위해 공학적으로 측정/분석해야 하는 출력 특성	품질 특성치

② 실험에서 범하기 쉬운 과오

- 실험을 차례로 한 과오

- 한정된 또는 일정한 조건으로 얻은 결과를 즉시 확장하는 과오

- 몇 가지 인자의 조합으로 인한 영향을 고려하지 않은 과오

- 실험오차를 생각하지 않는 과오

- 멋대로 실험오차로 생각하는 과오

- 산포를 생각하지 않는 과오

- 올바른 증명이 안된 판정을 반대되는 결과가 없다는 이유로 옳다고 여기는 과오

- 목적이 분명치 않은 실험에 의한 과오

- 기술적 정보의 그릇된 이용에 의한 과오

- 행동을 취하지 않는 과오

③ 직교 배열표 (Orthogonal Array Tables)의 정의

- 주 효과와 기술적으로 보아 있을 것 같은 2인자 교호 작용은 검출하고,

- 기술적으로 없으리라 여겨지는 2인자 교호 작용 및 교차 교호 작용에 관한 정보를 희생

- 실험 횟수를 줄일 수 있는 실험 계획을 간단히 만들 수 있도록 한 표

④ 직교 배열표의 장점

- 기계적 조작으로 통계적 이론을 모르고도 일부실시법, 분할법, 교락법 등의 배치 용이

- 분산분석표 작성 수월 (실험 데이터로부터 인자변동의 요인 계산 용이)

- 적은 횟수의 실험으로 많은 인자를 평가할 수 있고, 실험 실시가 용이

⑤ 직교배열표의 종류

- 2수준계 직교배열표

- 3수준계 직교배열표

- 다수준계 직교배열표

- 혼합수준계 직교배열표

⑥ 직교 배열표 표시 방법

	La(bc)

L: Latin Squre, a: 실험 횟수, b: 제어인자의 수준수, c: 동일 수준의 인자수

직교 배열표 예)

구분	예	비고
2수준	L12(211)
혼합 수준	L18(21 X 37)

⑦ 자유도의 계산

자유도는 최소한의 실험 횟수를 의미하며, 아래의 방법으로 구한다.

ⓐ 전체 평균 자유도 : 1

ⓑ 개별인자(A)의 자유도 : (A의 수준 수) - 1

ⓒ 교호작용(A x B)의 자유도 : (A의 자유도) x (B의 자유도)

총자유도 = ⓐ + ⓑ + ⓒ = 최소한의 실험횟수

예) A : 2수준, B, C, D, E, F : 3수준, 교호작용 : A, B

ⓐ 전체 평균 자유도 : 1

ⓑ A의 자유도 : 1, B,C,D,E,F의 자유도 : 각 2

ⓒ 교호작용(A x B)의 자유도 :1 x 2 = 2

총자유도 = ⓐ + ⓑ + ⓒ = 1 + (1+2*5) + 2 = 14

⑧ 용어 정의

- 인자 (Factor) : 실험에 직접 취급되는 원인

- 수준 (Level) : 실험을 하기 위한 인자의 조건 (예 : 온도 조건 150℃와 200℃)

- 수준수 : 수준으로 취한 값의 갯수

- 교호작용 (Interaction) : 두 인자 사이의 결합 효과

⑨ 선점도

- 주 효과 (Main effect)와 교호 작용 (Interaction)의 관계를 각각 점과 선으로 나타낸 그림

- 인자 및 교호 작용를 배치하는 데 사용

: 각 점은 주효과를 할당할 수 있는 열을 표시

: 각 선은 두 인자 사이의 교호 작용이 나타나는 열을 표시

: 교호 작용이 아닌 주 효과도 선으로 표시되는 열에 할당 가능

예 ) 2수준 : A,B 교호작용 : AxB

- 자유도 : 4 ==> L₄(2³)

실험 번호	열 번 호
	1	2	3
1	1	1	1
2	1	2	2
3	2	1	2
4	2	2	1
기호 표시	A	B	AB

		3
	○		○
	1		2

6) SN비 (Signal to Noise Ratio)

◆ SN비 개요

SN비 =		목적이 Output 으로 얼마만큼 전달되었는가 ?
		잡음이 얼마만큼 결과에 영향을 주는가 ?
=		신호 (Signal)가 Output 에 전달된 정도
		잡음 (Noise)이 Output 에 전달된 정도
=		신호의 힘 (Power of Signal)
		잡음의 힘 (Power of Noise)
=		평균의 추정치
		분산의 추정치

상세 내용은 자료실 참조

◆ SN비와 기대손실과의 관계

- 망소/망대 특성치 : 직접적인 연관이 있으며, SN비를 크게 하면 기대 손실이 작아짐.

- 망목 특성치 : 직접적인 관계는 없으나, SN비가 기대 손실을 최소화하는 데 기여

◆ 품질 특성에 따른 SN비 계산 방법

자료실 참조

7) 파라미터 설계

◆ 파라미터 설계를 위한 실험과 일반 직교 배열을 이용한 실험의 차이점

- 설계변수의 한 조합(즉, 직교배열표의 한 행)에서 여러 개의 특성치를 얻음.

==> 품질 특성치에 대한 잡음(내란, 외란, 불완전 제조)의 영향 파악 목적

- 품질 특성치에 대한 분석을 하지 않고 SN비를 새로운 특성치로 분석

◆ 파라미터 설계에서 특성치를 얻는 방법

- 잡음을 제어하지 않은 상태에서 특성치를 반복하여 얻는 방법

- 잡음인자의 수준을 정하여 이들 수준의 조합에서 성능 특성치를 관측하여 얻는 방법

==> 2개의 직교배열이 있는 형태 : 설계변수행렬(Inner Array), 잡음인자행렬(Outer Array)

◆ 설계변수행렬과 잡음인자행렬의 예

- 설계변수 행렬 : L₈(2⁷), 잡음인자행렬 : L₄(2³)

1.1 제품 및 공정 설계 단계 3

1.1.3 잠재적 고장 형태 및 영향 분석 (FMEA : Failure Mode & Effect Analysis )

신뢰성은 제품이 주어진 조건하에서 규정된 기간 중에 요구되어지는 기능을 완수할 확률을 말하며, 광의의 신뢰성은 보전성 또는 정비성을 포함한다.

2차 세계 대전중 레이더 등 전자 기기가 실용 단계에서 일으킨 고장 문제에 대한 대책으로 미국에서 신뢰성에 대한 조사 연구가 시작되었으며, 과학 기술의 발달로 제품이 복잡, 고도화됨에 따라, 제품 개발시 성능, 기능 외에 신뢰성이 더욱 중요한 요소가 되고 있다.

- 1952년 " 전자 기기 신뢰성 고문단 "을 만들어 조사 연구 착수

- 1957년 보고서 작성 완료 (국무성 군 규격으로 제정)

제품 개발 최종 단계에서의 안정성, 내구성 시험 등을 통한 사후 처리식 재발 방지책 만으로는 신뢰성 확보에 한계가 있으며, 초기 제품 기획 단계부터 신뢰성을 고려할 필요가 있으며, 대표적인 신뢰성 평가 기법은 아래와 같은 종류가 있다.

① FMEA (Failure Mode & Effect Analysis )

- 잠재적 고장 요인이 시스템에 미치는 영향 분석 및 평가

② FTA (Failure Tree Analysis)

- 시스템 전체의 특정 결함 발생 요인을 역으로 해석

- ICBM 관제 시스템 신뢰성 평가 위해 벨 통신 연구소에서 개발

③ PA&A (Prediction, Apportionment & Assessmrnt)

- 전자 부품의 정량적 Data 이용 설계 전자 회로의 신뢰도 평가

여기서는 일반적으로 많이 사용되고 있는 FMEA에 대해서만 설명하기로 한다.

1) FMEA 개요

FMEA는 1960년대 중반 항공 산업 분야에서부터 적용되기 시작했다.

초기에는 개념만 정해진 상태에서 각 사용 업체별로 사용 양식이나 작성 및 평가 방법 등을 정하고 발전시켜 왔기 때문에 양식이나 평가 방법이 서로 다른 경우가 많다.

요즘은 BIG 3가 QS 9000 품질 시스템 개발 과정에서 표준화시킨 양식 및 평가 방법이 주로 사용되고 있으며 여기서도 거기에 맞춰 설명하기로 한다.

- 1980년대 말 미국의 BIG 3가 납품 업체에게 FMEA 제출 의무화 (동일 양식 사용)

- 1994년 미국의 BIG 3가 QS 9000 제정 (FMEA를 QS 9000의 필수 항목으로 지정)

- 1997년 GM과 Chrysler는 납품업체에게 QS 9000 인증 획득을 의무화

(P)FMEA : (Potential) Failure Mode & Effects Analysis

- Potential : 잠재적 (발생할 가능성이 있는)

- Failure : 고장 (불량)

- Mode & : 유형 및

- Effects : 영향

- Analysis : 분석

제품 및 공정에서 발생할 수 있는 잠재적 고장 유형과

그 영향(심각도),

원인 및 발생 과정(발생도),

검출 및 관리 방법(검출도)

을 평가하여 각각 1~ 10으로 점수화한 후 이들의 곱을 위험 우선 순위 (RPN: Risk Priority Number)로 정하며, 높은 위험 우선 순위의 고장 유형에 대하여 적절한 개선 대책을 수립하고 실시해 고장의 위험을 사전에 예방할 수 있도록 한다.

2) FMEA의 종류

BIG 3는 FMEA를 아래의 3가지로 구분하였다.

① 시스템 FMEA (SFMEA)

② 설계 FMEA (DFMEA)

③ 공정 FMEA (PFMEA)

전개 목적에 따라 아래와 같이 구분하기도 한다.

① 보증용 FMEA (과거 경험)

② 문제해결용 FMEA (과거 미경험)

3) FMEA의 목적 및 필요성

① 목 적

기본 설계단계에서부터 생산단계에 이르기까지 제품이 의도한 대로 기능을 발휘할 것인가를 평가하고, 개선 활동을 통해 고장을 사전에 예방하여 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.

- 제품/공정의 고장유형 평가를 통한 신뢰성 보증 (보증용 FMEA)

- 제품/공정에서 발생가능한 고장유형을 조기에 발견하여 제거하는 신뢰성 개선 (문제 해결용 FMEA)

② 필요성

구분	필요성	비고
사외	- 고객 만족(CS) 실현 : 고객에게 제품의 신뢰성 보장 - 고객에 대한 제품/공정의 품질 보증 일환 - 발생 가능한 고장 유형의 위험 예방(PL 소송 예방 대책)
사내	- 고장 정보의 DATABASE (살아있는 문서) : 기술의 축적(회사의 실력) - 최적 제품/공정 설계를 위한 고장유형 평가방법 - 과거에 경험한 제품/공정의 고장 유형 재발에 대한 대처 - 과거에 경험치 못한 새로운 잠재 고장 유형을 찾아내어 대비 - 철저한 설계 관리 및 공정 관리 방안을 도출하기위한 기본 자료

4) 적용 효과

① 제품의 사전 신뢰성 평가로 사용자의 안전성 확보 및 PL 사고 예방 대책 사전 강구 가능

② 원가 및 비용 절감

품질 구성 요소의 40% 이상을 점유하고 있는 선천적 문제를 사전에 제거하여 품질 비용을 절감하고 과도한 설계 품질 예방

③ 정량적인 신뢰성 해석으로 효율적인 Design Review 가능

제작, 품질관리 등 타 부문 전문가의 의견 설계 반영으로 시행 착오를 최소화하고 관련 각 부문의 기술력 향상

6) 관련 양식 및 작성 예

자료실 참조

1.1.4 품질 기능 전개 (QFD : Quality Function Deployment)

품질 기능 전개는 고객이 실질적으로 원하는 제품을 개발하고 품질을 보증하기 위해, 제품 기획 단계부터 양산 공정 관리 단계까지 각 단계에서 수행해야 될 일련의 개발 활동 과정을 구체적으로 지정한 시스템적인 개발 도구라고 할 수 있다.

NASA와 Big 3 등은 QFD를 아래와 같이 정의하고 있다.

- NASA : 개발과정에 촛점을 맞춘 기법 (Focusing the Development Process)

- Big 3 : 개선을 위한 시스템적 접근 방법 (Systematic Methodology for Improvement)

- Ford : 고객의 요구와 기대를 적절한 기업 요구 사항으로 전환하기 위한 계획 도구 (A Planning Tool for

Translating Customer Needs and Expectations into Appropriate Company Requirements)

1) 개발 및 발전

QFD는 일본 고베 조선소에서 처음 개발되었으며, 이후 일본과 미국에서 발전이 되었다.

-1972 미스비시 중공업의 고베 조선소에서 QFD 기법 처음 개발

-1977 토요타 자동차에서 4년의 연구와 교육을 거쳐 QFD 도입

-1983 포드 자동차와 협력업체 들이 Kaoru Ishikawa씨를 통해 QFD 개념 도입

-1984 American Supplier Institute 에서 QFD 개념에 대한 연구 및 평가 착수

-1986 GM 과 다른 주요 미국 업체들이 QFD 개념 도입 적용 시작

2) QFD Chart 용어 정의

구분	항 목	내 용	비 고
X축	요구 항목	원시 데이터에서 추출된 항목 - 요구품질로 변환 전에 발상을 유도하기 위한 항목
	요구 품질	품질과 관련된 요구를 언어로 표현한 것
	중 요 도	고객이 평가한 중요도 - 통상 설문조사 결과 이용
	비교 분석	요구품질(What)에 대한 경쟁사 제품과의 고객 평가 결과치
	기획 품질	고객이 요구하는 수준 - 상품 경쟁력을 감안한 품질 목표치
	레벨업 율 (Level up Ratio)	기획 품질/현재 품질	비교분석 값
	세일즈 포인트(Sales Point)	상품 판매에 유리한 가중치 항목
	중 요 도	고객평가 중요도×레벨업율×세일즈 포인트	백분율
Y축	품질 특성	품질을 평가하는 척도로 계측 가능하여야 함
	중 요 도	품질표에 의해 What-How의 연관성 평가 후 중점 관리해야 할 품질특성 산출 기준
	난 이 도	문제해결 난이도에 대한 기준
	비교 분석	품질특성 측정기준에 의해 실시된 B/mark’g 결과
	설계 품질	품질 특성 항목에 대한 목표 값
	Correlation Matrix	품질 특성 항목의 Interaction 분석표 설계 목표 품질(Target) 설정시 반드시 고려되어야 함

X축 항목은 입력 정보, Y축 항목은 출력 정보에 대한 분석 및 평가에 각각 사용된다.

3) QFD 진행 순서

위에서 설명한 바와 같이 QFD는 제품 품질 계획의 개발 단계와 유사한 패턴으로 진행한다.

구분	단계명	입력	출력	비고
단계 1	제품 개발 계획	고객의 소리	제품 특성
단계 2	제품 설계 및 개발	제품 특성	부품 특성
단계 3	공정 설계 및 개발	부품 특성	공정 특성
단계 4	제품 및 공정 유효성 확인	공정 특성	공정 관리 방법

여기서는 [단계 1] 에 대해서만 설명하기로 한다.

뒤의 단계는 [단계 1] 과 유사한 형태로 진행한다.

즉, [단계 1]의 입력이 [단계 2]의 출력이 되고, 다시 [단계 2]의 출력이 [단계 3]의 입력이 되는 식이다.

단계 1. 제품 개발 계획 단계 (Product Planning)

구분	추진 항목	세부 추진 절차
TASK 0	PROJECT 정의 및 QFD TEAM 구성
TASK 1	개발 방향 설정	1-A. 고객 요구 사항 조사 : DATA 수집 1-B. 고객 요구 사항 분석 : Preference & Mandatory Requirement 2-A. 고객 중요도(Importance) 평가 2-B. 고객 상품성 평가 : 비교 분석 2-C. 기획 품질 설정 2-D. 레벨업(Level Up Ratio) 율 설정 2-E. Sales Point 선정 2-F. 요구 품질 순위(Rank) 및 개발 방향 선정
TASK 2	예비 목표 설정	3-A. 품질 특성 (기 술요소 / Company Measures) 조사 3-B. 품질 특성에 대한 분석 3-C. 각 품질 특성에 대한 Bench-Marking 분석 4-A. 요구 품질(WHAT)과 품질특성(HOW)의 연관성 평가 4-B. 예비 목표 설정 (Preliminary Target)
TASK 3	목표 확정	5-A. 각 항목의 상호 관련 분석 : Roof / Correlation Matrix 5-B. 조직적 기술적 난이도 분석 6-A. 기술 요소(품질 특성)의 중요도 평가 : Company Measure Importance Ratings 6-B. QFD Chart 분석 6-C. 최종 목표 설정 : Final Target

각 Task 별 상세 내용은 자료실 참조

QFD는 정해진 절차.형식은 없으며, 기업이 대상으로 하는 상품, 업종, 업태에 따라 다소 방식이 달라질 수 있다.

Bottle Neck 기술을 개발 초기 단계에 발견하여 해결하는 것이 원류 관리의 중점이며, 품질 전개의 요소라 해도 무방하다.

기업의 수준, 문화 등을 고려하여 자사에서 현재 행해지고 있는 신제품 개발에서 품질 보증 활동의 각 단계와 그 내용을 비교하여 각 단계별로 무엇이 중요한지를 생각하여 진행하는 것이 중요하다.

<관련 용어 정의>

① K.J. Grouping

일본의 인류학자인 Kawakita Jiro에 의해 50년대 개발된 기법으로 특성별 분류와 인과 관계 분석용으로 활용된다.

고객의 요구를 세분화한 후 재통합하기 위한 그룹핑 기법이다.

K.J. 기법은 발상법이며, K.J. 기법에 따라 그룹핑 한다는 것은 단순히 비슷한 것을 모아 그룹핑하는 것을 의미하지 않으며, 세분화된 정보에 관해서 새로운 발상이 떠오를 수 있도록 하기 위한 수단이라고 할 수 있다.

카테고리를 정하여 정보를 집약하는 방식에서는 결코 참신한 발상이 떠오르지 않는다.

② Scene

상품이 사용되는 상황. 장면을 말한다.

상품에 대한 요구 품질을 상정할 때 실제 상품이 사용되는 장면과 상황을 머리 속에 떠올릴 필요가 있으며, 이 장면은 보통 5W1H로 표시된다.

- 5W 1H법 (2차 대전중 미육군에서 개발)

이유 / Why .... 왜 필요한가?

장소 / Where .. 어디에서 사용하는가?

시기 / When ... 언제 하는가?

담당 / Who .... 누가 하는가?

목적 / What ... 무엇을 하는가?

방법 / How .... 어떻게 하는가?

③ 고객 (Customer)

고객의 의미에는 최종 사용자뿐 아니라 설계 부서/설계 담당자, 가공, 조립 제조 공정 담당자, 서비스 담당자 등 실질적으로 제조에 책임이 있는 엔지니어들도 포함된다.

[SAE J1739 - FMEA] 에서의 정의

is not only the "END USER", but also the design responsible engineer/teams of the vehicle or higher level assemblies, and/or the manufacturing process responsible engineers in actives such as Manufacturing, Assembly, and Service.

④ 계층구조 (Hierarchy Structure)

사물을 계급에 의해 계통도적으로 나타낸 것으로 예를 들면, 회사의 조직도를 생각하면 된다.

요구품질은 언어로 표현되지만 그 언어의 추상레벨에 따라 계통도적으로 Tree 형태로 나타내고 요구품질의 계층구조화를 한 것을 요구 품질 전개표라고 한다.

계층구조의 최상위 레벨을 1차(Primary)로 하고 계층이 아래로 갈수록 2차(Secondary), 3차(Tertiary) ... 로 표시한다.

⑤ 요구 조건 (Requirement)

한 프로젝트의 성공이나 실패는 때때로 수요자와 공급자가 얼마나 정밀하고 완전하게 그 프로젝트에 관련해 서로를 이해하고 있느냐에 따라 결정된다.

이 내용을 문서화한 것이 요구조건이라고 할 수 있다.

⑥ 기능 (Function)

J. Martin의 정의에 의하면, 요구하는 출력을 얻기 위해 수행되어야 하는 임무 또는 활동으로 시스템이나 시스템 요소의 능력을 말하며, 정적(Static) 또는 동적(Dynamic) 성능으로 구분될 수 있다.

예) 소리를 낸다 / 열을 방출한다 / 물기를 제거한다 등.

⑦ 벤치마킹 (Benchmarking)

M.J.스펜돌리니의 정의에 의하면 조직의 향상을 위해 최상을 대표하는 것으로 인정된 조직의 제품, 서비스, 그리고 작업 과정을 검토하는 지속적이고 체계적인 과정을 말한다.

- 지속적인 프로세스이며, 1회성 행사가 아님.

- 가치있는 정보를 제공해 주는 조사과정이며, 단순한 해답을 제공하는 조사과정이 아님.

- 다른 사람으로부터 배우는 학습과정

: 아이디어를 찾아 나서는 실용적 기법이며, 복제, 모방이 아님.

- 일정한 원칙이 있어야 하며, 시간과 노력이 요구되는 프로세스이고 신속, 간편하고자 하면 안됨.

- 실제로 모든 업무를 향상시켜 주는 유용한 정보를 제공하는 편리한 도구(전문적인 유행어 아님).

⑧ AHP (Analytic Hierarchy Process) Method

AHP는 미국의 Saaty교수가 제안한 의사 결정을 위한 방법론으로, 계층 구조로 제시된 평가 항목에 관해 각 계층마다 1대1로 비교, 5단계 평가를 하여, 각 항목의 중요도를 구하는 방법이다.

신규 개발 상품의 요구품질 중요도 산출이나 기능 중요도를 구할 경우에 사용된다.

1.2 제품 및 공정 유효성 확인 단계

1.2 제품 및 공정 유효성 확인 단계

1.2.1 측정 시스템 분석 (MSA : Measurement System Analysis)

측정시스템에서 측정한 값은 제품 변동 외에 측정 오차라고 할 수 있는 측정 변동을 포함하게 된다.

총 변동 = 제품 변동 + 측정 변동

공정 능력 평가를 위해 제품의 변동을 측정할 때, 측정한 값에 너무 큰 측정 오차가 포함되면 공정 능력을 제대로 평가할 수 없게 된다.

측정시스템 분석은 해당 시스템의 측정 오차 수준과 발생 원인을 분석하고 개선하기 위한 수단이라고 할 수 있다.

측정시스템 분석은 반드시 초기 공정능력 조사 전에 해야 된다.

1) 용어 설명

① 측정시스템

측정되는 특성을 수치화시키기 위해 사용되는 작업, 절차, 계측기, S/W 및 사람의 집합

(측정값을 얻기 위해 사용된 전체 공정)

② 측정시스템의 식별 능력 (해상도 : Resolution)

해당 측정시스템이 식별 또는 측정할 수 있는 최소 단위

측정시스템의 해상도는 일반적으로 공정 변동 또는 규격 한계 중 작은 것의 1/10 이내로 함.

③ 측정

특정 성질들에 대한 물질 간의 관계를 표현하기 위해 물질에 수치를 부여하는 행위.

④ 측정 공정

수치를 부여하는 공정.

⑤ 계측기

측정값을 구하기 위해 사용되는 기기 또는 장비

2) 측정 시스템 오차의 구분

측정시스템에서 생길 수 있는 측정 오차는 위치에 관련된 오차와 분포에 관련된 오차로 구분할 수 있다.

- 위치 : 안정성, 편의, 선형성

- 분포 : 반복성, 재현성

① 안정성 (Stability)

같은 시료의 한 특성에 대하여 장기간 측정을 할 때 얻어지는 측정값의 총변동

- 안정성 분석 기간 동안 측정시스템이 노출되는 조건의 영향

- 마스터의 측정값 평균 및 범위를 일정 주기 간격으로 그리고 분석 평가

② 편의 (Bias)

기준값과 관측된 평균값의 차이

- 마스터의 오차

- 계측기 마모 또는 교정 불량

- 평가자의 부적절한 사용

③ 선형성 (Linearity)

계측기의 기대 작동 범위 전 영역에서의 편의 값의 차이

- 부적절한 교정

- 최소 또는 최대 마스터의 오차

- 계기 마모

④ 반복성 (Repeatability)

같은 시료의 동일 특성을 같은 측정기로 한명의 평가자가 반복 측정하여 구한 측정값의 변동

- 계기 자체의 측정 변동

- 계기내 시료의 위치 변동

⑤ 재현성 (Reproducibility)

같은 시료의 동일 특성을 같은 측정기로 여러 명의 측정자가 측정하여 얻어진 측정값 평균의 변동

- 측정기의 게이지 눈금을 읽는 방법이나 사용법에 대한 훈련 필요

3) 게이지 반복성 및 재현성( R & R ) 평가

측정시스템의 안정성, 편의, 선형성이 평가되었고 문제가 없다는 가정 하에, 비교적 앞의 항목들에 비해 평가하기 쉬운 게이지의 반복성과 재현성 만을 평가하는 방법이다.

실지로 앞의 항목들은 평가에 장기간이 소요되거나, 계측기 검교정(Calibration & Repair)을 위한 정밀 측정을 필요로 하는 등 현장에서 바로 평가하기 어려운 문제가 있다.

검교정이 된 계측기를 사용하면 게이지 R&R은 측정시스템 평가에 비교적 만족할 만한 접근 방법이라고 할 수 있다.

보통 10개 정도의 시료를 여러 명의 측정자가 반복하여 측정하도록 하고 측정값을 이용하여 반복성과 재현성을 정해진 절차에 따라 평가한다.

시료는 공정의 전 범위에 걸쳐 무작위로 추출하고 측정자는 시료 번호를 모르게 해야 된다.

게이지 R&R 평가 결과가 만족스럽지 못할 경우 아래의 조치를 취한다.

① 반복성이 좋지 않을 경우 조치 사항(예)

- 측정시스템을 정밀도가 좋아지도록 재설계

- 측정시스템 교정

- 게이지 고정 방법, 위치 등을 개선하거나 검사 기준 재설정

- 부품 내에 과도한 변동이 있는지 확인하고 개선

② 재현성이 좋지 않을 경우 조치 사항(예)

- 측정자에게 게이지 눈금 읽는 법 등 측정기 사용법 교육

- 측정기 다이얼의 교정 상태 확인

- 측정자들이 게이지를 동일한 방법으로 사용하도록 검사 기준 설정

1.2.2 초기 공정 능력 조사

양산 공정이 설계 요구 조건을 충족하는 제품을 생산할 수 있는가를 판단하기 위해 제조 및 조립 공정에서 초기에 생산한 제품을 측정하고, 그 계량치 데이터를 이용하여 초기 공정 능력 수용 기준에 따라 평가 및 조치를 취하는 활동이다.

- 측정된 계량치 데이터로 Ppk(Performance Index)를 계산하고 정해진 수용 기준에 따라 조치.

- 기하 공차 시스템 (Geometric Dimensioning & Tolerancing)이 적용된 특별 특성에 대해서는 도면에서

요구하는 측정 기준 준수.

- 결함 예방을 위해서는 안전에 관련된 모든 제품 및 공정의 특별 특성에 대해 초기공정 능력 조사를

수행할 필요가 있음.

① 초기공정능력 조사 결과 수용 기준(예)

조사 결과	수용 기준	비 고
Pp 및 Ppk > 1.67	양산 승인 :	공정이 설계 요구 사항 충족함
1.33 ≤ Ppk ≤ 1.67	양산 잠정 승인	단, Cpk 1.33이 유지될 때까지 관리 필요
Ppk 〈 1.33	양산 보류	공정 개선 필요
불안정하게 보이는공정	이상 원인 조사, 분석 및 제거 후 재평가	시정조치 계획을 문서화하고 Cpk 1.33 이상으로 안정될 때까지 지속적인 공정 개선 활동 추진

- Ppk 조사를 위한 제조의 경우에는 단기간에 작업을 하게 되므로, 재료, 작업자, 설비, 작업 방법이나 환경 등의 변화가 없거나 아주 작지만, Cpk는 양산 과정에서 장기간 제조하는 제품에 대한 공정 능력이므로 위의 항목들의 변화가 초기 공정 능력 조사 시에 비해 커지게 된다.

예를 들면, 주야간 다른 작업자에 따른 차이, 로트별 원재료와 부품 차이, 설비 정도 변화, 계절에 따른 온도와 습도 변화 등 여러 가지 요인에 의해 초기 공정 능력 조사 시에 비해 제품 변동이 커진다.

따라서, Ppk 는 1.67 이상이 되어야, Cpk 가 1.33 이상이 될 수 있다는 것을 보장할 수 있다.

2.1 통계적 공정관리 (SPC)

2.1 통계적 공정관리 (SPC : Statistical Process Control)

어떤 공정이라도 변동에 대한 다양한 원인 때문에 결코 모든 제품을 똑같이 만들 수는 없다.

변동의 원인은 우연(일상) 원인과 이상(특별) 원인으로 구분할 수 있으며, 우연 원인만 있을 경우 개별 측정값은 각기 달라도, 한 집단으로 보면 어떤 분포로 나타낼 수 있는 일정한 패턴을 가진다.

통계적 공정 관리는 이런 통계적 특성을 이용하여 현 공정에서 제조한 제품들이 그 분포 패턴을 벗어날 경우, 즉 이상 원인으로 인한 변동이 생길 경우 바로 확인하고 조치를 취할 수 있도록 하기 위한 수단이다.

우연 원인으로 인한 변동만 있을 경우, 그 공정은 통계적 관리 상태에 있다고 표현하며, 공정 개선은 우연 원인의 변동을 줄이기 위한 활동이라고 할 수 있다.

- 이상 원인으로 인한 변동 : 현재 관리 상태에 있는 요인들에 의한 제품 변동

- 우연 원인으로 인한 변동 : 현재 관리 상태에 있지 않은 요인들에 의한 제품 변동

예를 들면, 현재 공장 내 온도 및 습도 관리를 하지 않고 있을 경우, 이로 인한 제품 변동(예 : 여름과 겨울, 아침과 낮 등에 따른 제품 변동)은 우연 원인으로 인한 변동으로 볼 수 있다.

그러나, 이 제품 변동이 너무 커서 항온항습실에서 작업을 하는 것으로 공정을 변경했다면, 그 관리 온도나 습도 범위를 벗어나서 발생한 제품 변동은 이상 원인으로 인한 변동이 된다.

단, 위의 예처럼 우연 원인으로 인한 제품 변동을 줄이는 형태의 공정 개선은 비용 증가를 필요로 하는 경우가 많다.

Robust Design 기법을 통해 해당 우연 원인으로 인한 제품 변동을 분석하고, 좀 더 경제적으로 제품 변동을 줄일 수 있는 다른 설계 변수를 찾아 공정을 개선하는 것이 제조 원가 측면에서 유리하다.

통계적 공정 관리 대상 제품 또는 공정 특성은 제조물의 특성을 고려하여 상호기능팀 협의를 거쳐 선정하되 안전에 관련된 특별 특성은 반드시 포함시킬 필요가 있다.

(1) 관리도 (Control Chart)

1920년 Bell 연구소의 W. Shewart 박사가 개발한 공정 관리용 도구로 현장에서 작업자가 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있다

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일반적으로 계량형 관리도인 x-R 관리도가 현장에서 많이 사용된다.

이외에 합격/불합격 또는 있음/없음 등의 두 가지 계수치만 가지는 공정 특성치일 경우, 계수형 관리도인 p 관리도가 주로 사용된다.

- 자료실 참조

(2) 공정능력의 평가 및 개선

공정이 관리 상태에 있을 때 계산한 공정 능력 지수(Cpk : Process Capability Index)는 그 공정에서 기대할 수 있는 수행도의 현재 수준을 나타낸다.

	공정 능력 지수 계산 Cpk = (1-k) Cp Cp (Process Capability) = (USL-LSL) / 6σ k (치우침도) = I m-u I / ((USL-LSL) / 2) m (규격한계 중심) = (USL+LSL) / 2 u : 측정값 평균

일반적으로 공정 능력 지수는 1.33 이상이 되어야 해당 공정의 불량 예방 능력이 충분하다고 할 수 있다.

단, 공정 능력 지수가 1.67 이상으로 과잉 품질일 경우, 원가 절감 가능성을 검토할 필요가 있다.

	공정능력지수와 양품률 관계 Cpk 1.00 : 3σ , 99.73% Cpk 1.33 : 4σ , 99.9937% Cpk 1.67 : 5σ , 99.999943% Cpk 2.00 : 6σ , 99.9999998%

해당 공정의 공정 능력 지수 수준이 만족스럽지 못하면 공정 자체에 대한 추가적 분석과 조치를 해야 된다.

- 공정개선 : 우연 원인에 의한 제품 변동을 줄이는 활동

- 분석시 파레토 분석이나 특성요인도 등의 문제 해결 기법이 도움이 될 수 있다.

2.2 품질 관리

2.2 품질 관리

2.2.1 품질 이력 관리

동일 유형의 결함 재발 방지를 위해서는, 품질 이력 관리와 지속적인 개선 활동을 필요로 한다.

결함 유형별로 코드화하여 관리하는 것이 품질 이력 관리를 좀 더 용이하게 하는 방법이라고 할 수 있다.

1) 발생 공정, 발견 공정에 따른 분류 예

- 외주 부품, 원재료 결함 : 인수 검사, 공정검사, 출하 검사 등 발견 검사 공정 구분

- 사내 제조 공정에서 발생한 결함 : 공정검사, 출하 검사 등 발견 검사 공정 구분

- 출하 후 발견한 결함 : Field Claim 등

2) 발생 빈도에 따른 분류 예

- Occurrence : 일정 기간 중 처음 발생한 결함

- Recurrence : 재발 결함

- Repetitive : 반복 결함, 개선조치를 했는데 다시 발생한 결함

품질 이력 관리는 결함 발생 원인과 개선 조치를 같이 관리할 필요가 있다.

2.2.2 부적합품 처리 지침 (Disposition)

검사 결과 부적합품(Nonconformance)으로 판정된 제조물에 대한 처리 지침은 보통 아래와 같이 구분한다.

- 특채 (Use As Is 또는 Concession)

- 폐기(Scrap) 또는 반송(Reject)

- 재작업(Rework) : 합격품을 만들 수 있는 경우

- 수리(Repair) : 합격품을 만들 수는 없지만 기능이나 안전상 문제가 없도록 보완

- 웨이버(Waiver) 또는 재등급(Regrade)

부적합품의 처리 지침 중 폐기, 재작업의 경우는 품질 관리 담당자가 바로 처리해도 관계가 없지만, 특채, 수리의 결정은 품질 관리 담당자 단독으로 처리하지 않도록 문서화할 필요가 있다.

특히, 안전에 관계된 결함이 있는 부적합품의 특채나 수리 결정은 권한(Authority)을 가진 자재심의 위원회(MRB : Material Review Board)의 심의를 거쳐 결정하도록 하고 근거를 문서화된 이력으로 남겨 둘 필요가 있다.

2.2.3 품질 관리 도구

품질 문제 해결을 해결을 위해 주로 활용되는 QC 7가지 도구 에 대해 설명하기로 한다.

일반적으로 체크 시이트, 파레토 차트, 특성요인도, 산점도, 히스토그램, 관리도의 6가지 도구에 층별, 그래프 중 하나를 포함시켜 QC 7가지 도구라고 한다.

1) 체크 시이트 (Check Sheet)

체크 시이트는 데이터를 정리하기 쉽도록 사전에 설계된 양식에 기록한 도표로 데이터를 쉽게 수집, 정리하기 위한 목적으로 사용된다.

일반적으로 특성요인도, 파레토 차트 등을 그리기 위한 사전 자료로 활용된다.

양식은 가능한 간단하게 하고, 점검 항목과 점검 방법을 명확하게 정해 줄 필요가 있으며, 데이터의 이력 관리를 위해 점검 일시, 측정자, 제품 및 공정명 등을 기록해 두도록 한다.

체크 시이트는 활용 목적에 따라 기록용과 점검용으로 구분한다.

- 기록용 : 분포 상태를 파악하거나, 어떤 불량 항목 들이 어느 위치에 어느 정도 발생하고 있는가의

데이터를 취하기 위해 사용

예) 불량 항목 조사용, 내경치수 분포 조사용 등

- 점검용 : 미리 정해 둔 점검 항목에 따라 순서대로 점검, 확인하도록 한 체크 시이트

예) 작업 준비 상태 점검 체크 시이트

2) 파레토 차트(Pareto Chart)

파레토 차트는 현상이나 원인을 분류하여 크기 순서에 따라 막대 그래프(Bar Chart)와 누적 꺽은선 그래프로 그린 그림으로, 개선 과정에서 중점적으로 노력을 기울여야 하는 부분을 바로 파악할 수 있도록 한 도구이다.

이탈리아의 경제학자 Alfred Pareto의 이름을 따서 명명되었으며, 조셉 쥬란에 의해 품질 관리 분야에 적용되기 시작하였다.

제조업이나 서비스업의 경우 문제를 발생시키는 원인이 많더라도 대부분의 문제는 소수의 원인 때문에 발생한다.

따라서, 문제의 원인을 사소한 다수(Trivial Many)와 중요한 소수(Vital Few)로 분류하고, 중요한 소수에 개선 노력을 집중하는 것이 훨씬 효율적이다.

보통, 중요한 20%의 원인이 전체 문제의 80%를 발생시키기 때문에 [20 : 80의 법칙]이라고도 한다.

일반적으로 점차 세분화시켜 가며 단계적으로 그리는 방법이 사용된다.

예) 1차 : 우리반 평균 점수를 가장 많이 깍아 먹은 학생들 -> Vital Few : 맹구, 오서방, 이장

2차 : 맹구가 가장 많이 깍아먹은 과목들 -> Vital Few : 수학, 과학, 영어

- 오서방, 이장에 대해서도 같은 방식으로 분석

3차 : 수학 과목 분야별 점수 분석 -> Vital Few : 미적분

- 다른 과목에 대해서도 같은 방식으로 분석

반의 평균 점수를 올리기 위해서는 맹구, 오서방, 이장의 부진한 과목과 분야를 집중 지도할 필요가 있다.

일반적으로 개선 항목을 찾기 위해서는 파레토 차트 분석을 3차 이상 수행할 필요가 있다.

3) 특성요인도 (Cause and Effect Diagram)

결과(특성)에 영향을 미치는 요인을 찾아 생선뼈 형태로 그린 그림으로, 주로 원인을 체계적으로 찾기 위한 방법으로 사용된다.

이시카와 교수가 고안한 방법으로 Ishikawa Diagram 또는 fishbone diagram 이라고도 한다.

결과(특성)에 영향을 미치는 요인을 제대로 찾고, 시행 착오를 줄이기 위해서는 관련 부서 전문가들로 팀을 구성해 토의하는 것이 보다 효율적이다.

특성요인도에서 찾은 요인들이 실지로 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해서는 ROBUST DESIGN 등의 기법을 활용한다.

4) 그래프 (Graph)

그래프는 모아진 데이터를 한눈에 알아 볼 수 있도록 적절한 그림으로 표현한 것으로, 간단히 만들 수 있고, 보는 사람의 흥미를 끌어 내용을 강력하게 부각시킬 수 있는 장점이 있다.

그래프는 여러 가지 종류가 있으므로 목적에 따라 적절한 형태의 그래프를 선정해 사용한다.

① 막대그래프

막대그래프는 수량의 크기를 막대의 길이로 표현한 것으로서 수량의 상대적 크기를 비교할 때 사용한다.

시간적인 변화를 나타내는데는 적합하지 않지만 어느 특정 시점에서의 수량을 상호 비교할 경우에 유리하며, 활용 범위가 가장 넓은 그래프라고 할 수 있다.

② 꺾은선그래프

꺾은선그래프는 수량의 변화 상태를 보는 그래프로, 보통 시간의 경과에 따른 변화를 보기 위해 사용된다.

여러 가지 데이터의 경향을 비교할 경우에도 많이 쓰인다.

③ 원그래프

원그래프는 원 전체를 100%로 보고 각 부분의 비율을 원의 부채꼴 면적으로 표현한 그래프이다.

전체와 부분, 부분과 부분의 비율을 쉽게 알 수 있다.

예를 들면 불량품의 원인별 분류 등의 경우에 이용하면 효과적이다.

원그래프를 만들 경우 항목은 일반적으로 시계방향에 따라 크기순으로 배열한다.

④ 띠그래프

원그래프와 원리는 같지만 전체를 가느다란 직사각형의 띠로 나타내고, 띠(직사각형)의 면적을 각 항목의 구성비율에 따라 구분한다.

주로 시간의 경과에 따른 구성비율의 변화를 쉽게 볼 수 있도록 할 때 사용한다.

⑤ 레이더 차트

레이더 차트는 평가 항목이 여러 개일 경우 사용한다.

항목 수에 따라 원을 같은 간격으로 나누고, 그 선 위에 점을 찍고 그 점을 이어 항목별 균형을 한눈에 볼 수 있도록 해주는 그림이다.

⑥ 기타

기타 일정 관리를 위해 사용하는 간트 차트 등 여러 가지 형태의 그래프가 있다.

5) 층별

집단을 어떤 특징에 따라 몇 개의 그룹으로 구분하는 것을 말한다.

예를 들면, 기계 A와 기계 B에서 동일한 제품을 생산할 경우, 각 장비에서 생산한 제품을 섞어 놓고 측정을 하게 되면 이상의 원인을 찾기 힘들지만, 각 장비에서 생산한 제품을 따로 구분해서 측정하면 어느 장비에 이상이 있는지를 쉽게 알 수 있다.

이와 같이, 기계별, 작업자별, 반별, 교대별, 재료별 또는 시간별 등으로 구분해서 데이터를 분류하는 것을 층별이라 하며, 어느 원인이 산포에 크게 영향을 미치고 있는지를 쉽게 찾아낼 수 있는 장점이 있다.

층별이 제대로 되지 않을 경우, 측정한 데이터로부터 이상 원인을 제대로 파악을 할 수 없으므로, 그 제품이나 공정에 대해 잘 알고 있는 관련 부문 담당자들이 팀 활동으로 특성요인도 등을 사용해서 특성치와 그 요인의 관계를 충분히 검토해서 층별 방법을 결정할 필요가 있다.

층별 결정 시, 4M과 환경 등 아래 항목들을 고려한다.

① 작업자(사람)

개개의 작업자, 동일 작업을 하는 조, 반 등, 직무별, 경험년수, 연령별, 신입자와 책임자

② 설비

가공 장비별, 공장별, 설비의 조정의 정도, 신구 설비별, 치공구별

③ 원재료

구입처별, 상표별, 구입 시기별, 수입 로트별, 저장 기간별, 저장 장소별, 전공정의 제조 조건·시기별

④ 작업방법

작업방법별, 작업조건별, 로트별, 측정방법별

⑤ 시간

오전·오후별, 주야별, 작업개시직후·종료직전 등, 일별, 월초·중·말 등의 구별, 계절별

⑥ 환경

기온, 습도, 맑음, 흐림, 비, 바람의 유무, 위치의 원근, 조명의 명암

⑦ 기타 개발품, 양산 제품 구분 등

6) 산점도 (Scatter Diagram)

한 쌍의 데이터(예를 들면 도금시간과 도금 두께, 키와 몸무게 등)를 각각 X축과 Y축으로 구분하여 각 조마다 점을 찍은 그래프를 말한다.

산점도 위에 나타난 점의 모양에 따라 상관 관계가 있고 없음을 알 수 있다.

즉, 특성과 요인 사이에 정말 관계가 있는가를 조사한다든지, 요인을 어떤 값으로 하면 특성이 어떻게 되느냐하는 등의 상관관계를 알기 위해 사용한다.

주로 문제해결을 위한 사전 원인 조사 단계에서 쓰인다.

7) 히스토그램 (Histogram)

가로축에 특성치를 적절한 구간으로 나누고, 세로축에 각 구간의 도수를 기둥의 높이로 나타낸 그림을 히스토그램이라 한다.

막대 그래프와 유사하지만 측정값이 어떤 값을 중심으로 어떤 산포를 가지는가를 시각적으로 볼 수 있다는 점에서 구분된다.

보통, 구간의 수는 데이터 전체 수의 제곱근으로 한다.

따라서 구간의 폭은 최대값과 최소값의 차를 구간의 수로 나눈 값이 된다.

히스토그램은 범법자의 나이가 어떻게 범죄에 영향을 미치는가에 관심을 둔 게리(A. M Guerry)라는 프랑스인이 처음으로 그렸으며, 단순한 막대 그래프를 써서 범죄 발생건수를 비교하는 것보다 나이에 따른 범죄 발생건수의 변화를 좀 더 정확하게 알 수 있었다.

8) 관리도 (Control Chart)

관리도는 이상원인에 의한 산포가 발생할 경우 바로 발견할 수 있도록 하기 위해 개발된 도구이다.

관리도는 사용 용도와 통계량에 따라 아래와 같이 분류할 수 있다.

① 용도에 따른 구분

- 관리용 관리도 : 공정을 안정 상태로 유지하기 위해 사용하는 관리도

- 해석용 관리도 : 공정이 안정 상태에 있는가를 조사하기 위해 사용하는 관리도

공정 해석이나 방침 결정을 위해 사용

② 통계량에 따른 구분

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- X-R 관리도 : 통계적 공정관리에서 설명이 되었으므로 생략

- Pn 관리도 : 불량 개수(샘플의 수가 일정할 경우)

- P 관리도 : 불량률(샘플의 수가 일정치 않을 경우)

- C 관리도 : 결점수(샘플의 수가 일정할 경우)

- u 관리도 : 단위당 결점수(샘플의 수가 일정치 않을 경우)