Modeling of Specific Energy Consumption and Reduction Strategies for Lathe Machine Tools

Abstract

원자재 가격의 상승에 따른 산업체들의 경제적 부담과 이산화탄소 배출 제한을 위한 국제 환경 규약의 활성화로 인해, 생산제조분야에서 에너지 저감 문제는 가장 중요한 국제적 이슈 중 하나로 부상하고 있다. 특히, 공작기계는 전통적인 기계 제조 분야뿐만 아니라 전자 제품 분야에까지 널리 사용되고 있고 이산화탄소 배출에 가장 큰 영향을 미치는 석탄과 천연가스를 원자재로 하는 전기 에너지로 가동되고 있으므로 에너지 효율을 높일 수 있는 기술을 공작기계에 적용하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 공작기계의 기계적 설비를 바꾸지 않으면서도 절삭 공정 변수만을 조절하여 에너지 효율을 높일 수 있는 방법을 연구하였다. 선반 공작기계의 선삭 공정에서 에너지 소비와 제조 비용을 줄일 수 있는 새로운 에너지 모델과 측정 방법론을 제시하였다. 에너지 소비 모델은 기초, 이송축, 주축, 절삭 에너지로 구성되며 각각 절삭 공정 변수로 이루어진 함수로 구체화하였다. 제조 비용 모델은 공작기계의 에너지 소비에 따른 전기 요금과 절삭 공구의 교체 비용으로 구성되며 에너지 소비 모델과 마찬가지로 절삭 공정 변수로 이루어진 함수로 구체화 하였다. 유도된 에너지 소비 모델과 제조 비용 모델은 경험적 접근방법론 (Empirical approach) 을 이용하여 측정된 데이터를 통해 검증하였다. 총 6개 공작기계의 데이터를 측정하였고 해당 모델들은 측정된 데이터와 높은 경향성을 보였다. 또한, 해당 모델을 이용하여 에너지 소비나 제조 비용을 줄일 수 있는 각각의 최적 절삭 공정 변수를 제시하였다. 결론적으로, 설계된 모델을 에너지나 비용 저감을 중점적으로 하는 절삭 공정 계획표에 적용할 수 있다.

Owing to the increasing price of energy sources and global environmental regulation such as carbon dioxide emissions, reduction of energy consumption is currently at the top of the global issue in manufacturing industry. Especially, a machine tool uses electricity whose major source is coal or natural gas that contributes largely to the increase of carbon dioxide level. Thus, a machine tool needs to adopt more energy-efficient techniques. This study focuses on controlling cutting parameters without any replacement of hardware components of a machine tool to improve the energy efficiency. The aim of this research is to develop new models and methodologies to reduce the energy consumption and manufacturing costs in turning process on lathe machine tools. The energy consumption model was composed of basic, stage, spindle and machining components, and was clearly described in terms of cutting parameters. Similar to the energy consumption model, the manufacturing cost model was comprised of the energy costs and the tool life, concretized by cutting parameters. This resulting model was verified by empirical approaches using measured data. The constructed model fitted the measured data well on various lathe machine tools. Using the model, two optimum cutting parameters reducing the energy consumption and manufacturing cost were obtained respectively. Therefore, the model is applicable for the working of a process planner based on energy-saving or cost cutting strategies.