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[자동차 이야기(50)] 자동차 제조공정과 생산기술

파워트레인, 프레스공정과 차체조립공정

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한국자동차산업협회(KAMA)의 ‘2019년 10대 자동차 생산국 현황’ 보고서에 따르면 지난해 10대 자동차 생산국의 순위는 중국, 미국, 일본, 독일, 인도, 멕시코, 대한민국, 브라질, 스페인, 프랑스 순으로 2018년에 이어 우리 대한민국은 세계 7위의 자동차 생산국이다. 지난 몇 십년동안 손으로 드럼통을 두드려 자동차를 만들던 나라에서 1970년대 중반이후 독자적인 국산승용차를 생산한 이후 하이브리드자동차, 전기자동차나 연료전지 자동차를 만드는 나라로까지 자동차 산업과 관련 부품 산업의 급속한 발전을 이루어왔다.


잘 알려진 바와 같이 자동차는 약 2~3만여 개의 부품을 잘 계획된 생산 순서에 의해 배치된 현대식 생산 설비와 생산 공정을 거쳐 제조하게 되어있다. 많은 부품(혹은 모듈)과 재료가 순차적으로 조립공장으로 투입되면서 이동조립식 대량생산으로 이루어지므로 자동차 생산은 완성차 기업뿐만 아니라 많은 1차, 2차 협력기업들의 조화를 필요로 하며, 생산 활동의 원활한 흐름과 유기적 결합이 절대적으로 중요하다. 따라서 자동차 생산기술이 매우 중요하고, 생산기술은 생산시스템의 구축과 제조 조건을 설정하기 위한 공장의 설계 등에 관련된 기술들로 크게 시스템기술, 공정기술 그리고 설비기술들로 이루어진다. 3개의 생산기술 가운데에서도 가장 중요한 것은 시스템 기술로서 제품설계와 공정설계 그리고 각 공정들이 제 기능을 발휘하고, 가공, 조립, 출고 검사로 연결되는 자재의 흐름을 제대로 관리하는 정보기술(IT)이 결합된 기술을 포함하게 된다.

현대·기아자동차, 한국지엠 쉐보레자동차, 쌍용자동차, 르노삼성차, Ford, GM 등과 같은 국내외 완성자동차 회사에서의 대표적인 생산제조 공정과 생산기술을 소개하여 자동차산업에 대한 독자들의 이해를 돕고자 한다.

■ 자동차 생산제조 공정

자동차 생산제조 공정은 프레스 공정 – 차체조립 공정 – 도장 공정 – 의장조립 공정– 검사 혹은 검수 공정 등으로 구성되어있다. 이와는 별도로 파워트레인이라는 하는 엔진과 변속기 등 핵심부품의 공정은 주조→단조→소결→열처리→기계가공→조립공정 등으로 구성된다. 대부분 완성차 공장에는 각 공정단계 별로 공장이 구성되어 있어 하나의 작업이 끝난 차량은 다음 단계 공장으로 이동, 작업을 이어가게 된다.

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자동차 생산제조 공정


■ 파워트레인 생산기술

파워트레인은 내연기관 자동차에서의 엔진과 변속기를 의미하므로, 파워트레인 생산기술은 엔진 생산기술과 변속기 생산기술로 구분된다. 엔진 및 변속기 생산기술은 소재공장에서 공급된 소재를 제품 사양에 따라 가공 라인에서 가공한 후 조립 라인으로 이송하고, 작업자, 설비, 정해진 작업순서에 따라 실린더 헤드, 실린더 블록, 크랭크축, 기어 등의 단위 부품들을 조립한 후, 성능을 확인하는 테스트와 검수 공정을 거쳐 자동차 조립공장에 공급하는 기술이다. 파워트레인 생산기술은 가공기술, 조립기술, 운반기술, 검사기술 등 4가지 핵심요소 기술로 분류할 수 있다. 특히, 가공기술은 마이크로 단위의 오차 범위를 만족해야 하는 정밀한 부품을 만들어야 하며, 엔진이나 변속기의 가혹한 실제 운전조건에도 견딜 수 있는 부품의 신뢰도 확보를 위해 가장 중요한 기술이다. 다른 프레스, 용접, 의장 공장들에 비교한다면 파워트레인 공장 건설에 대한 투자가 대규모로 필요하므로, 건설 계획단계에서 적정 생산규모, 공정 배치, 사이클 타임, 설비 레이아웃 등에 대한 효과적인 검토가 필요하다. 따라서 기종 변경이나 생산량 조정이 요구될 경우 유연성을 발휘할 수 있도록 공용화가 가능한 범용 설비, 사이클 타임 향상을 위한 가공속도의 고속화 기술, 자동창고의 물류 효율화를 위한 자율주행 무인 운반장치기술, 부품 신뢰성 확보를 위한 비파괴 결함 검사기술, 성능 시험 무인화 등의 개발이 매우 중요하다.

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파워트레인 제조공정. 사진=쌍용자동차


■ 프레스 생산기술

프레스 생산기술은 자동차의 골격인 차체를 구성하는 부품을 생산하는 기술로서, 철제 강판의 소성변형 성질을 이용하여 제품의 형상을 구현하며 금형을 프레스에 장착하고 왕복 압축 운동을 하는 높은 압력으로 작용하는 프레스로 재료를 절단 또는 성형하는 기술이다. 프레스 가공은 금속 가공기술 가운데서도 가장 높은 생산성을 확보할 수 있는 기술로 제품의 균일한 품질 확보, 경량화, 경제성 측면에서 매우 중요하다. 일반적인 프레스 성형공정의 구성은 강판 코일이 입고되면 세정과 교정을 실시한 후 성형할 수 있는 패널 크기로 블랭킹(blanking)을 하고, 성형(draw), 자르기(trim), 구부리기(flange) 등의 작업순서로 이루어진다. 자동차 휀더(Fender)에 대한 5단계의 성형공정 사례를 그림 3에 나타내어 보았다.

프레스 생산기술의 요소는 재료, 금형, 프레스 설비의 3가지로 구분할 수 있다. 특히 자동차 차체에 적용되는 재료는 승객 안전 확보와 경량화라는 두 가지 목표를 달성해야 한다. 차체에 적용되는 강판의 경우 300~600MPa (메가파스칼)급의 고장력강판의 사용은 이미 일반화되었으며, 고급차량의 경우에는 1,000MPa(혹은 1기가 파스칼)이상의 초고장력강의 사용량도 증가하고 있다. 초고장력강은 강도는 양호하나 성형이 어려운 가공성의 문제를 수반하므로 고장력강이나 초고장력강에 대한 성형 기술의 개발이 병행되어 진행되고 있는 상황이다. 일부 자동차 회사에서는 100% 알루미늄을 이용한 차체가 시판되고 있기도 하다.

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자동차 차체용 프레스 부품. 사진=기아자동차

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자동차 휀더 프레스 공정(블랭킹에서 성형, 플랜지 작업)


(3) 차체 생산기술 및 조립

차체 생산기술은 차량의 골격을 만드는 기술로, 프레스 금형으로 성형된 패널을 위치 선정을 위해 지그(Jig)로 고정하고 전기 저항점 용접, CO2 용접, 레이저 용접, 접착제 등의 다양한 접합공정과 수밀 및 소음 차단을 위해 실런트를 도포하는 공정을 거쳐 패널을 조립하고, 조립된 패널로 차체 골력을 만들고 정도를 검사하는 검사공정을 통과하여 도어, 후드, 트렁크 리드 등을 차체 골격에 장착하는 과정으로 이루어진다.

차체는 플로어 어셈블리, 사이드 어셈블리, 루프 등의 골격을 구성하는 부품과 도어, 후드, 펜더, 트렁크 리드 등의 장착 가능한 부품으로 구성된다.

차체 생산기술의 중요 요소는 접합과 장착을 포함한 조립기술, 검사기술, 운반기술, 치구 등을 포함한 설비기술로 구성된다. 차체공장은 로봇 및 자동 운반 장치 등을 활용하여 타 공장 대비 높은 자동화율과 생산성을 보이고 있으며 최근에는 2개나 3개 차종을 대량생산할 수 있는 방식보다는 적정생산 규모를 유지하면서 보다 많은 차종을 투입할 수 있는 유연성 확보를 위한 기술개발이 차체조립공장의 중요한 목표가 되고 있다.

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자동차 차체조립 공정. 사진=현대자동차 인디아


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한상욱 신한대 교수

앞서 설명한 바와 같이 자동차 산업은 대규모의 공장과 현대식 생산설비, 고도의 집중성, 세분화된 분업구조, 잘 훈련된 노동력에 좌우되는 국가기간 산업이다. 자동차 생산제조 공정(프레스 공정 – 차체조립 공정 – 도장 공정 – 의장조립 공정– 검사 혹은 검수 공정) 중에서 도장(혹은 페인팅)공정, 의장조립, 검사공정 등에 대하여는 다음에 설명 드리기로 하겠다.


한상욱 신한대학교 기계자동차융합공학과 교수

한상욱 신한대학교 기계자동차융합공학과 교수

아르헨티나