Werkzeugstandzeit und Kosten je Loch beim Stanzen von Stromschienen

Fragen Sie einen Betrieb, der Stromschienen fertigt, was ein gestanztes Loch kostet, und Sie bekommen üblicherweise den Preis des Stempels geteilt durch eine Zahl, die jemand im Kopf behalten hat. Dieser Wert ist als Anteil an der Summe fast immer zu hoch, und er verdeckt die beiden Größen, die bestimmend sind. Das Modell durchzurechnen ändert, woran Sie ansetzen.

Das Modell

Kosten je Loch = (Werkzeugkosten + n × Nachschleifkosten) / Löcher über die Werkzeugstandzeit
               + Maschinenstundensatz × Taktzeit
               + Stillstand für Werkzeugwechsel, je Loch umgelegt
               + Ausschusskosten, je Loch umgelegt

Vier Größen. Die erste ist das, was man „Werkzeugkosten“ nennt. Die zweite ist üblicherweise drei- bis fünfmal so groß. Die dritte ist klein, reagiert aber stark auf die Werkzeugwahl. Die vierte ist im Mittel klein und im Ausläufer der Verteilung katastrophal.

Ein Rechenbeispiel

Nehmen Sie einen Satz aus Rundstempel und Matrize mit 13 mm, der Durchgangslöcher für M12 in eine Sammelschiene aus 10 mm halbhartem Kupfer stanzt, auf einer Maschine mit 150 Hüben pro Minute. Jeder Kostensatz unten ist beispielhaft und sollte durch Ihren eigenen ersetzt werden; es geht um den Aufbau und um die Größenverhältnisse, nicht um die absoluten Zahlen.

Beginnen Sie beim Werkzeug. Ein Satz aus Stempel und Matrize aus Schnellarbeitsstahl M2 zu 220 €. Nachschleifen zu 30 € einschließlich Handhabung, Prüfung und neuem Einstellen der Distanzscheiben. Acht Nachschliffe, bevor die Nachschleiflänge des Stempels aufgebraucht ist. Standzeit zwischen den Nachschliffen von 30 000 Hüben — das ist die Zahl, die Sie sich bei Ihrem Werkzeuglieferanten für Ihren Werkstoff, Ihre Maschine und Ihren Schneidspalt bestätigen lassen müssen.

Löcher gesamt  = 9 Intervalle × 30 000 = 270 000
Werkzeugkosten = (220 + 8 × 30) / 270 000 = €0.0017 je Loch

Als Nächstes die Maschinenzeit. Bei 55 € pro Stunde als Vollkostensatz und 150 Hüben pro Minute belegt jedes Loch 0,4 Sekunden.

Maschinenkosten = 55 / 3600 × 0.4 = €0.0061 je Loch

Dann der Stillstand. Neun Werkzeugwechsel zu je 12 Minuten sind 1,8 Stunden entgangene Produktion.

Stillstandskosten = 1.8 × 55 / 270 000 = €0.00037 je Loch

Zuletzt der Ausschuss. Eine Länge von 3 m aus 100 × 10 mm Kupfer wiegt 26,9 kg. Bei einem Kupferpreis von 9 €/kg ist diese Schiene allein als Rohmaterial 242 € wert, noch vor jeder Bearbeitung, die bereits in ihr steckt. Nehmen Sie an, dass je vier Werkzeugstandzeiten eine Schiene durch einen mitgezogenen Butzen, eine eingebrochene Kante oder einen Grat außerhalb der Zeichnungsgrenze verloren geht.

Ausschusskosten = 242 / 4 / 270 000 = €0.00022 je Loch

Das summiert sich auf etwa 0,0084 €, also 0,84 Eurocent je Loch. Das Werkzeug macht davon 20 % aus. Die Maschinenzeit 73 %.

Das Geld steckt nicht im Stempel. Noch schärfer: Eine einzige verschrottete Schiene zu 242 € kostet so viel wie der gesamte Werkzeugverbrauch von etwa 142 000 Löchern. Die Werkzeugstandzeit zählt vor allem deshalb, weil eine kurze Standzeit schlechte Löcher erzeugt und schlechte Löcher Ausschuss und Nacharbeit erzeugen. Sie zählt nicht in erster Linie deshalb, weil Stempel teuer wären.

Stempelwerkstoffe

Vier Werkstoffgruppen decken im Wesentlichen die gesamte Arbeit an Stromschienen ab.

Kaltarbeitsstahl D2, typischerweise 60–62 HRC. Günstig, maßhaltig, ausreichend für dünnen oder weichen Werkstoff und kurze Serien. An dickem Kupfer ist die Kantenfestigkeit grenzwertig, und Ausbrüche unter dem Schnittschlag sind das übliche Versagen. Lieferanten, die sowohl D2 als auch M2 anbieten, führen D2 in Richtung Dünnblech, kleine Stückzahlen und Fälle, in denen eine Konstruktionsänderung wahrscheinlich ist.

Konventioneller Schnellarbeitsstahl M2, 60–63 HRC. Der Regelfall. Bessere Abrasionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Zähigkeit als D2, und er verträgt die Reibungswärme, die an der Stempelflanke entsteht. Die Hinweise von Anchor Danly zu Stempelwerkstoffen beschreiben M2 als geeignet für lange Serien, bei denen die Abrasionsbeständigkeit die Hauptanforderung ist. Für die meisten Betriebe, die Stromschienen fertigen, ist das die Ausgangsbasis.

Pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl: ASP 2023, PM 23, Vanadis-Sorten und Gleichwertiges, viele davon mit der Chemie M3

nach Werkstoffnummer 1.3395. Die Zusammensetzung ähnelt M2, doch die Karbide sind weit feiner und gleichmäßiger verteilt, was die Verschleißbeständigkeit erhöht, ohne die Einbuße an Zähigkeit, die man dafür sonst bezahlt. PASS Stanztechnik veröffentlicht für seinen PM-Stempelstahl gegenüber der eigenen Ausgangsbasis einen Standzeitfaktor von 6,0–10,0. Das ist ein großer Faktor für ein Bauteil, das vielleicht das 1,5- bis 2,5-Fache eines konventionellen Stempels kostet.

Hartmetall. Von diesen vier Gruppen die mit deutlichem Abstand höchste Verschleißbeständigkeit — und für die meisten Stanzarbeiten an Stromschienen die falsche Antwort. Hartmetall ist spröde, und der Schnittschlag an 10–20 mm Kupfer liefert genau die umgekehrte Stoßbelastung, die es nicht verträgt. Es braucht steife Führung, genauen Schneidspalt und saubere Butzenführung, bevor es überlebt. Seinen Platz hat es bei sehr hoher Stückzahl an einer einzigen Lochgröße oder an abrasivem Werkstoff, und keines von beiden beschreibt die übliche Arbeit im Schaltanlagenbau.

Setzen Sie die Wahl in das Kostenmodell ein, statt sie im Abstrakten auszudiskutieren. Im obigen Beispiel ergibt der Wechsel von M2 auf PM-Stahl zu 420 € für den Satz bei einem Standzeitfaktor von 6×:

Löcher gesamt  = 9 × 180 000 = 1 620 000
Werkzeugkosten = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = €0.00046 je Loch

Die Werkzeugkosten je Loch sinken um rund drei Viertel, und die Größe für den Stillstand sinkt um denselben Faktor, weil bei gleicher Ausbringung nur ein Sechstel so viele Werkzeugwechsel anfallen. Dass der Stempel nahezu doppelt so teuer ist, spielt keine Rolle.

Beschichtungen

Eine PVD-Beschichtung sind wenige Mikrometer Keramik auf Flanke und Stirn. Sie hebt die Oberflächenhärte weit über die des Grundwerkstoffs und verändert das Reibungs- und Adhäsionsverhalten an der Grenzfläche. An Kupfer sind Reibung und Adhäsion das, was Sie kaufen.

Veröffentlichte Daten eines gewerblichen Beschichters ergeben Folgendes, und die Zahlen sind repräsentativ und nicht allgemeingültig:

TiN ist die Bezugsgröße für den allgemeinen Einsatz. TiCN ist härter und bei abrasiver Arbeit besser, aber seine Einsatzgrenze von 400 °C ist die niedrigste in der Tabelle. Die Eignung von AlTiN bis 900 °C macht es beim Zerspanen wertvoll und bringt an Stromschienen aus Kupfer überhaupt nichts, weil das Werkzeug diesen Temperaturen nie nahekommt.

Bei Kupfer und Aluminium ist das Versagensbild Adhäsion und Kaltverschweißen und nicht die thermische Erweichung. Das weist auf die reibungsarmen Varianten: eine chrombasierte Beschichtung oder eine beliebige Beschichtung mit einer Trockenschmierschicht aus Molybdän- oder Wolframdisulfid, die die Reibungszahl von etwa 0,35 auf etwa 0,15 senkt. Weniger Reibung an der Flanke bedeutet weniger Rückzugskraft, und beim Rückzug entsteht ein großer Teil des Verschleißes. PASS nennt für eine geeignete Beschichtung einen Standzeitfaktor von 2,0–4,0, mit der Einschränkung, dass sie auf den Werkstoff des Werkstücks abgestimmt und nicht allgemein gewählt werden sollte.

Zwei praktische Einschränkungen. PVD scheidet bei etwa 375 °C ab, unterhalb der Anlasstemperatur von gehärtetem M2, und erweicht den Grundwerkstoff daher nicht; CVD scheidet nahe 1050 °C ab und verlangt, das Werkzeug danach neu zu härten, weshalb CVD auf Wendeschneidplatten und schweren Umformwerkzeugen sitzt und nicht auf Präzisionsstempeln. Und die Beschichtung der Stirn geht beim ersten Nachschleifen verloren. Die Beschichtung der Flanke bleibt erhalten, und dort liegt der größte Teil des Nutzens; ein nachgeschliffener beschichteter Stempel ist einem unbeschichteten also weiterhin überlegen, aber prüfen Sie die Wirtschaftlichkeit einer Neubeschichtung gegen die verbleibende Nachschleiflänge.

Nachschleifvorrat und wie viele Nachschliffe Sie bekommen

Die Nachschleiflänge ist die gesamte Länge, die sich durch Schärfen von der Stempelspitze abnehmen lässt. Sie ergibt sich aus der Geometrie und nicht aus dem Verschleiß:

Nachschleiflänge = SBR − (Werkstoffdicke + Matrizeneintritt + Abstreiferdicke)

wobei SBR die zylindrische Länge vor dem Übergangsradius ist, also der Abstand von der Spitze zurück bis dorthin, wo sich der Stempel zum Schaft aufzuweiten beginnt. Schleifen Sie darüber hinaus, passt der Stempel nicht mehr durch den Abstreifer oder erzeugt nicht mehr das richtige Loch. Der Matrizeneintritt ist das Maß, um das der Stempel im unteren Totpunkt in die Matrize eintreten muss, um den Butzen freizubrechen, üblicherweise wenige Zehntel bis etwa 3 mm je nach Werkzeugsystem.

Die Zahl der Nachschliffe ist die verfügbare Nachschleiflänge geteilt durch den je Nachschliff abgenommenen Vorrat. Abgenommen werden typischerweise 0,1–0,3 mm, genug, um die Verschleißmarke und etwas sauberes Metall darunter zu entfernen; ein Stempel mit 3 mm nutzbarer Nachschleiflänge trägt damit auf dem Papier etwa 10–30 Nachschliffe. In der Praxis bekommen Sie weniger, weil ein Stempel, der zu weit über seine Verschleißgrenze hinaus gefahren wurde, 0,5 mm oder mehr abgenommen bekommen muss, und weil nach jedem Nachschliff die Stempellänge über Distanzscheiben oder die Kopfeinstellung wiederhergestellt werden muss, bis die Toleranzkette aufgebraucht ist. Jede dieser Zahlen hängt vom Werkzeugsystem und von der Stempelgeometrie ab; bestätigen Sie sie daher anhand der Daten Ihres Lieferanten, statt die Zahlen von hier zu übernehmen.

Schleifen Sie immer nass. Trockenes Schleifen oder unzureichende Kühlung kann die Schneide reißen lassen oder weichglühen und den Stempel zerstören, den Sie retten wollten. Nehmen Sie den Schleifgrat mit einem feinen Abziehstein ab, entfernen Sie das Kühlmittel, ölen Sie beim Einbau und stellen Sie die Stempellänge wieder her.

Die Verschleißmarke als Auslöser für das Nachschleifen

Die Schneide bleibt nicht scharf und versagt dann plötzlich. Sie bildet eine kleine Fläche aus, die Verschleißmarke, die stetig wächst und den Schnitt lange verändert, bevor der Stempel unbrauchbar ist. Sobald eine messbare Marke vorhanden ist, wird ein größerer Teil des Werkstoffs umgeformt statt geschert; die Kraft steigt, der Kanteneinzug wächst, der Grat wächst, und das Loch wandert.

Die Marke unmittelbar zu messen bedeutet, den Stempel auszubauen und unter ein Mikroskop oder ein Messprojektionsgerät zu legen. Tun Sie das in Abständen, um Ihr Urteil zu eichen; eine Produktionskontrolle ist es nicht. Eine Marke im Bereich von 0,2–0,4 mm ist ein verbreiteter Auslöser für das Nachschleifen; lassen Sie sich den Wert für das konkrete Werkzeug von Ihrem Lieferanten bestätigen. In der Produktion sind die praktischen Auslöser die Anzeichen: die Grathöhe gegen die Zeichnungsgrenze, von der Lieferanten ausdrücklich sagen, dass sie üblicherweise den Zeitpunkt des Nachschleifens bestimmt und unter diesen Anzeichen das empfindlichste Frühindiz ist; das Wachsen des Kanteneinzugs, gemessen gegen ein aufbewahrtes Erstmuster; das Wandern von Lochmaß und Lochlage; der Verzug des Teils; und steigender Pressendruck oder Motorstrom über den Hub.

Die Disziplin, auf die es ankommt, ist frühes Schleifen. Ein Stempel, den Sie bei 0,2 mm Verschleißmarke erwischen, braucht 0,15 mm Abtrag und geht zurück in die Arbeit. Derselbe Stempel, gefahren bis die Schneide zusammenbricht, braucht 0,5 mm oder ist Schrott, und alles, was er dazwischen gefertigt hat, ist verdächtig.

Der Hebel Schneidspalt

Von allem, was in diesem Beitrag vorkommt, bewegt der Schneidspalt die Werkzeugstandzeit weiter als jede andere einzelne Größe, und ihn richtig zu wählen kostet nichts.

Der Mechanismus liegt beim Rückzug, nicht beim Schnitt. Bei zu engem Schneidspalt federt das Kupfer nach dem Schnittschlag auf die Stempelflanke zurück, und jeder Hub endet in einer Presspassung, die herausgedrückt werden muss. Die Praxisdaten von Dayton Lamina schreiben dem Rückzug bis zu zwei Drittel des gesamten Stempelverschleißes zu und beschreiben, dass ein enger Schneidspalt ein Loch erzeugt, das kleiner ist als die Stempelspitze, wobei Reibungswärme das Metall hinter der Spitze verfärbt und die Wärmebehandlung schädigt. Der richtige Schneidspalt erzeugt ein Loch, das etwas größer ist als der Stempel, und macht aus einer Presspassung eine Spielpassung. Ihr veröffentlichter Vergleich eines herkömmlichen Schneidspalts von 5 % je Seite mit ihrem ausgelegten Schneidspalt am selben Werkstoff nennt für die enge Einstellung 41 Stunden Instandhaltung je Million Teile, und eine Fallstudie an 0,060 in kaltgewalztem Stahl zeigt eine Verdreifachung der Stempelstandzeit allein aus dem Schneidspalt.

Halten Sie das gegen die übrigen Faktoren. Der richtige Schneidspalt trägt rund 2–3× bei. Ein PM-Grundwerkstoff trägt 6–10× bei. Eine geeignete Beschichtung trägt 2–4× bei. Mit Schmierung statt trocken zu fahren vermeidet einen Faktor von 0,4–0,6. Diese Faktoren multiplizieren sich nicht sauber, und niemand sollte eine hundertfache Verbesserung behaupten, aber der Abstand zwischen einem schlecht spezifizierten Werkzeug in einer schlecht abgestimmten Matrize im Trockenlauf und einem richtig spezifizierten liegt nahe bei einer Zehnerpotenz. Der größte Teil dieses Abstands wird durch Entscheidungen geschlossen, die bei der Bestellung nichts kosten.

Zwei Fallen speziell an der Stromschiene. Kleine Löcher in dicker Schiene kosten viel: PASS veröffentlicht Abminderungsfaktoren von 0,6–0,8 für ein Schnittelement kleiner als das 1,5-Fache der Werkstoffdicke und 0,3–0,5 für eines kleiner als das 1,0-Fache der Dicke; ein M12-Loch in 12 mm Kupfer liegt mitten in diesem zweiten Band. Und Schiene im harten Werkstoffzustand greift das Werkzeug stärker an als halbharte, sodass ein Austausch des Werkstoffzustands durch den Einkauf Wochen später als Standzeitproblem auftaucht. Das ist ein Grund, den Lieferanten auf einen angegebenen Werkstoffzustand nach EN 13601 festzulegen. Die Seite des Schneidspalts behandelt vollständig Schneidspalt für Stromschienen aus Kupfer und Aluminium, die Seite der Kraft der Rechner für die Stanzkraft an Stromschienen.

Schmierung

Trockenlauf kostet rund die Hälfte Ihrer Werkzeugstandzeit. Der von PASS veröffentlichte Faktor für fehlende Schmierung des Werkstoffs liegt bei 0,4–0,6, und Kupfer haftet bereitwillig auf Werkzeugstahl.

Hier steckt ein Zielkonflikt. Die Haftung des Ölfilms zwischen Butzen und Stempelstirn ist einer der anerkannten Mechanismen des Butzenrückzugs, und „kein Bearbeitungsöl verwenden“ steht auf den eigenen Listen der Werkzeuglieferanten mit Gegenmaßnahmen gegen mitgezogene Butzen. Das Schmiermittel wegzulassen, um den Butzenrückzug abzustellen, wirkt, und es ist der falsche Tausch. Lösen Sie die Butzenhaltung mechanisch, behalten Sie das Schmiermittel, nehmen Sie die Werkzeugstandzeit mit. Rechnen Sie dann die nachgelagerte Folge ein: Schmiermittelrückstand auf einer Verbindungsfläche ist ein Verunreinigungsproblem vor dem Beschichten, Verzinnen oder Montieren, und der Reinigungsschritt gehört in den Prozess, statt in der Prüfung entdeckt zu werden.

Butzenrückzug

Von den regelmäßig auftretenden Ereignissen beim Stanzen ist der mitgezogene Butzen das teuerste. Er fährt mit dem Stempel hoch, landet auf der Schiene und wird beim nächsten Hub in die Oberfläche getrieben. Im günstigsten Fall eine markierte Schiene und eine Nacharbeit. Im ungünstigsten Fall ein ausgebrochener Stempel, eine beschädigte Matrize und eine verschrottete Länge.

Die Mechanismen an Kupfer sind das Vakuum zwischen dem durchgewölbten Butzen und der Stempelstirn, die Haftung des Ölfilms und das Verpressen an der Kante durch Grat. Die magnetische Haftung, die vierte auf der üblichen Liste, entfällt hier. Die Gegenmaßnahmen, ungefähr in der Reihenfolge, wie oft sie das Problem lösen:

• Federbelasteter Auswerferstift mit seitlicher Entlüftungsbohrung im Stempel. Der Stift drückt den Butzen ab; die Entlüftung bricht das Vakuum. Das ist es, was einen großzügigen Schneidspalt brauchbar macht.
• Matrizengeometrie zur Butzenhaltung, ein kurzes Schneidband und anschließend eine etwas engere Freistellung, die den Butzen festhält, sodass er nicht wieder hochsteigen kann.
• Schneidschräge an der Stempelstirn, die den Butzen wölbt, sodass ihn seine eigene Rückfederung löst.
• Begrenzen des Stempeleintritts in die Matrize im unteren Totpunkt, weil ein tiefer Eintritt beim Rückzug mehr Vakuum erzeugt.
• Druckluft durch die Werkzeugmitte.

Den Schneidspalt zu vergrößern, um Werkzeugstandzeit zu gewinnen, erhöht die Neigung zum Butzenrückzug. Der Auswerferstift ist das, was Sie kaufen, um diesen Tausch machen zu können.

Was Sie mit dem Modell anfangen

Füllen Sie die vier Größen mit Ihrem eigenen Maschinenstundensatz, Ihren Werkzeugpreisen und Ihrer Hubzahl und sehen Sie dann nach, wo das Geld liegt. Bei den meisten Arbeiten an Stromschienen ist die Maschinenzeit bestimmend, und das heißt, dass Hubzahl und Rüstzeit mehr zählen als der Stempelpreis. Ein Bearbeitungszentrum mit 24 Stationen und 200 Hüben pro Minute bewegt die Kosten je Loch weiter als jede Werkzeugentscheidung, die Ihnen offensteht, und eine Stanz- und Schneidmaschine mit 400 oder 600 kN mit schnellem Werkzeugwechsel bewegt sie weiter als ein billigerer Stempel. Die Werkzeugwahl zählt dann aus dem Grund zweiter Ordnung: Sie hält die Löcher innerhalb der Zeichnungsgrenzen für Lochbilder nach DIN 43673-1, ohne dass die Maschine stehen bleibt, und sie hält Schienen aus dem Ausschuss heraus.

Verfolgen Sie drei Zahlen je Werkzeug, dann bleibt das Modell ehrlich: Hübe seit dem letzten Nachschliff, Grathöhe am Erstmuster und am Auslösepunkt sowie verbleibende Nachschleiflänge. Für einen Betrieb, der noch keine davon gemessen hat: Fangen Sie mit der Grathöhe am Erstmuster an. Sie kostet weniger als jede andere Messung im Betrieb und treibt alles Übrige.

Wo die Gratgrenze eng ist, nehmen Sie den Grat nachgelagert ab, statt ihm mit dem Werkzeug hinterherzulaufen. Ein Entgratdurchgang auf einer eigenen Maschine kostet je Meter weniger als die Werkzeugstandzeit, die Sie beim Versuch opfern würden, ein gratfreies Loch zu stanzen, und er ist wiederholbar.