Vida de la herramienta y coste por agujero en el punzonado de barra

Las talleres de barras colectoras a menudo calculan el costo del agujero perforado dividiendo el precio de la herramienta por una cantidad recordada, una cifra que típicamente sobrestima la participación de la herramientía en el costo total y oscurece los dos términos dominantes. Trabajar con el modelo cambia lo que se optimiza.

El modelo

cost per hole = (tool cost + n × regrind cost) / total holes over tool life
              + machine rate × cycle time
              + tool-change downtime allocated per hole
              + scrap cost allocated per hole

Cuatro términos. El primero es lo que se llama "costo de herramientía". El segundo suele ser de tres a cinco veces mayor. El tercero es pequeño pero responde fuertemente a la elección de la herramienta. El cuarto es pequeño en promedio y catastrófico en el extremo.

Un ejemplo práctico

Considérese un juego de punzón y matrices redondas de 13 mm que perfora agujeros de taladro M12 en cobre semiduro de 10 mm en una máquina funcionando a 150 golpes por minuto. Todas las tasas a continuación son ilustrativas y deben reemplazarse con cifras reales del taller; el punto es la estructura y los tamaños relativos, no las cifras absolutas.

Se empieza con la herramientía. Un juego de punzón y matrices de acero rápido M2 a €220. Reacopado a €30 incluyendo manejo, inspección y recolocación de cuñas. Ocho reacopados antes de que el punzón se quede sin longitud de afilado. Vida entre reacopados de 30.000 golpes, cifra que necesita verificarse con el proveedor de herramientía para el material específico, la máquina y la holgura.

total holes  = 9 intervals × 30 000 = 270 000
tooling cost = (220 + 8 × 30) / 270 000 = €0.0017 per hole

Luego el tiempo de máquina. A €55 por hora, todo incluido, y 150 golpes por minuto, cada agujero ocupa 0,4 segundos.

machine cost = 55 / 3600 × 0.4 = €0.0061 per hole

Después el tiempo de inactividad. Nueve cambios de herramienta de 12 minutos cada uno suman 1,8 horas de producción perdida.

downtime cost = 1.8 × 55 / 270 000 = €0.00037 per hole

Finalmente los desechos. Un largo de 3 m de cobre de 100 × 10 mm pesa 26,9 kg. A un precio del cobre de €9/kg, esa barra vale €242 como materia prima sola, antes de cualquier procesamiento ya invertido en ella. Supóngase que una barra de cada cuatro vidas de herramienta se pierde por un búlder arrastrado, un borde colapsado o una rebaba que excede el límite del dibujo.

scrap cost = 242 / 4 / 270 000 = €0.00022 per hole

Eso suma aproximadamente €0,0084, o 0,84 céntimos de euro por agujero. La herramientía es el 20% de eso. El tiempo de máquina es el 73%.

El punzón no es donde está el dinero. Una sola barra desechada a €242 cuesta lo mismo que el consumo total de herramientía para unas 142.000 perforaciones. La vida de la herramienta importa principalmente porque una vida corta produce agujeros defectuosos, y los agujeros defectuosos producen desechos y retrabajo. No importa mucho porque los punzones son caros.

Materiales para punzones

Cuatro familias cubren esencialmente todo el trabajo con barras colectoras.

Acero herramienta frío D2, típicamente 60-62 HRC. Económico, dimensionalmente estable, adecuado para material delgado o suave y series cortas. En cobre grueso, la resistencia del borde es marginal y el desprendimiento bajo el choque de penetración es el fallo habitual. Los proveedores que ofrecen tanto D2 como M2 orientan el D2 hacia lámina delgada, pequeñas cantidades y casos donde es probable un cambio de diseño.

Acero de alta velocidad convencional M2, 60-63 HRC. El estándar. Mejor resistencia a la abrasión, resistencia al impacto y tenacidad que el D2, y tolera el calor por fricción generado en el flanco del punzón. Las notas sobre material de punzones de Anchor Danly describen el M2 como apto para series largas donde la resistencia a la abrasión es el requisito principal. Para la mayoría de los talleres de barras colectoras, esta es la línea base.

Acero de alta velocidad de metalurgia del polvo: ASP 2023, PM 23, grados Vanadis y equivalentes, muchos con química M3

para el número de material 1.3395. Química similar al M2, pero los carburos son mucho más finos y están más uniformemente distribuidos, lo que aumenta la resistencia al desgaste sin el deterioro de tenacidad que normalmente se paga. PASS Stanztechnik publica un factor de vida útil de 6.0-10.0 para su acero de punzones PM contra su línea base. Ese es un gran multiplicador para un componente que cuesta quizás 1,5 a 2,5 veces más que un punzón convencional.

Carburo de tungsteno. La mayor resistencia al desgaste con diferencia, y la respuesta equivocada para la mayoría del punzonado de barras colectoras. El carburo es frágil, y la penetración en cobre de 10-20 mm produce exactamente la carga de choque inversa que le desagrada. Necesita guiado rígido, holgura precisa y control limpio del casquillo antes de poder sobrevivir. Gana su lugar en volúmenes muy altos con un solo tamaño de agujero, o en material abrasivo, ninguna de las cuales describe el trabajo típico de cuadros eléctricos.

Incorporar la elección al modelo de costes en lugar de discutirla en abstracto. En el ejemplo anterior, pasar del M2 al acero PM a un coste de €420 por el juego con un factor de vida 6× da:

total holes  = 9 × 180 000 = 1 620 000
tooling cost = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = €0.00046 per hole

El coste de herramienta por agujero disminuye aproximadamente en tres cuartas partes, y el término de tiempo de inactividad disminuye por el mismo factor porque hay una sexta parte de cambios de herramienta para la misma producción. El hecho de que el punzón cueste casi el doble es irrelevante.

Recubrimientos

Un recubrimiento PVD son unos pocos micras de cerámica en el flanco y la cara. Aumenta la dureza de la superficie muy por encima del sustrato y cambia el comportamiento de fricción y adhesión en la interfaz. En cobre, la fricción y la adhesión son lo que importa.

Los datos publicados de una casa de recubrimientos comercial dan lo siguiente, y las cifras son representativas y no universales:

El TiN es el punto de referencia de uso general. El TiCN es más duro y mejor en trabajo abrasivo, pero su límite de temperatura de trabajo de 400 °C es el más bajo de la tabla. La capacidad de 900 °C del AlTiN es lo que lo hace valioso en mecanizado y no aporta nada en barras colectoras de cobre, donde la herramienta nunca se acerca a esas temperaturas.

En cobre y aluminio el modo de fallo es la adhesión y el gallado, no el ablandamiento térmico. Esto apunta a las opciones de baja fricción: un recubrimiento a base de cromo, o cualquier recubrimiento con una capa superior de disulfuro de molibdeno/tungsteno de película seca, que reduce el coeficiente de fricción de alrededor de 0,35 a alrededor de 0,15. Menos fricción en el flanco significa menos fuerza de extracción, y la extracción es donde ocurre gran parte del desgaste. PASS cita un factor de vida útil de la herramienta de 2,0–4,0 para un recubrimiento adecuado, con la salvedad de que debe ajustarse al material de la pieza de trabajo en lugar de elegirse de forma genérica.

Dos limitaciones prácticas. La deposición por PVD se realiza a unos 375 °C, por debajo de la temperatura de revenido del M2 endurecido, por lo que no ablanda el sustrato; la deposición por CVD se realiza cerca de 1050 °C y requiere que la herramienta se re endurezca después, por lo que la CVD se mantiene en plaquetas y herramientas de conformado pesado en lugar de en punzones de precisión. El recubrimiento de la cara se pierde en la primera reposición. El recubrimiento del flanco sobrevive, que es donde se concentra la mayor parte del beneficio, por lo que un punzone repuesto con recubrimiento sigue siendo superior a uno sin recubrimiento, pero debe verificarse la rentabilidad del re recubrimiento frente a la vida útil restante tras el repuesto.

Material de repuesto para el rectificado y cuántos rectificados se obtienen

La vida útil del rectificado es la longitud total que se puede eliminar de la punta del punzone mediante el afilado. Está determinada por la geometría, no por el desgaste:

grind life = SBR − (material thickness + die penetration + stripper thickness)

donde SBR es la longitud recta antes del radio, la distancia desde la punta hasta el punto donde el punzone comienza a ensancharse hacia su cuerpo. Un rectificado más profundo hará que el punzone ya no pase por el desprendedor o que no produzca el agujero correcto. La penetración de la matriz es la cantidad que el punzone debe entrar en la matriz en la parte inferior del golpe para desprender el casquillo, generalmente unas décimas hasta unos 3 mm dependiendo del sistema de herramental.

El número de rectificados es la vida útil de rectificado disponible dividida por el material eliminado por cada rectificado. La eliminación es típicamente de 0,1–0,3 mm, suficiente para eliminar la banda de desgaste y un poco de metal limpio debajo, por lo que un punzone con 3 mm de longitud de rectificado usable admite aproximadamente entre 10 y 30 rectificados sobre el papel. En la práctica se logran menos, porque un punzone que se ha utilizado demasiado más allá de su límite de desgaste necesita que se eliminen 0,5 mm o más, y porque cada rectificado requiere que la longitud del punzone se restaure con cuñas o ajuste de la cabeza hasta que la acumulación de tolerancias se agote. Todas estas cifras dependen del sistema de herramental y de la geometría del punzone, por lo que deben confirmarse con los datos del proveedor en lugar de adoptar las cifras aquí.

Rectificar siempre en húmedo. El rectificado en seco o con refrigerante inadecuado puede grietear o recocer el filo de corte y destruir el punzone. Eliminar la rebaba del rectificado con una piedra fina, limpiar el refrigerante, lubricar al montar y restablecer la longitud del punzone.

La banda de desgaste como indicador de rectificado

El filo de corte no se mantiene afilado y luego falla repentinamente. Desarrolla un pequeño plano, la banda de desgaste, que crece de manera constante y cambia el corte mucho antes de que el punzone sea inutilizable. Una vez que existe una banda medible, se deforma más material en lugar de cortarlo, por lo que aumenta la fuerza, crece el hundimiento, crece la rebaba y el agujero se desplaza.

Medir la banda directamente implica retirar el punzone y colocarlo bajo un microscopio o comparador. Eso debe hacerse periódicamente para calibrar el juicio; no es un control de producción. Una banda en el rango de 0,2–0,4 mm es un indicador de rectificado habitual, y la cifra debe confirmarse con el proveedor para la herramienta específica. En producción, los indicadores prácticos son los síntomas: la altura de la rebaba frente al límite del dibujo, lo cual los proveedores indican explícitamente es el determinante normal del momento de rectificar y es el indicador temprano más sensible; el crecimiento del hundimiento medido frente a una muestra retenida del primer corte; el desplazamiento de la dimensión y posición del agujero; la deformación de la pieza; y el aumento de la presión de la prensa o la corriente del motor en el golpe.

La disciplina importante es rectificar temprano. Un punzone atrapado con 0,2 mm de banda de desgaste necesita que se eliminen 0,15 mm y vuelve al trabajo. El mismo punzone utilizado hasta que el filo colapsa necesita 0,5 mm o se descarta, y todo lo que fabricó entre medias es sospechoso.

La palanca de la holgura

De todo lo que trata este artículo, la holgura entre punzón y dado es la variable que más influye en la vida útil de la herramienta, y no cuesta nada configurarla correctamente.

El mecanismo se produce en la retracción, no en el corte. Cuando la holgura es demasiado estrecha, el cobre recupera su forma sobre el flanco del punzón después del corte y cada golpe termina en un ajuste interferente que debe forzarse para extraerse. Los datos de campo de Dayton Lamina atribuyen hasta dos tercios del desgaste total del punzón a la retracción, y describen que una holgura estrecha produce un orificio más pequeño que la punta del punzón, con calor por fricción que decora el metal detrás de la punta y daña el tratamiento térmico. Una holgura correcta produce un orificio ligeramente más grande que el punzón, convirtiendo un ajuste por interferencia en un ajuste por deslizamiento. Su comparación publicada entre una holgura tradicional del 5% por lado y su holgura diseñada sobre el mismo material reporta 41 horas de mantenimiento por millón de piezas para el ajuste estrecho, con un estudio de caso en acero laminado en frío de 0.060 in que muestra un aumento de tres veces en la vida útil del punzón solo por la holgura.

Compare esto con los otros multiplicadores. Una holgura correcta aporta aproximadamente 2-3×. El sustrato de PM aporta 6-10×. Un recubrimiento adecuado aporta 2-4×. Operar con lubricante en lugar de en seco evita una penalización de 0.4-0.6. Estos factores no se multiplican de forma limpia, y nadie debe afirmar una mejora de cien veces, pero la diferencia entre una herramienta mal especificada en un dado con holgura inadecuada operando en seco y una correctamente especificada es cercana a una orden de magnitud. La mayor parte de esa brecha se cierra con decisiones que no cuestan nada en el momento del pedido.

Dos trampas específicas para barras colectoras. Los orificios pequeños en barras gruesas conllevan una penalización significativa, con PASS publicando factores de reducción de 0.6-0.8 para una característica cortada menor a 1.5 veces el espesor del material y de 0.3-0.5 para una menor a 1.0 veces el espesor; un orificio M12 en cobre de 12 mm cae directamente en esa segunda banda. Y la barra de temple duro es más exigente con las herramientas que la de temple medio, por lo que una sustitución de temple por parte de compras se presenta como un problema de vida útil de la herramienta semanas después. Esa es una razón para exigir al proveedor un temple declarado bajo EN 13601. La cuestión de la holgura se trata en detalle en holgura entre punzón y dado para barras colectoras de cobre y aluminio, y la cuestión de la fuerza en la calculadora de fuerza de punzonado de barras colectoras.

Lubricación

Operar en seco reduce aproximadamente a la mitad la vida útil de la herramienta. El factor publicado por PASS para ausencia de lubricante de lámina es 0.4-0.6, y el cobre se adhiere fácilmente al acero de herramientas.

Existe un conflicto aquí. La adherencia del film de aceite entre el slug y la cara del punzón es uno de los mecanismos reconocidos de extracción del slug, y "no usar aceite de proceso" aparece en las propias listas de los proveedores de herramientas como remedio para la extracción de slug. Eliminar el lubricante para curar la extracción de slug funciona, pero es un intercambio incorrecto. Se debe corregir la retención del slug mecánicamente, mantener el lubricante y conservar la vida útil de la herramienta. Luego se debe considerar la consecuencia posterior: el residuo de lubricante en una superficie de unión es un problema de contaminación antes del chapado, estañado o ensamblaje, y el paso de limpieza pertenece al proceso y no debe descubrirse en la inspección.

Extracción de slug

Un slug extraído es el evento rutinario más costoso en el punzonado. Sube con el punzón, cae sobre la barra y se introduce en la superficie en el siguiente golpe. En el mejor de los casos, una barra marcada y una retrabajo. En el peor, un punzón astillado, un dado dañado y un tramo desechado.

Los mecanismos en el cobre son la adherencia por vacío entre el slug abombado y la cara del punzón, la adherencia del film de aceite y la unión por presión en los bordes por rebabas. La adherencia magnética, la cuarta en la lista estándar, no aplica. Las contramedidas, aproximadamente en orden de frecuencia con que resuelven el problema, son:

• Pin expulsor con resorte y orificio de ventilación lateral en el punzón. El pin empuja el slug hacia afuera; la ventilación rompe el vacío. Esto es lo que hace usable una holgura generosa.
• Geometría del dado de retención de slug, un land de corte corto seguido de un alivio ligeramente más estrecho que sujeta el slug para que no pueda subir de nuevo.
• Ángulo de corte en la cara del punzón, que abomba el slug para que su propia recuperación elástica lo libere.
• Restricción de la entrada del punzón en el dado al fondo de la carrera, ya que una entrada profunda crea más vacío en la retracción.
• Aire comprimido a través del centro de la herramienta.

Aumentar la holgura para ganar vida útil de herramienta aumenta la tendencia a la extracción del slug. El pin expulsor es lo que permite tomar ese intercambio.

Qué hacer con el modelo

Complete los cuatro términos con la velocidad real de la máquina, los precios de las herramientas y la tasa de impactos, y observe dónde se concentran los costos. En la mayoría del trabajo con barras colectoras, el tiempo de máquina domina, lo que significa que la tasa de impactos y el tiempo de preparación importan más que el precio de la punzonadora. Un centro de procesamiento de 24 estaciones funcionando a 200 impactos por minuto reduce el costo por taladro más que cualquier decisión de herramientas disponible, y una punzonadora-cizalla de 400 o 600 kN con cambio rápido de herramientas lo reduce más que una punzonadora más económica. La elección de herramientas importa por una razón secundaria: mantiene los taladros dentro de los límites del dibujo para patrones según DIN 43673-1 sin detener la máquina, y evita que las barras terminen en el contenedor de chatarra.

Rastree tres números por herramienta y el modelo se mantiene honesto: impactos desde la última afilación, altura del rebaba en la primera pieza producida y en el punto de activación, y longitud de afilación restante. Para un taller que nunca ha medido ninguno de estos, comience con la altura del rebaba en la primera pieza. Es la medición más económica en la planta y es la que impulsa el resto.

Cuando el límite de rebabas es estricto, córtelo en un proceso posterior en lugar de perseguirlo con las herramientas. Un paso de desbarbado en una máquina dedicada cuesta menos por metro que la vida útil de la herramienta que se sacrificaría tratando de punzonar un taladro sin rebabas, y es repetible.