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

Pregunte en un taller de barra colectora cuánto cuesta un agujero punzonado y normalmente le darán el precio del punzón dividido entre una cifra que alguien recuerda. Esa cifra es casi siempre demasiado alta como proporción del total, y esconde los dos términos que dominan. Desarrollar el modelo cambia lo que usted optimiza.

El modelo

coste por agujero = (coste de herramienta + n × coste de reafilado) / agujeros totales en la vida de la herramienta
                  + tasa de máquina × tiempo de ciclo
                  + tiempo de parada por cambio de herramienta imputado por agujero
                  + coste de chatarra imputado por agujero

Cuatro términos. El primero es lo que la gente llama «coste de utillaje». El segundo suele ser de tres a cinco veces mayor. El tercero es pequeño pero responde con fuerza a la elección de herramienta. El cuarto es pequeño de media y catastrófico en la cola.

Un ejemplo resuelto

Tome un juego de punzón y matriz redondos de 13 mm perforando agujeros de paso para M12 en cobre semiduro de 10 mm, en una máquina que trabaja a 150 golpes por minuto. Todas las tarifas de abajo son ilustrativas y deben sustituirse por las suyas; lo que importa es la estructura y los tamaños relativos, no las cifras absolutas.

Empiece por el utillaje. Un juego de punzón y matriz de acero rápido M2 a 220 €. Reafilado a 30 € incluyendo manipulación, inspección y recalado de suplementos. Ocho reafilados antes de que el punzón agote su longitud de reafilado. Vida entre reafilados de 30.000 golpes, que es la cifra que hay que verificar con su proveedor de utillaje para su material, su máquina y su holgura.

agujeros totales   = 9 intervalos × 30 000 = 270 000
coste de utillaje  = (220 + 8 × 30) / 270 000 = €0.0017 por agujero

Después el tiempo de máquina. A 55 € por hora todo incluido y 150 golpes por minuto, cada agujero ocupa 0.4 segundos.

coste de máquina = 55 / 3600 × 0.4 = €0.0061 por agujero

Luego el tiempo de parada. Nueve cambios de herramienta de 12 minutos cada uno son 1.8 horas de producción perdida.

coste de parada = 1.8 × 55 / 270 000 = €0.00037 por agujero

Por último, la chatarra. Un tramo de 3 m de cobre de 100 × 10 mm pesa 26.9 kg. A un precio de cobre de 9 €/kg, esa barra vale 242 € solo como materia prima, antes de cualquier procesado ya invertido en ella. Suponga que se pierde una barra por cada cuatro vidas de herramienta a causa de un recorte arrastrado, un canto hundido o una rebaba que se sale del límite del plano.

coste de chatarra = 242 / 4 / 270 000 = €0.00022 por agujero

Eso suma unos €0.0084, es decir, 0.84 céntimos de euro por agujero. El utillaje es el 20 % de esa cifra. El tiempo de máquina es el 73 %.

El punzón no es donde está el dinero. Y más agudo todavía: una sola barra desechada de 242 € cuesta lo mismo que todo el consumo de utillaje de unos 142.000 agujeros. La vida de la herramienta importa sobre todo porque una vida corta produce agujeros malos, y los agujeros malos producen chatarra y retrabajo. No importa mucho porque los punzones sean caros.

Materiales de punzón

Cuatro familias cubren esencialmente todo el trabajo de barra colectora.

Acero de herramienta para trabajo en frío D2, normalmente 60-62 HRC. Barato, dimensionalmente estable, suficiente para material fino o blando y series cortas. En cobre grueso, la resistencia del filo queda justa y el desconchado bajo el choque de rotura brusca es el fallo habitual. Los proveedores que ofrecen D2 y M2 orientan el D2 hacia chapa fina, cantidades pequeñas y casos donde es probable un cambio de diseño.

Acero rápido convencional M2, 60-63 HRC. La opción por defecto. Mejor resistencia a la abrasión, al impacto y mayor tenacidad que el D2, y tolera el calor de fricción que se genera en el flanco del punzón. Las notas de materiales de punzón de Anchor Danly describen el M2 como adecuado para series largas donde la resistencia a la abrasión es el requisito principal. Para la mayoría de los talleres de barra esta es la base.

Acero rápido pulvimetalúrgico: ASP 2023, PM 23, calidades Vanadis y equivalentes, muchos de ellos con química M3

y número de material 1.3395. Química similar a la del M2, pero con carburos mucho más finos y repartidos de forma más uniforme, lo que sube la resistencia al desgaste sin la penalización de tenacidad que normalmente habría que pagar. PASS Stanztechnik publica un factor de vida de herramienta de 6.0-10.0 para su acero de punzón PM frente a su referencia. Es un multiplicador grande para un componente que cuesta quizá de 1.5 a 2.5 veces un punzón convencional.

Carburo de tungsteno. La mayor resistencia al desgaste por amplio margen, y la respuesta equivocada para la mayor parte del punzonado de barra. El carburo es frágil, y la rotura brusca en cobre de 10-20 mm entrega exactamente la carga de choque inversa que peor lleva. Necesita guiado rígido, holgura precisa y un control limpio del recorte antes de sobrevivir. Se gana el sitio en volúmenes muy altos con un único tamaño de agujero, o en material abrasivo, y ninguna de las dos cosas describe el trabajo típico de aparamenta.

Meta la elección dentro del modelo de coste en lugar de discutirla en abstracto. En el ejemplo de arriba, pasar de M2 a acero PM a 420 € el juego con un factor de vida de 6× da:

agujeros totales   = 9 × 180 000 = 1 620 000
coste de utillaje  = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = €0.00046 por agujero

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

Recubrimientos

Un recubrimiento PVD son unas pocas micras de cerámica sobre el flanco y la cara. Sube la dureza superficial 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 usted está comprando.

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

El TiN es la referencia de uso general. El TiCN es más duro y mejor en trabajo abrasivo, pero su límite 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 compra nada en barra de cobre, donde la herramienta nunca se acerca a esas temperaturas.

Para cobre y aluminio el modo de fallo es la adhesión y el agarrotamiento, no el ablandamiento térmico. Eso apunta a las opciones de baja fricción: un recubrimiento a base de cromo, o cualquiera que lleve una capa superior de película seca de disulfuro de molibdeno o de wolframio, que baja el coeficiente de fricción de en torno a 0.35 a en torno a 0.15. Menos fricción en el flanco significa menos fuerza de retirada, y la retirada es donde ocurre buena parte del desgaste. PASS da un factor de vida de herramienta de 2.0-4.0 para un recubrimiento adecuado, con la salvedad de que debe estar emparejado con el material de la pieza y no elegirse de forma genérica.

Dos restricciones prácticas. El PVD deposita a unos 375 °C, por debajo de la temperatura de revenido del M2 templado, así que no ablanda el sustrato; el CVD deposita cerca de 1050 °C y exige volver a templar la herramienta después, y por eso el CVD vive en las plaquitas y en el utillaje pesado de conformado y no en los punzones de precisión. Y el recubrimiento de la cara se pierde con el primer reafilado. El del flanco sobrevive, que es donde está la mayor parte del beneficio, así que un punzón recubierto y reafilado sigue superando a uno sin recubrir, pero contraste la economía de volver a recubrir con la vida de reafilado que le queda.

Material de reafilado y cuántos reafilados se obtienen

La vida de reafilado es la longitud total que se puede retirar de la punta del punzón afilando. La fija la geometría, no el desgaste:

vida de reafilado = SBR − (espesor de material + penetración en la matriz + espesor del extractor)

donde SBR es la longitud recta antes del radio, la distancia desde la punta hasta donde el punzón empieza a ensancharse hacia su cuerpo. Reafile más allá de eso y el punzón ya no pasará por el extractor o ya no producirá el agujero correcto. La penetración en la matriz es lo que el punzón debe entrar en la matriz en el punto muerto inferior para desprender el recorte, normalmente de unas décimas hasta unos 3 mm según el sistema de utillaje.

El número de reafilados es la vida de reafilado disponible dividida entre el material retirado por reafilado. La retirada suele ser de 0.1-0.3 mm, lo justo para quitar la banda de desgaste y un poco de metal limpio por debajo, así que un punzón con 3 mm de longitud útil de reafilado admite sobre el papel entre 10 y 30 reafilados. En la práctica salen menos, porque un punzón llevado demasiado más allá de su límite de desgaste necesita que se le quiten 0.5 mm o más, y porque cada reafilado exige restablecer la longitud del punzón con suplementos o con ajuste de cabeza hasta que se agota la cadena de tolerancias. Todas estas cifras dependen del sistema de utillaje y de la geometría del punzón, así que confírmelas con los datos de su proveedor en lugar de adoptar las de aquí.

Reafile siempre en húmedo. El afilado en seco o con refrigerante insuficiente puede agrietar o recocer el filo de corte y destruir el punzón que usted intentaba salvar. Quite la rebaba de afilado con una piedra fina, limpie el refrigerante, lubrique en el montaje y restablezca la longitud del punzón.

La banda de desgaste como disparador del reafilado

El filo de corte no se mantiene afilado y falla de golpe. Desarrolla un pequeño plano, la banda de desgaste, que crece de forma sostenida y cambia el corte mucho antes de que el punzón sea inservible. En cuanto existe una banda medible, una parte mayor del material se está deformando en lugar de cizallarse, así que la fuerza sube, el redondeo del borde de entrada crece, la rebaba crece y el agujero deriva.

Medir la banda directamente significa sacar el punzón y ponerlo bajo un microscopio o un proyector. Hágalo periódicamente para calibrar su criterio; no es un control de producción. Una banda en la región de 0.2-0.4 mm es un disparador de reafilado habitual, y conviene confirmar la cifra con su proveedor para la herramienta concreta. En producción, los disparadores prácticos son los síntomas: la altura de rebaba frente al límite del plano, que los proveedores señalan explícitamente como el determinante normal del momento de reafilar y es el indicador temprano más sensible; el crecimiento del redondeo medido contra una primera pieza conservada; la deriva de dimensión y de posición del agujero; el alabeo de la pieza; y la subida de la presión de prensa o de la corriente del motor en la carrera.

La disciplina que importa es afilar pronto. Un punzón detectado con 0.2 mm de banda de desgaste necesita que se le quiten 0.15 mm y vuelve al trabajo. Ese mismo punzón llevado hasta que el filo se hunde necesita 0.5 mm o es chatarra, y todo lo que hizo entre medias es sospechoso.

La palanca de la holgura

De todo lo que hay en este artículo, la holgura entre punzón y matriz mueve la vida de la herramienta más que ninguna otra variable, y no cuesta nada acertar con ella.

El mecanismo está en la retirada, no en el corte. Cuando la holgura es demasiado estrecha, el cobre recupera elásticamente sobre el flanco del punzón tras la rotura brusca y cada carrera termina en un ajuste con interferencia que hay que forzar. Los datos de campo de Dayton Lamina atribuyen hasta dos tercios del desgaste total del punzón a la retirada, y describen que la holgura estrecha produce un agujero más pequeño que la punta del punzón, con calor de fricción que decolora el metal detrás de la punta y daña el tratamiento térmico. La holgura correcta produce un agujero algo mayor que el punzón, convirtiendo un ajuste a presión en un ajuste deslizante. Su comparación publicada entre una holgura tradicional del 5 % por lado y su holgura calculada sobre el mismo material reporta 41 horas de mantenimiento por millón de piezas para el ajuste estrecho, con un caso de estudio en acero laminado en frío de 0.060 in que muestra una vida de punzón triplicada solo por la holgura.

Póngalo junto a los demás multiplicadores. La holgura correcta aporta aproximadamente 2-3×. El sustrato PM aporta 6-10×. Un recubrimiento adecuado aporta 2-4×. Trabajar con lubricante en lugar de en seco evita una penalización de 0.4-0.6. No se multiplican limpiamente, y nadie debería declarar una mejora de cien veces, pero la distancia entre una herramienta mal especificada en una matriz mal holgada trabajando en seco y otra bien especificada es cercana a un orden de magnitud. La mayor parte de esa distancia se cierra con decisiones que no cuestan nada en el momento del pedido.

Dos trampas específicas de la barra colectora. Los agujeros pequeños en barra gruesa llevan una penalización fuerte, y PASS publica factores de reducción de 0.6-0.8 para un elemento cortado menor que 1.5 veces el espesor del material y de 0.3-0.5 para uno menor que 1.0 veces el espesor; un agujero M12 en cobre de 12 mm cae de lleno en esa segunda banda. Y la barra de temple duro es más dura con la herramienta que la semidura, así que una sustitución de temple por parte de compras aflora como problema de vida de herramienta semanas después. Esa es una razón para exigir al proveedor un temple declarado bajo EN 13601. El lado de la holgura se trata por completo en la holgura entre punzón y matriz en barra de cobre y aluminio, y el lado de la fuerza en la calculadora de fuerza de punzonado de barras.

Lubricación

Trabajar en seco cuesta aproximadamente la mitad de su vida de herramienta. El factor publicado por PASS para la falta de lubricación de chapa es de 0.4-0.6, y el cobre se adhiere con facilidad al acero de herramienta.

Aquí hay un conflicto. La adhesión por película de aceite entre el recorte y la cara del punzón es uno de los mecanismos reconocidos de arrastre del recorte, y «no usar aceite de proceso» aparece en las propias listas de remedios contra el arrastre de los proveedores de utillaje. Retirar el lubricante para curar el arrastre del recorte funciona, y es el intercambio equivocado. Resuelva mecánicamente la retención del recorte, mantenga el lubricante y quédese con la vida de herramienta. Después contabilice la consecuencia aguas abajo: el residuo de lubricante en una cara de unión es un problema de contaminación antes de recubrir, estañar o montar, y el paso de limpieza corresponde al proceso en lugar de descubrirse en la inspección.

Arrastre del recorte

Un recorte arrastrado es el suceso rutinario más caro del punzonado. Sube con el punzón, aterriza sobre la barra y queda incrustado en la superficie en la carrera siguiente. En el mejor caso, una barra marcada y un retrabajo. En el peor, un punzón desconchado, una matriz dañada y un tramo desechado.

Los mecanismos en cobre son la adhesión por vacío entre el recorte abombado y la cara del punzón, la adhesión por película de aceite y la adhesión por presión en los cantos causada por rebabas. La adhesión magnética, la cuarta de la lista habitual, no se aplica. Las contramedidas, aproximadamente por orden de con qué frecuencia lo resuelven:

• Expulsor con muelle y orificio de venteo lateral en el punzón. El expulsor empuja el recorte hacia fuera; el venteo rompe el vacío. Es lo que hace utilizable una holgura generosa.
• Geometría de matriz con retención del recorte, una faja de corte corta seguida de un destalonado ligeramente más estrecho que agarra el recorte para que no pueda subir.
• Ángulo de cizalla en la cara del punzón, que abomba el recorte para que su propia recuperación elástica lo suelte.
• Limitar la entrada del punzón en la matriz en el punto muerto inferior, ya que una entrada profunda crea más vacío en la retirada.
• Aire comprimido por el centro de la herramienta.

Aumentar la holgura para ganar vida de herramienta aumenta la tendencia al arrastre del recorte. El expulsor es lo que se compra para asumir ese intercambio.

Qué hacer con el modelo

Rellene los cuatro términos con su propia tasa horaria de máquina, sus precios de utillaje y su cadencia de golpeo, y mire después dónde está el dinero. En la mayor parte del trabajo de barra colectora domina el tiempo de máquina, lo que significa que la cadencia y el tiempo de preparación importan más que el precio del punzón. Un centro de procesamiento de 24 estaciones a 200 golpes por minuto mueve el coste por agujero más que cualquier decisión de utillaje a su alcance, y una punzonadora y cizalla de 400 o 600 kN con cambio rápido de herramienta lo mueve más que un punzón más barato. La elección de utillaje importa entonces por la razón de segundo orden: mantiene los agujeros dentro de los límites de plano para los patrones de DIN 43673-1 sin parar la máquina, y mantiene las barras fuera del contenedor de chatarra.

Siga tres cifras por herramienta y el modelo se mantiene honesto: golpes desde el último reafilado, altura de rebaba en la primera pieza y en el punto de disparo, y longitud de reafilado restante. Para un taller que nunca ha medido ninguna de ellas, empiece por la altura de rebaba en la primera pieza. Es la medición más barata del edificio y arrastra a las demás.

Cuando el límite de rebaba es estrecho, quítela aguas abajo en lugar de perseguirla con utillaje. Una pasada de desbarbado en una máquina dedicada cuesta menos por metro que la vida de herramienta que usted sacrificaría intentando punzonar un agujero sin rebaba, y es repetible.