Durée de vie des outils et coût par trou en poinçonnage de jeux de barres

Demandez à un atelier de jeux de barres ce que coûte un trou poinçonné et vous obtiendrez généralement le prix du poinçon divisé par un nombre dont quelqu'un se souvient. Ce chiffre est presque toujours trop élevé en part du total, et il masque les deux termes qui dominent. Dérouler le modèle change ce que vous optimisez.

Le modèle

coût par trou = (coût de l'outil + n × coût de réaffûtage) / trous totaux sur la vie de l'outil
              + taux horaire machine × temps de cycle
              + arrêt pour changement d'outil réparti par trou
              + coût de rebut réparti par trou

Quatre termes. Le premier est ce que l'on appelle « coût d'outillage ». Le deuxième vaut généralement trois à cinq fois plus. Le troisième est faible mais réagit fortement au choix d'outil. Le quatrième est faible en moyenne et catastrophique dans la queue de distribution.

Un exemple chiffré

Prenons un jeu poinçon-matrice rond de 13 mm perçant des trous de passage M12 dans du cuivre demi-dur de 10 mm sur une machine tournant à 150 coups par minute. Tous les taux ci-dessous sont illustratifs et doivent être remplacés par les vôtres ; c'est la structure et les grandeurs relatives qui comptent, non les valeurs absolues.

Commençons par l'outillage. Un jeu poinçon-matrice en acier rapide M2 à 220 €. Réaffûtage à 30 €, manutention, contrôle et remise en cale comprises. Huit réaffûtages avant que le poinçon n'épuise sa longueur d'affûtage. Durée entre réaffûtages de 30 000 coups, valeur à faire confirmer par votre fournisseur d'outillage pour votre matière, votre machine et votre jeu.

trous totaux      = 9 intervalles × 30 000 = 270 000
coût d'outillage  = (220 + 8 × 30) / 270 000 = 0,0017 € par trou

Le temps machine ensuite. À 55 € de l'heure tout compris et 150 coups par minute, chaque trou occupe 0,4 seconde.

coût machine = 55 / 3600 × 0,4 = 0,0061 € par trou

Puis l'indisponibilité. Neuf changements d'outil de 12 minutes chacun font 1,8 heure de production perdue.

coût d'arrêt = 1,8 × 55 / 270 000 = 0,00037 € par trou

Enfin le rebut. Une longueur de 3 m en 100 × 10 mm de cuivre pèse 26,9 kg. À un prix du cuivre de 9 €/kg, cette barre vaut 242 € en matière première seule, avant toute transformation déjà engagée dessus. Supposons qu'une barre sur quatre durées de vie d'outil soit perdue par une remontée de pastille, un bord effondré ou une bavure hors limite de plan.

coût de rebut = 242 / 4 / 270 000 = 0,00022 € par trou

Le total fait environ 0,0084 €, soit 0,84 centime d'euro par trou. L'outillage en représente 20 %. Le temps machine, 73 %.

Ce n'est pas dans le poinçon que se trouve l'argent. Plus net encore : une seule barre au rebut à 242 € coûte autant que toute la consommation d'outillage d'environ 142 000 trous. La durée de vie de l'outil compte surtout parce qu'une vie courte produit de mauvais trous, et que de mauvais trous produisent du rebut et des reprises. Elle ne compte pas beaucoup parce que les poinçons seraient chers.

Matériaux de poinçons

Quatre familles couvrent l'essentiel du travail sur jeux de barres.

Acier à outils pour travail à froid D2, typiquement 60-62 HRC. Peu coûteux, stable dimensionnellement, suffisant pour de la matière fine ou tendre et de petites séries. Sur du cuivre épais, la tenue d'arête est limite et l'écaillage sous le choc de rupture est la défaillance habituelle. Les fournisseurs proposant à la fois D2 et M2 orientent le D2 vers la tôle fine, les petites quantités et les cas où une modification de conception est probable.

Acier rapide conventionnel M2, 60-63 HRC. Le choix par défaut. Meilleure résistance à l'abrasion, meilleure résistance aux chocs et meilleure ténacité que le D2, et il tolère la chaleur de frottement générée au flanc du poinçon. Les notes d'Anchor Danly sur les matériaux de poinçons décrivent le M2 comme adapté aux longues séries où la résistance à l'abrasion est l'exigence principale. Pour la plupart des ateliers de jeux de barres, c'est le socle.

Acier rapide issu de la métallurgie des poudres : ASP 2023, PM 23, nuances Vanadis et équivalents, beaucoup de chimie M3

correspondant au numéro de matériau 1.3395. Chimie proche du M2, mais les carbures sont bien plus fins et plus régulièrement répartis, ce qui augmente la résistance à l'usure sans la perte de ténacité que l'on paierait normalement. PASS Stanztechnik publie un facteur de durée de vie de 6,0-10,0 pour son acier à poinçons PM par rapport à sa référence. C'est un fort multiplicateur pour un composant coûtant peut-être 1,5 à 2,5 fois un poinçon conventionnel.

Carbure de tungstène. La plus forte résistance à l'usure, de très loin, et la mauvaise réponse pour la plupart du poinçonnage de jeux de barres. Le carbure est fragile, et la rupture brusque sur du cuivre de 10-20 mm délivre exactement le choc inverse qu'il n'aime pas. Il exige un guidage rigide, un jeu précis et une maîtrise propre de la pastille avant de survivre. Il gagne sa place sur de très gros volumes à un seul diamètre de trou, ou sur des matières abrasives, et aucun de ces cas ne décrit le travail d'appareillage courant.

Insérez ce choix dans le modèle de coût plutôt que d'en débattre dans l'abstrait. Dans l'exemple ci-dessus, passer du M2 à l'acier PM à 420 € le jeu avec un facteur de vie de 6× donne :

trous totaux      = 9 × 180 000 = 1 620 000
coût d'outillage  = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = 0,00046 € par trou

Le coût d'outillage par trou chute d'environ trois quarts, et le terme d'indisponibilité chute du même facteur, puisqu'il y a six fois moins de changements d'outil pour la même production. Que le poinçon coûte presque le double n'a aucune importance.

Les revêtements

Un revêtement PVD, ce sont quelques microns de céramique sur le flanc et la face. Il élève la dureté superficielle bien au-dessus du substrat, et il change le comportement en frottement et en adhérence à l'interface. Sur le cuivre, ce sont le frottement et l'adhérence que vous achetez.

Les données publiées par un applicateur commercial donnent ce qui suit, et ces valeurs sont représentatives plutôt qu'universelles :

Le TiN est la référence polyvalente. Le TiCN est plus dur et meilleur sur les travaux abrasifs, mais sa limite de service à 400 °C est la plus basse du tableau. La capacité à 900 °C de l'AlTiN fait sa valeur en usinage et n'apporte strictement rien sur des jeux de barres en cuivre, où l'outil n'approche jamais ces températures.

Pour le cuivre et l'aluminium, le mode de défaillance est l'adhérence et le grippage, non l'adoucissement thermique. Cela oriente vers les options à faible frottement : un revêtement à base de chrome, ou tout revêtement portant une couche supérieure de film sec au bisulfure de molybdène ou de tungstène, qui fait tomber le coefficient de frottement d'environ 0,35 à environ 0,15. Moins de frottement au flanc signifie moins d'effort de retrait, et c'est au retrait que se produit une grande part de l'usure. PASS annonce un facteur de durée de vie de 2,0-4,0 pour un revêtement approprié, avec la réserve qu'il doit être accordé au matériau de la pièce plutôt que choisi génériquement.

Deux contraintes pratiques. Le PVD se dépose autour de 375 °C, en dessous de la température de revenu d'un M2 trempé : il n'adoucit donc pas le substrat. Le CVD se dépose vers 1050 °C et exige un retraitement thermique de l'outil ensuite, ce qui explique que le CVD vive sur les plaquettes et les outils de formage lourds plutôt que sur les poinçons de précision. Et le revêtement de face est perdu au premier réaffûtage. Le revêtement de flanc survit, et c'est là que se trouve l'essentiel du bénéfice : un poinçon revêtu réaffûté reste donc meilleur qu'un poinçon nu, mais vérifiez l'intérêt économique d'un nouveau revêtement au regard de la longueur d'affûtage restante.

Réserve d'affûtage et nombre de réaffûtages

La longueur d'affûtage est la longueur totale que l'on peut retirer de la pointe du poinçon par affûtage. Elle est fixée par la géométrie, non par l'usure :

longueur d'affûtage = SBR − (épaisseur du matériau + pénétration dans la matrice + épaisseur du dévêtisseur)

où SBR est la longueur droite avant le raccordement, c'est-à-dire la distance entre la pointe et l'endroit où le poinçon commence à s'élargir vers son corps. Affûtez au-delà et le poinçon ne passera plus dans le dévêtisseur ou ne produira plus le bon trou. La pénétration dans la matrice est la course dont le poinçon doit entrer dans la matrice en fond de course pour détacher la pastille, généralement de quelques dixièmes à environ 3 mm selon le système d'outillage.

Le nombre de réaffûtages est la longueur d'affûtage disponible divisée par l'épaisseur retirée à chaque réaffûtage. On retire typiquement 0,1-0,3 mm, assez pour ôter l'usure en dépouille et un peu de métal sain en dessous : un poinçon disposant de 3 mm de longueur d'affûtage utile supporte donc, sur le papier, de l'ordre de 10 à 30 réaffûtages. En pratique vous en obtenez moins, car un poinçon poussé trop loin au-delà de sa limite d'usure exige d'en retirer 0,5 mm ou plus, et parce que chaque réaffûtage impose de rétablir la longueur du poinçon par cales ou réglage de tête jusqu'à épuisement de la chaîne de tolérances. Chacune de ces valeurs dépend du système d'outillage et de la géométrie du poinçon : confirmez-les auprès des données de votre fournisseur plutôt que d'adopter celles données ici.

Affûtez sous arrosage, toujours. Un affûtage à sec ou un arrosage insuffisant peut fissurer ou recuire l'arête tranchante et détruire le poinçon que vous cherchiez à sauver. Retirez la bavure d'affûtage à la pierre fine, nettoyez le lubrifiant de coupe, lubrifiez au montage et rétablissez la longueur du poinçon.

L'usure en dépouille comme déclencheur de réaffûtage

L'arête tranchante ne reste pas vive pour défaillir soudainement. Elle développe un petit méplat, l'usure en dépouille, qui croît régulièrement et modifie la coupe bien avant que le poinçon ne soit inutilisable. Dès qu'un méplat mesurable existe, une plus grande part de la matière est déformée plutôt que cisaillée : l'effort monte, l'affaissement de bord grandit, la bavure grandit et le trou dérive.

Mesurer le méplat directement suppose de sortir le poinçon et de le passer au microscope ou au projecteur de profil. Faites-le périodiquement pour calibrer votre jugement ; ce n'est pas un contrôle de production. Un méplat de l'ordre de 0,2-0,4 mm est un déclencheur de réaffûtage courant, et il faut confirmer la valeur auprès de votre fournisseur pour l'outil concerné. En production, les déclencheurs pratiques sont les symptômes : la hauteur de bavure face à la limite du plan, dont les fournisseurs disent explicitement qu'elle détermine normalement le moment du réaffûtage et qui est l'indicateur précoce le plus sensible ; la croissance de l'affaissement de bord mesurée contre un échantillon de première pièce conservé ; la dérive de cote et de position du trou ; le voilage de la pièce ; et la montée de la pression de presse ou du courant moteur pendant la course.

La discipline qui compte, c'est d'affûter tôt. Un poinçon repris à 0,2 mm d'usure demande d'en retirer 0,15 mm et repart au travail. Le même poinçon poussé jusqu'à l'effondrement de l'arête en demande 0,5 mm, ou part au rebut, et tout ce qu'il a produit entre-temps est suspect.

Le levier du jeu

De tout ce que contient cet article, le jeu poinçon-matrice est ce qui déplace le plus la durée de vie des outils, et il ne coûte rien à bien régler.

Le mécanisme se joue au retrait, non à la coupe. Quand le jeu est trop serré, le cuivre revient élastiquement sur le flanc du poinçon après la rupture et chaque course se termine par un ajustement serré qu'il faut forcer. Les données de terrain de Dayton Lamina attribuent jusqu'à deux tiers de l'usure totale du poinçon au retrait, et décrivent un jeu serré produisant un trou plus petit que la pointe du poinçon, la chaleur de frottement décolorant le métal derrière la pointe et endommageant le traitement thermique. Un jeu correct produit un trou légèrement plus grand que le poinçon, convertissant un ajustement serré en ajustement glissant. Leur comparaison publiée entre un jeu traditionnel de 5 % par côté et leur jeu optimisé sur la même matière rapporte 41 heures de maintenance par million de pièces pour le réglage serré, avec une étude de cas sur de l'acier laminé à froid de 0,060 in montrant un triplement de la durée de vie du poinçon par le seul jeu.

Comparez cela aux autres multiplicateurs. Un jeu correct apporte environ 2-3×. Un substrat PM apporte 6-10×. Un revêtement approprié apporte 2-4×. Travailler avec lubrifiant plutôt qu'à sec évite une pénalité de 0,4-0,6. Ces facteurs ne se multiplient pas proprement, et personne ne devrait annoncer une amélioration d'un facteur cent, mais l'écart entre un outil mal spécifié dans une matrice mal ajustée travaillant à sec et un outil correctement spécifié approche l'ordre de grandeur. L'essentiel de cet écart se comble par des décisions qui ne coûtent rien au moment de la commande.

Deux pièges propres aux jeux de barres. Les petits trous dans de la barre épaisse portent une lourde pénalité, PASS publiant des facteurs de déclassement de 0,6-0,8 pour une entité découpée plus petite que 1,5 fois l'épaisseur du matériau et de 0,3-0,5 pour une entité plus petite que 1,0 fois l'épaisseur ; un trou M12 dans du cuivre de 12 mm se situe en plein dans cette seconde bande. Et la barre à l'état dur est plus dure pour l'outillage que la demi-dure : une substitution d'état par les achats ressort donc en problème de durée de vie d'outil quelques semaines plus tard. C'est une raison de tenir le fournisseur à un état déclaré selon EN 13601. Le volet jeu est traité en entier dans le jeu poinçon-matrice pour les barres en cuivre et en aluminium, et le volet effort dans le calculateur d'effort de poinçonnage.

La lubrification

Travailler à sec coûte environ la moitié de votre durée de vie d'outil. Le facteur publié par PASS pour l'absence de lubrification de tôle est de 0,4-0,6, et le cuivre adhère volontiers à l'acier à outils.

Il y a ici un conflit. L'adhérence par film d'huile entre la pastille et la face du poinçon est l'un des mécanismes reconnus de remontée de pastille, et « ne pas utiliser d'huile d'usinage » figure sur les listes de remèdes des fournisseurs d'outillage eux-mêmes. Retirer le lubrifiant pour guérir la remontée de pastille fonctionne, et c'est le mauvais arbitrage. Réglez la rétention de pastille mécaniquement, gardez le lubrifiant, prenez la durée de vie. Prenez ensuite en compte la conséquence en aval : un résidu de lubrifiant sur une face de raccordement est un problème de contamination avant revêtement, étamage ou assemblage, et l'étape de nettoyage appartient à la gamme plutôt qu'à une découverte au contrôle.

La remontée de pastille

Une pastille remontée est l'événement de routine le plus coûteux en poinçonnage. Elle monte avec le poinçon, atterrit sur la barre et se fait enfoncer dans la surface à la course suivante. Au mieux, une barre marquée et une reprise. Au pire, un poinçon écaillé, une matrice endommagée et une longueur au rebut.

Les mécanismes sur le cuivre sont l'adhérence par le vide entre la pastille bombée et la face du poinçon, l'adhérence par film d'huile, et le collage par pression d'arête dû aux bavures. L'adhérence magnétique, quatrième de la liste habituelle, ne s'applique pas. Les parades, approximativement dans l'ordre de leur efficacité :

• Éjecteur à ressort avec évent latéral dans le poinçon. Le poussoir chasse la pastille ; l'évent casse le vide. C'est ce qui rend un jeu généreux exploitable.
• Géométrie de matrice à rétention de pastille, portée de coupe courte suivie d'un dégagement légèrement plus étroit qui retient la pastille pour l'empêcher de remonter.
• Angle de dépouille sur la face du poinçon, qui bombe la pastille de sorte que son propre retour élastique la libère.
• Limitation de l'entrée du poinçon dans la matrice en fond de course, une entrée profonde créant davantage de vide au retrait.
• Air comprimé par le centre de l'outil.

Augmenter le jeu pour gagner de la durée de vie augmente la tendance à la remontée de pastille. L'éjecteur à ressort est ce que vous achetez pour rendre cet arbitrage acceptable.

Que faire du modèle

Renseignez les quatre termes avec votre propre taux horaire machine, vos prix d'outillage et votre cadence, puis regardez où se trouve l'argent. Sur la plupart des travaux de jeux de barres, le temps machine domine, ce qui signifie que la cadence et le temps de réglage comptent plus que le prix du poinçon. Un centre d'usinage à 24 postes tournant à 200 coups par minute déplace le coût par trou davantage que n'importe quelle décision d'outillage à votre portée, et une machine de poinçonnage et de cisaillage de 400 ou 600 kN à changement d'outil rapide le déplace davantage qu'un poinçon moins cher. Le choix d'outillage compte alors pour une raison de second ordre : il maintient les trous dans les limites de plan pour les motifs selon DIN 43673-1 sans arrêter la machine, et il garde les barres hors de la benne.

Suivez trois valeurs par outil et le modèle reste honnête : coups depuis le dernier réaffûtage, hauteur de bavure sur la première pièce et au point de déclenchement, et longueur d'affûtage restante. Pour un atelier qui n'en a jamais mesuré aucune, commencez par la hauteur de bavure sur la première pièce. C'est la mesure la moins coûteuse du bâtiment et elle entraîne le reste.

Là où la limite de bavure est serrée, traitez-la en aval plutôt que de la poursuivre par l'outillage. Une passe d'ébavurage sur une machine dédiée coûte moins par mètre que la durée de vie d'outil que vous sacrifieriez à vouloir poinçonner un trou sans bavure, et elle est reproductible.