Durata degli utensili e costo per foro nella punzonatura delle sbarre

Chieda a un'officina di sbarre quanto costa un foro punzonato e di solito le daranno il prezzo del punzone diviso per un numero che qualcuno ricorda. Quel valore è quasi sempre troppo alto come quota del totale, e nasconde i due termini che dominano. Svolgere il modello cambia che cosa si ottimizza.

Il modello

costo per foro = (costo utensile + n × costo riaffilatura) / fori totali nella vita utensile
               + tariffa macchina × tempo ciclo
               + fermo per cambio utensile allocato per foro
               + costo dello sfrido allocato per foro

Quattro termini. Il primo è quello che si chiama «costo utensili». Il secondo è di solito da tre a cinque volte più grande. Il terzo è piccolo ma risponde fortemente alla scelta dell'utensile. Il quarto è piccolo in media e catastrofico nella coda.

Un esempio svolto

Prenda un set punzone e matrice tondo da 13 mm che esegue fori di passaggio M12 in rame semicrudo da 10 mm su una macchina a 150 colpi al minuto. Ogni tariffa qui sotto è illustrativa e va sostituita con la sua; il punto è la struttura e le dimensioni relative, non i valori assoluti.

Si parte dagli utensili. Un set punzone e matrice in acciaio rapido M2 a €220. Riaffilatura a €30 comprese movimentazione, controllo e ripristino degli spessori. Otto riaffilature prima che al punzone finisca la riserva di riaffilatura. Vita fra una riaffilatura e l'altra di 30.000 colpi, che è il valore da verificare con il suo fornitore di utensili per il suo materiale, la sua macchina e il suo gioco.

fori totali    = 9 intervalli × 30 000 = 270 000
costo utensili = (220 + 8 × 30) / 270 000 = €0,0017 per foro

Poi il tempo macchina. A €55 all'ora tutto compreso e 150 colpi al minuto, ogni foro occupa 0,4 secondi.

costo macchina = 55 / 3600 × 0,4 = €0,0061 per foro

Poi il fermo macchina. Nove cambi utensile da 12 minuti ciascuno fanno 1,8 ore di produzione persa.

costo del fermo = 1,8 × 55 / 270 000 = €0,00037 per foro

Infine lo sfrido. Uno spezzone da 3 m di rame 100 × 10 mm pesa 26,9 kg. A un prezzo del rame di €9/kg quella barra vale €242 come sola materia prima, prima di qualunque lavorazione già investita. Supponga che una barra ogni quattro vite utensile vada persa per una risalita del ritaglio, un bordo collassato o una bava fuori dal limite di disegno.

costo dello sfrido = 242 / 4 / 270 000 = €0,00022 per foro

Il totale è circa €0,0084, cioè 0,84 centesimi di euro per foro. Gli utensili ne sono il 20%. Il tempo macchina il 73%.

Non è il punzone il posto dove stanno i soldi. Più netto ancora: una singola barra a rottame da €242 costa quanto l'intero consumo di utensili di circa 142.000 fori. La durata dell'utensile conta soprattutto perché una vita breve produce fori cattivi, e i fori cattivi producono sfrido e rilavorazioni. Non conta molto perché i punzoni siano cari.

Materiali dei punzoni

Quattro famiglie coprono sostanzialmente tutto il lavoro sulle sbarre.

Acciaio da utensili per lavorazioni a freddo D2, tipicamente 60-62 HRC. Economico, dimensionalmente stabile, adeguato per materiale sottile o tenero e produzioni brevi. Su rame spesso la resistenza del tagliente è al limite e la scheggiatura sotto l'urto da distacco è il guasto abituale. I fornitori che offrono sia D2 sia M2 indirizzano il D2 verso lamiera sottile, piccole quantità e casi in cui è probabile una modifica di progetto.

Acciaio rapido convenzionale M2, 60-63 HRC. Il default. Resistenza all'abrasione, resistenza all'urto e tenacità migliori del D2, e tollera il calore d'attrito generato sul fianco del punzone. Le note sui materiali dei punzoni di Anchor Danly descrivono l'M2 come adatto a produzioni lunghe dove la resistenza all'abrasione è il requisito principale. Per la maggior parte delle officine di sbarre è questa la base.

Acciaio rapido da metallurgia delle polveri: ASP 2023, PM 23, gradi Vanadis ed equivalenti, molti dei quali di chimica M3

corrispondente al numero materiale 1.3395. Chimica simile all'M2, ma i carburi sono molto più fini e distribuiti in modo più uniforme, il che alza la resistenza all'usura senza la penalità di tenacità che normalmente si pagherebbe. PASS Stanztechnik pubblica un fattore di durata utensile di 6,0-10,0 per il proprio acciaio da punzoni PM rispetto al proprio riferimento. È un moltiplicatore grande per un componente che costa forse da 1,5 a 2,5 volte un punzone convenzionale.

Metallo duro. Resistenza all'usura più alta con ampio margine, e risposta sbagliata per la maggior parte della punzonatura di sbarre. Il metallo duro è fragile, e il distacco su rame da 10-20 mm produce esattamente il carico d'urto inverso che non gli piace. Richiede guide rigide, gioco accurato e controllo pulito del ritaglio prima di sopravvivere. Si guadagna il posto su volumi molto alti a una sola misura di foro, oppure su materiale abrasivo, e nessuna delle due cose descrive il tipico lavoro di quadristica.

Inserisca la scelta nel modello di costo invece di discuterne in astratto. Nell'esempio sopra, passare dall'M2 all'acciaio PM a €420 per il set con un fattore di vita 6× dà:

fori totali    = 9 × 180 000 = 1 620 000
costo utensili = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = €0,00046 per foro

Il costo utensili per foro cala all'incirca di tre quarti, e il termine del fermo macchina cala dello stesso fattore perché a parità di produzione i cambi utensile sono un sesto. Che il punzone costi quasi il doppio è irrilevante.

Rivestimenti

Un rivestimento PVD è qualche micron di ceramico su fianco e faccia. Alza la durezza superficiale molto sopra il substrato e cambia il comportamento di attrito e adesione all'interfaccia. Sul rame è proprio attrito e adesione quello che sta comprando.

I dati pubblicati da un centro di rivestimento commerciale danno quanto segue, e i numeri sono rappresentativi e non universali:

Il TiN è il riferimento generico. Il TiCN è più duro e migliore sul lavoro abrasivo, ma il suo limite di esercizio di 400 °C è il più basso della tabella. La capacità di 900 °C dell'AlTiN è ciò che lo rende prezioso nell'asportazione di truciolo e non compra assolutamente nulla sulle sbarre in rame, dove l'utensile non si avvicina mai a quelle temperature.

Per rame e alluminio il modo di guasto è adesione e incollaggio, non rammollimento termico. Questo indirizza verso le opzioni a basso attrito: un rivestimento a base di cromo, oppure qualunque rivestimento che porti uno strato superficiale a film secco di bisolfuro di molibdeno o tungsteno, che fa scendere il coefficiente di attrito da circa 0,35 a circa 0,15. Meno attrito sul fianco significa meno forza di sfilamento, ed è allo sfilamento che avviene gran parte dell'usura. PASS cita un fattore di durata utensile di 2,0-4,0 per un rivestimento appropriato, con la precisazione che vada abbinato al materiale del pezzo anziché scelto genericamente.

Due vincoli pratici. Il PVD deposita attorno a 375 °C, sotto la temperatura di rinvenimento dell'M2 temprato, quindi non rammollisce il substrato; il CVD deposita vicino a 1050 °C e richiede che l'utensile venga poi ritemprato, ed è per questo che il CVD vive su inserti e utensili pesanti di formatura anziché su punzoni di precisione. E il rivestimento sulla faccia si perde alla prima riaffilatura. Il rivestimento sul fianco sopravvive, ed è lì che sta gran parte del beneficio, quindi un punzone rivestito riaffilato batte comunque uno non rivestito, ma valuti l'economia del riporto del rivestimento rispetto alla riserva di riaffilatura residua.

Riserva di riaffilatura e quante riaffilature si ottengono

La riserva di riaffilatura è la lunghezza totale che si può asportare dalla punta del punzone affilandolo. È fissata dalla geometria, non dall'usura:

riserva di riaffilatura = SBR − (spessore materiale + penetrazione nella matrice + spessore estrattore)

dove SBR è il tratto cilindrico prima del raccordo, cioè la distanza dalla punta fino al punto in cui il punzone comincia ad allargarsi nel corpo. Se riaffila oltre, il punzone non passerà più attraverso l'estrattore o non produrrà più il foro corretto. La penetrazione nella matrice è la quantità di cui il punzone deve entrare nella matrice a fine corsa per staccare il ritaglio, di solito da qualche decimo a circa 3 mm secondo il sistema di attrezzaggio.

Il numero di riaffilature è la riserva disponibile divisa per il materiale asportato a ogni riaffilatura. L'asportazione è tipicamente 0,1-0,3 mm, quanto basta a togliere la fascia di usura e un po' di metallo sano sotto, quindi un punzone con 3 mm di lunghezza riaffilabile utile supporta sulla carta all'incirca da 10 a 30 riaffilature. In pratica se ne ottengono meno, perché un punzone portato troppo oltre il proprio limite di usura richiede un'asportazione di 0,5 mm o più, e perché ogni riaffilatura richiede che la lunghezza del punzone venga ripristinata con spessori o con la regolazione della testa, finché l'accumulo di tolleranze non si esaurisce. Ognuno di questi valori dipende dal sistema di attrezzaggio e dalla geometria del punzone, quindi li confermi sui dati del suo fornitore anziché adottare i numeri riportati qui.

Affili sempre a umido. Un'affilatura a secco o con refrigerante insufficiente può criccare o ricuocere il tagliente e distruggere il punzone che stava cercando di salvare. Tolga la bava di affilatura con una pietra fine, pulisca il refrigerante, lubrifichi al montaggio e ripristini la lunghezza del punzone.

La fascia di usura come innesco della riaffilatura

Il tagliente non resta affilato per poi cedere di colpo. Sviluppa un piccolo pianetto, la fascia di usura, che cresce in modo costante e cambia il taglio molto prima che il punzone sia inutilizzabile. Una volta che esiste una fascia misurabile, una parte maggiore del materiale viene deformata anziché tranciata, quindi la forza sale, l'arrotondamento cresce, la bava cresce e il foro va alla deriva.

Misurare direttamente la fascia significa smontare il punzone e metterlo sotto un microscopio o un proiettore di profili. Lo faccia periodicamente per tarare il proprio giudizio; non è un controllo di produzione. Una fascia nell'ordine di 0,2-0,4 mm è un innesco comune di riaffilatura, e confermi il valore con il suo fornitore per quello specifico utensile. In produzione gli inneschi pratici sono i sintomi: l'altezza della bava rispetto al limite di disegno, che i fornitori indicano esplicitamente come il normale criterio per decidere quando riaffilare ed è l'indicatore precoce più sensibile; la crescita dell'arrotondamento misurata contro un campione di primo pezzo conservato; la deriva di dimensione e posizione del foro; la deformazione del pezzo; e l'aumento della pressione di pressa o della corrente del motore durante la corsa.

La disciplina che conta è riaffilare presto. Un punzone colto a 0,2 mm di fascia di usura richiede un'asportazione di 0,15 mm e torna al lavoro. Lo stesso punzone portato avanti finché il tagliente collassa richiede 0,5 mm oppure è da buttare, e tutto ciò che ha prodotto nel frattempo è sospetto.

La leva del gioco

Di tutto quello che c'è in questo articolo, il gioco fra punzone e matrice sposta la durata dell'utensile più di qualunque altra singola variabile, e non costa nulla azzeccarlo.

Il meccanismo sta allo sfilamento, non al taglio. Quando il gioco è troppo stretto, il rame ritorna elasticamente sul fianco del punzone dopo il distacco e ogni corsa finisce in un accoppiamento con interferenza che va forzato. I dati di campo di Dayton Lamina attribuiscono allo sfilamento fino a due terzi dell'usura totale del punzone, e descrivono il gioco stretto come produttore di un foro più piccolo della punta del punzone, con il calore d'attrito che decolora il metallo dietro la punta e ne danneggia il trattamento termico. Il gioco corretto produce un foro leggermente più grande del punzone, convertendo un accoppiamento forzato in uno scorrevole. Il loro confronto pubblicato fra un gioco tradizionale del 5% per lato e il proprio gioco ingegnerizzato sullo stesso materiale riporta 41 ore di manutenzione per milione di pezzi con l'impostazione stretta, con un caso di studio su acciaio laminato a freddo da 0,060 in che mostra una durata del punzone triplicata per effetto del solo gioco.

Metta quel dato accanto agli altri moltiplicatori. Il gioco corretto contribuisce all'incirca 2-3×. Il substrato PM contribuisce 6-10×. Un rivestimento appropriato contribuisce 2-4×. Lavorare con lubrificante anziché a secco evita una penalità di 0,4-0,6. Questi non si moltiplicano in modo pulito, e nessuno dovrebbe dichiarare un miglioramento di cento volte, ma la distanza fra un utensile mal specificato in una matrice con gioco sbagliato che gira a secco e uno specificato come si deve è vicina a un ordine di grandezza. Gran parte di quel divario si chiude con decisioni che non costano nulla al momento dell'ordine.

Due trappole specifiche delle sbarre. I fori piccoli in barra spessa portano una penalità pesante, con PASS che pubblica fattori di declassamento di 0,6-0,8 per una lavorazione di taglio più piccola di 1,5 volte lo spessore del materiale e 0,3-0,5 per una più piccola di 1,0 volte lo spessore; un foro M12 in rame da 12 mm cade in pieno in quella seconda fascia. E la barra allo stato crudo è più dura sugli utensili della semicruda, quindi una sostituzione di stato del materiale da parte dell'ufficio acquisti emerge come problema di durata utensile settimane dopo. È una ragione per vincolare il fornitore a uno stato dichiarato secondo la EN 13601. Il lato del gioco è trattato per esteso in gioco fra punzone e matrice per sbarre in rame e alluminio, e il lato della forza nel calcolatore della forza di punzonatura delle sbarre.

Lubrificazione

Lavorare a secco costa all'incirca metà della durata dell'utensile. Il fattore pubblicato da PASS per l'assenza di lubrificazione della lamiera è 0,4-0,6, e il rame aderisce con facilità all'acciaio da utensili.

C'è un conflitto. L'adesione del film d'olio fra ritaglio e faccia del punzone è uno dei meccanismi riconosciuti di risalita del ritaglio, e «non usare olio da processo» compare negli elenchi di rimedi contro la risalita pubblicati dagli stessi fornitori di utensili. Togliere il lubrificante per curare la risalita funziona, ed è lo scambio sbagliato. Risolva la ritenzione del ritaglio per via meccanica, tenga il lubrificante, si prenda la durata dell'utensile. Poi metta in conto la conseguenza a valle: il residuo di lubrificante su una faccia di giunzione è un problema di contaminazione prima del trattamento galvanico, della stagnatura o del montaggio, e la fase di lavaggio appartiene al processo invece di essere scoperta al collaudo.

Risalita del ritaglio

Un ritaglio che risale è l'evento di routine più costoso della punzonatura. Sale insieme al punzone, atterra sulla barra e viene spinto dentro la superficie alla corsa successiva. Nel caso migliore, una barra segnata e una rilavorazione. Nel caso peggiore, un punzone scheggiato, una matrice danneggiata e uno spezzone a rottame.

I meccanismi sul rame sono l'adesione per vuoto fra ritaglio inflesso e faccia del punzone, l'adesione del film d'olio e l'adesione per pressione sui bordi dovuta alle bave. L'adesione magnetica, la quarta dell'elenco standard, non si applica. Le contromisure, all'incirca in ordine di quanto spesso risolvono:

• Spina di espulsione a molla con foro di sfiato laterale nel punzone. La spina spinge via il ritaglio; lo sfiato rompe il vuoto. È questo a rendere utilizzabile un gioco generoso.
• Geometria di matrice a ritenzione del ritaglio, cioè una fascia di taglio corta seguita da uno scarico leggermente più stretto che trattiene il ritaglio impedendogli di risalire.
• Angolo di spoglia sulla faccia del punzone, che inflette il ritaglio in modo che sia il suo stesso ritorno elastico a liberarlo.
• Limitare l'ingresso del punzone nella matrice a fine corsa, perché un ingresso profondo crea più vuoto allo sfilamento.
• Aria compressa attraverso il centro dell'utensile.

Aumentare il gioco per comprare durata utensile aumenta la tendenza alla risalita del ritaglio. La spina di espulsione è ciò che compra per potersi permettere quello scambio.

Che cosa farsene del modello

Riempia i quattro termini con la sua tariffa macchina, i suoi prezzi degli utensili e la sua cadenza di colpi, poi guardi dove stanno i soldi. Sulla maggior parte del lavoro con le sbarre domina il tempo macchina, il che significa che cadenza e tempo di attrezzaggio contano più del prezzo del punzone. Un centro di lavoro a 24 stazioni a 200 colpi al minuto sposta il costo per foro più di qualunque decisione sugli utensili le sia disponibile, e una punzonatrice e cesoia da 400 o 600 kN con cambio utensile rapido lo sposta più di un punzone più economico. La scelta dell'utensile conta poi per la ragione di secondo ordine: tiene i fori dentro i limiti di disegno per gli schemi secondo la DIN 43673-1 senza fermare la macchina, e tiene le barre fuori dal cassone degli scarti.

Tenga traccia di tre numeri per utensile e il modello resta onesto: colpi dall'ultima riaffilatura, altezza della bava sul primo pezzo e al punto di innesco, e lunghezza riaffilabile residua. Per un'officina che non ne ha mai misurato nessuno, cominci dall'altezza della bava sul primo pezzo. È la misura più economica dell'azienda ed è quella che guida tutte le altre.

Dove il limite di bava è stretto, lo tolga a valle invece di inseguirlo con gli utensili. Un passaggio di sbavatura su una macchina dedicata costa meno al metro della durata utensile che sacrificherebbe cercando di punzonare un foro senza bava, ed è ripetibile.