Durata degli utensili e costo per foro nella punzonatura delle sbarre

I laboratori di lavorazione delle sbarre calcolano spesso il costo del foro calcolato dividendo il prezzo dell'utensile per una quantità ricordata – una cifra che tipicamente sovrastima la quota dell'utente nel costo totale e oscura i due termini dominanti. Analizzando il modello cambia ciò che viene ottimizzato.

Il modello

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

Quattro termini. Il primo è ciò che le persone chiamano "costo utensile". Il secondo è solitamente 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 pratico

Considerare un punzone e matrice tondi da 13 mm che forano fori di adattamento M12 in rame semiduro da 10 mm su una macchina che opera a 150 colpi al minuto. Tutte le velocità riportate di seguito sono illustrative e devono essere sostituite con le effettive cifre del laboratorio; il punto è la struttura e le dimensioni relative, non le cifre assolute.

Iniziare con l'utensile. Un punzone e matrice in acciaio ad alta velocità M2 a €220. Riconfigurazione a €30 comprensiva di movimentazione, ispezione e riposizionamento. Otto riconfigurazioni prima che il punzone esaurisca la lunghezza di riaffilatura. Durata tra le riconfigurazioni di 30.000 colpi, che è la cifra che deve essere verificata con il fornitore dell'utensile per il materiale specifico, la macchina e l'adattamento.

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

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

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

Poi i fermi macchina. Nove cambi utensile da 12 minuti ciascuno equivalgono a 1,8 ore di produzione persa.

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

Infine gli scarti. Una lunghezza 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 materia prima da sola, prima di qualsiasi lavorazione già investita. Supporre che una barra su quattro di vita utensile venga persa a causa di un corpo estratto, un bordo collassato o una sbavatura che supera il limite di disegno.

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

Il totale è circa €0,0084, o 0,84 centesimi di euro per foro. L'utensile è il 20% del totale. Il tempo macchina è il 73%.

Il punzone non è dove si trova il denaro. Una singola barra scartata a €242 costa quanto l'intero consumo di utensili per circa 142.000 fori. La vita utensile è importante soprattutto perché una vita utensile breve produce fori difettosi, e fori difettosi producono scarti e ritrattazione. Non è importante perché i punzoni siano costosi.

Materiali per punzoni

Quattro famiglie coprono essenzialmente tutta la lavorazione delle sbarre in rame.

Acciaio per utensili D2 lavorato a freddo, tipicamente 60-62 HRC. Economico, dimensionalmente stabile, adeguato per materiali sottili o morbidi e piccoli lotti. Sul rame spesso la resistenza del filo di taglio è marginale e l'esfoliazione sotto shock di rottura è il guasto più comunes. I fornitori che offrono sia D2 che M2 indirizzano il D2 verso lamiere sottili, piccole quantità e casi in cui un cambio di progetto è probabile.

Acciaio ad alta velocità convenzionale M2, 60-63 HRC. La scelta di default. Migliore resistenza all'usura, all'impatto e tenacità rispetto al D2, e tollera il calore generato per attrito sul fianco del punzone. Le note sui materiali per punzoni di Anchor Danly descrivono l'M2 come adatto a lunghi lotti dove la resistenza all'usura è il requisito principale. Per la maggior parte delle officine per sbarre in rame, questo è il punto di partenza.

Acciaio ad alta velocità prodotto per metallurgia delle polveri: ASP 2023, PM 23, gradi Vanadis ed equivalenti, molti con composizione M3

e numero materiale 1.3395. Composizione simile all'M2, ma i carburi sono molto più fini e uniformemente distribuiti, il che aumenta la resistenza all'usura senza la penalizzazione di tenacità normalmente associata. La PASS Stanztechnik pubblica un fattore di vita utensile di 6,0-10,0 per il loro acciaio per punzoni PM rispetto alla loro linea di base. Questo è un grande moltiplicatore per un componente che costa forse 1,5-2,5 volte un punzone convenzionale.

Carburo di tungsteno. La più alta resistenza all'usura di gran lunga, ma la risposta sbagliata per la maggior parte della punzonatura di sbarre in rame. Il carburo è fragile, e la rottura su rame da 10-20 mm fornisce esattamente lo shock di carico inverso che non gradisce. Necessita di guida rigida, gioco preciso e controllo della cava di scarto pulito prima di poter sopravvivere. Trova il suo posto su volumi molto elevati con una singola dimensione foro, o su materiali abrasivi, nessuno dei quali descrive il tipico lavoro per quadri elettrici.

Inserire la scelta nel modello di costo anziché discuterne in astratto. Nell'esempio precedente, passando da M2 all'acciaio PM a €420 per il set con un fattore di vita 6× si ha:

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

Il costo utensile per foro si riduce di circa tre quarti, e il termine di fermo macchina si riduce dello stesso fattore perché ci sono un sesto dei cambi utensile per la stessa produzione. Il fatto che il punzone costi quasi il doppio è irrilevante.

Rivestimenti

Un rivestimento PVD è qualche micron di ceramica sul fianco e sulla faccia. Aumenta la durezza superficiale molto sopra il substrato e cambia il comportamento di attrito e adesione all'interfaccia. Sul rame, attrito e adesione sono ciò che conta.

I dati pubblicati da una ditta specializzata in rivestimenti forniscono quanto segue, e i numeri sono rappresentativi e non universali:

Il TiN è il riferimento per uso generale. Il TiCN è più duro e migliore su lavori abrasivi, ma il suo limite di lavoro a 400 °C è il più basso della tabella. La capacità a 900 °C dell'AlTiN è ciò che lo rende prezioso nella meccanica generale, ma non porta alcun vantaggio sulle sbarre in rame, dove l'utensile non si avvicina mai a queste temperature.

Per rame e alluminio, la modalità di guasto è l'adesione e l'arrappatura, non l'ammorbidimento termico. Questo indirizza verso le opzioni a basso attrito: un rivestimento a base di cromo, o qualsiasi rivestimento con uno strato superiore a secco a base di molibdeno/disolfuro di tungsteno, che riduce il coefficiente di attrito da circa 0.35 a circa 0.15. Meno attrito sul fianco significa minore forza di estrazione, e l'estrazione è dove si concentra gran parte dell'usura. PASS indica un fattore di vita utensile di 2.0-4.0 per un rivestimento appropriato, con la precisazione che questo deve essere abbinato al materiale della lamiera e non scelto genericamente.

Due vincoli pratici. La deposizione PVD avviene a circa 375 °C, sotto la temperatura di tempera dell'M2 indurito, quindi non ammorbidisce il substrato; la deposizione CVD avviene vicino ai 1050 °C e richiede che l'utensile venga ri-indurito successivamente, motivo per cui la CVD sopravvive sugli inserti e sugli utensili pesanti di conformazione piuttosto che sui punzoni di precisione. E lo strato sul piano viene perso alla prima correctly. Lo strato sul fianco sopravvive, che è dove si trova la maggior parte del beneficio, quindi un punzoncino rivestito e ri-affilato è ancora superiore a uno non rivestito, ma le economie della ri-registrazione rispetto alla vita utile residua dell'affilatura vanno verificate.

Materiale di ri-affilatura e numero di ri-affilature

La vita utile dell'affilatura è la lunghezza totale che può essere rimossa dalla punta del punzone tramite affilatura. È determinata dalla geometria, non dall'usura:

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

dove SBR è la lunghezza dritta prima del raggio, la distanza dalla punta fino al punto in cui il punzone inizia ad allargarsi verso il suo corpo. Un'affilatura oltre quel punto farà sì che il punzone non passi più attraverso lo staccabarre o non produca più il foro corretto. La penetrale nella matrice è la quantità che il punzone deve entrare nella matrice nella parte inferiore della corsa per staccare il goccio, di solito qualche decina di millesimo fino a circa 3 mm a seconda del sistema utensile.

Il numero di ri-affilature è la vita utile disponibile dell'affilatura divisa per il materiale rimosso per ogni ri-affilatura. La rimozione è tipicamente 0,1-0,3 mm, sufficiente per eliminare la fascia di usura e un po' di metallo pulito sotto di essa, quindi un punzone con 3 mm di lunghezza utilizzabile per l'affilatura supporta circa 10-30 ri-affilature sulla carta. In pratica se ne ottengono meno, perché un punzone utilizzato troppo oltre il suo limite di usura necessita di 0,5 mm o più di rimozione, e perché ogni ri-affilatura richiede che la lunghezza del punzone venga ripristinata con shim o regolazione della testa fino a quando lo stack di tolleranze non esaurisce. Tutte queste cifre dipendono dal sistema utensile e dalla geometria del punzone, quindi verificare i dati rispetto a quelli del fornitore piuttosto che adottare le cifre riportate qui.

Affilare sempre a umido. L'affilatura a secco o un raffreddamento inadeguato può creare crepe o procedere a ri-cottura del tagliente e distruggere il punzone. Rimuovere il bavaglio da affilatura con una pietra fine, pulire il liquido di raffreddamento, lubrificare al montaggio e ripristinare la lunghezza del punzone.

Fascia di usura come trigger per la ri-affilatura

Il tagliente non resta affilato e poi crolla improvvisamente. Sviluppa un piccolo piano, la fascia di usura, che cresce costantemente e modifica la taglia ben prima che il punzone sia inutilizzabile. Una volta esiste una fascia misurabile, più materiale viene deformato piuttosto che tagliato, quindi la forza aumenta, il rollover cresce, il barbatura cresce e il foro si sposta.

Misurare la fascia direttamente significa estrarre il punzone e metterlo sotto un microscopio o un comparatore. Farlo periodicamente per calibrare il giudizio; non è un controllo di produzione. Una fascia nell'intervallo di 0,2-0,4 mm è un trigger comune di ri-affilatura, e confermare la cifra con il fornitore per l'utensile specifico. In produzione i trigger pratici sono i sintomi: l'altezza della barbatura rispetto al limite del disegno, che i fornitori esplicitano come determinante normale della tempistica di ri-affilatura ed è l'indicatore precoce più sensibile; la crescita del rollover misurata rispetto a un campione di primo pezzo conservato; lo spostamento delle dimensioni e della posizione del foro; la deformazione della lamiera; e l'aumento della pressione del tornio o della corrente del motore sulla corsa.

La disciplina che conta è affilare presto. Un punzone intercettato a 0,2 mm di fascia di usura necessita di 0,15 mm di rimozione e torna al lavoro. Lo stesso punzone utilizzato fino al crollo del tagliente necessita di 0,5 mm o è rottame, e tutto ciò che ha prodotto nel frattempo è sospetto.

La leva del gioco

Tra tutti i fattori di questo articolo, il gioco tra punzoni e matrici influenza la vita degli utensili più di qualsiasi altra singola variabile e non costa nulla da regolare correttamente.

Il meccanismo si verifica durante l'estrazione, non durante il taglio. Quando il gioco è troppo stretto, il rame sprizza indietro sul fianco del punzone dopo lo sfondamento e ogni corsa si conclude con un accoppiamento di interferenza che deve essere forzato. I dati sul campo di Dayton Lamina attribuiscono fino a due terzi dell'usura totale del punzone all'estrazione e descrivono un gioco stretto che produce un foro più piccolo della punta del punzone, con calore da frizione che decolora il metallo dietro la punta e danneggia il trattamento termico. Un gioco corretto produce un foro leggermente più grande del punzone, trasformando un accoppiamento a pressione in uno a scorrimento. Il loro confronto pubblicato tra un gioco tradizionale del 5% per lato e il loro gioco ingegnerizzato sullo stesso materiale riporta 41 ore di manutenzione per milione di pezzi per l'impostazione stretta, con un caso studio sull'acciaio laminato a freddo da 0,060 in che mostra un triplicamento della vita del punzone grazie al solo gioco.

Confrontare con gli altri moltiplicatori. Un gioco corretto contribuisce circa 2-3×. Un substrato in metallo duro contribuisce 6-10×. Un rivestimento appropriato contribuisce 2-4×. L'esecuzione con lubrificante anziché a secco evita una penalità dello 0,4-0,6. Questi fattori non si moltiplicano in modo pulito e nessuno dovrebbe rivendicare un miglioramento di cento volte, ma la differenza tra uno strumento mal specificato in una matrice con gioco errato eseguita a secco e uno correttamente specificato è vicina a un ordine di grandezza. La maggior parte di quella differenza viene colmata da decisioni che non costano nulla al momento dell'ordine.

Due trappole specifiche per le sbarre in rame. Fori piccoli in barre spesse comportano una penalità elevata, con PASS che pubblica fattori di riduzione dello 0,6-0,8 per una funzione tagliata inferiore a 1,5 volte lo spessore del materiale e dello 0,3-0,5 per una inferiore a 1,0 volte lo spessore; un foro M12 in rame da 12 mm ricade pienamente nella seconda fascia. E la barre temperata dura è più aggressiva sugli utensili di quella mezza dura, quindi una sostituzione della tempera da parte dell'acquisto si manifesta come un problema di vita utensile settimane dopo. Questa è una ragione per richiedere al fornitore una tempera dichiarata secondo EN 13601. L'aspetto del gioco è trattato in modo approfondito in g Punzonatura punzone-matrice per sbarre in rame e alluminio, e l'aspetto della forza nel calcolatore della forza di punzonatura per sbarre.

Lubrificazione

L'esecuzione a secco dimezza circa la vita utensile. Il fattore pubblicato da PASS per assenza di lubrificazione dello sheet è 0,4-0,6 e il rame aderisce facilmente all'acciaio utensile.

C'è un conflitto qui. L'adesione del film d'olio tra la cannula e la faccia del punzone è uno dei meccanismi riconosciuti di estrazione della cannula, e "non usare olio di lavorazione" appare sulle liste stesse dei fornitori di utensili come rimedio all'estrazione delle cannule. Rimuovere il lubrificante per curare l'estrazione delle cannule funziona, ed è lo scambio sbagliato. Risolvere la ritenzione della cannula meccanicamente, mantenere il lubrificante, mantenere la vita utensile. Poi considerare la conseguenza a valle: residui di lubrificante su una faccia di giunzione sono un problema di contaminazione prima della placcatura, stagnatura o assemblaggio, e la fase di pulizia appartiene al processo piuttosto che essere scoperta durante l'ispezione.

Estrazione delle cannule

Una cannula estratta è l'evento di routine più costoso nella punzonatura. Sale con il punzone, atterra sulla barra e viene incisa nella superficie alla corsa successiva. Caso migliore, una barra segnata e una rilavorazione. Caso peggiore, un punzone scheggiato, una matrice danneggiata e un pezzo scartato.

I meccanismi sul rame sono l'adesione a vuoto tra la cannula arcuata e la faccia del punzone, l'adesione del film d'olio e l'adesione da pressione dei bordi dalle bave. L'adesione magnetica, la quarta nella lista standard, non si applica. Le contromisure, approssimativamente in ordine di frequenza con cui risolvono il problema:

• Spina espulsoressibile con foro di sfiato laterale nel punzone. La spina spinge via la cannula; lo sfanto rompe il vuoto. Questo è ciò che rende utilizzabile un gioco generoso.
• Geometria della matrice per ritenzione della cannula, un breve tratto di taglio seguito da un sollievo leggermente più stretto che aggancia la cannula così non può risalire.
• Angolo di taglio sulla faccia del punzone, che arcua la cannula così il suo stesso ritorno elastico la libera.
• Limitazione dell'ingresso del punzone nella matrice alla fine della corsa, poiché un ingresso profondo crea più vuoto durante l'estrazione.
• Aria compressa attraverso il centro dell'utensile.

Aumentare il gioco per guadagnare vita utensile aumenta la tendenza all'estrazione delle cannule. La spina espulsore è ciò che consente di accettare questo compromesso.

Come utilizzare il modello

Popolare i quattro termini con il costo effettivo della macchina, il prezzo degli utensili e la frequenza dei colpi, quindi analizzare dove si concentra il costo. Nella maggior parte delle lavorazioni su barre in rame, il tempo di macchina domina, il che significa che frequenza dei colpi e tempo di setup contano più del prezzo del singolo punzone. Un centro di lavorazione a 24 stazioni che esegue 200 colpi al minuto riduce il costo per foro più di qualsiasi altra decisione sull'utensile. Allo stesso modo, una punch and shear da 400 o 600 kN con cambio utensile rapido lo riduce più di un punzone più economico. La scelta dell'utensile diventa rilevante per una ragione secondaria: mantiene i fori entro i limiti del disegno per i pattern DIN 43673-1 senza fermare la macchina e tiene fuori le barre dal cestino degli scarti.

Tracciare tre numeri per utensile mantiene il modello fedele alla realtà: colpi dall'ultima ritoccatura, altezza del barbaggio sul primo pezzo prodotto e al punto di attivazione, e lunghezza di affilatura residua. Per un laboratorio che non ne ha mai misurati, iniziare dall'altezza del barbaggio sul primo pezzo. È la misura più economica dell'officina e determina le altre.

Quando il limite sul barbaggio è rigoroso, è più conveniente rimuoverlo a valle piuttosto che cercare di eliminarlo con l'utensile. Un passaggio di destaglio su una macchina dedicata costa meno al metro rispetto alla vita utensile che verrebbe sacrificata cercando di eseguire un foro privo di barbatura, ed è ripetibile.