ブスバー打抜きにおける金型寿命と穴あたりコスト

ブスバー工場で打ち抜いた穴 1 つのコストを尋ねると、たいていはパンチの価格を、誰かが覚えている数で割った 値が返ってきます。その数値は全体に占める割合としてほぼ常に大きすぎ、しかも支配的な 2 つの項を隠して しまいます。モデルを最後まで解いてみると、何を最適化すべきかが変わります。

モデル

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

項は 4 つです。第 1 項が世に言う「金型費用」です。第 2 項は通常その 3–5 倍あります。第 3 項は小さい一方で 金型の選択に強く反応します。第 4 項は平均では小さく、裾の部分では致命的です。

計算例

板厚 10 mm の半硬質銅に M12 のボルト通し穴を開ける 13 mm 丸パンチとダイの組を、毎分 150 ヒットで運転する 機械を想定します。以下の単価はいずれも例示であり、ご自身の数値に置き換えてください。ここで意味を持つのは 絶対値ではなく、構造と各項の相対的な大きさです。

まず金型から。M2 高速度鋼のパンチとダイのセットが €220。再研磨は取り扱い、検査、シム調整を含めて €30。 パンチの研磨代がなくなるまでの再研磨回数は 8 回。再研磨の間隔は 30,000 ヒット。この最後の数値は、自社の 材料、機械、クリアランスについて金型メーカーと確認しておく必要があります。

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

次に機械時間。時間あたり €55 の総括原価で毎分 150 ヒットなら、1 穴が占める時間は 0.4 秒です。

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

続いて停止時間。1 回 12 分の工具交換が 9 回で、生産の損失は 1.8 時間です。

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

最後に廃却材。100 × 10 mm の銅バー 3 m の質量は 26.9 kg です。銅の価格を €9/kg とすると、そのバーは すでに投じた加工を別にしても、素材だけで €242 の価値があります。金型寿命 4 回につき 1 本のバーが、抜きカスの 上がり、エッジの崩れ、あるいは図面の限度を外れたバリによって失われるとしましょう。

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

合計はおよそ €0.0084、1 穴あたり 0.84 ユーロセントです。金型はそのうち 20 パーセントです。機械時間が 73 パーセントを占めます。

お金があるのはパンチではありません。もっと端的に言えば、€242 のバーを 1 本廃却することは、およそ 142,000 穴分の金型消費のすべてと同じ額です。金型寿命が重要なのは、主として、寿命が短ければ悪い穴ができ、 悪い穴が廃却材と手直しを生むからです。パンチが高価だから重要なのではありません。

パンチの材質

ブスバーの仕事は、実質的に 4 つの材種でカバーできます。

D2 冷間工具鋼、通常 60–62 HRC。安価で寸法安定性が高く、薄物や軟質材、短いロットには十分です。厚い銅 では刃先強度が不足気味で、破断貫通時の衝撃による欠けが典型的な不具合です。D2 と M2 の両方を供給する メーカーは、D2 を薄板、少量、設計変更が見込まれる場合に向けています。

M2 一般高速度鋼、60–63 HRC。標準となる選択です。D2 より耐摩耗性、耐衝撃性、靭性のいずれも優れ、 パンチ側面で発生する摩擦熱にも耐えます。Anchor Danly のパンチ材質に関する解説は、M2 を、耐摩耗性が主要 要件となる長いロットに適したものとしています。ブスバー工場の多くにとっては、これが基準線です。

粉末冶金高速度鋼：ASP 2023、PM 23、Vanadis 各種およびその相当材で、その多くは材料番号 1.3395 の M3

系組成です。組成は M2 に近い一方で、炭化物ははるかに微細で均一に分布しており、通常なら払うことに なる靭性の代償なしに耐摩耗性が上がります。PASS Stanztechnik は、自社の PM パンチ鋼について基準材に対する 金型寿命の係数 6.0–10.0 を公表しています。従来のパンチのおそらく 1.5–2.5 倍の価格の部品から得られる 倍率としては大きなものです。

超硬合金。 耐摩耗性は他を大きく引き離して最も高く、そしてブスバー打抜きの大半では誤った答えです。 超硬は脆く、板厚 10–20 mm の銅での破断貫通は、超硬が最も苦手とする逆向きの衝撃荷重をそのまま与えます。 成立させるには、剛性の高いガイド、正確なクリアランス、確実な抜きカスの管理が前提になります。超硬が 生きるのは、単一の穴径をきわめて大量に打つ場合か、研磨性の高い材料の場合であり、どちらも一般的な開閉 装置の仕事には当てはまりません。

抽象的に議論するのではなく、選択をコストモデルに入れてください。先ほどの例で、M2 からセット €420 の PM 鋼へ移り、寿命係数を 6 倍とすると、次のようになります。

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

穴あたりの金型費用はおよそ 4 分の 1 に下がり、同じ生産量に対する工具交換回数が 6 分の 1 になるため、 停止時間の項も同じ係数で下がります。パンチが 2 倍近い価格であることは問題になりません。

コーティング

PVD コーティングは、側面と端面に数ミクロンのセラミックを付けたものです。表面硬さを母材よりはるかに高く し、界面での摩擦と凝着の挙動を変えます。銅では、買っているのは摩擦と凝着です。

商用のコーティング業者が公表しているデータは次のとおりで、これらの数値は普遍的なものではなく代表値です。

TiN が汎用の基準です。TiCN はより硬く研磨性の高い仕事に向きますが、400 °C という使用限界は表の中で最も 低いものです。AlTiN の 900 °C という能力は切削加工でこそ価値を持つもので、工具がその温度域に近づくことの ない銅ブスバーでは何も買っていません。

銅とアルミニウムでは、不具合の様式は熱による軟化ではなく凝着とかじりです。したがって低摩擦の選択肢、 すなわちクロム系のコーティングか、二硫化モリブデン／タングステンの固体潤滑膜を上層に持つコーティングが 指し示されます。これらは摩擦係数を 0.35 程度から 0.15 程度まで下げます。側面の摩擦が小さいほど引き抜きに 要する力は小さくなり、摩耗の多くが生じるのはその引き抜きの場面です。PASS は適切なコーティングについて 金型寿命の係数 2.0–4.0 を挙げており、汎用で選ぶのではなく被加工材に合わせるべきだという条件を添えて います。

実務上の制約が 2 つあります。PVD は 375 °C 程度で成膜し、これは焼入れした M2 の焼戻し温度より低いため 母材を軟化させません。CVD は 1050 °C 近くで成膜するため成膜後に再焼入れが必要で、CVD がインサートや重 成形工具に使われ精密パンチには使われないのはそのためです。もうひとつ、端面のコーティングは最初の再研磨で 失われます。側面のコーティングは残り、効果の大半はそちらにあるため、再研磨した被覆パンチでも無被覆の ものよりは優れます。ただし再コーティングの経済性は、残っている研磨代と照らして判断してください。

研磨代と、再研磨できる回数

研磨代とは、研ぎ直しによってパンチ先端から取り除ける長さの合計です。摩耗ではなく形状で決まります。

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

ここで SBR は先端からパンチが本体に向かって太くなりはじめる位置までの長さ、すなわちストレート部の長さ です。それを超えて研げば、パンチはストリッパを通らなくなるか、正しい穴を作らなくなります。ダイへの進入量 とは、抜きカスを切り離すために下死点でパンチがダイに入らなければならない量で、金型システムによりますが 通常は数十分の 1 mm から 3 mm 程度です。

再研磨の回数は、使える研磨代を 1 回あたりの取りしろで割ったものです。取りしろは通常 0.1–0.3 mm で、 摩耗ランドとその下の健全な金属をわずかに取り除くのに足りる量です。したがって使える研磨代が 3 mm ある パンチは、計算上はおよそ 10–30 回の再研磨を支えます。実際にはこれより少なくなります。摩耗限度をはるかに 過ぎて使ったパンチは 0.5 mm 以上取る必要があり、また再研磨のたびにシムやヘッド調整でパンチ長を戻さねば ならず、いずれ公差の積み上げが尽きるためです。これらの数値はいずれも金型システムとパンチ形状に依存する ので、ここに挙げた数値をそのまま採用せず、供給元のデータで確認してください。

研磨は必ず湿式で行ってください。乾式研磨や不十分なクーラントは刃先に割れを生じさせたり焼なましたりして、 救おうとしたパンチそのものを駄目にします。研磨バリは細かい砥石で取り、クーラントを洗い落とし、組付け時に 潤滑し、パンチ長を出し直してください。

再研磨の判断基準としての摩耗ランド

刃先は、鋭いままでいて突然駄目になるわけではありません。摩耗ランドと呼ばれる小さな平坦部ができ、これが 着実に広がって、パンチが使えなくなるはるか手前から切断の様子を変えます。測定できる大きさのランドが生じた 時点で、材料のうちせん断ではなく変形させられる割合が増えるため、力は上がり、だれは大きくなり、バリは 成長し、穴は動きます。

ランドを直接測るには、パンチを外して顕微鏡か投影機にかける必要があります。判断の目盛りを合わせるために 定期的に行ってください。生産上の管理手段ではありません。0.2–0.4 mm 程度のランドが再研磨の判断基準として 一般的ですが、個々の工具については供給元に確認してください。生産の現場で実際に使える判断材料は症状の ほうです。図面の限度に対するバリ高さ（供給元が再研磨時期の通常の決定要因と明言しているもので、最も鋭敏な 早期指標です）、保管しておいた初品と比べただれの成長、穴の寸法と位置のずれ、部品の反り、そしてストローク 時のプレス圧力やモータ電流の上昇です。

意味を持つ規律は、早めに研ぐことです。摩耗ランド 0.2 mm で捕まえたパンチは 0.15 mm 取れば仕事に戻ります。 同じパンチを刃先が崩れるまで使えば 0.5 mm 必要になるか廃却となり、その間に作ったものはすべて疑わしく なります。

クリアランスという要因

本稿で扱うもののうち、パンチとダイのクリアランスは他のどの単一の変数よりも金型寿命を大きく動かし、しかも 正しく設定するのに費用はかかりません。

その機構は切断時ではなく引き抜き時にあります。クリアランスが小さすぎると、銅は破断貫通の後にパンチ側面へ 弾性回復し、毎ストロークが締まりばめの状態で終わって、それを力ずくで抜くことになります。Dayton Lamina の 現場データは、パンチ全摩耗の最大 3 分の 2 を引き抜きに帰しており、小さいクリアランスがパンチ先端より 小さい穴を生み、摩擦熱が先端後方の金属を変色させて熱処理を損なうと説明しています。適正なクリアランスは パンチよりわずかに大きい穴を生み、締まりばめをすきまばめに変えます。同社が公表している、同一材料での 従来の片側 5 パーセントのクリアランスと自社の最適クリアランスとの比較では、小さい側の設定について 100 万個あたり 41 時間の保全時間が報告されており、0.060 in の冷延鋼板の事例研究では、クリアランスだけで パンチ寿命が 3 倍になったとされています。

これを他の倍率と並べてみてください。適正なクリアランスの寄与はおよそ 2–3 倍。PM 母材の寄与は 6–10 倍。 適切なコーティングの寄与は 2–4 倍。乾式ではなく潤滑して運転すれば 0.4–0.6 の減点を避けられます。これらは きれいに掛け算されるものではなく、100 倍の改善などと主張すべきではありませんが、仕様の悪い工具を クリアランスの悪いダイで乾式運転した場合と、きちんと仕様を決めた場合との開きは、一桁に近いものです。 その差の大半は、発注の時点では費用のかからない判断によって埋まります。

ブスバー特有の落とし穴が 2 つあります。ひとつは厚いバーの小さな穴で、代償は大きく、PASS は板厚の 1.5 倍 より小さい加工形状に 0.6–0.8、板厚の 1.0 倍より小さいものに 0.3–0.5 というディレーティング係数を公表して います。板厚 12 mm の銅に開ける M12 の穴は、後者の帯域のまさに中央にあります。もうひとつは、硬質材の バーが半硬質より金型に厳しいことです。調達による質別の差し替えは、数週間後に金型寿命の問題として表に 出てきます。EN 13601 のもとで質別を明示させ、供給元にそれを守らせるべき理由の ひとつがこれです。クリアランスについては 銅・アルミブスバーのパンチとダイのクリアランス で 詳しく扱い、力については ブスバー打抜き力計算ツール で扱っています。

潤滑

乾式で運転すると、金型寿命はおよそ半分になります。潤滑なしに対する PASS の公表係数は 0.4–0.6 であり、 銅は工具鋼に容易に凝着します。

ここには相反があります。抜きカスとパンチ端面との間の油膜による付着は、抜きカスの上がりを引き起こす機構と して知られているもののひとつであり、「加工油を使わないこと」は金型メーカー自身が挙げる抜きカス上がりの 対策一覧にも載っています。抜きカスの上がりを直すために潤滑をやめる方法は確かに効きますが、取引としては 誤りです。抜きカスの保持は機械的に解決し、潤滑は続け、金型寿命は取ってください。そのうえで後工程への影響を 織り込みます。接続面に残った潤滑剤は、めっき、すずめっき、組立の前段では汚染の問題であり、洗浄の工程は 検査で発見されるのではなく、工程として組み込まれているべきものです。

抜きカスの上がり

抜きカスの上がりは、打抜きで日常的に起こる事象のうち最も高くつくものです。パンチとともに上がり、バーの上に 乗り、次のストロークで表面に打ち込まれます。良くて、傷の付いたバーと手直しです。悪ければ、欠けたパンチ、 損傷したダイ、そして廃却される 1 本です。

銅における機構は、そった抜きカスとパンチ端面との間の真空による付着、油膜による付着、そしてバリによる エッジ部の圧接です。標準的な一覧の 4 つ目にある磁気吸着は当てはまりません。対策は、解決する頻度のおおよその 順に次のとおりです。

• パンチに設けた 側面通気穴付きのばね式エジェクタピン。ピンが抜きカスを押し出し、通気穴が真空を破ります。 大きめのクリアランスを使えるものにしているのはこれです。
• 抜きカス保持形状のダイ。切刃部を短くし、その下をわずかに細い逃げにして抜きカスを掴み、戻れないように します。
• パンチ端面のせん断角。抜きカスをそらせ、自身のスプリングバックで外れるようにします。
• 下死点での パンチの進入量の抑制。深く進入するほど引き抜き時の真空が大きくなるためです。
• 工具中心を通す 圧縮空気。

金型寿命を買うためにクリアランスを大きくすると、抜きカスが上がりやすくなります。その取引を成立させるために 買うのがエジェクタピンです。

このモデルの使い方

自社の機械時間単価、金型価格、打抜き速度で 4 つの項を埋め、お金がどこにあるかを見てください。ブスバーの 仕事の大半では機械時間が支配的であり、それは打抜き速度と段取り時間のほうがパンチ価格より効いてくることを 意味します。 毎分 200 ヒットで運転する 24 ステーションの加工センタ は、選択しうるどの金型に関する判断よりも穴あたりコストを動かしますし、工具交換の速い 400 kN または 600 kN の打抜き・切断機 は、 安いパンチよりも大きく動かします。金型の選択が意味を持つのは、そのうえで二次的な理由によってです。すなわち、 機械を止めずに DIN 43673-1 の穴配置を図面の限度内に保つこと、そしてバーを 廃却箱から遠ざけることです。

工具ごとに 3 つの数値を記録しておけば、このモデルは正直であり続けます。前回の再研磨からのヒット数、初品時と 判断基準到達時のバリ高さ、そして残りの研磨代です。これらを一度も測ったことのない工場は、初品時のバリ高さ から始めてください。工場の中で最も安価な測定であり、それが残りを引っ張ります。

バリの限度が厳しい場合は、金型で追いかけるのではなく後工程で落としてください。専用機での バリ取り 1 パスは、バリのない穴を打とうとして犠牲にする金型寿命より メートルあたりで安く、しかも再現性があります。