부스바 펀칭의 금형 수명과 홀당 원가

부스바 공장에 뚫은 홀 하나의 원가를 물으면, 보통 펀치 가격을 누군가 기억하는 숫자로 나눈 값이 돌아옵니다. 그 값은 전체에서 차지하는 비중으로 보면 거의 언제나 과하게 높고, 실제로 지배하는 두 항을 가립니다. 모델을 끝까지 계산해 보면 무엇을 최적화해야 하는지가 달라집니다.

원가 모델

홀당 원가 = (금형 비용 + n × 재연삭 비용) / 금형 수명 동안의 총 홀 수
          + 기계 시간당 비용 × 사이클 타임
          + 홀당 배분한 금형 교환 비가동 비용
          + 홀당 배분한 폐기 비용

항이 네 개입니다. 첫 번째가 사람들이 “금형비”라고 부르는 것입니다. 두 번째는 보통 그보다 3–5배 큽니다. 세 번째는 작지만 금형 선택에 강하게 반응합니다. 네 번째는 평균적으로는 작고 꼬리 쪽에서는 파국적입니다.

계산 예제

분당 150타로 돌아가는 기계에서 13 mm 원형 펀치·다이 세트로 10 mm 반경질 구리에 M12 통과 홀을 뚫는 경우를 보겠습니다. 아래의 모든 단가는 예시이며 각자의 값으로 바꿔 넣으셔야 합니다. 요점은 절댓값이 아니라 구조와 상대적 크기입니다.

금형부터 봅니다. M2 고속도강 펀치·다이 세트가 €220입니다. 재연삭은 취급, 검사, 심 재조정을 포함해 €30입니다. 펀치의 연삭 길이가 다할 때까지 재연삭 8회입니다. 재연삭 사이의 수명은 30,000타이며, 각자의 소재·기계·클리어런스에 대해 금형 공급사와 확인해야 하는 값이 바로 이것입니다.

총 홀 수  = 9구간 × 30 000 = 270 000
금형 비용 = (220 + 8 × 30) / 270 000 = 홀당 €0.0017

다음은 기계 시간입니다. 모든 비용을 포함해 시간당 €55, 분당 150타이면 홀 하나가 0.4초를 차지합니다.

기계 비용 = 55 / 3600 × 0.4 = 홀당 €0.0061

그다음은 비가동입니다. 금형 교환 9회에 회당 12분이면 생산 손실이 1.8시간입니다.

비가동 비용 = 1.8 × 55 / 270 000 = 홀당 €0.00037

마지막은 폐기입니다. 100 × 10 mm 구리 3 m는 26.9 kg입니다. 동 가격이 €9/kg이면 그 부스바는 이미 투입된 가공을 빼고 소재만으로 €242의 값어치입니다. 금형 수명 네 번당 부스바 한 개가 슬러그 딸림, 무너진 모서리, 또는 도면 한계를 벗어난 버로 없어진다고 하겠습니다.

폐기 비용 = 242 / 4 / 270 000 = 홀당 €0.00022

합계는 약 €0.0084, 홀당 0.84유로센트입니다. 금형이 그중 20%입니다. 기계 시간이 73%입니다.

돈이 걸린 곳은 펀치가 아닙니다. 더 날카롭게 말하면, €242짜리 부스바 한 개를 폐기하는 것은 홀 약 142,000개를 뚫는 동안의 금형 소모 전부와 같은 비용입니다. 금형 수명이 중요한 주된 이유는 수명이 짧으면 나쁜 홀이 나오고, 나쁜 홀이 폐기와 재작업을 만들기 때문입니다. 펀치가 비싸서 중요한 것은 별로 아닙니다.

펀치 재질

네 계열이 사실상 모든 부스바 작업을 포괄합니다.

D2 냉간 금형강, 보통 60-62 HRC. 값이 싸고 치수가 안정적이며, 얇거나 무른 소재와 짧은 생산에 충분합니다. 두꺼운 구리에서는 절인 강도가 빠듯하고, 파단 충격에 의한 치핑이 통상의 파손 모드입니다. D2와 M2를 모두 취급하는 공급사는 D2를 얇은 판재, 소량, 설계 변경이 예상되는 경우 쪽으로 안내합니다.

M2 일반 고속도강, 60-63 HRC. 기본 선택입니다. D2보다 내마모성, 내충격성, 인성이 좋고, 펀치 측면에서 생기는 마찰열을 견딥니다. Anchor Danly의 펀치 재질 자료는 M2를 내마모성이 주된 요구사항인 장기 생산에 적합한 것으로 기술합니다. 대부분의 부스바 공장에서 이것이 기준선입니다.

분말야금 고속도강: ASP 2023, PM 23, Vanadis 계열과 동등품이며, 상당수가 재료 번호 1.3395의 M3

조성입니다. 조성은 M2와 비슷하지만 탄화물이 훨씬 미세하고 고르게 분포해, 보통이라면 치러야 할 인성의 대가 없이 내마모성이 올라갑니다. PASS Stanztechnik은 자사 기준선 대비 PM 펀치강의 금형 수명 계수를 6.0-10.0으로 공표합니다. 일반 펀치의 1.5–2.5배 정도 비용인 부품에서 나오는 큰 배수입니다.

초경합금. 내마모성이 큰 차이로 가장 높지만, 대부분의 부스바 펀칭에서는 틀린 답입니다. 초경은 취성이 있고, 10-20 mm 구리의 파단 순간은 초경이 싫어하는 역방향 충격 하중을 그대로 가합니다. 견고한 안내, 정확한 클리어런스, 깔끔한 슬러그 관리가 갖춰져야 견딥니다. 홀 치수가 하나인 초대량 생산이나 연마성이 있는 소재에서 제 자리를 얻는데, 통상의 배전반 작업은 그 어느 쪽도 아닙니다.

추상적으로 논쟁하지 말고 이 선택을 원가 모델에 넣어 보십시오. 위 예제에서 세트당 €420의 PM 강으로 옮기고 수명 계수 6배를 적용하면 이렇게 됩니다.

총 홀 수  = 9 × 180 000 = 1 620 000
금형 비용 = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = 홀당 €0.00046

홀당 금형 비용이 대략 4분의 3만큼 내려가고, 같은 생산량에 금형 교환이 6분의 1이 되므로 비가동 항도 같은 배수로 내려갑니다. 펀치 값이 거의 두 배라는 사실은 여기서 의미가 없습니다.

코팅

PVD 코팅은 측면과 면에 입힌 수 마이크로미터의 세라믹입니다. 표면 경도를 모재보다 훨씬 높이고, 접촉면의 마찰과 응착 거동을 바꿉니다. 구리에서 사는 것은 마찰과 응착 쪽입니다.

한 상용 코팅 업체가 공표한 자료는 다음과 같으며, 이 수치들은 보편값이 아니라 대표값입니다.

TiN이 범용 기준입니다. TiCN은 더 단단하고 연마성 작업에 낫지만, 400 °C라는 사용 한계는 표에서 가장 낮습니다. AlTiN의 900 °C 능력은 절삭 가공에서 값어치를 만드는 요소이며, 금형이 그런 온도에 결코 접근하지 않는 동 부스바에서는 아무것도 사 주지 않습니다.

구리와 알루미늄에서 파손 모드는 열에 의한 연화가 아니라 응착과 응착 마모입니다. 그래서 저마찰 쪽을 가리킵니다. 크롬계 코팅, 또는 이황화몰리브덴·이황화텅스텐 건식 피막을 상층에 두른 코팅이며, 마찰계수를 0.35 안팎에서 0.15 안팎으로 내립니다. 측면 마찰이 작으면 후퇴에 드는 힘이 작아지고, 마모의 상당 부분이 후퇴에서 일어납니다. PASS는 적절한 코팅에 대해 금형 수명 계수 2.0-4.0을 제시하면서, 범용으로 고를 것이 아니라 가공 소재에 맞춰야 한다는 단서를 답니다.

실무적 제약이 두 가지 있습니다. PVD는 375 °C 부근에서 증착하며 이는 경화된 M2의 뜨임 온도보다 낮으므로 모재를 연화시키지 않습니다. CVD는 1050 °C 부근에서 증착하고 이후 금형을 재열처리해야 하며, CVD가 정밀 펀치가 아니라 인서트와 중하중 성형 금형 쪽에 자리 잡은 이유가 그것입니다. 그리고 면 쪽 코팅은 처음 재연삭할 때 사라집니다. 측면 코팅은 남고 이득의 대부분이 거기에 있으므로 재연삭한 코팅 펀치도 무코팅 펀치보다 낫지만, 남은 연삭 길이와 견주어 재코팅의 경제성을 확인하십시오.

연삭 여유와 재연삭 가능 횟수

연삭 수명은 연마로 펀치 선단에서 제거할 수 있는 전체 길이입니다. 마모가 아니라 형상이 정합니다.

연삭 수명 = SBR − (소재 두께 + 다이 진입량 + 스트리퍼 두께)

여기서 SBR은 straight-before-radius 길이, 즉 선단에서 펀치가 몸통으로 넓어지기 시작하는 지점까지의 거리입니다. 그 지점을 넘겨 연삭하면 펀치가 더 이상 스트리퍼를 통과하지 못하거나 맞는 홀을 만들지 못합니다. 다이 진입량은 슬러그를 떼어 내기 위해 스트로크 하사점에서 펀치가 다이 안으로 들어가야 하는 양이며, 금형 시스템에 따라 보통 밀리미터의 몇 십분의 1에서 3 mm 정도입니다.

재연삭 횟수는 쓸 수 있는 연삭 수명을 회당 제거량으로 나눈 값입니다. 제거량은 보통 0.1-0.3 mm로, 마모대와 그 아래의 깨끗한 금속을 조금 걷어 낼 만큼입니다. 그래서 쓸 수 있는 연삭 길이가 3 mm인 펀치는 서류상 10-30회 정도의 재연삭을 지탱합니다. 실제로는 그보다 적습니다. 마모 한계를 한참 넘겨 쓴 펀치는 0.5 mm 이상 걷어 내야 하고, 재연삭마다 심이나 헤드 조정으로 펀치 길이를 복원해야 하며 그 공차 누적에도 한계가 있기 때문입니다. 이 수치들은 하나같이 금형 시스템과 펀치 형상에 좌우되므로, 여기 적힌 숫자를 그대로 쓰지 마시고 공급사 자료로 확인하십시오.

연삭은 언제나 습식으로 하십시오. 건식 연삭이나 부족한 절삭유는 절인에 균열을 내거나 절인을 소둔시켜, 살리려던 펀치를 못 쓰게 만들 수 있습니다. 연삭 버는 고운 숫돌로 제거하고, 절삭유를 씻어 내고, 조립 시 윤활하고, 펀치 길이를 다시 맞추십시오.

재연삭 판단 기준으로서의 마모대

절인은 날이 선 채로 있다가 갑자기 못 쓰게 되는 것이 아닙니다. 작은 평면, 즉 마모대가 생기고 꾸준히 커지면서, 펀치를 못 쓰게 되기 훨씬 전부터 절단을 바꿔 놓습니다. 측정 가능한 마모대가 생기면 소재 중 전단되는 몫보다 변형되는 몫이 커지므로, 힘이 올라가고, 처짐이 커지고, 버가 커지고, 홀이 흔들립니다.

마모대를 직접 측정하려면 펀치를 빼내 현미경이나 투영기 아래에 놓아야 합니다. 판단 감각을 보정하기 위해 주기적으로 하시되, 이것은 양산 관리 수단이 아닙니다. 0.2-0.4 mm 부근의 마모대가 흔히 쓰이는 재연삭 기준이며, 해당 금형에 대한 값은 공급사와 확인하십시오. 양산에서 실제로 쓰는 기준은 증상입니다. 도면 한계 대비 버 높이가 그 하나로, 공급사들이 재연삭 시점을 정하는 통상의 판정 기준이라고 명시하는 항목이자 가장 민감한 조기 지표입니다. 보관해 둔 초품 시료와 비교한 처짐의 증가, 홀 치수와 위치의 흔들림, 부품의 휨, 그리고 스트로크 시 프레스 압력이나 모터 전류의 상승도 함께 봅니다.

중요한 규율은 일찍 연삭하는 것입니다. 마모대 0.2 mm에서 잡은 펀치는 0.15 mm만 제거하면 다시 일하러 갑니다. 같은 펀치를 절인이 무너질 때까지 쓰면 0.5 mm를 걷어 내야 하거나 폐기이고, 그사이에 만든 것은 전부 의심 대상이 됩니다.

클리어런스라는 지렛대

이 글에 나오는 것 중 금형 수명을 가장 크게 움직이는 단일 변수가 펀치-다이 클리어런스이며, 제대로 잡는 데 드는 비용은 없습니다.

그 기구는 절단이 아니라 후퇴에 있습니다. 클리어런스가 너무 빡빡하면 구리가 파단 순간 뒤에 펀치 측면 쪽으로 되돌아오고, 매 스트로크가 힘으로 빼내야 하는 억지 끼워맞춤으로 끝납니다. Dayton Lamina의 현장 자료는 펀치 전체 마모의 최대 3분의 2를 후퇴에 돌리고, 빡빡한 클리어런스가 펀치 선단보다 작은 홀을 만들며 마찰열이 선단 뒤쪽 금속을 변색시키고 열처리를 손상시킨다고 기술합니다. 맞는 클리어런스는 펀치보다 약간 큰 홀을 만들어 억지 끼워맞춤을 헐거운 끼워맞춤으로 바꿉니다. 같은 소재에서 전통적인 편측 5% 클리어런스와 자사의 설계 클리어런스를 비교한 이 회사의 공표 자료는 빡빡한 설정에서 100만 개당 유지보수 41시간을 보고하며, 0.060 in 냉간 압연강 사례에서는 클리어런스만으로 펀치 수명이 세 배가 되었습니다.

이것을 다른 배수들과 나란히 놓아 보십시오. 맞는 클리어런스가 대략 2-3배를 기여합니다. PM 모재가 6-10배를 기여합니다. 적절한 코팅이 2-4배를 기여합니다. 건식이 아니라 윤활을 쓰면 0.4-0.6의 저감을 피합니다. 이 값들이 깔끔하게 곱해지지는 않으며 100배 개선을 주장해서는 안 되지만, 클리어런스가 잘못된 다이에서 건식으로 돌아가는 잘못 지정된 금형과 제대로 지정된 금형 사이의 격차는 한 자릿수에 가깝습니다. 그 격차의 대부분은 발주 시점에 비용이 들지 않는 결정들로 메워집니다.

부스바에 고유한 함정이 두 가지 있습니다. 두꺼운 부스바의 작은 홀은 무거운 대가를 치릅니다. PASS는 절단 형상이 소재 두께의 1.5배보다 작으면 저감 계수 0.6-0.8, 1.0배보다 작으면 0.3-0.5를 공표하며, 12 mm 구리의 M12 홀은 정확히 두 번째 구간에 들어갑니다. 그리고 경질 질별 부스바는 반경질보다 금형에 가혹하므로, 구매 부서의 질별 대체가 몇 주 뒤 금형 수명 문제로 드러납니다. EN 13601에 따라 명시한 질별을 공급사에 지키게 해야 하는 이유 중 하나가 그것입니다. 클리어런스 쪽은 동·알루미늄 부스바의 펀치-다이 클리어런스에서 전부 다뤘고, 힘 쪽은 부스바 펀칭력 계산기에 있습니다.

윤활

건식 운전은 금형 수명의 대략 절반을 대가로 가져갑니다. 소재 윤활이 없을 때 PASS가 공표한 계수는 0.4-0.6이고, 구리는 금형강에 쉽게 응착합니다.

여기에 충돌이 하나 있습니다. 슬러그와 펀치면 사이의 유막 부착은 인정된 슬러그 딸림 기구 중 하나이고, “가공유를 쓰지 말 것”은 금형 공급사들이 내놓는 슬러그 딸림 대책 목록에 실제로 올라 있습니다. 슬러그 딸림을 잡으려고 윤활을 없애면 효과는 있지만, 잘못된 맞바꿈입니다. 슬러그 유지는 기계적으로 해결하시고, 윤활은 유지하시고, 금형 수명을 가져가십시오. 그런 다음 후공정의 결과를 계산에 넣으십시오. 접속면에 남은 윤활제 잔사는 도금, 주석 도금, 조립 전의 오염 문제이며, 세정 공정은 검사에서 발견될 것이 아니라 공정 안에 들어가 있어야 합니다.

슬러그 딸림

딸려 올라온 슬러그는 펀칭에서 일상적으로 일어나는 사건 중 가장 비쌉니다. 펀치를 따라 올라와 부스바 위에 얹히고, 다음 스트로크에 표면으로 박힙니다. 잘 풀리면 자국이 난 부스바와 재작업입니다. 잘못 풀리면 치핑된 펀치, 손상된 다이, 그리고 폐기되는 소재 한 개입니다.

구리에서의 기구는 휘어진 슬러그와 펀치면 사이의 진공 부착, 유막 부착, 그리고 버에 의한 모서리 압착입니다. 표준 목록의 네 번째인 자기 부착은 해당하지 않습니다. 대책을 해결되는 빈도 순으로 대략 정리하면 이렇습니다.

• 펀치에 두는 측면 통기 구멍이 있는 스프링식 이젝터 핀. 핀이 슬러그를 밀어내고 통기 구멍이 진공을 깹니다. 넉넉한 클리어런스를 쓸 수 있게 만들어 주는 것이 이것입니다.
• 슬러그 유지 다이 형상. 짧은 절단부 뒤에 약간 더 좁은 릴리프를 두어 슬러그를 잡아 다시 올라오지 못하게 합니다.
• 펀치면의 전단각. 슬러그를 휘게 해 자체 스프링백으로 떨어지게 합니다.
• 스트로크 하사점에서 다이 진입량을 제한하기. 깊이 들어갈수록 후퇴 시 진공이 더 크게 생기기 때문입니다.
• 금형 중심을 통한 압축 공기.

금형 수명을 사려고 클리어런스를 키우면 슬러그 딸림 경향이 커집니다. 그 맞바꿈을 하기 위해 사는 것이 이젝터 핀입니다.

이 모델로 무엇을 할 것인가

네 항에 각자의 기계 시간당 비용, 금형 가격, 타수를 넣고 돈이 어디에 있는지 보십시오. 대부분의 부스바 작업에서는 기계 시간이 지배하며, 이는 펀치 가격보다 타수와 셋업 시간이 더 중요하다는 뜻입니다. 분당 200타로 돌아가는 24 스테이션 가공 센터는 선택 가능한 어떤 금형 결정보다 홀당 원가를 크게 움직이고, 금형 교환이 빠른 400 또는 600 kN 펀칭·전단기는 더 싼 펀치보다 더 크게 움직입니다. 금형 선택은 그다음 차수의 이유로 중요합니다. 기계를 세우지 않고 DIN 43673-1 배치의 도면 한계 안에 홀을 유지해 주고, 부스바가 폐기함에 들어가지 않게 해 줍니다.

금형마다 세 가지 숫자를 기록하면 이 모델이 정직하게 유지됩니다. 마지막 재연삭 이후의 타수, 초품과 기준점에서의 버 높이, 그리고 남은 연삭 길이입니다. 이 중 어느 것도 측정해 본 적이 없는 공장이라면 초품의 버 높이부터 시작하십시오. 건물 안에서 가장 값싼 측정이고, 나머지를 끌고 갑니다.

버 한계가 빡빡한 경우, 금형으로 쫓아가지 말고 후공정에서 제거하십시오. 전용기에서의 디버링 공정은 버 없는 홀을 뚫으려다 희생하게 될 금형 수명보다 미터당 비용이 적고, 재현성도 있습니다.