부스바 펀칭의 금형 수명과 홀당 원가

부스바 가공소에서는 천공 구멍 비용을 공구 가격을 기억에 의존해 산출하는 경우가 많으며, 이는 공구 비용이 전체 비용에서 차지하는 비중을 과대 평가하고 두 가지 주요 비용 항목을 간과하게 합니다. 이 모델을 적용하면 어떤 요소를 최적화해야 하는지 명확해집니다.

모델

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

네 가지 비용 항목이 있습니다. 첫 번째는 흔히 '공구 비용'이라고 부르는 항목입니다. 두 번째는 보통 세 배에서 다섯 배 더 큽니다. 세 번째는 작지만 공구 선택에 크게 영향을 받습니다. 네 번째는 평균적으로 작지만 극단적인 경우 치명적입니다.

예시 계산

13mm 둥근 펀치와 다이 세트가 10mm 준경동에 M12 여유 구멍을 천공하는 경우를 가정합니다. 기계는 분당 150타(stroke)로 작동합니다. 아래의 모든 비율은 예시이며 실제 가공소 데이터로 대체해야 합니다. 중요한 것은 절대적 수치가 아니라 구조와 상대적 비율입니다.

먼저 공구 비용입니다. M2 고속강 펀치 및 다이 세트 가격은 €220입니다. 재연마 비용은 취급, 검사, 새 셰임 포함 €30입니다. 펀치의 재연마 가능 길이가 소진되기 전까지 8회 재연마가 가능합니다. 재연마 간 사용 수명은 30,000타이며, 이 수치는 해당 재료, 기계 및 여유에 대해 공구 공급업체와 확인이 필요합니다.

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

다음은 기계 시간 비용입니다. 전체 포함 시간당 €55, 분당 150타로 계산하면 각 구멍의 점유 시간은 0.4초입니다.

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

그 다음은 가동 중지 시간입니다. 공구 교체 9회, 각 12분씩 총 1.8시간의 생산 손실이 발생합니다.

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

마지막은 스크랩 비용입니다. 100 x 10mm 크기의 3m 길이 구리바의 무게는 26.9kg입니다. 구리 단가가 €/kg이면 이 바의 원재료 가치만 해도 €242이며, 이는 이미 투입된 가공 비용을 제외한 금액입니다. 공구 수명 동안 4개의 바 중 1개가 슬러그 제거 불량, 측면 붕괴 또는 도면 한계 미달의 버링으로 인해 스크랩이 된다고 가정합니다.

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

이렇게 계산하면 구멍당 총 비용은 약 €0.0084, 즉 0.84 유로 센트입니다. 공구 비용은 이 중 20%를 차지합니다. 기계 시간은 73%입니다.

비용의 핵심은 펀치가 아닙니다. 스크랩된 단일 바 €242의 비용은 약 142,000개의 구멍을 천공할 때의 전체 공구 소모 비용과 같습니다. 공구 수명이 중요한 이유는 주로 짧은 공구 수명이 불량한 구멍을 만들고, 불량한 구멍은 스크랩과 재작업을 유발하기 때문입니다. 펀치가 비싸기 때문은 아닙니다.

펀치 재료

4개 제품군으로 부스바 가공의 거의 모든 작업을 커버합니다.

D2 냉간 공구강, 보통 60-62 HRC. 저가이고 치수 안정적이며, 얇거나 연한 소재와 소량 생산에 적합합니다. 두꺼운 구리에서는 날 가장자리 강도가 부족하며, 스냅스루 충격에 의한 칩핑이 일반적인 고장 모드입니다. D2와 M2를 모두 공급하는 업체들은 D2를 얇은 시트, 소량 및 설계 변경 가능성이 있는 경우로 안내합니다.

M2 일반 고속공구강, 60-63 HRC. 기본 선택입니다. D2보다 우수한 내마모성, 내충격성 및 인성을 가지며, 펀치 측면에서 발생하는 마찰열을 견딜 수 있습니다. Anchor Danly의 펀치 소재 노트에 따르면 M2는 내마모성이 주요 요구 사항인 장시간 생산에 적합하다고 기술되어 있습니다. 대부분의 부스바 작업장에서 이것이 기본 기준입니다.

분말야금 고속공구강: ASP 2023, PM 23, Vanadis 등급 및 이에 대응하는 소재로, 많은 경우 M3

화학 조성을 가지며 재료 번호는 1.3395입니다. 화학 조성은 M2와 유사하나, 탄화물이 훨씬 미세하고 균일하게 분포되어 있어 일반적으로 발생하는 인성 손실 없이 내마모성을 향상시킵니다. PASS Stanztechnik에서는 자사 기준 소재 대비 PM 펀치 소재의 공구 수명 계수를 6.0-10.0으로 발표했습니다. 이는 일반 펀치 비용의 약 1.5~2.5배인 부품에서 나오는 매우 큰 배율입니다.

碳化钨. 가장 높은 내마모성을 가지나, 대부분의 부스바 펀칭에는 적합하지 않습니다. 초경합금은 취성이 있으며, 10-20 mm 두께의 구리에서의 스냅스루는 바로 그 재질이 싫어하는 역방향 충격 하중을 정확히 전달합니다. 내구성을 발휘하려면 레이드 가이딩, 정확한 간격 및 깨끗한 슬러그 관리가 필요합니다. 단일 구경으로 매우 고 생산량이거나, 마모성이 강한 소재에서 그 자리를 찾을 수 있으나, 이는 일반적인 스위치기어 작업의 특성이 아닙니다.

추상적으로 논쟁하기보다 비용 모델에 선택지를 넣어 봅시다. 위의 예에서, 세트당 €420인 M2에서 PM 소재로 전환하면 6배의 수명 계수가 적용됩니다:

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

구멍당 공구 비용은 약 3/4로 감소하며, 가동 중단 비용 항목도 동일한 비율로 감소합니다. 동일한 생산량을 위해 교체 횟수가 1/6로 줄어들기 때문입니다. 펀치 가격이 거의 두 배라는 사실은 무관합니다.

코팅

PVD 코팅은 측면과 면에 수 마이크로미터 두께의 세라믹을 도포한 것입니다. 기판 대비 표면 경도를 크게 높이고, 계면에서의 마찰 및 접착 특성을 변화시킵니다. 구리에서는 마찰과 접착이 핵심입니다.

상용 코팅 업체에서 발표한 데이터는 다음과 같으며, 이 수치는 대표적이지 보편적이지는 않습니다:

TiN이 범용 벤치마크입니다. TiCN은 더 단단하고 마모 작업에 더 우수하나, 표 중 400 °C의 작동 온도 한도가 가장 낮습니다. AlTiN의 900 °C 능력은 가공에서 가치를 가지지만, 부스바 가공에서는 공구가 해당 온도에 접근하지 않아 전혀 도움이 되지 않습니다.

구리 및 알루미늄의 파손 모드는 열 연화가 아닌 부착 및 끼임입니다. 이는 저마찰 옵션을 가리킵니다. 크롬 기반 코팅, 또는 몰리브덴/텅스텐 디설파이드 건식 필름 상층을 포함하는 코팅은 마찰 계수를 약 0.35에서 약 0.15로 낮춥니다. 측면 마찰이 줄어들면 탈착력이 줄어들며, 탈착이 마모가 많이 발생하는 곳입니다. PASS는 적절한 코팅에 대해 도구 수명 계수 2.0-4.0을 제시하며, 이는 범용적으로 선택하기보다는 가공 재료에 맞춰야 한다는 조건이 있습니다.

두 가지 실용적 제약이 있습니다. PVD는 약 375 °C에서 증착되어 경화된 M2의 템퍼링 온도 이하여 기질을 연화시키지 않습니다. CVD는 약 1050 °C 근처에서 증착되고 공구를 재경화해야 하므로, 정밀 펀치보다는 인서트 및 대형 성형 공구에 남아 있습니다. 그리고 상면 코팅은 재研磨가 처음 발생하면 소실됩니다. 측면 코팅은 대부분의 이점이 있는 곳에서 남아 있으므로, 재研磨된 코팅 펀치는 미코팅 펀치보다 여전히 우수하지만, 잔여研磨 수명 대비 재코팅 경제성을 확인해야 합니다.

재研磨 여유 및 재研磨 횟수

研磨 수명은 가공 팁을 날카롭게 하여 제거할 수 있는 총 길이입니다. 이는 마모가 아닌 형상에 의해 결정됩니다.

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

여기서 SBR은 반경 전의 직선 길이로, 팁에서 펀치가 본체로 넓어지기 시작하는 지점까지의 거리입니다. 그 너머로研磨하면 펀치가 스트리퍼를 통과하지 못하거나 올바른 구멍을 생성하지 못합니다. 금형 침투는 슬러그를 분리하기 위해 스트로크 하단에서 펀치가 금형에 들어가야 하는 양으로, 공구 시스템에 따라 일반적으로 약 0.1mm에서 약 3mm입니다.

재研磨 횟수는 사용 가능한研磨 수명을 재研磨당 제거되는 여유로 나눈 값입니다. 제거량은 일반적으로 0.1-0.3 mm로, 마모면과 그 아래 약간의 깨끗한 금속을 제거할 만큼 충분합니다. 따라서 사용 가능한研磨 길이가 3 mm인 펀치는 이론적으로 약 10-30회의 재研磨를 지원합니다. 실제로는 달성 가능한 횟수가 적은데, 이는 마모 한계를 지나 너무 오래 사용된 펀치는 0.5 mm 이상을 제거해야 하고, 각 재研磨 시 편차 축적이 끝날 때까지 셔림이나 해드 조정으로 펀치 길이를 복원해야 하기 때문입니다. 이 모든 수치는 공구 시스템과 펀치 형상에 따라 다르므로 여기의 수치를 도입하기보다 공급업체 데이터로 확인해야 합니다.

항상 습식研磨를 합니다. 건식研磨 또는 불충분한 냉각수는 절단면에 균열을 일으키거나退火시켜 펀치를 파괴할 수 있습니다. 미세한 스톤으로研磨 버를 제거하고, 냉각수를 세척한 후, 조립 시 윤활하고 펀치 길이를 재설정합니다.

재研磨 트리거로서의 마모면

절단면은 날카롭게 유지되다가 갑자기 파손되지 않습니다. 작은 평면인 마모면이 형성되어 꾸준히 성장하며, 펀치가 사용 불가능해지기 훨씬 전에 절단을 변화시킵니다. 측정 가능한 마모면이 존재하면, 재료의 더 많은 부분이 전단되지 않고 가공되므로 힘이 증가하고, 둥글림이 커지고, 버가 성장하며 구멍이 이탈합니다.

마모면을 직접 측정하려면 펀치를 꺼내 현미경이나 비교기 아래에 놓아야 합니다. 이를 주기적으로 수행하여 판단을 교정하지만, 생산 관제는 아닙니다. 약 0.2-0.4 mm 범위의 마모면은 일반적인 재研磨 트리거이며, 특정 공구에 대한 수치는 공급업체와 확인합니다. 생산에서 실용적인 트리거는 증상입니다. 도면 한계에 대한 버 높이(공급업체는 이것이 재研핑 타이밍의 일반적인 결정 요소이자 가장 민감한 초기 지표임을 명확히 함); 보존된 초검품 대비 둥글림 성장; 구멍 치수 및 위치 이탈; 부품 뒤틀림; 및 스트로크 시 프레스 압력 또는 모터 전류 상승입니다.

중요한 규율은 초기에研磨하는 것입니다. 마모면이 0.2 mm인 펀치를 발견하면 0.15 mm를 제거하고 작업으로 돌아갑니다. 동일한 펀치를 가장자리가 붕괴될 때까지 사용하면 0.5 mm를 제거해야 하거나 폐기되고, 그 사이에 만든 모든 것이 의심됩니다.

클리어런스 레버

이 모든 것 중에서, 펀치-다이 간격이 도구 수명에 가장 큰 영향을 미치며, 올바르게 설정하는 데 비용이 들지 않는다.

이 메커니즘은 이탈 시에 발생하며, 절단 시가 아니다. 간격이 너무 좁을 경우, 스냅스루 후 구리가 펀치 측면으로 스프링백하여 모든 스트로크가 간섭 체결 상태로 끝나며, 이를 강제로 빼내야 한다. Dayton Lamina의 현장 데이터에 따르면, 총 펀치 마모의 최대 2/3는 이탈 시에 발생하며, 좁은 간격은 펀치 포인트보다 작은 구멍을 만들고, 마찰 열이 팁 뒤쪽의 금속을 변색시켜 열처리를 손상시킨다고 기술되어 있다. 올바른 간격은 펀치보다 약간 큰 구멍을 생성하여, 프레스 피트를 슬립 피트로 전환한다. 동일한 소재에서 전통적인 측면당 5% 간격과 그들의 설계 간격을 비교한 공개 자료에 따르면, 좁은 설정에서는 백만 개당 유지보수 시간이 41시간이며, 0.060인치 냉간 압연강에 대한 사례 연구에서 간격 조정만으로 펀치 수명이 3배 증가한 것으로 나타났다.

이것을 다른 승수들과 비교해 보자. 올바른 간격은 약 2-3배의 기여를 한다. PM 기질은 6-10배, 적절한 코팅은 2-4배를 기여한다. 윤활유를 사용하여 건식 가공 대신 작동하면 0.4-0.6의 불이익을 피할 수 있다. 이것들이 정확히 곱해지지는 않으며, 100배의 개선을 주장할 수는 없지만, 잘못된 사양의 공구를 사용하여 간격이 좁은 다이에서 건식 가공하는 것과 올바르게 사양화된 공구를 사용하는 것 사이의 격차는 거의 한 수준에 가깝다. 이 격차의 대부분은 주문 시점에서 비용이 들지 않는 결정으로 좁혀진다.

부스바 관련 두 가지 특정 함정이 있다. 두꺼운 바의 작은 구멍은 큰 불이익을 수반하며, PASS는 절단 특성이 소재 두께의 1.5배 미만인 경우 0.6-0.8의 저감 계수를, 1.0배 미만인 경우 0.3-0.5의 저감 계수를 발표했다. 12mm 구리의 M12 구멍은 후자 범위에 정확히 해당한다. 또한, 경질 템퍼 바는 반경질 바보다 공구에 더 가혹하므로, 조달부서의 템퍼 대체는 몇 주 후에 공구 수명 문제로 표면화된다. 이것이 EN 13601에 명시된 템퍼를 공급자에게 요구하는 이유 중 하나이다. 간격 측면은 구리 및 알루미늄 부스바의 펀치-다이 간격에서 전체적으로 다루고 있으며, 힘 측면은 부스바 펀칭력 계산기에서 다룬다.

윤활

건식 가공은 도구 수명을 약 절반으로 줄인다. PASS가 발표한 시트 윤활 미사용 계수는 0.4-0.6이며, 구리는 공구강에 쉽게 부착된다.

여기에는 갈등이 있다. 슬러그와 펀치 면 사이의 오일 필름 부착은 인식된 슬러그 끌림 메커니즘 중 하나이며, '가공유를 사용하지 마십시오'는 공구 공급업체 자체의 슬러그 끌림 해결 목록에도 나와 있다. 슬러그 끌림을 치료하기 위해 윤활유를 제거하는 것은 작동하지만, 잘못된 교환이다. 슬러그 유지 문제는 기계적으로 해결하고, 윤활유를 유지하고, 도구 수명을 확보해야 한다. 그런 다음 후속 결과를 고려해야 한다: 관절면의 윤활유 잔류물은 도금, 띠밍 또는 조립 전 오염 문제이며, 청소 단계는 공정에 포함되어야 하며 검사 시 발견되어서는 안 된다.

슬러그 끌림

끌려온 슬러그는 펀칭에서 가장 비용이 많이 드는 일상적인 사건이다. 펀치와 함께 올라와 바 위에 착지하고, 다음 스트로크에서 표면으로 밀려 들어간다. 최선의 경우, 바에 흔적이 남고 재작업이 필요하다. 최악의 경우, 펀치가 깨지고, 다이가 손상되며, 해당 길이가 폐기된다.

구리에서의 메커니즘은 휘어진 슬러그와 펀치 면 사이의 진공 부착, 오일 필름 부착, 및 버의 가장자리 압력 결합이다. 표준 목록의 네 번째인 자기 부착은 해당하지 않는다. 대응책은 대략 해결 빈도 순으로 다음과 같다:

• 펀치 내側면 환기구가 있는 스프링 로드 이젝터 핀: 핀이 슬러그를 밀어내고, 환기구가 진공을 끊는다. 이것이 넉넉한 간격을 사용 가능하게 하는 요소이다.
• 슬러그 유지 다이 형상: 약간 좁은 릴리프가 뒤따르는 짧은 절단 랜드가 슬러그를 잡아 다시 올라가지 못하게 한다.
• 펀치 면의 전단 각도: 슬러그를 휘게 하여 자체 스프링백으로 분리되도록 한다.
• 하단 스트로크에서 다이로의 펀치 진입 제한: 깊은 진입은 이탈 시 더 많은 진공을 생성하기 때문이다.
• 공구 중심을 통한 압축 공기.

도구 수명을 확보하기 위해 간격을 늘리면 슬러그 끌림 경향이 증가한다. 이젝터 핀이 그 교환을 가능하게 하는 요소이다.

모델 사용법

네 가지 항목에 실제 기계 가공 단가, 공구 단가, 구매 단가를 입력하면 비용 구조가 명확해집니다. 대부분의 부스바 가공에서 기계 가공 시간이 전체 비용의 대부분을 차지하므로, 구매 단가보다 가공 속도와 셋업 시간이 더 중요합니다. 200회/분 속도의 24공정 센터는 공구 선택보다 천공 단가를 훨씬 더 낮출 수 있으며, 400 또는 600kN 펀칭기는 빠른 공구 교환으로 더 낮은 가격의 기계보다 공구비 절감 효과가 더 큽니다. 공구 선택은 이후에 중요해지는데, 그 이유는 기계를 멈추지 않고 DIN 43673-1 규격에 맞게 공정 한계 내에서 천공을 유지하고, 스크랩을 줄일 수 있기 때문입니다.

공구 하나당 세 가지 수치를 추적하면 모델의 정확도가 유지됩니다. 재연마 후 사용 횟수, 첫 제품의 버 높이, 교환 시점의 버 높이, 그리고 남은 연마량입니다. 이 수치를 한 번도 측정한 적 없는 현장이라면, 첫 제품의 버 높이부터 측정하면 됩니다. 가장 저렴한 측정 방법이며, 나머지 측정의 기초가 됩니다.

버 허용치가 엄격할 경우, 공구를 교체하며 천공 품질을 높이려 하기보다 후공정에서 제거하는 것이 비용 효율적입니다. 전용 기계에서의 버 제거 공정은 버 없는 천공을 위해 공구 수명을 소진하는 것보다 미터당 비용이 저렴하며, 반복성도 우수합니다.