Vida da ferramenta e custo por furo no puncionamento de barramento

Oficinas de processamento de barramento frequentemente calculam o custo do furo perfurado dividindo o preço da ferramenta por uma quantidade lembrada — uma cifra que tipicamente superestima a parcela da ferramenta no custo total e obscurece os dois termos dominantes. Analisar o modelo muda o que é otimizado.

O modelo

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

Quatro termos. O primeiro é o que as pessoas chamam de "custo da ferramenta". O segundo geralmente é três a cinco vezes maior. O terceiro é pequeno, mas responde fortemente à escolha da ferramenta. O quarto é pequeno em média e catastrófico nos extremos.

Um exemplo prático

Considere um conjunto de punção e matrices de 13 mm redondo para perfurar furos de pregação M12 em cobre de 10 mm, meio endurecido, em uma máquina operando a 150 golpes por minuto. Todas as taxas abaixo são ilustrativas e devem ser substituídas por valores reais da oficina; o ponto é a estrutura e os tamanhos relativos, não os valores absolutos.

Começar com a ferramenta. Um conjunto de punção e matrizes de aço高速度 (高速度?) M2 a €220. Retífica a €30 incluindo manuseio, inspeção e remontagem. Oito retíficas antes da punção atingir o comprimento máximo de rebarbação. Vida útil entre retíficas de 30.000 golpes, que é a cifra que precisa ser verificada com o fornecedor da ferramenta para o material, máquina e pregação específicos.

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

Tempo de máquina a seguir. A €55 por hora tudo incluso e 150 golpes por minuto, cada furo ocupa 0,4 segundos.

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

Depois, tempo de inatividade. Nove trocas de ferramentas de 12 minutos cada resultam em 1,8 horas de produção perdida.

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

Finalmente, refugo. Um comprimento de 3 m de cobre 100 × 10 mm pesa 26,9 kg. A um preço do cobre de €9/kg, essa barra vale €242 apenas como matéria-prima, antes de qualquer processamento já investido nela. Suponha que uma barra em cada quatro vidas da ferramenta seja perdida devido a um lote arrancado, uma borda colapsada ou rebarba que excede o limite do desenho.

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

Isso totaliza cerca de €0,0084, ou 0,84 centavos de euro por furo. A ferramenta representa 20% do total. O tempo de máquina é 73%.

A punção não é onde está o dinheiro. Uma única barra refugada a €242 custa o mesmo que todo o consumo de ferramentas para cerca de 142.000 furos. A vida útil da ferramenta importa principalmente porque vida útil curta produz furos ruins, e furos ruins produzem refugo e retrabalho. Não importa muito porque as punções são caras.

Materiais de punção

Quatro famílias cobrem essencialmente todo o trabalho com barramento.

Aço-ferramenta D2 para trabalho a frio, tipicamente 60-62 HRC. Barato, dimensionalmente estável, adequado para material fino ou macio e curtas séries. Em cobre grosso, a resistência da borda é marginal e o lascamento sob choque de snap-through é a falha habitual. Fornecedores que oferecem tanto D2 quanto M2 direcionam o D2 para chapas finas, pequenas quantidades e casos em que uma mudança de projeto é provável.

Aço rápido convencional M2, 60-63 HRC. O padrão. Melhor resistência à abrasão, resistência ao impacto e tenacidade que o D2, e tolera o calor gerado pelo atrito no flanco da puncão. As notas de material de puncão da Anchor Danly descrevem o M2 como adequado para longas séries onde a resistência à abrasão é o principal requisito. Para a maioria das oficinas de barramento, esta é a referência.

Aço rápido de metalurgia do pó: ASP 2023, PM 23, graus Vanadis e equivalentes, muitos deles com química M3

e número de material 1.3395. Química semelhante ao M2, mas os碳etos são muito mais finos e uniformemente distribuídos, o que aumenta a resistência ao desgaste sem o custo de tenacidade normalmente pago. A PASS Stanztechnik publica um fator de vida útil de 6.0-10.0 para seu aço rápido PM em comparação com sua referência. Isso é um grande multiplicador para um componente que custa talvez 1,5 a 2,5 vezes o preço de uma puncão convencional.

Carbeto de tungstênio. A maior resistência ao desgaste por ampla margem, e a resposta errada para a maioria do furo de barramento. O carbeto é frágil, e o snap-through em cobre de 10-20 mm exatamente o carregamento de choque reverso que ele não suporta. Precisa de guia rígida, folga precisa e controle limpo de rebarbas antes de sobreviver. Encontra seu lugar em volumes muito altos com um único tamanho de furo, ou em material abrasivo, nenhum dos quais descreve o trabalho típico com quadros de comando.

A escolha deve ser encaixada no modelo de custo em vez de ser discutida em abstrato. No exemplo acima, passar de aço M2 para PM a €420 para o conjunto com um fator de vida de 6× dá:

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

O custo de ferramental por furo cai aproximadamente três quartos, e o item de inatividade cai pelo mesmo fator porque há um sexto das trocas de ferramental para a mesma produção. O fato da puncão custar quase o dobro é irrelevante.

Revestimentos

Um revestimento PVD é alguns mícrons de cerâmica no flanco e na face. Eleva a dureza superficial muito acima do substrato e altera o comportamento de atrito e adesão na interface. No cobre, o atrito e a adesão são o que importa.

Dados publicados por uma empresa comercial de revestimento dão o seguinte, e os números são representativos e não universais:

TiN é o referencial de uso geral. TiCN é mais duro e melhor em trabalho abrasivo, mas seu limite de trabalho de 400 °C é o menor da tabela. A capacidade de 900 °C do AlTiN é o que o torna valioso na usinagem, e não traz benefício algum no barramento de cobre, onde a ferramental nunca se aproxima dessas temperaturas.

Para cobre e alumínio, o modo de falha é adesio e travamento, não amolecimento térmico. Isso aponta para as opções de baixo atrito: um revestimento à base de cromo, ou qualquer revestimento com uma camada superior de filme seco de dissulfeto de molibdênio/tungstênio, que reduz o coeficiente de atrito de aproximadamente 0,35 para aproximadamente 0,15. Menos atrito na face lateral resulta em menor força de extração, e a extração é onde ocorre grande parte do desgaste. A PASS cita um fator de vida útil da ferramenta de 2,0-4,0 para um revestimento apropriado, com a ressalva de que ele deve ser combinado com o material da peça, e não escolhido genericamente.

Duas restrições práticas. A deposição por PVD ocorre em torno de 375 °C, abaixo da temperatura de revenido do M2 temperado, portanto não amolece o substrato; a deposição por CVD ocorre próxima a 1050 °C e requer o re-temperamento da ferramenta depois, o que é por que o CVD persiste em inserts e ferramentas de conformação pesada, em vez de punções de precisão. E o revestimento da face é perdido na primeira vez que o reafluxo ocorre. O revestimento lateral sobrevive, que é onde fica a maior parte do benefício, então um punção reafluxado e revestido ainda supera um não revestido, mas a economia de re-revestimento versus a vida útil restante do reafluxo deve ser verificada.

Material de reafluxo e quantos reafluxos são possíveis

A vida útil do reafluxo é o comprimento total que pode ser removido da ponta do punção pelo afiamento. É determinada pela geometria, não pelo desgaste:

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

onde SBR é o comprimento reto antes do raio, a distância da ponta até onde o punção começa a se alargar em direção ao seu corpo. Afluxar além disso fará com que o punção não passe mais pelo desengaxante ou não produza mais o furo correto. A penetração da matriz é a quantidade que o punção deve entrar na matriz no fundo da corrida para romper a aba, geralmente algumas décimas até cerca de 3 mm, dependendo do sistema de ferramental.

O número de reafluxos é a vida útil de reafluxo disponível dividida pela remoção de material por reafluxo. A remoção é tipicamente de 0,1-0,3 mm, suficiente para remover a borda de desgaste e um pouco de metal limpo abaixo dela, então um punção com 3 mm de comprimento de reafluxo utilizável suporta em torno de 10-30 reafluxos na teoria. Na prática, menos são alcançados, porque um punção utilizado além do seu limite de desgaste precisa de 0,5 mm ou mais removidos, e porque cada reafluxo requer que o comprimento do punção seja restaurado com calços ou ajuste de cabeça até que a tolerância acumulada se esgote. Cada uma dessas figuras depende do sistema de ferramental e da geometria do punção, então confirme-as com os dados do fornecedor em vez de adotar os números aqui.

Afluxe sempre com líquido de corte. Afxoamento a seco ou com refrigeração inadequada pode rachar ou empernar a borda de corte e destruir o punção. Remova a rebarba de afluxamento com uma pedra fina, limpe o líquido de corte, lubrifique na montagem e restabeleça o comprimento do punção.

Borda de desgaste como gatilho para reafluxo

A borda de corte não permanece afiada e então falha subitamente. Ela desenvolve uma pequena aba plana, a borda de desgaste, que cresce constantemente e altera o corte muito antes do punção ficar inutilizável. Uma vez que uma borda mensurável existe, mais do material está sendo deformado do que cortado, então a força aumenta, o retorno aumenta, a rebarba aumenta e o furo desvia.

Medir a borda diretamente significa retirar o punção e colocá-lo sob um microscópio ou comparador. Faça isso periodicamente para calibrar o julgamento; não é um controle de produção. Uma borda na faixa de 0,2-0,4 mm é um gatilho comum para reafluxo, e confirme o valor com o fornecedor para a ferramenta específica. Em produção, os gatilhos práticos são os sintomas: altura da rebarba em relação ao limite da desenho, o que os fornecedores são explícitos em dizer que é o determinante normal do tempo de reafluxo e é o indicador mais sensível e precoce; crescimento do retorno medido em relação a uma amostra inicial retida; desvio de dimensão e posição do furo; empenamento da peça; e aumento da pressão ou corrente do motor no acionamento da prensa.

A disciplina que importa é afluxar cedo. Um punção detectado com 0,2 mm de borda de desgaste precisa de 0,15 mm removidos e volta ao trabalho. O mesmo punção utilizado até que a borda colapse precisa de 0,5 mm ou é sucata, e tudo que ele produziu no meio-termo é suspeito.

A alavanca de folga

Dentre todos os fatores, a folga entre punção e matriz é o que mais prolonga a vida útil da ferramenta, e não custa nada para ajustá-la corretamente.

O mecanismo é na retirada, não no corte. Quando a folga é apertada, o cobre retorna sobre a lateral do punção após o rompimento e cada golpe termina em uma interferência que precisa ser forçada para sair. Dados de campo da Dayton Lamina atribuem até dois terços do desgaste total do punção à retirada e descrevem que a folga apertada produz um furo menor que a ponta do punção, com calor por fricção descolorindo o metal atrás da ponta e danificando o tratamento térmico. A folga correta produz um furo ligeiramente maior que o punção, transformando um ajuste por interferência em um ajuste por deslizamento. A comparação publicada por eles entre uma folga tradicional de 5% por lado e sua folga projetada no mesmo material relata 41 horas de manutenção por milhão de peças para a configuração apertada, com um estudo de caso em aço carbono laminado a frio de 0,060 polegadas mostrando um triplo aumento na vida útil do punção apenas com a folga.

Comparando com os outros multiplicadores. A folga correta contribui com cerca de 2-3×. O substrato de metal-sinterizado contribui com 6-10×. Um revestimento apropriado contribui com 2-4×. O uso com lubrificante, em vez de em seco, evita uma penalidade de 0,4-0,6. Esses fatores não se multiplicam de forma limpa, e ninguém deve afirmar uma melhoria de cem vezes, mas a diferença entre uma ferramenta mal especificada em uma matriz com folga incorreta rodando em seco e uma bem especificada é de quase uma ordem de grandeza. A maior parte dessa diferença é eliminada por decisões que não custam nada no momento da compra.

Duas armadilhas específicas para barramento. Furos pequenos em chapas grossas têm uma penalidade pesada, com fatores de redução publicados pela PASS de 0,6-0,8 para um recurso de corte menor que 1,5 vezes a espessura do material e de 0,3-0,5 para um menor que 1,0 vez a espessura; um furo M12 em cobre de 12 mm está claramente nessa segunda faixa. E barramento temperado endurecido é mais desgastante para a ferramentaria que o semireduzido, de forma que uma substituição de tempera pela área de comprimento se manifesta como um problema de vida útil da ferramenta semanas depois. Essa é uma razão para exigir o fornecedor de uma tempera declarada sob EN 13601. O lado da folga é tratado em detalhes em folga entre punção e matriz para barramento de cobre e alumínio, e o lado da força no calculador de força de furação de barramento.

Lubrificação

Rodar em seco custa aproximadamente metade da vida útil da ferramenta. O fator publicado pela PASS para ausência de lubrificação de chapa é 0,4-0,6, e o cobre adere facilmente ao aço de ferramenta.

Existe um conflito aqui. A adesão do filme de óleo entre o rebarbo e a face do punção é um dos mecanismos reconhecidos de arrancamento de rebarbos, e "não usar óleo de processamento" aparece nas próprias listas de fornecedores de ferramentaria como remédio para arrancamento de rebarbos. Remover o lubrificante para curar o arrancamento funciona, e é a troca errada. A retenção do rebarbo deve ser corrigida mecanicamente, mantendo-se o lubrificante para preservar a vida da ferramenta. Em seguida, deve-se considerar a consequência a jusante: resíduo de lubrificante em uma face de junta é um problema de contaminação antes da galvanização, estanho ou montagem, e a etapa de limpeza pertence ao processo em vez de ser descoberta na inspeção.

Arrancamento de rebarbos

Um rebarbo arrancado é o evento rotineiro mais caro na perfuração. Ele sobe com o punção, pousa na chapa e é empurrado para a superfície no próximo golpe. Caso melhor, uma chapa marcada e retrabalho. Caso pior, um punção trincado, uma matriz danificada e um comprimento descartado.

Os mecanismos no cobre são adesão por vácuo entre o rebarbo curvo e a face do punção, adesão do filme de óleo e soldagem por pressão nas bordas causada por rebarbos. A adesão magnética, a quarta na lista padrão, não se aplica. As contramedidas, mais ou menos em ordem de frequência de solução:

• Pino ejetor com mola e furo de ventilação lateral no punção. O pino empurra o rebarbo para fora; a ventilação rompe o vácuo. Isso é o que torna a folga generosa utilizável.
• Geometria de matriz de retenção de rebarbos, um curto terço de corte seguido de um alívio ligeiramente mais estreito que segura o rebarbo para que ele não possa subir de volta.
• Ângulo de cisalhamento na face do punção, que curva o rebarbo para que sua própria retorno elástico o libere.
• Restrição da entrada do punção na matriz no fundo do curso, pois uma entrada profunda cria mais vácuo na retirada.
• Ar comprimido através do centro da ferramenta.

Aumentar a folga para ganhar vida útil da ferramenta aumenta a tendência de arrancamento de rebarbos. O pino ejetor é o que permite fazer essa troca.

Increasing clearance to buy tool life increases the slug-pulling tendency. The ejector pin is what buys the ability to take that trade.

O que fazer com o modelo

Preencha os quatro termos com as taxas reais da máquina, preços de ferramental e taxa de impactos, e analise onde o custo se concentra. Na maioria dos processos de barramento, o tempo de máquina domina, o que significa que a taxa de impactos e o tempo de setup importam mais do que o preço do puncionamento. Um centro de processamento de 24 estações operando a 200 impactos por minuto reduz o custo por furo mais do que qualquer decisão de ferramental disponível, e uma puncionadeira de corte e dobra de 400 ou 600 kN com troca rápida de ferramental reduz mais do que uma puncionadeira mais barata. A escolha do ferramental então importa por um motivo secundário: mantém os furos dentro dos limites do desenho para padrões DIN 43673-1 sem parar a máquina, e mantém as barras fora do contentor de sucata.

Acompanhe três números por ferramental e o modelo permanece honesto: impactos desde o último refilete, altura do rebarba na primeira peça e no ponto de disparo, e comprimento restante de refilete. Para uma oficina que nunca mediu nenhum deles, comece com a altura do rebarba na primeira peça. É a medição mais barata na planta e impulsiona as demais.

Quando o limite de rebarba é apertado, remova-o downstream em vez de persegui-lo com ferramental. Uma passada de desbaste em uma máquina dedicada custa menos por metro do que a vida útil do ferramental que seria sacrificada tentando puncionar um furo sem rebarba, e é repetível.