Vida da ferramenta e custo por furo no puncionamento de barramento

Pergunte a uma oficina de barramento quanto custa um furo puncionado e você normalmente recebe o preço do punção dividido por um número de que alguém se lembra. Esse valor quase sempre é alto demais como parcela do total, e esconde os dois termos que dominam. Trabalhar o modelo até o fim muda o que você otimiza.

O modelo

custo por furo = (custo da ferramenta + n × custo da retífica) / total de furos na vida da ferramenta
               + taxa horária de máquina × tempo de ciclo
               + parada para troca de ferramenta rateada por furo
               + custo de sucata rateado por furo

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

Um exemplo trabalhado

Tome um jogo de punção e matriz redondos de 13 mm furando passagens para M12 em cobre meio-duro de 10 mm em uma máquina rodando 150 golpes por minuto. Toda taxa abaixo é ilustrativa e deve ser substituída pelas suas; o que importa é a estrutura e os tamanhos relativos, não os valores absolutos.

Comece pelo ferramental. Um jogo de punção e matriz em aço rápido M2 a € 220. Retífica a € 30, incluindo manuseio, inspeção e recalço. Oito retíficas antes de o punção esgotar o comprimento de retífica. Vida entre retíficas de 30 000 golpes, que é o valor a verificar com o seu fornecedor de ferramental para o seu material, a sua máquina e a sua folga.

total de furos       = 9 intervalos × 30 000 = 270 000
custo de ferramental = (220 + 8 × 30) / 270 000 = € 0.0017 por furo

Depois o tempo de máquina. A € 55 por hora com tudo incluído e 150 golpes por minuto, cada furo ocupa 0.4 segundo.

custo de máquina = 55 / 3600 × 0.4 = € 0.0061 por furo

Depois a parada. Nove trocas de ferramenta a 12 minutos cada dão 1.8 hora de produção perdida.

custo de parada = 1.8 × 55 / 270 000 = € 0.00037 por furo

Por fim, a sucata. Um comprimento de 3 m de cobre 100 × 10 mm pesa 26.9 kg. A um preço de cobre de € 9/kg, essa barra vale € 242 só como matéria-prima, antes de qualquer processamento já investido nela. Suponha que uma barra a cada quatro vidas de ferramenta se perca por um recorte que voltou, uma aresta que desabou ou uma rebarba fora do limite de desenho.

custo de sucata = 242 / 4 / 270 000 = € 0.00022 por furo

O total dá cerca de € 0.0084, ou 0.84 centavo de euro por furo. O ferramental é 20% disso. O tempo de máquina é 73%.

O punção não é onde está o dinheiro. De forma mais crua: uma única barra sucateada a € 242 custa o mesmo que todo o consumo de ferramental de aproximadamente 142 000 furos. A vida da ferramenta importa principalmente porque vida curta produz furos ruins, e furos ruins produzem sucata e retrabalho. Não importa muito por punções serem caros.

Materiais de punção

Quatro famílias cobrem essencialmente todo o trabalho de barramento.

Aço-ferramenta para trabalho a frio D2, tipicamente 60-62 HRC. Barato, dimensionalmente estável, adequado para material fino ou mole e corridas curtas. Em cobre grosso a resistência da aresta fica no limite e o lascamento sob choque de rompimento é a falha usual. Fornecedores que oferecem D2 e M2 direcionam o D2 para chapa fina, quantidades pequenas 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 de atrito gerado no flanco do punção. As notas de material de punção da Anchor Danly descrevem o M2 como adequado a corridas longas em que a resistência à abrasão é o requisito principal. Para a maioria das oficinas de barramento, esta é a linha de base.

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

correspondente ao número de material 1.3395. Química semelhante à do M2, mas com carbonetos muito mais finos e distribuídos de forma mais uniforme, o que eleva a resistência ao desgaste sem a penalidade de tenacidade que normalmente se pagaria. A PASS Stanztechnik publica um fator de vida de ferramenta de 6.0-10.0 para o seu aço de punção PM contra a sua linha de base. É um multiplicador grande vindo de um componente que custa talvez 1.5 a 2.5 vezes um punção convencional.

Metal duro (carboneto de tungstênio). A maior resistência ao desgaste por larga margem, e a resposta errada para a maior parte do puncionamento de barramento. O metal duro é frágil, e o rompimento em cobre de 10-20 mm entrega exatamente o carregamento de choque invertido de que ele não gosta. Exige guiamento rígido, folga precisa e controle limpo do recorte antes de sobreviver. Ele se justifica em volume muito alto com um único tamanho de furo, ou em material abrasivo, e nenhuma dessas coisas descreve o trabalho típico de conjuntos de manobra.

Encaixe a escolha no modelo de custo em vez de discuti-la no abstrato. No exemplo acima, passar de M2 para aço PM a € 420 pelo jogo com fator de vida de 6× dá:

total de furos       = 9 × 180 000 = 1 620 000
custo de ferramental = (420 + 8 × 40) / 1 620 000 = € 0.00046 por furo

O custo de ferramental por furo cai aproximadamente três quartos, e o termo de parada cai pelo mesmo fator, porque há um sexto das trocas de ferramenta para a mesma produção. O punção custar quase o dobro é irrelevante.

Revestimentos

Um revestimento PVD são alguns micrometros de cerâmica no flanco e na face. Ele eleva a dureza superficial muito acima do substrato e muda o comportamento de atrito e de adesão na interface. Em cobre, é atrito e adesão o que você está comprando.

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

O TiN é a referência de uso geral. O TiCN é mais duro e melhor em trabalho abrasivo, mas o 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 em usinagem e não compra absolutamente nada em barramento de cobre, onde a ferramenta nunca se aproxima dessas temperaturas.

Para cobre e alumínio, o modo de falha é adesão e engripamento, 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 película seca de dissulfeto de molibdênio ou tungstênio, que derruba o coeficiente de atrito de cerca de 0.35 para cerca de 0.15. Menos atrito no flanco significa menos força de retirada, e é na retirada que acontece boa parte do desgaste. A PASS cita um fator de vida de ferramenta de 2.0-4.0 para um revestimento adequado, com a ressalva de que ele deve ser casado ao material da peça, e não escolhido genericamente.

Duas restrições práticas. O PVD deposita em torno de 375 °C, abaixo da temperatura de revenimento do M2 temperado, então não amolece o substrato; o CVD deposita perto de 1050 °C e exige que a ferramenta seja retemperada depois, e é por isso que o CVD vive em pastilhas e ferramentas pesadas de conformação, e não em punções de precisão. E o revestimento da face se perde na primeira retífica. O revestimento do flanco sobrevive, que é onde está a maior parte do benefício, então um punção revestido já retificado ainda supera um sem revestimento, mas confira a economia de revesti-lo de novo contra a vida de retífica restante.

Sobremetal de retífica e quantas retíficas você consegue

A vida de retífica é o comprimento total que pode ser removido da ponta do punção por afiação. Ela é fixada pela geometria, não pelo desgaste:

vida de retífica = SBR − (espessura do material + penetração na matriz + espessura do extrator)

em que SBR é o comprimento reto antes do raio, a distância da ponta até onde o punção começa a alargar para o seu corpo. Retifique além disso e o punção não passará mais pelo extrator ou não produzirá mais o furo certo. A penetração na matriz é o quanto o punção tem de entrar na matriz no fundo do curso para soltar o recorte, normalmente de alguns décimos até cerca de 3 mm conforme o sistema de ferramental.

O número de retíficas é a vida de retífica disponível dividida pelo sobremetal removido por retífica. A remoção é tipicamente de 0.1-0.3 mm, o suficiente para tirar a faixa de desgaste e um pouco de metal limpo abaixo dela, de modo que um punção com 3 mm de comprimento útil de retífica suporta, no papel, algo entre 10 e 30 retíficas. Na prática você consegue menos, porque um punção levado muito além do seu limite de desgaste precisa de 0.5 mm ou mais removidos, e porque cada retífica exige que o comprimento do punção seja restabelecido com calços ou ajuste de cabeça até o empilhamento de tolerâncias se esgotar. Cada um desses valores depende do sistema de ferramental e da geometria do punção, então confirme-os contra os dados do seu fornecedor em vez de adotar os números daqui.

Retifique a úmido, sempre. Retificar a seco ou com refrigeração insuficiente pode trincar ou recozer a aresta de corte e destruir o punção que você tentava salvar. Remova a rebarba de retífica com uma pedra fina, limpe o refrigerante, lubrifique na montagem e restabeleça o comprimento do punção.

A faixa de desgaste como gatilho de retífica

A aresta de corte não fica afiada e de repente falha. Ela desenvolve um pequeno chanfro plano, a faixa de desgaste, que cresce constantemente e muda o corte muito antes de o punção ficar inutilizável. Uma vez que existe uma faixa mensurável, mais do material está sendo deformado em vez de cisalhado, então a força sobe, o arredondamento de borda cresce, a rebarba cresce e o furo deriva.

Medir a faixa diretamente significa tirar o punção e colocá-lo sob um microscópio ou um projetor de perfil. Faça isso periodicamente para calibrar o seu julgamento; não é controle de produção. Uma faixa na região de 0.2-0.4 mm é um gatilho comum de retífica, e vale confirmar o valor com o seu fornecedor para a ferramenta específica. Em produção, os gatilhos práticos são os sintomas: altura de rebarba contra o limite de desenho, que os fornecedores dizem explicitamente ser o determinante normal do momento da retífica e é o indicador precoce mais sensível; crescimento do arredondamento de borda medido contra uma amostra de primeira peça guardada; deriva de dimensão e de posição do furo; empenamento da peça; e aumento da pressão da prensa ou da corrente do motor no golpe.

A disciplina que importa é retificar cedo. Um punção pego com 0.2 mm de faixa de desgaste precisa de 0.15 mm removidos e volta ao trabalho. O mesmo punção levado até a aresta desabar precisa de 0.5 mm ou é sucata, e tudo o que ele produziu no meio-tempo é suspeito.

A alavanca da folga

De tudo o que está neste artigo, a folga entre punção e matriz move a vida da ferramenta mais do que qualquer outra variável isolada, e não custa nada acertá-la.

O mecanismo está na retirada, não no corte. Quando a folga é apertada demais, o cobre retorna elasticamente sobre o flanco do punção após o rompimento e todo golpe termina em um ajuste com interferência que precisa ser forçado para fora. Os dados de campo da Dayton Lamina atribuem até dois terços do desgaste total do punção à retirada, e descrevem a folga apertada produzindo um furo menor que a ponta do punção, com o calor de atrito descolorindo o metal atrás da ponta e danificando o tratamento térmico. A folga correta produz um furo ligeiramente maior que o punção, convertendo um ajuste com interferência em um ajuste deslizante. A comparação publicada por eles entre uma folga tradicional de 5% por lado e a folga de engenharia deles no mesmo material relata 41 horas de manutenção por milhão de peças no ajuste apertado, com um estudo de caso em aço laminado a frio de 0.060 in mostrando triplicação da vida do punção apenas pela folga.

Compare isso com os outros multiplicadores. A folga correta contribui com aproximadamente 2-3×. O substrato PM contribui com 6-10×. Um revestimento adequado contribui com 2-4×. Rodar com lubrificante em vez de a seco evita uma penalidade de 0.4-0.6. Esses fatores não se multiplicam de forma limpa, e ninguém deve alegar melhoria de cem vezes, mas a diferença entre uma ferramenta mal especificada em uma matriz com folga errada rodando a seco e uma bem especificada chega perto de uma ordem de grandeza. A maior parte dessa diferença se fecha com decisões que não custam nada no momento do pedido.

Duas armadilhas específicas de barramento. Furos pequenos em barra grossa carregam uma penalidade pesada, com a PASS publicando fatores de redução de 0.6-0.8 para um detalhe cortado menor que 1.5 vez 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 cai exatamente nessa segunda faixa. E barra de têmpera dura castiga mais o ferramental que a meio-dura, então uma substituição de têmpera feita por compras aparece como problema de vida de ferramenta semanas depois. Essa é uma razão para cobrar do fornecedor uma têmpera declarada sob a EN 13601. O lado da folga é tratado por inteiro em folga entre punção e matriz para barramento de cobre e alumínio, e o lado da força na calculadora de força de furo em barramento.

Lubrificação

Rodar a seco custa aproximadamente metade da sua vida de ferramenta. O fator publicado pela PASS para ausência de lubrificação de chapa é 0.4-0.6, e o cobre adere com facilidade ao aço-ferramenta.

Há um conflito aqui. A adesão por película de óleo entre o recorte e a face do punção é um dos mecanismos reconhecidos de retorno do recorte, e "não usar óleo de processo" aparece nas próprias listas de remédios contra retorno do recorte dos fornecedores de ferramental. Remover o lubrificante para curar o retorno do recorte funciona, e é a troca errada. Resolva a retenção do recorte mecanicamente, mantenha o lubrificante, fique com a vida de ferramenta. Depois considere a consequência a jusante: resíduo de lubrificante em uma face de junta é um problema de contaminação antes de revestir, estanhar ou montar, e a etapa de limpeza pertence ao processo, em vez de ser descoberta na inspeção.

Retorno do recorte

Um recorte que volta é o evento rotineiro mais caro do puncionamento. Ele sobe com o punção, pousa sobre a barra e é prensado na superfície no golpe seguinte. No melhor caso, uma barra marcada e um retrabalho. No pior, um punção lascado, uma matriz danificada e um comprimento sucateado.

Os mecanismos em cobre são a adesão por vácuo entre o recorte abaulado e a face do punção, a adesão por película de óleo e a ligação por pressão de aresta a partir de rebarbas. A adesão magnética, a quarta da lista padrão, não se aplica. As contramedidas, aproximadamente em ordem de quantas vezes resolvem:

• Pino ejetor com mola e furo lateral de respiro no punção. O pino empurra o recorte; o respiro quebra o vácuo. É isso que torna utilizável uma folga generosa.
• Geometria de matriz com retenção do recorte, um assento de corte curto seguido de um alívio ligeiramente mais estreito que segura o recorte para que ele não suba de volta.
• Ângulo de cisalhamento na face do punção, que abaúla o recorte para que o próprio retorno elástico dele o solte.
• Restringir a entrada do punção na matriz no fundo do curso, já que entrada profunda cria mais vácuo na retirada.
• Ar comprimido pelo centro da ferramenta.

Aumentar a folga para comprar vida de ferramenta aumenta a tendência ao retorno do recorte. O pino ejetor é o que você compra para fazer essa troca.

O que fazer com o modelo

Preencha os quatro termos com a sua taxa horária de máquina, os seus preços de ferramental e a sua cadência de golpes, e depois olhe onde está o dinheiro. Na maior parte do trabalho de barramento o tempo de máquina domina, o que significa que cadência e tempo de setup importam mais que o preço do punção. Um centro de processamento de 24 estações rodando 200 golpes por minuto move o custo por furo mais do que qualquer decisão de ferramental disponível para você, e uma máquina de furo e corte de 400 ou 600 kN com troca rápida de ferramenta o move mais do que um punção mais barato. A escolha de ferramental passa então a importar pela razão de segunda ordem: ela mantém os furos dentro dos limites de desenho para padrões conforme a DIN 43673-1 sem parar a máquina, e mantém barras fora da caixa de sucata.

Acompanhe três números por ferramenta e o modelo continua honesto: golpes desde a última retífica, altura de rebarba na primeira peça e no ponto de gatilho, e comprimento de retífica restante. Para uma oficina que nunca mediu nenhum deles, comece pela altura de rebarba na primeira peça. É a medição mais barata do prédio e é ela que puxa o resto.

Onde o limite de rebarba for apertado, elimine-a a jusante em vez de correr atrás dela com ferramental. Uma passada de rebarbação em uma máquina dedicada custa menos por metro do que a vida de ferramenta que você sacrificaria tentando puncionar um furo sem rebarba, e é repetível.