Стойкость инструмента и себестоимость отверстия при пробивке шин

Спросите в цехе обработки шин, во что обходится пробитое отверстие, и вам, как правило, назовут цену пуансона, делённую на число, которое кто-то помнит. Как доля от общей суммы эта величина почти всегда завышена, и она скрывает два слагаемых, которые в ней и главенствуют. Если довести модель до конца, меняется то, что вы оптимизируете.

Модель

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

Четыре слагаемых. Первое — это то, что называют «стоимостью инструмента». Второе обычно в три-пять раз больше. Третье мало, но сильно отзывается на выбор инструмента. Четвёртое мало в среднем и катастрофично в хвосте распределения.

Расчётный пример

Возьмём комплект круглого пуансона и матрицы 13 mm, пробивающий отверстия под болт M12 в полутвёрдой меди толщиной 10 mm на станке с частотой 150 ударов в минуту. Все расценки ниже приведены для иллюстрации, и их следует заменить на свои; смысл в структуре и в соотношении величин, а не в абсолютных цифрах.

Начнём с инструмента. Комплект пуансона и матрицы из быстрорежущей стали M2 за €220. Переточка €30 с учётом обращения, контроля и повторной подгонки прокладок. Восемь переточек до того, как у пуансона закончится длина под переточку. Стойкость между переточками 30 000 ударов — и это как раз та величина, которую нужно подтвердить у поставщика инструмента применительно к вашему материалу, станку и зазору.

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

Дальше станочное время. При €55 в час со всеми составляющими и 150 ударах в минуту одно отверстие занимает 0,4 секунды.

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

Затем простой. Девять смен инструмента по 12 минут — это 1,8 часа потерянного производства.

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

Наконец, брак. Отрезок медной шины 100 × 10 mm длиной 3 m весит 26,9 kg. При цене меди €9/kg эта шина стоит €242 как один только материал, без уже вложенной в неё обработки. Допустим, что на четыре стойкости инструмента приходится одна потерянная шина — из-за затянутой высечки, просевшей кромки или заусенца, выходящего за предел по чертежу.

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

В сумме это примерно €0,0084, то есть 0,84 евроцента на отверстие. На инструмент приходится 20 % от этой суммы. На станочное время — 73 %.

Деньги лежат не в пуансоне. Ещё резче: одна забракованная шина за €242 стоит столько же, сколько весь расход инструмента примерно на 142 000 отверстий. Стойкость инструмента важна прежде всего потому, что низкая стойкость даёт плохие отверстия, а плохие отверстия дают брак и доработку. Она важна не потому, что пуансоны дороги.

Материалы пуансонов

Четыре группы закрывают практически всю работу по шине.

Инструментальная сталь холодной работы D2, как правило 60-62 HRC. Дёшева, размерно стабильна, годится для тонкого или мягкого материала и коротких серий. На толстой меди прочность режущей кромки на пределе, и обычный отказ — скол под ударом обратной нагрузки при пробое. Поставщики, предлагающие и D2, и M2, направляют D2 на тонкий лист, малые партии и случаи, когда вероятно изменение конструкции.

Обычная быстрорежущая сталь M2, 60-63 HRC. Вариант по умолчанию. Лучше D2 по стойкости к истиранию, по ударной стойкости и по вязкости, и она переносит тепло трения, возникающее на боковой поверхности пуансона. В материалах Anchor Danly по материалам пуансонов M2 описана как пригодная для длинных серий, где главное требование — стойкость к истиранию. Для большинства цехов обработки шин это базовый вариант.

Порошковая быстрорежущая сталь: ASP 2023, PM 23, марки Vanadis и аналоги, многие из них по химическому составу M3

с номером материала 1.3395. Состав близок к M2, но карбиды заметно мельче и распределены равномернее, что поднимает износостойкость без той потери вязкости, которой обычно за это платят. PASS Stanztechnik публикует коэффициент стойкости инструмента 6,0-10,0 для своей порошковой стали пуансонов относительно их базового варианта. Это большой множитель для детали, стоящей, возможно, от 1,5 до 2,5 раза дороже обычного пуансона.

Твёрдый сплав. Износостойкость с большим отрывом самая высокая — и для большинства работ по пробивке шины это неверный ответ. Твёрдый сплав хрупок, а пробой меди толщиной 10-20 mm даёт ровно ту ударную обратную нагрузку, которой он не переносит. Чтобы он выжил, нужны жёсткое направление, точный зазор и надёжное управление высечкой. Своё место он оправдывает на очень больших объёмах при одном размере отверстия или на абразивном материале — ни то ни другое не описывает типовую работу по распределительным устройствам.

Подставьте выбор в модель себестоимости, вместо того чтобы спорить о нём отвлечённо. В примере выше переход с M2 на порошковую сталь стоимостью €420 за комплект при коэффициенте стойкости 6× даёт:

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

Стоимость инструмента на отверстие падает примерно на три четверти, и слагаемое простоя падает во столько же раз, потому что при том же выпуске смен инструмента в шесть раз меньше. То, что пуансон почти вдвое дороже, значения не имеет.

Покрытия

Покрытие PVD — это несколько микрон керамики на боковой и торцевой поверхности. Оно поднимает твёрдость поверхности намного выше твёрдости основы и меняет поведение трения и налипания на границе раздела. На меди вы покупаете именно трение и налипание.

Опубликованные данные одного коммерческого центра нанесения покрытий дают следующее, и цифры здесь характерные, а не всеобщие:

TiN — эталон общего назначения. TiCN твёрже и лучше на абразивной работе, но его рабочий предел 400 °C — самый низкий в таблице. Способность AlTiN работать при 900 °C и делает его ценным при резании металлов, а на медной шине она не даёт совершенно ничего, поскольку инструмент к таким температурам и близко не подходит.

Для меди и алюминия механизм отказа — налипание и задиры, а не тепловое разупрочнение. Это указывает на варианты с низким трением: покрытие на основе хрома либо любое покрытие с верхним слоем сухой смазки на дисульфиде молибдена или вольфрама, который снижает коэффициент трения примерно с 0,35 примерно до 0,15. Меньше трения на боковой поверхности — меньше усилие извлечения, а именно при извлечении происходит значительная часть износа. PASS приводит коэффициент стойкости инструмента 2,0-4,0 для подходящего покрытия — с оговоркой, что покрытие следует подбирать под материал заготовки, а не выбирать вообще.

Два практических ограничения. PVD осаждается примерно при 375 °C, ниже температуры отпуска закалённой M2, поэтому основу оно не разупрочняет; CVD осаждается около 1050 °C и требует последующей повторной закалки инструмента — поэтому CVD живёт на сменных пластинах и тяжёлом формующем инструменте, а не на точных пуансонах. И покрытие торца теряется при первой же переточке. Покрытие боковой поверхности сохраняется, а основная польза лежит именно в нём, поэтому переточенный пуансон с покрытием по-прежнему выигрывает у пуансона без покрытия, но экономику повторного нанесения покрытия стоит сверить с оставшейся длиной под переточку.

Запас на переточку и сколько переточек вы получите

Ресурс переточки — это суммарная длина, которую можно снять с рабочего торца пуансона заточкой. Он задан геометрией, а не износом:

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

где SBR — длина прямого участка до перехода к радиусу (straight-before-radius), расстояние от торца назад до места, где пуансон начинает расширяться в тело. Сточите больше — и пуансон либо перестанет проходить сквозь съёмник, либо перестанет давать правильное отверстие. Заглубление в матрицу — это величина, на которую пуансон должен войти в матрицу в нижней точке хода, чтобы отделить высечку; обычно от нескольких десятых до примерно 3 mm в зависимости от инструментальной системы.

Число переточек — это доступный ресурс переточки, делённый на припуск, снимаемый за одну переточку. Снимают, как правило, 0,1-0,3 mm — достаточно, чтобы убрать площадку износа и немного чистого металла под ней, поэтому пуансон с 3 mm полезной длины под переточку на бумаге выдерживает порядка 10-30 переточек. На практике получается меньше, потому что с пуансона, отработавшего далеко за свой предел износа, приходится снимать 0,5 mm и больше, и потому что после каждой переточки длину пуансона нужно восстанавливать прокладками или регулировкой головки — пока не исчерпается размерная цепь допусков. Каждая из этих величин зависит от инструментальной системы и геометрии пуансона, поэтому подтвердите их по данным своего поставщика, а не принимайте приведённые здесь цифры.

Точить всегда с охлаждением. Сухая заточка или недостаточная подача СОЖ способна дать трещину или отжечь режущую кромку и погубить тот самый пуансон, который вы пытались спасти. Заусенец от заточки снимите мелким бруском, СОЖ смойте, при сборке смажьте и восстановите длину пуансона.

Площадка износа как признак к переточке

Режущая кромка не остаётся острой, чтобы затем внезапно отказать. На ней появляется небольшая лыска — площадка износа, — которая равномерно растёт и меняет характер реза задолго до того, как пуансон станет непригодным. Как только площадка становится измеримой, больше материала деформируется, а не срезается: усилие растёт, зона смятия увеличивается, заусенец растёт, а отверстие уходит от размера.

Измерить площадку напрямую — значит снять пуансон и положить его под микроскоп или на компаратор. Делайте это периодически, чтобы выверить собственное суждение; производственным контролем это не является. Площадка порядка 0,2-0,4 mm — распространённый признак к переточке, и эту величину подтвердите у своего поставщика для конкретного инструмента. В производстве практические признаки — это симптомы: высота заусенца относительно предела по чертежу, о которой поставщики прямо говорят, что она и есть обычный определяющий фактор сроков переточки и самый чувствительный ранний показатель; рост зоны смятия относительно сохранённого образца первой детали; уход размера и положения отверстия; коробление детали; рост давления в прессе или тока двигателя на ходе.

Дисциплина, которая здесь важна, — точить рано. С пуансона, пойманного при площадке износа 0,2 mm, нужно снять 0,15 mm, и он возвращается в работу. С того же пуансона, доведённого до разрушения кромки, придётся снять 0,5 mm, либо он идёт в брак, а всё, что он сделал в промежутке, под подозрением.

Рычаг зазора

Из всего, что есть в этой статье, зазор между пуансоном и матрицей сдвигает стойкость инструмента сильнее любой другой одиночной переменной, и правильно его назначить не стоит ничего.

Механизм работает при извлечении, а не при резе. Когда зазор слишком мал, медь после пробоя пружинит на боковую поверхность пуансона, и каждый ход заканчивается посадкой с натягом, которую приходится преодолевать силой. Эксплуатационные данные Dayton Lamina относят к извлечению до двух третей общего износа пуансона и описывают, как малый зазор даёт отверстие меньше рабочего торца пуансона, а тепло трения меняет цвет металла за торцом и повреждает термообработку. Правильный зазор даёт отверстие немного больше пуансона, превращая посадку с натягом в посадку с зазором. Их опубликованное сравнение традиционного зазора 5 % на сторону с их расчётным зазором на том же материале даёт 41 час обслуживания на миллион деталей для малого зазора, а разбор конкретного случая на холоднокатаной стали 0,060 in показывает трёхкратный рост стойкости пуансона за счёт одного лишь зазора.

Сопоставьте это с остальными множителями. Правильный зазор даёт примерно 2-3×. Порошковая основа даёт 6-10×. Подходящее покрытие даёт 2-4×. Работа со смазкой, а не всухую, снимает штраф 0,4-0,6. Перемножаются они не чисто, и заявлять стократное улучшение не следует никому, но разброс между плохо назначенным инструментом в матрице с плохо назначенным зазором, работающим всухую, и правильно назначенным инструментом близок к порядку величины. Большая часть этого разрыва закрывается решениями, которые в момент заказа не стоят ничего.

Две ловушки, характерные именно для шины. Малые отверстия в толстой шине обходятся дорого: PASS публикует поправочные коэффициенты 0,6-0,8 для вырезаемого элемента размером меньше 1,5 толщины материала и 0,3-0,5 — для элемента меньше 1,0 толщины; отверстие под M12 в меди толщиной 12 mm попадает ровно во вторую полосу. И шина в твёрдом состоянии тяжелее для инструмента, чем полутвёрдая, поэтому подмена состояния поставки службой снабжения всплывает несколькими неделями позже как проблема стойкости инструмента. Это одна из причин требовать от поставщика заявленного состояния поставки по EN 13601. Сторона зазора разобрана целиком в материале «Зазор между пуансоном и матрицей для медной и алюминиевой шины», а сторона усилия — в калькуляторе усилия пробивки шины.

Смазка

Работа всухую стоит примерно половины стойкости инструмента. Опубликованный PASS коэффициент для случая без смазки листа — 0,4-0,6, а медь охотно налипает на инструментальную сталь.

Здесь есть противоречие. Прилипание по масляной плёнке между высечкой и торцом пуансона — один из признанных механизмов затягивания высечки, и «не применяйте технологическое масло» стоит в собственных перечнях средств против затягивания высечки у поставщиков инструмента. Убрать смазку, чтобы вылечить затягивание высечки, — работает, и это неверный размен. Удержание высечки решайте механически, смазку сохраните, стойкость инструмента заберите себе. А дальше учтите последствие ниже по потоку: остатки смазки на поверхности стыка — это загрязнение перед нанесением покрытия, лужением или сборкой, и операция очистки должна стоять в техпроцессе, а не обнаруживаться на контроле.

Затягивание высечки

Затянутая высечка — самое дорогое рядовое событие при пробивке. Она поднимается вместе с пуансоном, ложится на шину и на следующем ходе вдавливается в её поверхность. В лучшем случае — отпечаток на шине и доработка. В худшем — скол пуансона, повреждённая матрица и забракованный отрезок.

На меди действуют вакуумное прилипание между выгнутой высечкой и торцом пуансона, прилипание по масляной плёнке и схватывание по кромке под давлением от заусенцев. Магнитное прилипание, четвёртый пункт стандартного перечня, здесь неприменимо. Меры противодействия, примерно в порядке того, как часто они решают вопрос:

• Подпружиненный выталкиватель с боковым вентиляционным отверстием в пуансоне. Штифт сталкивает высечку, отверстие снимает вакуум. Именно это делает щедрый зазор пригодным к работе.
• Геометрия матрицы с удержанием высечки — короткий режущий поясок и следом слегка суженный участок, который зажимает высечку так, что она не может подняться обратно.
• Скос на торце пуансона, который выгибает высечку так, что её собственное пружинение её же и освобождает.
• Ограничение заглубления пуансона в матрицу в нижней точке хода, поскольку глубокий вход создаёт больше вакуума при извлечении.
• Сжатый воздух через центр инструмента.

Увеличение зазора ради стойкости инструмента усиливает склонность к затягиванию высечки. Выталкиватель — это то, что вы покупаете, чтобы пойти на этот размен.

Что делать с моделью

Заполните четыре слагаемых своей стоимостью станко-часа, своими ценами на инструмент и своей частотой ударов, а затем посмотрите, где лежат деньги. На большинстве работ по шине главенствует станочное время, а это значит, что частота ударов и время переналадки важнее цены пуансона. Обрабатывающий центр на 24 инструментальные позиции с 200 ударами в минуту сдвигает себестоимость отверстия сильнее любого доступного вам решения по инструменту, а станок для пробивки и резки на 400 или 600 kN с быстрой сменой инструмента сдвигает её сильнее, чем более дешёвый пуансон. Выбор инструмента после этого важен по причине второго порядка: он удерживает отверстия в пределах чертежа для схем DIN 43673-1, не останавливая станок, и он удерживает шины от попадания в брак.

Ведите по каждому инструменту три числа — и модель останется честной: число ударов с последней переточки, высота заусенца на первой детали и в точке принятия решения о переточке, остаток длины под переточку. Цеху, который никогда не мерил ни одного из них, стоит начать с высоты заусенца на первой детали. Это самое дешёвое измерение во всём здании, и от него тянется остальное.

Там, где предел по заусенцу жёсткий, снимайте его ниже по потоку, а не гоняйтесь за ним инструментом. Проход снятия заусенцев на отдельном станке обходится на метр дешевле, чем та стойкость инструмента, которой вы пожертвуете, пытаясь пробить отверстие без заусенца, и он повторяем.