Effectievere nokkenasbewerking

Toen ik voor het eerst met Billy Godbold sprak, zat hij op een circuit te kijken naar een professioneel dragrace-team dat een aangepaste nokkenas testte. De heer Godbold is de leider van de engineeringgroep voor Comp Cams, de fabrikant van kleppentreincomponenten die de nokkenas heeft geleverd. Een maand eerder was de ontwerpgroep van Comp Cams net begonnen met het overwegen van nokkenasmaterialen en geometrieën voor deze toepassing. Zo snel van een ontwerp naar een voltooide nokkenas gaan, zou jaren geleden niet mogelijk zijn geweest toen het bedrijf de bewerking van zijn hoogwaardige racenokkenassen uitbesteedde.

Tegenwoordig verspant Comp Cams kleine series racenokkenaskernen op een draaibank met dubbele spil en dubbele revolver van Okuma. (Nokkenaskernen zijn nokkenassen waarvan de belangrijkste kenmerken zijn bewerkt, maar die nog steeds warmtebehandeling en slijpbewerkingen vereisen.) Door deze bewerkingsmogelijkheid in huis te halen, kon het bedrijf de doorlooptijd van aangepaste nokkenassen voor professionele racetoepassingen aanzienlijk versnellen, omdat het niet langer hoefde te wacht weken of maanden om nokkenaskernen te ontvangen. Het kan nu maar liefst 12 M4 nokkenaskernen van poedermetalen gereedschapsstaal produceren in een enkele shift van acht uur.

De heer Godbold legt uit dat de traditionele expertise van Comp Cams lag in het slijpen van nokkenassen, niet in het machinaal bewerken ervan. Dus toen in 2008 de beslissing werd genomen om de zevenassige multifunctionele draaibank te installeren, vertrouwde het bedrijf sterk op de expertise en het advies van zijn leveranciers van apparatuur om een ​​effectief bewerkingsproces tot stand te brengen. Comp Cams blijft deze bronnen gebruiken om de cyclustijden voor nokkenaskernen tot een minimum te beperken.

Gelukkig voor mij is "je kunt niet verkopen als je het niet vertelt" het motto van Paul "Scooter" Brothers, een van de eigenaren van Comp Cams en tevens voorzitter van de raad van bestuur van de Specialty Equipment Market Association. In overeenstemming met de geest van dat gezegde, waren vertegenwoordigers van het bedrijf niet verlegen om te vertellen hoe ze beter zijn geworden in het gebruik van de geavanceerde draaibank tijdens mijn bezoek aan hun vestiging in Memphis, Tennessee.

Snel slagen

Het nokkenasgedeelte van de productlijn van Comp Cams is gelijk verdeeld in drie segmenten:hoogwaardige / niet-racetoepassingen; hobby racers; en motorbouwers voor NASCAR, NHRA en andere professionele raceteams. De op maat gemaakte nokkenassen die in de fabriek in Memphis zijn gefreesd, worden gebruikt door de professionele raceteams.

Oorspronkelijk overwoog het bedrijf vanwege de langere levertijden van de nokkenaskern om een ​​"conventionele" cel toe te voegen om de kleine batches te produceren die raceteams nodig hadden. Dergelijke cellen bevatten typisch een zaag om het staafmateriaal op lengte te zagen; draaibanken gericht naar de voor- en achterkant van de nokkenas, voeg middelpunten toe en groef de lobbenlay-out; frezen om details in de voorste en achterste nokkenasvlakken te bewerken; en extra freesmachines om de lobbenprofielen te bewerken. De meeste van deze bewerkingen vereisten ook meerdere tijdrovende instellingen.

Het bedrijf besloot uiteindelijk een andere weg in te slaan nadat de heer Godbold een ontmoeting had gehad met Larry Schwartz, die op dat moment de president van Okuma America was (hij is nu de chief strategy officer van de machinebouwer). De mannen bespraken alternatieve manieren om nokkenaskernen te vervaardigen die het aantal omschakelingen zouden minimaliseren en de opstellingen voor productieruns van ongeveer 20 stuks zouden vereenvoudigen. Het idee van de heer Schwartz was om een ​​draaibank met twee spindels en twee revolvers te gebruiken. Door een staaf tussen de spindels en/of gedeeltelijk erin te houden, zou een volledige bewerking van de nokkenaskernen in één opstelling mogelijk zijn. Bovendien kunnen de dubbele spindels sommige bewerkingen tegelijkertijd uitvoeren.

Het bedrijf koos voor een Okuma LT300-MY. De heer Godbold zegt dat het oorspronkelijke concept en de uitvoering van de programmering in veel opzichten grotere hindernissen waren dan de kleine machineaanpassingen die voor deze toepassing nodig waren. De belangrijkste mechanische verandering aan de machine was het vergroten van de hulzen in de hoofd- en subspindels, zodat een nokkenas met een nokkenas van 70 mm er doorheen kon. Het bedrijf redeneerde dat, omdat de machine veel stijfheid bood en elk van zijn spindels 30 pk leverde, de draaibank geen probleem zou hebben met het bewerken van de taaie M4 poedermetalen gereedschapsstaal (nominaal 30 HRc) die gebruikelijk is voor zijn knuppelracenokkenassen.

Voorafgaand aan de levering van de draaibank stuurde Comp Cams wat volgens hem een ​​zeer moeilijke nokkenaskern was naar Okuma's faciliteit voor machinetest:een 70 mm-diamter NHRA Pro Stock-nokkenas met negen tappen. Kevin Kraieski, een applicatie-engineer voor Okuma, creëerde de eerste onderdeelprogramma's en bewerkte de eerste voorbeeldonderdelen. De heer Kraieski heeft het onderdeelprogramma opgezet met behulp van meerdere subroutines in variabele stijl voor veelvoorkomende bewerkingen, zoals groeven tussen lobben, frezen van lobbenprofielen, boren en tappen van boutgatpatronen en meer. Dit maakte het voor Comp Cams mogelijk om de complexe machine gemakkelijk te herprogrammeren voor een willekeurig aantal nokkenasontwerpen zonder elke keer opnieuw te beginnen.

Het verbeteren van de afwerking in de groeven tussen de lobben en het verhogen van de bewerkingssnelheid van de lobben bleek een uitdaging tijdens het testen. Tim Whitmore, een OEM-projectmanager voor Iscar, werkt echter nauw samen met de heer Kraieski om de gereedschapsproblemen op te lossen. Tegen de tijd dat de machine bij Comp Cams werd afgeleverd, kon een M4-nokkenaskern in 75 minuten worden voltooid.

De foto's op de volgende pagina laten zien hoe nokkenaskernen op de draaibank worden geproduceerd. Een operator schuift handmatig een voorgesneden staaf in de hoofdspil, trekt de staaf een paar centimeter naar buiten en klemt hem vast. De draaibank draait en freest vervolgens functies in wat de voorkant van de nok zal worden. Vervolgens komt de subspil in positie, grijpt het bewerkte vlak en trekt de staaf ongeveer 10 inch naar buiten. Groeven en lobbenfrezen worden voltooid op dat segment van de baar. Zodra de bewerking op dat gedeelte is voltooid, klemt de subspil zich vast op enkele van de nieuw bewerkte tappen en trekt de staaf verder uit de hoofdspil om groeven en lobbenfrezen van de achterste helft van de nokkenas mogelijk te maken. (Door deze bewerkingen in twee kleine secties uit te voeren, wordt het risico op doorbuiging, trillingen en klapperen geminimaliseerd.) Ten slotte verbruikt de subspil bijna de hele staaf om draai- en freeswerkzaamheden aan de achterkant van de nokkenas mogelijk te maken.

Comp Cams heeft dit proces zo verfijnd dat het nu nokkenaskernen kan bewerken in 35 tot 45 minuten. Dat gezegd hebbende, moest het bedrijf een aantal initiële hindernissen voor machinale bewerking overwinnen om deze snellere cyclustijden te bereiken.

Vroege uitdagingen

Het bleek dat de "echt moeilijke" nokkenas Comp Cams die naar Okuma werden gestuurd om te testen, gemakkelijker te bewerken waren dan de andere nokkenasmodellen. Dat komt omdat de negen nokkenas van de nokkenas meer klempunten voor de subspil verschaften dan een typische nokkenas met vijf vakken. Bijgevolg waren de originele subspilbekken niet lang genoeg om over ten minste twee tappen op de vijf-kaakmodellen te klemmen (dit was nodig om voldoende ondersteuning tijdens de bewerking te garanderen). Door langere 6-inch kaken te installeren, kon de subspil over twee of meer tappen klemmen op elk type nokkenas dat het bedrijf produceert. De hoofdspil klemt altijd massieve barstock, dus langere kaken zijn niet nodig voor die spindel.

Het slippen van het werkstuk in de kaken bleek soms ook problematisch te zijn, omdat sommige nokkenasmaterialen moeilijker stevig vast te klemmen zijn dan andere. De oplossing was het aanbrengen van een wolfraamlegering coating van Carbonite Metal Coatings op het grijpoppervlak van de kaken. Deze specifieke coating wordt aangebracht via elektrofusie, waardoor een metallurgische binding ontstaat die naar verluidt sterker is dan spray-on coatings. De coating heeft het wegglijden van lineaire en hoekige werkstukken tijdens de bewerking vrijwel geëlimineerd.

Een andere vroege uitdaging was wennen aan P-codes, die worden gebruikt om de beweging van de twee torentjes te synchroniseren. P-codes zorgen er niet alleen voor dat de turrets elkaar niet hinderen bij het uitvoeren van afzonderlijke bewerkingen, maar kunnen ze ook signaleren om gelijktijdig identieke bewerkingen uit te voeren. Als een programmeur bijvoorbeeld naar een onderdeel met de bovenste revolver wil kijken en vervolgens het uiteinde ervan met de onderste revolver wil boren, moeten die bewerkingen worden gesynchroniseerd omdat ze duidelijk niet tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd. Als de programmeur een P10-waarde toewijst aan de bovenste toren en een hogere P20 aan de onderste toren, zal de bovenste toren alle noodzakelijke bewegingen voortzetten totdat hij een hogere P-waarde in de programmacode tegenkomt. Als de volgende P-code die het tegenkomt hoger is dan de P-code die is toegewezen aan de onderste toren, wacht de bovenste toren tot de onderste toren klaar is. Als echter dezelfde P-code op beide torentjes wordt toegepast, werken ze tegelijkertijd.

Tenzij een nokkenas een oneven aantal groeven heeft, voert de draaibank draai- en groefbewerkingen uit met beide torentjes tegelijk wanneer de staaf tussen de assen wordt gehouden. Omdat de bovenste revolver is geoptimaliseerd om dicht bij de hoofdspil te lopen en de onderste is ingesteld om dicht bij de subspil te lopen, voert het bedrijf geen knijpdraaien uit. De heer Godbold schat echter dat gelijktijdig snijden de draaibank in staat stelt om materiaal 30 procent sneller te verwijderen, voornamelijk omdat de gereedschapsdruk in evenwicht is. Bovendien laat het starten van de groefbewerkingen in het midden van elke sectie van de staaf en het verplaatsen naar de spindels meer materiaal over aan beide uiteinden van de staafsectie. Dit zorgt voor een stevige ondersteuning om klapperen te voorkomen en elimineert ook het buigen in zwakke delen van de staaf, die een groefgereedschap mogelijk zou kunnen afknellen of breken.

Profiteren van standaardisatie

Elke revolver op de LT-300MY heeft 12 gereedschapsstations. Daniel Freeman, de R&D-technicus voor Comp Cams die gewoonlijk de draaibank programmeert en helpt draaien, zegt dat het bedrijf ten volle profiteert van die 24 total stations. Ongeveer tweederde van hen verandert zelden. Bovendien worden gereedschappen in verschillende stations gespiegeld op zowel de bovenste als de onderste revolver om de gelijktijdige bewerkingen te vergemakkelijken.

Elke revolver heeft drie verschillende groefgereedschappen. Twee daarvan voeren voorbewerkingen uit. De bredere van de twee wordt zo vaak mogelijk gebruikt, terwijl de dunnere alleen wordt gebruikt als de ruimte krap is. Het derde groefgereedschap wordt gebruikt voor het afwerken, waarbij een hoogwaardige, braamvrije oppervlakteafwerking achterblijft, terwijl maattoleranties van minder dan 0,010 inch op alle lineaire afmetingen langs een 24 inch lange nokkenas worden aangehouden.

De bovenste toren heeft twee verticaal georiënteerde vingerfrezen met verschillende diameters die in hun respectievelijke live-stations blijven. Deze worden gebruikt in combinatie met de Y-asbeweging van de machine om lobbenfrezen uit te voeren. De smallere stiftfrees van 0,75 inch heeft één wisselplaat minder dan de stiftfrees van 1 inch, dus de voedingssnelheid moet worden verlaagd wanneer dat gereedschap wordt gebruikt. Tools in de vijf horizontale live-stations van de bovenste toren veranderen vaak ook niet. Deze voeren boren, tappen, ruimen en andere bewerkingen uit aan de voorkant van een nokkenas.

De onderste koepel bevat middenboren die worden gebruikt voor zowel de voor- als de achtervlakken van de nokkenas. Deze toren heeft ook live horizontale stations die zijn opgezet om functies zoals ventilatiegaten te creëren. Twee stations bevatten diverse gereedschappen. Deze omvatten een multifunctioneel boor-/kottergereedschap dat doorgaans wordt gebruikt om verzonken boringen te maken, en een grote boor met wisselplaat die boringen aan de achterkant van een nokkenas machinaal bewerkt.

Het bedrijf gebruikt Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 snelwisseladapters voor een deel van zijn live-tooling-werk. Elke adapter is geschikt voor een boor, tap of frees voor gebruik in dat ene station. Tijdens de installatie wordt elk gereedschap afzonderlijk in de adapter geïnstalleerd en aangeraakt. Tijdens een productierun pauzeert een programmastop de machine en vraagt ​​de operator om het gereedschap in het adapterstation te vervangen door het volgende benodigde gereedschap. De operator kan het gereedschap in minder dan een minuut wisselen, en touch-off is niet nodig omdat de offset voor elk gereedschap tijdens het instellen werd bepaald. De heer Freeman zegt dat gereedschappen in de adapter een paar centimeter verder uitsteken dan normaal, maar dit geeft geen problemen met de speling.

Het bedrijf heeft ook gestandaardiseerd op koelvloeistof, met dezelfde Castrol Syntilo 9918 synthetische koelvloeistof voor machinale bewerkingen als voor slijpen. De heer Godbold zegt dat het bedrijf geld kan besparen door een goedkopere koelvloeistof te gebruiken, maar waardeert de consistente prestaties die de geavanceerde koelvloeistof biedt. Comp Cams is van plan een centraal koelsysteem van 8000 gallon te installeren met een enkel hoofdpapierfiltersysteem om zowel de bewerkings- als slijpgebieden in de faciliteit te bevoorraden.

Een voordeel van standaardisatie is dat het het aantal gereedschappen minimaliseert dat moet worden aangeraakt voor een nieuwe klus. Doorgaans hoeft een operator slechts een paar boren, ruimers en tappen te installeren en af ​​te werken tijdens het instellen voor een nieuwe taak. Door gereedschapsstandaardisatie kunnen programmeurs ook snel en eenvoudig bepalen of er extra gereedschap nodig is voor een nieuw project. Dankzij standaardisatie heeft Comp Cams uiteindelijk de omsteltijden voor de meeste nieuwe opdrachten teruggebracht van een hele dag tot slechts een paar uur.

Dat gezegd hebbende, blijft het bedrijf nauw samenwerken met Rex Luxmore, de Iscar tooling-vertegenwoordiger, die volgens de heer Freeman proactief is om hem op de hoogte te houden van nieuwe tooling-ontwikkelingen. De aanbeveling van de heer Luxmore om gereedschappen met een nieuwe coating te groeven, resulteerde bijvoorbeeld in een verbetering van 30 tot 50 procent in de standtijd. Deze hulp is van cruciaal belang, merkt de heer Freeman op, grotendeels vanwege de uitdagende materialen zoals M4-poedermetalen gereedschapsstaal dat het bedrijf vaak verspant. Dit gereedschapsstaal is niet alleen erg meedogenloos, maar het zal ook snel hard worden als het te langzaam of te licht wordt gesneden.

Een beetje advies

Het doel van Comp Cams is om een ​​toonaangevende ontwikkelaar te zijn van innovatieve componenten voor kleppentreinen, legt dhr. Godbold uit. Verspaning wordt daarvoor gezien als een middel. De heer Godbold zegt dat bedrijven met een vergelijkbare aanpak er goed aan doen hun productiebeperkingen te erkennen, vooral wanneer ze de toevoeging van een complexe draaibank zoals de LT-300MY overwegen. Het is het beste om wat tijd te besteden aan het leren van de ins en outs van zo'n machine voordat je ervan afhankelijk bent voor productie, merkt hij op.

Scooter Brothers begreep dat zeker toen de machine met twee assen en twee torens werd afgeleverd. Zolang het bedrijf in de eerste paar maanden effectiever met de draaibank ging werken en in staat was om binnen een jaar een halfgasproductie te realiseren, zou meneer Brothers niet ontmoedigd raken.

Dhr. Godbold gelooft dat deze aanpak het verschil in de wereld heeft gemaakt. Hij zegt nederig dat Comp Cams bewijst dat een werkplaats met alleen conventionele draai- en freeservaring met succes een complexe multifunctionele machine kan integreren zonder noodzakelijkerwijs uitmuntend te zijn in bewerking of programmering. Dit vereist echter het aangaan van solide relaties met leveranciers van apparatuur die bereid zijn een winkel te helpen zijn doelen te bereiken. Het vinden van vertrouwde mensen om mee samen te werken betekent alles, zegt hij.