Geavanceerde Nokas Machining Technieken voor Piekuitvoering

Toen ik voor het eerst sprak met Billy Godbold, was hij op een baan aan het kijken naar een professioneel drag racing team dat een custom nokas testte. De heer Godbold is de engineering groepsleider voor Comp Cams, de klepkoppeling componentfabrikant die de nokas leverde. Eén maand eerder had Comp Cams' ontwerpgroep net begonnen over nokas materialen en geometrieën voor deze toepassing na te denken. Van ontwerp naar voltooide billet nokas zo snel te bewegen zou jaren geleden niet mogelijk zijn geweest toen het bedrijf de bewerking van zijn high-end race nokas uitbesteedde.

Vandaag bewerkt Comp Cams kleine series race nokas kernen op een tweespindel/twee-toren draaibank van Okuma. (Nokas kernen zijn nokas die hun primaire kenmerken bewerkt hebben, maar nog verdere warmtebehandeling en slijpoperaties vereisen.) Het in huis brengen van deze bewerkingscapaciteit stelde het bedrijf in staat om de doorlooptijd van custom nokas voor professionele race toepassingen aanzienlijk te versnellen omdat het niet langer weken of maanden hoefde te wachten op nokas kernen. Het kan nu zoveel als 12 M4 poeder-metaal tool-steel nokas kernen in een enkele acht-uurs dienst produceren.

De heer Godbold legt uit dat Comp Cams' traditionele expertise lag in het slijpen van nokassen, niet in het bewerken ervan. Toen de beslissing werd genomen om de zeven-as multifunctionele draaibank in 2008 te installeren, steunde het bedrijf zwaar op de expertise en advies van zijn leveranciers om een effectief bewerkingsproces tot stand te brengen. Comp Cams blijft die bronnen vandaag de dag benutten als het streeft naar minimalisatie van cyclus tijden voor nokas kernen.

Gelukkig voor me is "you can't sell if you don't tell" het motto van Paul "Scooter" Brothers, een van Comp Cams' eigenaren en voorzitter van de raad voor de Specialty Equipment Market Association. In de geest van dat gezegde waren bedrijfsvertegenwoordigers niet terughoudend over het detaileren van hoe ze beter zijn geworden in het gebruik van de geavanceerde draaibank tijdens mijn bezoek aan hun Memphis, Tennessee faciliteit.

Slageren in Snelheid

De nokasportefeuille van Comp Cams is gelijkmatig verdeeld in drie segmenten: high-performance/non-race toepassingen; hobby racers; en motorgebouwers voor NASCAR, NHRA en andere professionele race teams. De custom billet nokassen bewerkt in het bedrijfs Memphis faciliteit worden gebruikt door de professionele race teams.

Oorspronkelijk had de verlengde nokas kern levertijden het bedrijf overwegen om een "conventionele" cel toe te voegen om de kleine series te produceren die race teams vereisten. Dergelijke cellen omvatten doorgaans een zaag om staafstof op lengte te zagen; draaibanken om de voor- en achterkant van de nokas te facen, centren toe te voegen en de lobben indeling te groeven; freesmachines om details in de voor- en achterkant van de nokas te frezen; en additionele freesmachines om de lobprofielen te bewerken. De meeste van deze operaties vereisten meerdere tijdrovende opstellingen.

Het bedrijf besloot uiteindelijk een andere route te gaan na een ontmoeting van de heer Godbold met Larry Schwartz, die toen Okuma America's president was (hij is nu de machine tool builder's chief strategy officer). De heren bespraken alternatieve manieren om nokas kernen te produceren die wisseloperaties minimaliseren en opstellingen vereenvoudigen voor productieruns van 20 stukken. De heer Schwartz's idee was om een tweespindel/twee-toren draaibank te gebruiken. Een staaf ofwel geklemd tussen de spindels en/of gedeeltelijk in hen houdend, zou complete bewerking van nokas kernen in één opstelling mogelijk maken. Plus, de tweespindels konden sommige operaties gelijktijdig uitvoeren.

Het bedrijf selecteerde een Okuma LT300-MY. De heer Godbold zegt dat op veel manieren het initiële concept en programmeringsuitvoering grotere hindernissen waren dan de lichte machine modificaties die voor deze toepassing nodig waren. De primaire mechanische verandering aan de machine was het vergroten van de mouwen in de hoofden subspindels zodat een 70-mm journal nokas erdoor kon passeren. Het bedrijf redeneerde dat omdat de machine een grote stevigheid bood en elke van zijn spindels 30 pk leverde, de draaibank geen probleem zou hebben met het bewerken van de harde M4 poeder-metaal tool stalen (gewaardeerd op 30 HRc) die gemeenschappelijk zijn voor de billet race nokassen.

Voor de levering van de draaibank stuurde Comp Cams wat het dacht een zeer moeilijke nokas kern naar Okuma's faciliteit voor machine proof-out: een 70-mm diameter NHRA Pro Stock nokas met negen journals. Kevin Kraieski, een applicatie ingenieur voor Okuma, creëerde de initiële onderdeelprogramma's en bewerkte de eerste monsteronderdelen. De heer Kraieski stelde het onderdeelprogramma in met meerdere variabele-stijl subroutines voor veelvoorkomende operaties, zoals groeven tussen lobben, frezen van lobprofielen, boren en tappen boutgatpatronen, en meer. Dit maakte het mogelijk voor Comp Cams om de complexe machine gemakkelijk te herprogrammeren voor elk aantal nokas ontwerpen zonder telkens opnieuw te beginnen.

Verbeteren van afwerking in de groeven tussen de lobben en verhogen van lob bewerkingssnelheid bleken uitdagend tijdens testen. Echter, Tim Whitmore, een OEM projectmanager voor Iscar, werkte nauw samen met de heer Kraieski om de gereedschapsproblemen op te lossen. Op het moment dat de machine geleverd werd aan Comp Cams, kon het een M4 nokas kern in 75 minuten voltooien.

De foto's op de volgende pagina laten zien hoe nokas kernen geproduceerd worden op de draaibank. Een operator schuift handmatig een vooraf gesneden staaf in de hoofspindel, trekt de staaf een paar inch uit naar een stop, en klemt het. De draaibank draait en freest kenmerken in wat de voorkant van de nokas wordt. Vervolgens beweegt de subspindel in positie, grijpt de bewerkte voorkant en trekt de staaf ongeveer 10 inch uit. Groeven en lob frezen worden voltooid op dat segment van de staaf. Zodra bewerking op die sectie voltooid is, klemt de subspindel op enkele van de nieuw bewerkte journals en trekt de staaf verder uit de hoofspindel om groeven en lob frezen van de achterhelft van de nokas mogelijk te maken. (Het uitvoeren van deze operaties in twee kleine secties minimaliseert het risico op doorbuiging, trillingen en chatter.) Ten slotte consumeert de subspindel bijna de hele staaf om draaien en frezen werk op de achterkant van de nokas mogelijk te maken.

Comp Cams heeft dit proces verfijnd tot het punt dat het nu nokas kernen kan bewerken in 35 tot 45 minuten. Dat gezegd hebbende, moest het bedrijf enkele initiële bewerkingshinder overtrouwen om deze snellere cyclus tijden te bereiken.

Vroege Uitdagingen

Het bleek dat de "werkelijk moeilijke" nokas die Comp Cams naar Okuma stuurde voor testen makkelijker te bewerken was dan de andere nokas modellen. Dat is omdat de nokas' negen journals meer klempunten voor de subspindel bood dan een typische vijf-journal nokas. Gevolglijk waren de oorspronkelijke subspindel kaken niet lang genoeg om over minstens twee journals te klemmen op de vijf-journal modellen (dit was nodig om adequate ondersteuning tijdens bewerking te garanderen). Het installeren van langere 6-inch kaken stelde de subspindel in staat om over twee of meer journals te klemmen op elk type nokas dat het bedrijf produceert. De hoofspindel klemt altijd massieve staafstof, dus langere kaken zijn daar niet nodig.

Werkstuk glijden in de kaken bleek ook soms problematisch omdat sommige nokas materialen moeilijker stevig te klemmen zijn dan anderen. De oplossing was het aanbrengen van een wolfraam-legering coating van Carbonite Metal Coatings op het grijppervlak van de kaken. Deze specifieke coating wordt toegepast via electrofusie, wat een metallurgische binding creëert die gezegd wordt sterker te zijn dan spuitcoatings. De coating heeft virtueel lineaire en hoekwerkstuk glijden tijdens bewerking geëlimineerd.

Een andere vroege uitdaging was wennen aan P-codes, die gebruikt worden om de beweging van de twee torens te synchroniseren. P-codes zorgen niet alleen ervoor dat de torens elkaar niet interfereren bij het uitvoeren van afzonderlijke operaties, maar kunnen ze ook signaleren om identieke operaties gelijktijdig uit te voeren. Bijvoorbeeld, als een programmeur een onderdeel wil facen met de bovenste toren en dan het einde ervan boren met de onderste toren, moeten die operaties gesynchroniseerd worden omdat ze duidelijk niet tegelijkertijd uitgevoerd kunnen worden. Als de programmeur een P10 waarde toewijst aan de bovenste toren en een hogere P20 aan de onderste toren, zal de bovenste toren al haar benodigde bewegingen voortzetten tot het een hogere P-waarde in de programmacode tegenkomt. Als de volgende P-code die het tegenkomt hoger is dan de P-code toegewezen aan de onderste toren, zal de bovenste toren wachten tot de onderste toren klaar is. Echter, als dezelfde P-code aan beide toren toegepast wordt, zullen ze simultaan werken.

Tenzij een nokas een oneven aantal groeven heeft, voert de draaibank draai- en groefoperaties uit met beide torens gelijktijdig wanneer de staaf tussen de spindels vastgehouden wordt. Omdat de bovenste toren geoptimaliseerd is om dicht bij de hoofspindel te draaien en de onderste ingesteld is om dicht bij de subspindel te draaien, voert het bedrijf geen pinch draaien uit. Echter, de heer Godbold schat dat gelijktijdig snijden de draaibank in staat stelt om materiaal 30 procent sneller te verwijderen, voornamelijk omdat de gereedschapsdruk gebalanceerd is. Bovendien, het starten van de groefoperaties in het midden van elk staafsegment en uitwaarts bewegen naar de spindels laat meer materiaal aan beide einden van het staafsegment achter. Dit zorgt voor starre ondersteuning om chatter te voorkomen en elimineert ook buigen op zwakke gebieden van de staaf, wat mogelijk een groefgereedschap kan klemmen of breken.

Profiteren van Standaardisatie

Elke toren op de LT-300MY heeft 12 gereedschapsstations. Daniel Freeman, de R&D technicus voor Comp Cams die gemeenschappelijk programmeert en helpt de draaibank draaien, zegt dat het bedrijf vol gebruik maakt van die 24 totale stations. Ongeveer twee derde van hen veranderen zelden. Bovendien worden gereedschappen in diverse stations gespiegeld op zowel de boven- als ondertorens om de gelijktijdige bewerkingsoperaties te faciliteren.

Elke toren heeft drie verschillende groefgereedschappen. Twee van die voeren ruwoperaties uit. De bredere van de twee wordt zo vaak mogelijk gebruikt, terwijl de dunere alleen gebruikt wordt wanneer ruimte krap is. De derde groefgereedschap wordt gebruikt voor afwerking, achterlatend een kwalitatieve, gratvrije oppervlakteafwerking terwijl dimensietoleranties van minder dan 0,010-inch op alle lineaire dimensies langs een 24-inch lange nokas worden gehouden.

De bovenste toren heeft twee verticaal georiënteerde eindfrezen van verschillende diameters die in hun respectieve live stations blijven. Deze worden in combinatie met de Y-as beweging van de machine gebruikt om lob frezen uit te voeren. De smalere 0,75-inch eindfrees heeft één inzet minder dan de 1-inch eindfrees, dus de voedsnelheid moet verlaagd worden wanneer dat gereedschap gebruikt wordt. Gereedschappen in de bovenste toren's vijf horizontale live stations veranderen vaak ook niet. Deze voeren boren, tappen, wrijven en andere operaties uit op de voorkant van een nokas.

De onderste toren bevat centrumboortjes gebruikt voor zowel de voor- als achterkant van de nokas. Deze toren heeft ook live horizontale stations ingesteld om kenmerken te creëren zoals ventilatiegaten. Twee stations bevatten diverse gereedschappen. Deze omvatten een multifunctioneel boor/boor gereedschap dat typisch gebruikt wordt om kontergaten te maken, en een grote indexeerbare inzet boor die gaten op de achterkant van een nokas bewerkt.

Het bedrijf gebruikt Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 quick-change adapters voor een deel van zijn live-tooling werk. Elke adapter kan een boor, tap of frees accommoderen voor gebruik in dat ene station. Tijdens opstelling wordt elk gereedschap apart in de adapter geïnstalleer en afgetast. Tijdens een productierun pauzeert een program stop de machine en vraagt de operator om het gereedschap in het adapter station te wisselen naar het volgende benodigde gereedschap. De operator kan het gereedschap in minder dan een minuut wisselen, en af tasten is niet nodig omdat de compensatie voor elk gereedschap tijdens opstelling bepaald was. De heer Freeman zegt dat gereedschappen in de adapter een paar inch verder uitsteken dan normaal, maar dit levert geen clearance problemen op.

Het bedrijf heeft ook gestandaardiseerd op koelvloeistof, gebruikmakend van dezelfde Castrol Syntilo 9918 synthetische koelvloeistof voor bewerking als voor slijpen. De heer Godbold zegt dat het bedrijf geld kan besparen door een lagere-kost koelvloeistof te gebruiken, maar het waardeert de consistente prestaties die de geavanceerde koelvloeistof biedt. Comp Cams plannneert een 8.000-gallon centrale koelvloeistof systeem met een enkele hoofdpapieren filtersysteem te installeren om zowel de bewerkings- als slijpgebieden in de faciliteit te voorzien.

Een voordeel van standaardisatie is dat het het aantal gereedschappen dat voor een nieuwe taak afgetast hoeft te worden minimaliseert. Typisch moet een operator slechts een paar boortjes, wrijfjes en tappen installeren en af tasten tijdens opstelling voor een nieuwe taak. Gereedschapsstandaardisatie stelt programmeurs ook in staat om snel en gemakkelijk te bepalen of additionele gereedschappen nodig zijn voor een nieuw project. Uiteindelijk heeft standaardisatie Comp Cams in staat gesteld wissel tijden voor de meeste nieuwe taken van een hele dag tot slechts een paar uur te reduceren.

Met dat gezegd, blijft het bedrijf nauw samenwerken met Rex Luxmore, zijn Iscar gereedschapsvertegenwoordiger, die de heer Freeman zegt proactief is over het up-to-date houden van hem met nieuwe gereedschapsontwikkelingen. Bijvoorbeeld, de heer Luxmore's aanbeveling van groefgereedschappen met een nieuwe coating resulteerde in een 30- tot 50-procent verbetering in gereedschapslevensduur. Deze hulp is cruciaal, merkt de heer Freeman op, grotendeels vanwege de uitdagende materialen zoals M4 poeder-metaal tool staal die het bedrijf frequent bewerkt. Deze tool staal is niet alleen onvergeeflijk, maar het zal snel werkverharden als het te langzaam of lichte gesneden wordt.

Een Beetje Advies

Comp Cams' doel is een toonaangevende ontwikkelaar te zijn van innovatieve klepkoppeling componenten, legt de heer Godbold uit. Bewerking wordt gezien als een middel tot dat eind. De heer Godbold zegt dat bedrijven met een vergelijkbare aanpak goed gedaan zijn hun productiebeperkingen te erkennen, vooral bij het overwegen van de toevoeging van een complexe draaibank zoals de LT-300MY. Het is het beste om enige tijd te besteden aan het leren de ins en outs van zo'n machine voordat men erop vertrouwt voor productie, merkt hij aan.

Scooter Brothers begreep dat zeker toen de tweespindel/twee-toren machine geleverd werd. Zolang het bedrijf effectiever werd in het gebruik van de draaibank tijdens de eerste paar maanden en in staat was om een half-gas productieniveau binnen een jaar te bereiken, was de heer Brothers niet ontmoedigd.

De heer Godbold gelooft dat deze aanpak al het verschil in de wereld maakte. Hij nederig zegt dat Comp Cams bewijst dat een winkel met alleen conventionele draai- en freeservaring met succes een complexe multifunctionele machine kan integreren zonder noodzakelijk uitstekend te zijn in bewerken of programmeren. Dit vereist echter het vestigen van solide relaties met leveranciers die bereid zijn een winkel te helpen zijn doelen te bereiken. Vertrouwde mensen vinden om mee te werken betekent alles, zegt hij.