Usinagem de árvore de cames mais eficaz

Quando falei pela primeira vez com Billy Godbold, ele estava em uma pista assistindo a uma equipe profissional de corridas de arrancada testar um eixo de comando personalizado. O Sr. Godbold é o líder do grupo de engenharia da Comp Cams, o fabricante de componentes do trem de válvulas que forneceu o eixo de comando. Um mês antes, o grupo de design da Comp Cams havia começado a contemplar os materiais e geometrias do eixo de comando para esta aplicação. Passar do projeto para a árvore de cames de tarugo concluída tão rapidamente não teria sido possível anos atrás, quando a empresa terceirizou a usinagem de suas árvores de cames de corrida de alta qualidade.

Hoje, a Comp Cams usina pequenos lotes de núcleos de árvore de cames de corrida em um torno de eixo duplo/torre duplo da Okuma. (Os núcleos da árvore de cames são árvores de cames que têm seus recursos primários usinados, mas ainda requerem operações subsequentes de tratamento térmico e retificação.) Trazer essa capacidade de usinagem internamente permitiu que a empresa agilizasse muito a entrega de árvores de cames personalizadas para aplicações profissionais de corrida, porque não precisava mais espere semanas ou meses para receber os núcleos da árvore de cames. Ela agora pode fabricar até 12 núcleos de árvore de cames de aço-ferramenta de metal em pó M4 em um único turno de oito horas.

O Sr. Godbold explica que a experiência tradicional da Comp Cams era em retificar árvores de cames, não em usinagem. Assim, quando foi tomada a decisão de instalar o torno multifuncional de sete eixos em 2008, a empresa confiou fortemente na experiência e assessoria de seus fornecedores de equipamentos para estabelecer um processo de usinagem eficaz. A Comp Cams continua a explorar esses recursos hoje, enquanto se esforça para minimizar os tempos de ciclo dos núcleos do eixo de comando.

Felizmente para mim, “você não pode vender se não contar” é o lema de Paul “Scooter” Brothers, um dos proprietários da Comp Cams e presidente do conselho da Specialty Equipment Market Association. De acordo com o espírito desse ditado, os representantes da empresa não tiveram vergonha de detalhar como eles se tornaram melhores no uso do torno avançado durante minha visita às instalações de Memphis, Tennessee.

Sucesso na velocidade

A parte da árvore de cames da linha de produtos Comp Cams é dividida igualmente em três segmentos:aplicações de alto desempenho/não-corridas; corredores amadores; e construtores de motores para NASCAR, NHRA e outras equipes profissionais de corrida. As árvores de cames de tarugo personalizadas usinadas nas instalações da empresa em Memphis são usadas pelas equipes de corrida profissionais.

Originalmente, os prazos de entrega prolongados do eixo de comando de válvulas levaram a empresa a considerar adicionar uma célula “convencional” para produzir os pequenos lotes que as equipes de corrida exigiam. Essas células normalmente incluem uma serra para cortar a barra no comprimento; tornos para enfrentar a frente e a traseira da árvore de cames, adicionar centros e ranhurar o layout do lóbulo; fresas para usinar detalhes nas faces do eixo de comando dianteiro e traseiro; e fresas adicionais para usinar os perfis do lóbulo. A maioria dessas operações também exigia várias configurações demoradas.

A empresa finalmente decidiu seguir um caminho diferente depois que Godbold se encontrou com Larry Schwartz, que na época era o presidente da Okuma America (ele agora é o diretor de estratégia do fabricante de máquinas-ferramenta). Os homens discutiram maneiras alternativas de fabricar núcleos de árvore de cames que minimizariam as trocas e simplificariam as configurações para execuções de produção de 20 ou mais peças. A ideia do Sr. Schwartz era usar um torno de eixo duplo/torre duplo. Manter uma barra presa entre os fusos e/ou parcialmente dentro deles permitiria a usinagem completa dos núcleos do eixo de comando em uma configuração. Além disso, os fusos duplos podem realizar algumas operações simultaneamente.

A empresa selecionou um Okuma LT300-MY. O Sr. Godbold diz que, de muitas maneiras, o conceito inicial e a execução da programação foram obstáculos maiores do que as pequenas modificações de máquina que foram necessárias para esta aplicação. A principal mudança mecânica na máquina foi aumentar o tamanho das mangas nos eixos principal e secundário para que uma árvore de cames de 70 mm pudesse passar por eles. A empresa raciocinou que, como a máquina oferecia muita rigidez e cada um de seus fusos fornecia 30 cavalos de potência, o torno não teria problemas para usinar os resistentes aços-ferramentas de metal em pó M4 (avaliado em 30 HRc) comuns às suas árvores de cames de corrida de tarugos.

Antes da entrega do torno, a Comp Cams enviou o que pensava ser um núcleo de árvore de cames muito difícil para as instalações da Okuma para prova de máquina:uma árvore de cames NHRA Pro Stock de 70 mm de diâmetro com nove diários. Kevin Kraieski, um engenheiro de aplicações da Okuma, criou os programas de peças iniciais e fabricou as primeiras peças de amostra. O Sr. Kraieski configurou o programa de peças usando várias sub-rotinas de estilo variável para operações normalmente necessárias, como ranhurar entre lóbulos, fresar perfis de lóbulos, furar e rosquear padrões de furos de parafusos e muito mais. Isso possibilitou aos Comp Cams reprogramar facilmente a máquina complexa para qualquer número de designs de eixo de comando sem começar do zero a cada vez.

Melhorar o acabamento nas ranhuras entre os lóbulos e aumentar a velocidade de usinagem do lóbulo provou ser um desafio durante os testes. No entanto, Tim Whitmore, gerente de projeto OEM da Iscar, trabalha em estreita colaboração com o Sr. Kraieski para resolver os problemas de ferramentas. No momento em que a máquina foi entregue à Comp Cams, ela poderia completar um núcleo de árvore de cames M4 em 75 minutos.

As fotos na página a seguir mostram como os núcleos das árvores de cames são produzidos no torno. Um operador desliza manualmente uma barra pré-cortada no eixo principal, puxa a barra alguns centímetros até parar e a prende. O torno então gira e fresa recursos no que se tornará a face frontal do came. Em seguida, o subspindle se move para a posição, agarra a face usinada e puxa a barra aproximadamente 10 polegadas. A ranhura e o fresamento de lóbulos são concluídos nesse segmento da barra. Uma vez que a usinagem nessa seção é concluída, o subspindle prende em alguns dos munhão recém-usinados e puxa a barra mais para fora do fuso principal para permitir o fresamento de canais e lóbulos da metade traseira do eixo de comando. (Realizar essas operações em duas pequenas seções minimiza o risco de deflexão, vibração e trepidação.) Finalmente, o subspindle consome quase toda a barra para permitir o trabalho de torneamento e fresamento na face traseira do eixo de comando.

A Comp Cams refinou esse processo a ponto de agora poder usinar núcleos de árvore de cames em 35 a 45 minutos. Dito isso, a empresa teve que superar alguns obstáculos iniciais de usinagem para atingir esses tempos de ciclo mais rápidos.

Desafios iniciais

Como se viu, as Comp Cams de árvore de cames “realmente difíceis” enviadas para Okuma para testes provaram ser mais fáceis de usinar do que seus outros modelos de árvore de cames. Isso porque os nove mancais da árvore de cames forneceram mais pontos de fixação para o subfuso do que uma árvore de cames típica de cinco pinos. Conseqüentemente, as garras do subfuso originais não eram longas o suficiente para prender em pelo menos dois moentes nos modelos de cinco pinos (isso era necessário para garantir um suporte adequado durante a usinagem). A instalação de garras mais longas de 6 polegadas permitiu que o subspindle se prendesse em dois ou mais munhãos em qualquer tipo de árvore de cames que a empresa fabricasse. O fuso principal sempre prende a barra sólida, portanto, mandíbulas mais longas não são necessárias para esse fuso.

O deslizamento da peça de trabalho dentro das garras também provou ser problemático às vezes porque alguns materiais do eixo de comando são mais difíceis de prender firmemente do que outros. A solução foi aplicar um revestimento de liga de tungstênio da Carbonite Metal Coatings na superfície de fixação das garras. Este revestimento específico é aplicado por eletrofusão, o que cria uma ligação metalúrgica que se diz ser mais forte do que os revestimentos em spray. O revestimento praticamente eliminou o deslizamento linear e angular da peça de trabalho durante a usinagem.

Outro desafio inicial foi se acostumar com os códigos P, que são usados ​​para sincronizar o movimento das duas torres. Os códigos P não apenas garantem que as torres não interfiram umas nas outras ao realizar operações separadas, mas também podem sinalizar para que executem operações idênticas simultaneamente. Por exemplo, se um programador deseja enfrentar uma peça com a torre superior e depois perfurar a extremidade dela com a torre inferior, essas operações devem ser sincronizadas porque obviamente não podem ser executadas ao mesmo tempo. Se o programador atribuir um valor P10 à torre superior e um P20 superior à torre inferior, a torre superior continuará todos os seus movimentos necessários até encontrar um valor P mais alto no código do programa. Se o próximo código P que encontrar for maior que o código P atribuído à torre inferior, a torre superior aguardará até que a torre inferior seja concluída. No entanto, se o mesmo código P for aplicado a ambas as torres, elas funcionarão simultaneamente.

A menos que uma árvore de cames tenha um número ímpar de ranhuras, o torno executa operações de torneamento e ranhura usando ambas as torres simultaneamente quando a barra é mantida entre os fusos. Como a torre superior é otimizada para funcionar próximo ao fuso principal e a inferior é configurada para funcionar próximo ao subspindle, a empresa não realiza o torneamento por pinça. No entanto, o Sr. Godbold estima que o corte simultâneo permite que o torno remova o material 30% mais rápido, principalmente porque a pressão da ferramenta é equilibrada. Além disso, iniciar as operações de ranhura no meio de cada seção da barra e mover-se em direção aos fusos deixa mais estoque em cada extremidade da seção da barra. Isso garante um suporte rígido para evitar trepidação e também elimina a flexão em áreas fracas da barra, o que poderia beliscar ou quebrar uma ferramenta de ranhurar.

Benefícios da padronização

Cada torre do LT-300MY possui 12 estações de ferramentas. Daniel Freeman, o técnico de P&D da Comp Cams que normalmente programa e ajuda a operar o torno, diz que a empresa aproveita ao máximo essas 24 estações totais. Aproximadamente dois terços deles raramente mudam. Além disso, as ferramentas em várias estações são espelhadas nas torres superior e inferior para facilitar as operações de usinagem simultâneas.

Cada torre tem três ferramentas de ranhurar diferentes. Dois deles realizam operações de desbaste. O mais largo dos dois é usado com a maior frequência possível, enquanto o mais fino é usado apenas quando o espaço é apertado. A terceira ferramenta de ranhura é usada para acabamento, deixando para trás um acabamento superficial de qualidade e sem rebarbas, mantendo tolerâncias dimensionais inferiores a 0,010 polegada em todas as dimensões lineares ao longo de uma árvore de cames de 24 polegadas de comprimento.

A torre superior possui duas fresas de topo orientadas verticalmente de diferentes diâmetros que permanecem em suas respectivas estações vivas. Eles são usados ​​em conjunto com o movimento do eixo Y da máquina para realizar o fresamento de lóbulos. A fresa de topo de 0,75 polegada mais estreita tem uma pastilha a menos que a fresa de topo de 1 polegada, então a taxa de avanço deve ser reduzida quando essa ferramenta é usada. As ferramentas nas cinco estações ao vivo horizontais da torre superior geralmente também não mudam. Estes realizam perfuração, rosqueamento, alargamento e outras operações na face frontal de uma árvore de cames.

A torre inferior contém brocas centrais usadas para as faces da árvore de cames dianteira e traseira. Esta torre também possui estações horizontais ao vivo configuradas para criar recursos como orifícios de ventilação. Duas estações contêm ferramentas diversas. Isso inclui uma ferramenta multifuncional de perfuração/mandrilamento que é normalmente usada para criar rebaixos e uma grande broca de inserção intercambiável que usina os furos na parte traseira de uma árvore de cames.

A empresa usa adaptadores de troca rápida Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 para alguns de seus trabalhos com ferramentas vivas. Cada adaptador pode acomodar uma broca, macho ou fresadora para uso em uma única estação. Durante a configuração, cada ferramenta é instalada separadamente no adaptador e ativada. Durante uma execução de produção, uma parada do programa pausa a máquina e solicita ao operador que troque a ferramenta na estação do adaptador para a próxima ferramenta necessária. O operador pode trocar a ferramenta em menos de um minuto e o toque não é necessário porque o deslocamento de cada ferramenta foi determinado durante a configuração. O Sr. Freeman diz que as ferramentas no adaptador se estendem alguns centímetros além do normal, mas isso não apresenta nenhum problema de folga.

A empresa também padronizou a refrigeração, usando a mesma refrigeração sintética Castrol Syntilo 9918 para usinagem que usa para retificação. O Sr. Godbold diz que a empresa poderia economizar dinheiro usando um refrigerante de baixo custo, mas aprecia o desempenho consistente que o refrigerante avançado oferece. A Comp Cams planeja instalar um sistema de refrigeração central de 8.000 galões com um único sistema de filtro de papel principal para abastecer as áreas de usinagem e retificação na instalação.

Uma vantagem da padronização é que ela minimiza o número de ferramentas que devem ser acionadas para um novo trabalho. Normalmente, um operador precisa instalar e tocar apenas algumas brocas, alargadores e machos durante a configuração para um novo trabalho. A padronização de ferramentas também permite que os programadores determinem rápida e facilmente se ferramentas adicionais são necessárias para um novo projeto. Em última análise, a padronização permitiu que os Comp Cams reduzissem os tempos de troca para a maioria dos novos trabalhos de um dia inteiro para apenas algumas horas.

Com isso dito, a empresa continua a trabalhar em estreita colaboração com Rex Luxmore, seu representante de ferramentas Iscar, que o Sr. Freeman diz ser proativo em mantê-lo atualizado com os novos desenvolvimentos de ferramentas. Por exemplo, a recomendação do Sr. Luxmore de ferramentas de canal com um novo revestimento resultou em uma melhoria de 30 a 50% na vida útil da ferramenta. Essa assistência é fundamental, observa Freeman, em grande parte por causa dos materiais desafiadores, como o aço-ferramenta de metal em pó M4, que a empresa usina com frequência. Este aço ferramenta não é apenas muito implacável, mas endurece rapidamente se for cortado muito devagar ou levemente.

Um conselho

O objetivo da Comp Cams é ser um desenvolvedor líder de componentes inovadores de trem de válvulas, explica o Sr. Godbold. A usinagem é vista como um meio para esse fim. O Sr. Godbold diz que as empresas com uma abordagem semelhante estão bem servidas para reconhecer suas limitações de fabricação, especialmente ao considerar a adição de um torno complexo como o LT-300MY. É melhor dedicar algum tempo para aprender os prós e contras de tal máquina antes de depender dela para produção, observa ele.

A Scooter Brothers certamente entendeu isso quando a máquina de eixo duplo/torre duplo foi entregue. Contanto que a empresa se tornasse mais eficiente usando o torno durante os primeiros meses e fosse capaz de atingir um nível de produção de meio acelerador em um ano, o Sr. Brothers não ficaria desencorajado.

O Sr. Godbold acredita que esta abordagem fez toda a diferença no mundo. Ele humildemente diz que o Comp Cams prova que uma oficina com apenas experiência convencional em torneamento e fresamento pode integrar com sucesso uma máquina multifuncional complexa sem necessariamente ser excelente em usinagem ou programação. No entanto, isso requer o estabelecimento de relacionamentos sólidos com fornecedores de equipamentos que estejam dispostos a ajudar uma oficina a atingir seus objetivos. Encontrar pessoas confiáveis ​​para trabalhar significa tudo, diz ele.