Técnicas Avançadas de Usinagem de Virabrequim para Desempenho Máximo

Quando falei pela primeira vez com Billy Godbold, ele estava em uma pista assistindo uma equipe profissional de drag racing testar um virabrequim personalizado. O Sr. Godbold é o líder do grupo de engenharia da Comp Cams, fabricante de componentes de trem de válvulas que forneceu o virabrequim. Um mês antes, o grupo de design da Comp Cams havia acabado de começar a contemplar materiais e geometrias de virabrequim para esta aplicação. Mover do design para virabrequim de bloco concluído tão rapidamente não teria sido possível anos atrás quando a empresa terceirizava a usinagem de seus virabrequins de corrida de alto nível.

Internalização da Usinagem

Hoje, a Comp Cams usina pequenos lotes de núcleos de virabrequim de corrida em um torno de fuso duplo/torreta dupla da Okuma. (Núcleos de virabrequim são virabrequins que têm seus recursos primários usinados, mas ainda requerem subsequentes operações de tratamento térmico e retífica.) Trazer essa capacidade de usinagem internamente permitiu à empresa acelerar drasticamente o tempo de resposta de virabrequins personalizados para aplicações de corrida profissional porque não precisava mais esperar semanas ou meses para receber núcleos de virabrequim. Agora pode fabricar até 12 núcleos de virabrequim de aço-ferramenta M4 em pó em um único turno de oito horas.

O Sr. Godbold explica que a especialização tradicional da Comp Cams era retífica de virabrequins, não usinagem. Então, quando a decisão foi feita para instalar o torno multifunção de sete eixos em 2008, a empresa dependeu fortemente da expertise e conselho de seus fornecedores de equipamentos para estabelecer um processo de usinagem eficaz. A Comp Cams continua a utilizar esses recursos hoje enquanto busca minimizar tempos de ciclo para núcleos de virabrequim.

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. Em consonância com o espírito desse ditado, representantes da empresa não foram tímidos em detalhar como se tornaram melhores no uso do torno avançado durante minha visita à sua instalação em Memphis, Tennessee.

Sucesso na Velocidade

A porção de virabrequim da linha de produtos da Comp Cams é dividida uniformemente em três segmentos: aplicações de alto desempenho/não-corrida; corredores amadores; e construtores de motores para NASCAR, NHRA e outras equipes de corrida profissional. Os virabrequins billet personalizados usinados na instalação de Memphis da empresa são usados pelas equipes de corrida profissional.

Originalmente, os prolongados tempos de entrega de núcleos de virabrequim levavam a empresa a considerar adicionar uma célula "convencional" para produzir os pequenos lotes que as equipes de corrida requeriam. Tais células tipicamente incluem serra para cortar barras no comprimento; tornos para facear frente e traseira do virabrequim, adicionar centros e ranhurar layout de lóbulos; fresadoras para usinar detalhes nas faces frontal e traseira do virabrequim; e fresadoras adicionais para usinar perfis de lóbulos. A maioria dessas operações requeria múltiplas configurações demoradas.

A empresa finalmente decidiu seguir uma rota diferente após o Sr. Godbold se encontrar com Larry Schwartz, que na época era presidente da Okuma America (agora é diretor de estratégia do construtor de máquinas-ferramenta). Os homens discutiram maneiras alternadas de fabricar núcleos de virabrequim que minimizassem trocas e simplificassem configurações para lotes de produção de 20 peças. A ideia do Sr. Schwartz foi usar um torno de fuso duplo/torreta dupla. Manter uma barra fixada entre os fusos e/ou parcialmente dentro deles permitiria usinagem completa de núcleos de virabrequim em uma configuração. Além disso, os fusos duplos poderiam realizar algumas operações simultaneamente.

A empresa selecionou um Okuma LT300-MY. O Sr. Godbold diz que de muitas maneiras, o conceito inicial e execução de programação foram obstáculos maiores que as leves modificações de máquina necessárias para esta aplicação. A principal mudança mecânica na máquina foi aumentar o tamanho das buchas nos fusos principal e secundário para que um virabrequim de journal de 70 mm pudesse passar por eles. A empresa raciocinou que como a máquina oferecia grande rigidez e cada um de seus fusos fornecia 30 cavalos de potência, o torno não teria problema usinando os difíceis aços-ferramenta M4 em pó (classificados a 30 HRc) comuns a seus virabrequins de corrida billet.

Antes da entrega do torno, a Comp Cams enviou o que achava ser um núcleo de virabrequim muito difícil para a instalação da Okuma para prova de máquina: um virabrequim NHRA Pro Stock de 70 mm de diâmetro com nove journals. Kevin Kraieski, engenheiro de aplicações da Okuma, criou os programas iniciais de peça e usinou as primeiras peças de amostra. O Sr. Kraieski configurou o programa de peça usando múltiplas sub-rotinas de estilo variável para operações comumente requeridas, como ranhuramento entre lóbulos, fresamento de perfis de lóbulos, furação e rosqueamento de padrões de furos de parafusos, e mais. Isso tornou possível para a Comp Cams reprogramar facilmente a máquina complexa para qualquer número de designs de virabrequim sem começar do zero cada vez.

Melhorar acabamento nas ranhuras entre lóbulos e aumentar velocidade de usinagem de lóbulos provou ser desafiador durante testes. No entanto, Tim Whitmore, gerente de projeto OEM da Iscar, trabalhou de perto com o Sr. Kraieski para resolver os problemas de ferramentas. No momento em que a máquina foi entregue à Comp Cams, podia completar um núcleo de virabrequim M4 em 75 minutos.

As fotos na página seguinte mostram como núcleos de virabrequim são produzidos no torno. Um operador desliza manualmente uma barra pré-cortada no fuso principal, puxa a barra alguns polegadas para uma parada, e a fixa. O torno então torneia e fresa recursos no que se tornará a face frontal do virabrequim. Em seguida, o subfuso move-se para posição, agarra a face usinada e puxa a barra aproximadamente 10 polegadas. Ranhuramento e fresamento de lóbulos são completados naquele segmento da barra. Uma vez que a usinagem naquela seção é completada, o subfuso fixa em alguns dos journals recém-usinados e puxa a barra mais para fora do fuso principal para permitir ranhuramento e fresamento de lóbulos da metade traseira do virabrequim. (Realizar estas operações em duas pequenas seções minimiza risco de deflexão, vibração e chatter.) Finalmente, o subfuso consome quase toda a barra para permitir trabalho de torneamento e fresamento na face traseira do virabrequim.

A Comp Cams refinou este processo ao ponto que agora pode usinar núcleos de virabrequim em 35 a 45 minutos. Dito isso, a empresa teve que superar alguns obstáculos iniciais de usinagem para alcançar estes tempos de ciclo mais rápidos.

Desafios Iniciais

Como se viu, o virabrequim "realmente difícil" que a Comp Cams enviou à Okuma para testes provou ser mais fácil de usinar que seus outros modelos de virabrequim. Isso porque os nove journals do virabrequim forneciam mais pontos de fixação para o subfuso que um virabrequim típico de cinco journals. Consequentemente, as garras originais do subfuso não eram longas o suficiente para fixar através de pelo menos dois journals nos modelos de cinco journals (isso era necessário para garantir suporte adequado durante usinagem). Instalar garras de 6 polegadas mais longas permitiu ao subfuso fixar através de dois ou mais journals em qualquer tipo de virabrequim que a empresa fabrica. O fuso principal sempre fixa barra sólida, então garras mais longas não são necessárias para aquele fuso.

Escorregamento da peça dentro das garras também provou ser problemático às vezes porque alguns materiais de virabrequim são mais difíceis de fixar firmemente que outros. A solução foi aplicar revestimento de liga de tungstênio da Carbonite Metal Coatings na superfície de fixação das garras. Este revestimento particular é aplicado via eletrofusão, que cria uma ligação metalúrgica que diz-se ser mais forte que revestimentos spray-on. O revestimento virtualmente eliminou escorregamento linear e angular da peça durante usinagem.

Outro desafio inicial foi acostumar com códigos P, que são usados para sincronizar o movimento das duas torretas. Códigos P não apenas garantem que as torretas não interfiram uma com a outra ao realizar operações separadas, mas também podem sinalizá-las para realizar operações idênticas simultaneamente. Por exemplo, se um programador quer facear uma peça com a torreta superior e então furar a extremidade dela com a torreta inferior, essas operações têm que ser sincronizadas porque obviamente não podem ser realizadas ao mesmo tempo. Se o programador atribui valor P10 à torreta superior e P20 mais alto à torreta inferior, a torreta superior continuará todos seus movimentos necessários até encontrar um valor P mais alto no código do programa. Se o próximo código P que encontra for maior que o código P atribuído à torreta inferior, a torreta superior esperará até a torreta inferior terminar. No entanto, se o mesmo código P for aplicado a ambas as torretas, elas trabalharão simultaneamente.

A menos que um virabrequim tenha número ímpar de ranhuras, o torno realiza operações de torneamento e ranhuramento usando ambas as torretas simultaneamente quando a barra é mantida entre fusos. Como a torreta superior é otimizada para rodar próxima ao fuso principal e a inferior é configurada para rodar próxima ao subfuso, a empresa não realiza torneamento por pinça (pinch turning). No entanto, o Sr. Godbold estima que corte simultâneo permite ao torno remover material 30% mais rápido principalmente porque a pressão da ferramenta é balanceada. Adicionalmente, iniciar operações de ranhuramento no meio de cada seção de barra e mover para fora em direção aos fusos deixa mais material em qualquer extremidade da seção de barra. Isso garante suporte rígido para prevenir chatter e também elimina flexão em áreas fracas da barra, que poderiam possivelmente pinçar ou quebrar uma ferramenta de ranhuramento.

Beneficiando-se da Padronização

Cada torreta no LT-300MY tem 12 estações de ferramentas. Daniel Freeman, técnico de P&D da Comp Cams que comumente programa e ajuda a executar o torno, diz que a empresa aproveita totalmente aquelas 24 estações totais. Aproximadamente dois terços delas raramente mudam. Adicionalmente, ferramentas em várias estações são espelhadas nas torretas superior e inferior para facilitar operações de usinagem simultânea.

Cada torreta tem três ferramentas de ranhuramento diferentes. Duas realizam operações de desbaste. A mais larga das duas é usada sempre que possível, enquanto a mais fina é usada apenas quando o espaço é apertado. A terceira ferramenta de ranhuramento é usada para acabamento, deixando acabamento superficial de qualidade, livre de rebarbas, mantendo tolerâncias dimensionais de menos de 0,010 polegada em todas dimensões lineares ao longo de um virabrequim de 24 polegadas.

A torreta superior tem duas fresas de topo orientadas verticalmente de diâmetros diferentes que permanecem em suas respectivas estações vivas. Estas são usadas em conjunto com o movimento do eixo Y da máquina para realizar fresamento de lóbulos. A fresa de topo mais estreita de 0,75 polegada tem um inserto a menos que a de 1 polegada, então a taxa de avanço tem que ser reduzida quando aquela ferramenta é usada. Ferramentas nas cinco estações vivas horizontais da torreta superior frequentemente não mudam também. Estas realizam furação, rosqueamento, alargamento e outras operações na face frontal de um virabrequim.

A torreta inferior contém brocas centrais usadas para ambas as faces frontal e traseira do virabrequim. Esta torreta também tem estações vivas horizontais configuradas para criar recursos como furos de ventilação. Duas estações contêm ferramentas diversas. Estas incluem uma ferramenta multifunção de furação/alargamento tipicamente usada para criar contra-alargamentos, e uma grande broca de inserto indexável que usina alargamentos na traseira de um virabrequim.

A empresa usa adaptadores de troca rápida Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 para algum de seu trabalho com ferramentas vivas. Cada adaptador pode acomodar uma broca, rosca ou fresa para uso naquela única estação. Durante configuração, cada ferramenta é instalada separadamente no adaptador e tocada. Durante uma produção, uma parada de programa pausa a máquina e solicita ao operador trocar a ferramenta na estação do adaptador para a próxima ferramenta necessária. O operador pode trocar a ferramenta em menos de um minuto, e toque não é necessário porque o offset para cada ferramenta foi determinado durante configuração. O Sr. Freeman diz que ferramentas no adaptador se estendem algumas polegadas mais que o normal, mas isso não apresenta problemas de folga.

A empresa também padronizou no refrigerante, usando o mesmo refrigerante sintético Castrol Syntilo 9918 para usinagem que para retífica. O Sr. Godbold diz que a empresa poderia economizar dinheiro usando refrigerante de menor custo, mas aprecia o desempenho consistente que o refrigerante avançado oferece. A Comp Cams planeja instalar sistema central de refrigerante de 8.000 galões com sistema único de filtro de papel principal para suprir tanto as áreas de usinagem quanto retífica na instalação.

Uma vantagem da padronização é que minimiza o número de ferramentas que devem ser tocadas para um novo trabalho. Tipicamente, um operador tem que instalar e tocar apenas algumas brocas, alargadores e roscas durante configuração para um novo trabalho. Padronização de ferramentas também permite programadores determinar rápida e facilmente se ferramentas adicionais são necessárias para um novo projeto. Em última análise, padronização permitiu à Comp Cams reduzir 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 de perto com Rex Luxmore, seu representante de ferramentas Iscar, que o Sr. Freeman diz ser proativo em mantê-lo atualizado com novos desenvolvimentos de ferramentas. Por exemplo, a recomendação do Sr. Luxmore de ferramentas de ranhuramento com novo revestimento resultou em melhoria de 30 a 50% na vida útil da ferramenta. Esta assistência é crítica, observa o Sr. Freeman, em grande parte por causa dos materiais desafiadores como aço-ferramenta M4 em pó que a empresa frequentemente usina. Este aço-ferramenta não é apenas implacável, mas endurecerá rapidamente se cortado muito devagar ou levemente.

Um Conselho

O objetivo da Comp Cams é ser um desenvolvedor líder de componentes inovadores de trem de válvulas, o Sr. Godbold explica. Usinagem é vista como um meio para esse fim. O Sr. Godbold diz que empresas com abordagem similar são bem servidas ao reconhecer suas limitações de manufatura, especialmente ao considerar adição de um torno complexo como o LT-300MY. É melhor dedicar algum tempo a aprender os meandros de tal máquina antes de depender dela para produção, ele nota.

Scooter Brothers certamente entendeu isso quando a máquina de fuso duplo/torreta dupla foi entregue. Contanto que a empresa se tornasse mais eficaz usando o torno durante os primeiros meses e conseguisse alcançar nível de produção de meia-aceleração dentro de 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 a Comp Cams prova que uma oficina com apenas experiência convencional de torneamento e fresamento pode integrar com sucesso uma máquina multifunção complexa sem necessariamente ser excepcional em usinagem ou programação. No entanto, isso requer estabelecer relacionamentos sólidos com fornecedores de equipamentos dispostos a ajudar uma oficina a alcançar seus objetivos. Encontrar pessoas confiáveis para trabalhar significa tudo, ele diz.