Mecanizado de árboles de levas más eficaz

Cuando hablé por primera vez con Billy Godbold, estaba en una pista viendo a un equipo profesional de carreras de resistencia probar un árbol de levas personalizado. El Sr. Godbold es el líder del grupo de ingeniería de Comp Cams, el fabricante de componentes del tren de válvulas que suministró el árbol de levas. Un mes antes, el grupo de diseño de Comp Cams acababa de comenzar a considerar los materiales y las geometrías del árbol de levas para esta aplicación. Pasar del diseño al árbol de levas de palanquilla completo con tanta rapidez no habría sido posible hace años cuando la empresa subcontrató el mecanizado de sus árboles de levas de carreras de gama alta.

En la actualidad, Comp Cams mecaniza pequeños lotes de núcleos de árboles de levas de carrera en un torno de doble husillo/torreta doble de Okuma. (Los núcleos de los árboles de levas son árboles de levas cuyas características principales están mecanizadas, pero que aún requieren operaciones subsiguientes de tratamiento térmico y esmerilado). Llevar esta capacidad de mecanizado internamente permitió a la empresa acelerar en gran medida la producción de árboles de levas personalizados para aplicaciones de carreras profesionales porque ya no tenía que espere semanas o meses para recibir los núcleos del árbol de levas. Ahora puede fabricar hasta 12 núcleos de árbol de levas de acero para herramientas de metal en polvo M4 en un solo turno de ocho horas.

El Sr. Godbold explica que la experiencia tradicional de Comp Cams era rectificar árboles de levas, no mecanizarlos. Por eso, cuando se tomó la decisión de instalar el torno multifunción de siete ejes en 2008, la empresa confió en gran medida en la experiencia y el asesoramiento de sus proveedores de equipos para establecer un proceso de mecanizado eficaz. Comp Cams continúa aprovechando esos recursos en la actualidad, ya que se esfuerza por minimizar los tiempos de ciclo de los núcleos del árbol de levas.

Afortunadamente para mí, "no puedes vender si no lo dices" es el lema de Paul "Scooter" Brothers, uno de los propietarios de Comp Cams y presidente de la junta directiva de Specialty Equipment Market Association. De acuerdo con el espíritu de ese dicho, los representantes de la compañía no dudaron en detallar cómo han mejorado en el uso del torno avanzado durante mi visita a sus instalaciones de Memphis, Tennessee.

Tener éxito a gran velocidad

La parte del árbol de levas de la línea de productos de Comp Cams se divide uniformemente en tres segmentos:aplicaciones de alto rendimiento/no relacionadas con las carreras; corredores aficionados; y constructores de motores para NASCAR, NHRA y otros equipos de carreras profesionales. Los equipos de carreras profesionales utilizan los árboles de levas de palanquilla personalizados maquinados en las instalaciones de la compañía en Memphis.

Originalmente, los prolongados tiempos de entrega del núcleo del árbol de levas hicieron que la empresa considerara agregar una celda "convencional" para producir los lotes pequeños que requerían los equipos de carrera. Tales celdas típicamente incluyen una sierra para cortar el material en barra a la medida; tornos para hacer frente a la parte delantera y trasera del árbol de levas, agregar centros y ranurar el diseño del lóbulo; fresas para mecanizar detalles en las caras delantera y trasera del árbol de levas; y molinos adicionales para mecanizar los perfiles de los lóbulos. La mayoría de estas operaciones también requerían varias configuraciones que consumían mucho tiempo.

Finalmente, la empresa decidió tomar un camino diferente después de que el Sr. Godbold se reuniera con Larry Schwartz, quien en ese momento era el presidente de Okuma America (ahora es el director de estrategia del fabricante de máquinas herramienta). Los hombres discutieron formas alternativas de fabricar núcleos de árboles de levas que minimizarían los cambios y simplificarían las configuraciones para series de producción de aproximadamente 20 piezas. La idea del Sr. Schwartz era usar un torno de doble husillo/torreta doble. Mantener una barra sujeta entre los husillos y/o parcialmente dentro de ellos permitiría el mecanizado completo de los núcleos del árbol de levas en una sola configuración. Además, los husillos gemelos podrían realizar algunas operaciones simultáneamente.

La empresa seleccionó un Okuma LT300-MY. El Sr. Godbold dice que, en muchos sentidos, el concepto inicial y la ejecución de la programación fueron obstáculos mayores que las ligeras modificaciones de la máquina que se necesitaban para esta aplicación. El cambio mecánico principal en la máquina fue aumentar el tamaño de las camisas en los husillos principal y secundario para que un árbol de levas de 70 mm de diario pudiera pasar a través de ellos. La compañía razonó que debido a que la máquina ofrecía una gran rigidez y cada uno de sus husillos proporcionaba 30 caballos de fuerza, el torno no tendría problemas para mecanizar los resistentes aceros para herramientas de metal en polvo M4 (clasificados en 30 HRc) comunes a sus árboles de levas de carreras de palanquilla.

Antes de la entrega del torno, Comp Cams envió lo que pensó que era un núcleo de árbol de levas muy difícil a las instalaciones de Okuma para probar la máquina:un árbol de levas NHRA Pro Stock de 70 mm de diámetro con nueve muñones. Kevin Kraieski, un ingeniero de aplicaciones de Okuma, creó los programas de piezas iniciales y mecanizó las primeras piezas de muestra. El Sr. Kraieski configuró el programa de piezas utilizando múltiples subrutinas de estilo variable para operaciones comúnmente requeridas, como ranurado entre lóbulos, fresado de perfiles de lóbulos, taladrado y roscado de patrones de orificios para pernos, y más. Esto hizo posible que Comp Cams reprogramara fácilmente la compleja máquina para cualquier cantidad de diseños de árboles de levas sin comenzar desde cero cada vez.

Mejorar el acabado en las ranuras entre los lóbulos y aumentar la velocidad de mecanizado de los lóbulos resultó ser un desafío durante las pruebas. Sin embargo, Tim Whitmore, gerente de proyectos de OEM de Iscar, trabaja en estrecha colaboración con el Sr. Kraieski para solucionar los problemas de herramientas. Cuando la máquina se entregó a Comp Cams, podía completar un núcleo de árbol de levas M4 en 75 minutos.

Las fotos de la página siguiente muestran cómo se producen los núcleos del árbol de levas en el torno. Un operador desliza manualmente una barra precortada en el husillo principal, tira de la barra unos centímetros hasta detenerla y la sujeta. Luego, el torno gira y fresa las características en lo que se convertirá en la cara frontal de la leva. Luego, el husillo secundario se coloca en posición, agarra la cara maquinada y saca la barra aproximadamente 10 pulgadas. El ranurado y el fresado de lóbulos se completan en ese segmento de la barra. Una vez que se completa el mecanizado en esa sección, el husillo secundario sujeta algunos de los muñones recién maquinados y tira de la barra más lejos del husillo principal para permitir el ranurado y el fresado de lóbulos de la mitad posterior del árbol de levas. (Realizar estas operaciones en dos secciones pequeñas minimiza el riesgo de deflexión, vibración y traqueteo). Finalmente, el husillo secundario consume casi toda la barra para permitir el trabajo de torneado y fresado en la cara posterior del árbol de levas.

Comp Cams ha perfeccionado este proceso hasta el punto de que ahora puede mecanizar núcleos de árboles de levas en 35 a 45 minutos. Dicho esto, la empresa tuvo que superar algunos obstáculos iniciales de mecanizado para lograr estos tiempos de ciclo más rápidos.

Primeros desafíos

Resultó que el árbol de levas "realmente difícil" que Comp Cams envió a Okuma para realizar pruebas resultó más fácil de mecanizar que sus otros modelos de árboles de levas. Esto se debe a que los nueve muñones del árbol de levas proporcionaron más puntos de sujeción para el eje secundario que un árbol de levas típico de cinco muñones. En consecuencia, las mordazas originales del subhusillo no eran lo suficientemente largas para sujetar al menos dos muñones en los modelos de cinco muñones (esto era necesario para garantizar un soporte adecuado durante el mecanizado). La instalación de mordazas más largas de 6 pulgadas permitió que el subhusillo se sujetara a través de dos o más muñones en cualquier tipo de árbol de levas fabricado por la empresa. El husillo principal siempre sujeta barras sólidas, por lo que no se necesitan mordazas más largas para ese husillo.

El deslizamiento de la pieza de trabajo dentro de las mordazas también resultó ser problemático en ocasiones porque algunos materiales del árbol de levas son más difíciles de sujetar firmemente que otros. La solución fue aplicar un revestimiento de aleación de tungsteno de Carbonite Metal Coatings en la superficie de agarre de las mordazas. Este recubrimiento en particular se aplica mediante electrofusión, lo que crea una unión metalúrgica que se dice que es más fuerte que los recubrimientos por aspersión. El recubrimiento prácticamente eliminó el deslizamiento lineal y angular de la pieza de trabajo durante el mecanizado.

Otro desafío inicial fue acostumbrarse a los códigos P, que se utilizan para sincronizar el movimiento de las dos torretas. Los códigos P no solo garantizan que las torretas no interfieran entre sí al realizar operaciones separadas, sino que también pueden indicarles que realicen operaciones idénticas simultáneamente. Por ejemplo, si un programador quiere encarar una pieza con la torreta superior y luego taladrar el extremo con la torreta inferior, esas operaciones deben sincronizarse porque obviamente no se pueden realizar al mismo tiempo. Si el programador asigna un valor P10 a la torreta superior y un P20 más alto a la torreta inferior, la torreta superior continuará con todos sus movimientos necesarios hasta que encuentre un valor P más alto en el código del programa. Si el siguiente código P que encuentra es más alto que el código P asignado a la torreta inferior, la torreta superior esperará hasta que se complete la torreta inferior. Sin embargo, si se aplica el mismo código P a ambas torretas, funcionarán simultáneamente.

A menos que un árbol de levas tenga un número impar de ranuras, el torno realiza operaciones de torneado y ranurado utilizando ambas torretas simultáneamente cuando la barra se sujeta entre husillos. Debido a que la torreta superior está optimizada para funcionar cerca del husillo principal y la inferior está configurada para funcionar cerca del husillo secundario, la empresa no realiza torneado de pinza. Sin embargo, el Sr. Godbold estima que el corte simultáneo permite que el torno elimine material un 30 por ciento más rápido principalmente porque la presión de la herramienta está equilibrada. Además, comenzar las operaciones de ranurado en el medio de cada sección de la barra y avanzar hacia los ejes deja más material en cada extremo de la sección de la barra. Esto asegura un soporte rígido para evitar vibraciones y también elimina la flexión en las áreas débiles de la barra, lo que podría pellizcar o romper una herramienta de ranurado.

Beneficios de la estandarización

Cada torreta del LT-300MY tiene 12 estaciones de herramientas. Daniel Freeman, el técnico de I+D de Comp Cams que normalmente programa y ayuda a operar el torno, dice que la empresa aprovecha al máximo esas 24 estaciones totales. Aproximadamente dos tercios de ellos rara vez cambian. Además, las herramientas de varias estaciones se reflejan en las torretas superior e inferior para facilitar las operaciones de mecanizado simultáneas.

Cada torreta tiene tres herramientas de ranurado diferentes. Dos de ellos realizan operaciones de desbaste. El más ancho de los dos se usa con la mayor frecuencia posible, mientras que el más delgado se usa solo cuando el espacio es reducido. La tercera herramienta de ranurado se usa para el acabado, lo que deja un acabado de superficie de calidad y sin rebabas mientras mantiene tolerancias dimensionales de menos de 0,010 pulgadas en todas las dimensiones lineales a lo largo de un árbol de levas de 24 pulgadas de largo.

La torreta superior tiene dos fresas de extremo orientadas verticalmente de diferentes diámetros que permanecen en sus respectivas estaciones activas. Estos se utilizan junto con el movimiento del eje Y de la máquina para realizar el fresado de lóbulos. La fresa de mango más estrecha de 0,75 pulgadas tiene un inserto menos que la fresa de mango de 1 pulgada, por lo que la velocidad de avance debe reducirse cuando se usa esa herramienta. Las herramientas en las cinco estaciones vivas horizontales de la torreta superior a menudo tampoco cambian. Estos realizan operaciones de taladrado, roscado, escariado y otras operaciones en la cara frontal de un árbol de levas.

La torreta inferior contiene taladros centrales que se utilizan para las caras delantera y trasera del árbol de levas. Esta torreta también tiene estaciones horizontales activas configuradas para crear elementos como orificios de ventilación. Dos estaciones contienen herramientas misceláneas. Estos incluyen una herramienta multifunción de taladrado/mandrinado que normalmente se usa para crear avellanados y un gran taladro de inserción indexable que mecaniza orificios en la parte trasera de un árbol de levas.

La empresa utiliza adaptadores de cambio rápido Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 para algunos de sus trabajos de herramientas motorizadas. Cada adaptador puede acomodar un taladro, macho o fresa para usar en esa estación única. Durante la configuración, cada herramienta se instala por separado en el adaptador y se pone en contacto. Durante una corrida de producción, una parada de programa detiene la máquina y solicita al operador que cambie la herramienta en la estación del adaptador a la siguiente herramienta necesaria. El operador puede cambiar la herramienta en menos de un minuto y no es necesario realizar un toque porque la compensación de cada herramienta se determinó durante la configuración. El Sr. Freeman dice que las herramientas en el adaptador se extienden un par de pulgadas más de lo normal, pero esto no presenta ningún problema de espacio libre.

La empresa también ha estandarizado el refrigerante, utilizando el mismo refrigerante sintético Castrol Syntilo 9918 para el mecanizado que para el rectificado. El Sr. Godbold dice que la compañía podría ahorrar dinero al usar un refrigerante de menor costo, pero aprecia el rendimiento constante que ofrece el refrigerante avanzado. Comp Cams planea instalar un sistema de refrigeración central de 8000 galones con un solo sistema principal de filtro de papel para abastecer las áreas de mecanizado y rectificado en la instalación.

Una ventaja de la estandarización es que minimiza la cantidad de herramientas que deben activarse para un nuevo trabajo. Por lo general, un operador tiene que instalar y conectar solo algunos taladros, escariadores y machos de roscar durante la configuración para un nuevo trabajo. La estandarización de herramientas también permite a los programadores determinar rápida y fácilmente si se necesitan herramientas adicionales para un nuevo proyecto. En última instancia, la estandarización ha permitido que Comp Cams reduzca los tiempos de cambio para la mayoría de los nuevos trabajos de un día completo a solo unas pocas horas.

Dicho esto, la compañía continúa trabajando en estrecha colaboración con Rex Luxmore, su representante de herramientas de Iscar, quien, según el Sr. Freeman, es proactivo para mantenerlo actualizado con los nuevos desarrollos de herramientas. Por ejemplo, la recomendación del Sr. Luxmore de herramientas de ranurado con un nuevo recubrimiento dio como resultado una mejora del 30 al 50 por ciento en la vida útil de la herramienta. Esta asistencia es crítica, señala el Sr. Freeman, en gran parte debido a los materiales desafiantes como el acero para herramientas de metal en polvo M4 que la empresa mecaniza con frecuencia. Este acero para herramientas no solo es muy implacable, sino que se endurece rápidamente si se corta demasiado lento o ligeramente.

Un pequeño consejo

El objetivo de Comp Cams es ser un desarrollador líder de componentes innovadores del tren de válvulas, explica el Sr. Godbold. El mecanizado es visto como un medio para ese fin. El Sr. Godbold dice que las empresas con un enfoque similar deben reconocer sus limitaciones de fabricación, especialmente al considerar la adición de un torno complejo como el LT-300MY. Lo mejor es dedicar algo de tiempo a aprender los entresijos de una máquina de este tipo antes de depender de ella para la producción, señala.

Scooter Brothers ciertamente entendió eso cuando se entregó la máquina de doble husillo/torreta doble. Mientras la empresa fuera más eficaz en el uso del torno durante los primeros meses y fuera capaz de alcanzar un nivel de producción medio acelerado en un año, el Sr. Brothers no se iba a desanimar.

El Sr. Godbold cree que este enfoque hizo toda la diferencia en el mundo. Humildemente dice que Comp Cams demuestra que un taller con solo experiencia en torneado y fresado convencional puede integrar con éxito una máquina multifunción compleja sin ser necesariamente sobresaliente en mecanizado o programación. Sin embargo, esto requiere establecer relaciones sólidas con proveedores de equipos que estén dispuestos a ayudar a un taller a lograr sus objetivos. Encontrar personas de confianza con las que trabajar significa todo, dice.