Técnicas avanzadas de mecanizado de árboles de levas para máximo rendimiento

Cuando hablé por primera vez con Billy Godbold, estaba en una pista viendo a un equipo profesional de drag racing probar un árbol de levas personalizado. El Sr. Godbold es líder del grupo de ingeniería de Comp Cams, el fabricante de componentes de distribución que suministró el árbol. Un mes antes, el grupo de diseño de Comp Cams acababa de empezar a contemplar materiales y geometrías para esta aplicación. Pasar de diseño a árbol de levas billet terminado tan rápido no habría sido posible años atrás cuando la compañía externalizaba el mecanizado de sus árboles de levas de carreras de alta gama.

Internalización del mecanizado

Hoy, Comp Cams mecaniza pequeños lotes de núcleos de árboles de levas de carreras en un torno de doble husillo/doble torreta de Okuma. (Los núcleos son árboles que tienen sus características principales mecanizadas, pero aún requieren tratamiento térmico y rectificado posteriores). Internalizar esta capacidad permitió a la compañía acelerar enormemente la entrega de árboles personalizados para carreras profesionales porque ya no tenía que esperar semanas o meses para recibir núcleos. Ahora puede fabricar hasta 12 núcleos de acero para herramientas M4 en polvo en un solo turno de ocho horas.

El Sr. Godbold explica que la experiencia tradicional de Comp Cams era el rectificado de árboles, no su mecanizado. Así que cuando se decidió instalar el torno multifunción de 7 ejes en 2008, la compañía dependió fuertemente de la experiencia y consejo de sus proveedores de equipos para establecer un proceso de mecanizado efectivo. Comp Cams sigue recurriendo a esos recursos hoy mientras busca minimizar tiempos de ciclo para núcleos de árboles.

Afortunadamente, "no se puede vender si no se cuenta" es el lema de Paul "Scooter" Brothers, uno de los propietarios de Comp Cams y presidente del consejo de la Specialty Equipment Market Association. En ese espíritu, los representantes no fueron tímidos al detallar cómo se han vuelto mejores usando el torno avanzado durante mi visita a su instalación en Memphis, Tennessee.

Triunfando en velocidad

La porción de árboles de levas de la línea de productos de Comp Cams se divide equitativamente en tres segmentos: alto rendimiento/no carreras; corredores aficionados; y constructores de motores para NASCAR, NHRA y otros equipos profesionales. Los árboles billet personalizados mecanizados en Memphis son usados por equipos profesionales.

Originalmente, los prolongados plazos de entrega de núcleos tenían a la compañía considerando añadir una "célula convencional" para producir los pequeños lotes que requerían los equipos. Tales células típicamente incluyen sierra para cortar barra a longitud; tornos para desbastar frente y trasero, añadir centros y ranurar disposición de lóbulos; fresadoras para mecanizar detalles en frentes; y fresadoras adicionales para perfiles de lóbulos. La mayoría requerían múltiples configuraciones consumidoras de tiempo.

La compañía optó por otra ruta tras reunirse el Sr. Godbold con Larry Schwartz, entonces presidente de Okuma America (ahora director de estrategia). Discutieron formas alternativas de fabricar núcleos minimizando cambios y simplificando configuraciones para series de 20 piezas. La idea de Schwartz: usar torno de doble husillo/doble torreta. Mantener una barra sujeta entre husillos y/o parcialmente dentro permitiría mecanizado completo de núcleos en una sola configuración. Además, los husillos gemelos podrían realizar algunas operaciones simultáneamente.

Seleccionaron un Okuma LT300-MY. El Sr. Godbold dice que en muchos aspectos, el concepto inicial y ejecución de programación fueron mayores obstáculos que las ligeras modificaciones de máquina necesarias. El cambio mecánico principal fue aumentar el tamaño de las mangas en husillo principal y contrahusillo para que un árbol con journal de 70 mm pudiera pasar. La compañía razonó que como la máquina ofrecía gran rigidez y cada husillo 30 hp, no tendría problema mecanizando aceros para herramientas M4 en polvo (30 HRc) comunes en sus árboles billet de carreras.

Antes de la entrega, Comp Cams envió lo que consideraba un núcleo muy difícil a Okuma para prueba: árbol NHRA Pro Stock de 70 mm y 9 journals. Kevin Kraieski, ingeniero de aplicaciones de Okuma, creó los programas iniciales y mecanizó las primeras muestras. Kraieski configuró el programa usando múltiples subrutinas estilo variable para operaciones comunes: ranurado entre lóbulos, fresado de perfiles, taladrado y roscado de patrones de tornillos, etc. Esto permitió a Comp Cams reprogramar fácilmente la máquina compleja para cualquier número de diseños sin empezar desde cero.

Mejorar acabado en ranuras entre lóbulos y aumentar velocidad de fresado de lóbulos fue desafiante durante pruebas. Sin embargo, Tim Whitmore, gerente de proyecto OEM de Iscar, trabajó estrechamente con Kraieski para resolver los problemas de herramienta. Al llegar la máquina a Comp Cams, completaba un núcleo M4 en 75 minutos.

Las fotos muestran cómo se producen núcleos en el torno. Un operador desliza manualmente una barra precortada al husillo principal, la saca unas pulgadas a un tope, y la sujeta. El torno entonces torneada y fresa características en lo que será la cara frontal. Luego el contrahusillo se posiciona, agarra la cara mecanizada y saca la barra ~10 pulgadas. Ranurado y fresado de lóbulos se completan en ese segmento. Una vez terminado, el contrahusillo sujeta algunos journals recién mecanizados y saca la barra más lejos del husillo principal para ranurado y fresado de la mitad trasera. (Realizar estas operaciones en dos secciones pequeñas minimiza riesgo de deflexión, vibración y chatter). Finalmente, el contrahusillo consume casi toda la barra para torneado y fresado en la cara trasera.

Comp Cams ha refinado el proceso hasta mecanizar núcleos en 35-45 minutos. Dicho esto, la compañía superó algunos obstáculos iniciales para lograr estos ciclos más rápidos.

Desafíos iniciales

Resultó que el núcleo "realmente difícil" enviado a Okuma era más fácil de mecanizar que otros modelos. Sus 9 journals proporcionaban más puntos de sujeción para el contrahusillo que un típico árbol de 5 journals. Consecuentemente, las mordazas originales del contrahusillo no eran lo bastante largas para sujetar al menos dos journals en modelos de 5 journals (necesario para soporte adecuado). Instalar mordazas de 6 pulgadas permitió al contrahusillo sujetar dos o más journals en cualquier tipo de árbol. El husillo principal siempre sujeta barra maciza, así que mordazas más largas no son necesarias ahí.

El deslizamiento de la pieza dentro de las mordazas también fue problemático porque algunos materiales son más difíciles de sujetar firmemente. La solución fue aplicar un recubrimiento de aleación de tungsteno de Carbonite Metal Coatings en la superficie de agarre de las mordazas. Este recubrimiento se aplica por electrofusión, creando unión metalúrgica más fuerte que recubrimientos por pulverización. Ha eliminado virtualmente deslizamiento lineal y angular durante mecanizado.

Otro desafío inicial fue acostumbrarse a los códigos P, usados para sincronizar el movimiento de las dos torretas. Los códigos P no solo aseguran que las torretas no interfieran al realizar operaciones separadas, sino que también pueden señalarlas para realizar operaciones idénticas simultáneamente. Por ejemplo, si un programador quiere desbastar con la torreta superior y taladrar el extremo con la inferior, esas operaciones deben sincronizarse porque obviamente no pueden hacerse a la vez. Si asigna P10 a la superior y P20 mayor a la inferior, la superior continuará hasta encontrar un valor P mayor en el código. Si el siguiente código P es mayor que el asignado a la inferior, la superior esperará a que la inferior termine. Pero si el mismo código P se aplica a ambas, trabajarán simultáneamente.

A menos que un árbol tenga número impar de ranuras, el torno realiza torneado y ranurado con ambas torretas simultáneamente cuando la barra está sujeta entre husillos. Como la superior está optimizada cerca del husillo principal y la inferior cerca del contrahusillo, no realizan torneado por pinzamiento. Sin embargo, el Sr. Godbold estima que el corte simultáneo permite remover material 30% más rápido principalmente porque la presión de herramienta está equilibrada. Además, iniciar ranurado desde el centro de cada sección de barra y mover hacia los husillos deja más material en los extremos, asegurando soporte rígido para prevenir chatter y eliminando flexión en áreas débiles que podrían pellizcar o romper herramienta de ranurado.

Beneficiándose de la estandarización

Cada torreta en el LT-300MY tiene 12 estaciones de herramienta. Daniel Freeman, técnico de I+D de Comp Cams que programa y ayuda a operar el torno, dice que la compañía aprovecha al máximo esas 24 estaciones totales. Aproximadamente dos tercios rara vez cambian. Además, herramientas en varias estaciones se replican en ambas torretas para facilitar operaciones simultáneas.

Cada torreta tiene tres herramientas de ranurado diferentes. Dos para desbaste. La más ancha se usa siempre que es posible, la más fina solo cuando el espacio es ajustado. La tercera es para acabado, dejando acabado superficial de calidad sin rebabas manteniendo tolerancias dimensionales <0,010" en todas las dimensiones lineales a lo largo de 24".

La torreta superior tiene dos fresas de extremo verticales de diferentes diámetros en estaciones vivas. Se usan con movimiento del eje Y para fresado de lóbulos. La de 0,75" tiene un inserto menos que la de 1", así que el avance debe reducirse con esa herramienta. Las cinco estaciones horizontales vivas de la superior a menudo no cambian: taladrado, roscado, escariado y otras operaciones en cara frontal.

La torreta inferior contiene brocas centrales para caras frontal y trasera. También tiene estaciones horizontales vivas para crear características como agujeros de ventilación. Dos estaciones contienen herramientas varias: multifunción taladro/escariador para contrafuertes, y taladro de plaquita indexable grande para agujeros en parte trasera.

La compañía usa adaptadores de cambio rápido Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 para algunos trabajos de herramienta viva. Cada adaptador admite taladro, grifo o fresa para esa estación. Durante configuración, cada herramienta se instala por separado en el adaptador y se toca. Durante producción, una parada de programa pausa la máquina y pide al operador cambiar la herramienta en la estación del adaptador a la siguiente necesaria. El operador cambia en menos de un minuto, y no se necesita toque porque el compensador de cada herramienta se determinó en configuración. El Sr. Freeman dice que las herramientas en el adaptador sobresalen un par de pulgadas más que lo normal, pero no presenta problemas de interferencia.

La compañía también ha estandarizado refrigerante, usando el mismo Castrol Syntilo 9918 sintético para mecanizado y rectificado. El Sr. Godbold dice que podrían ahorrar con refrigerante más barato, pero valoran el rendimiento consistente del avanzado. Comp Cams planea instalar sistema central de 8.000 galones con filtro de papel único para suministrar ambas áreas.

Una ventaja de la estandarización es minimizar herramientas que deben tocarse para nuevo trabajo. Típicamente, un operador solo instala y toca unos pocos taladros, escariadores y grifos durante configuración. La estandarización también permite a programadores determinar rápida y fácilmente si se necesita herramienta adicional para nuevo proyecto. Finalmente, ha permitido reducir tiempos de cambio para la mayoría de nuevos trabajos de un día completo a solo unas horas.

Dicho esto, la compañía sigue trabajando estrechamente con Rex Luxmore, su representante de herramienta Iscar, quien el Sr. Freeman dice es proactivo manteniéndolo al día con nuevos desarrollos. Por ejemplo, la recomendación de Luxmore de herramientas de ranurado con nuevo recubrimiento resultó en mejora de 30-50% en vida de herramienta. Esta asistencia es crítica, señala Freeman, principalmente por materiales desafiantes como acero M4 en polvo que la compañía mecaniza frecuentemente. Este acero no solo es implacable, sino que se endurece por trabajo rápido si se corta demasiado lento o suavemente.

Un consejo

El objetivo de Comp Cams es ser desarrollador líder de componentes de distribución innovadores. El mecanizado se ve como medio para ese fin. El Sr. Godbold dice que compañías con enfoque similar harían bien en reconocer sus limitaciones de fabricación, especialmente al considerar añadir un torno complejo como el LT-300MY. Es mejor dedicar tiempo a aprender los entresijos de tal máquina antes de depender de ella para producción.

Scooter Brothers ciertamente lo entendió cuando se entregó la máquina. Mientras la compañía se volviera más efectiva usando el torno en los primeros meses y lograra producción a medio gas en un año, Brothers no se desanimaría.

El Sr. Godbold cree que este enfoque marcó la diferencia. Dice humildemente que Comp Cams demuestra que un taller con solo experiencia convencional de torneado y fresado puede integrar exitosamente una máquina multifunción compleja sin ser necesariamente sobresaliente en mecanizado o programación. Sin embargo, esto requiere establecer relaciones sólidas con proveedores de equipos dispuestos a ayudar a alcanzar metas. Encontrar gente de confianza para trabajar significa todo.