Herramentales de precisión y sujeción optimizan rotores Whipple Supercharger para rendimiento superior

Al desarrollar un proceso de mecanizado más preciso para rotores helicoidales acoplados, los modelos de supercargador Whipple pueden forzar aire al motor más eficientemente para mayores ganancias de potencia. Sujeción personalizada y herramientas de forma permiten a la empresa fresar rotores de supercargador con precisión en una sola configuración en su torno-fresadora con eje B.

Fundada por el ex jefe de equipo de carreras y propietario de auto Art Whipple en 1987, Whipple Superchargers de Fresno fabrica supercargadores de tornillo gemelo para corredores automotrices y marinos, y otros que buscan mejorar el rendimiento de su motor. Estos tipos de "aditivos de potencia" (turbocompresores y óxido nitroso son otros) introducen aire adicional en un motor más allá de lo que el motor puede aspirar por sí mismo. Más aire significa que se puede agregar más combustible, esencialmente aumentando el desplazamiento del motor así como su potencia de salida.

Clave aquí es el engranaje preciso, sin contacto, de dos rotores helicoidales dentro de la carcasa del supercargador. Con el diseño Whipple, el rotor macho tiene tres lóbulos helicoidales y el hembra tiene cuatro, explica el Diseñador de Supercargadores Garrett Bright. Estos giran en sentido contrario y extremadamente cerca. A medida que los lóbulos de cada uno pasan por los puertos de entrada de aire, el aire queda atrapado entre los rotores y la carcasa. La rotación del rotor reduce progresivamente el espacio que ocupa el aire, comprimiéndolo. La compresión continúa hasta que el espacio del lóbulo interno queda expuesto a un puerto de salida, a través del cual el aire se descarga a presión superior a la atmosférica en el colector de admisión que se encuentra encima del motor.

La eficiencia del supercargador depende de la efectividad del sellado entre los rotores acoplados y la carcasa. Anteriormente, Whipple había usado únicamente rotores fabricados y suministrados por una empresa externa. Aún usa esos rotores suministrados para algunos de sus modelos de supercargador. Sin embargo, la compañía ha comenzado a diseñar y mecanizar sus propios rotores internamente, y el proceso de mecanizado que ha desarrollado produce rotores más cilíndricos y precisos que los proporcionados por su proveedor, resultando en diseños de supercargador que son 5% más eficientes que los que usan rotores suministrados.

Las mediciones tomadas en esta MMC permitieron a Whipple determinar la precisión de sus rotores suministrados y los mecanizados internamente. Su objetivo es lograr un juego de 125 micras entre rotores acoplados, lo que ahora puede lograr con sus capacidades de mecanizado multitarea internas.

Bright explica que Whipple se vio impulsado a mecanizar sus propios rotores después de ver los resultados de las mediciones de los rotores de su proveedor tomadas en su máquina de medición por coordenadas (CMM) Zeiss Accura. Esta CMM cuenta con una mesa rotativa, así como la tecnología de escaneo Vast de Zeiss y la opción Gear Pro en su software de medición Calypso. Bright dice que este software es particularmente efectivo para medir rotores acoplados porque puede asignar puntos de control específicos en los perfiles helicoidales del rotor macho y hembra donde se encuentran para determinar el juego entre los dos en esos puntos. Determinó que el perfil para cada rotor debe ser ±63 micras con el objetivo de lograr un juego de aproximadamente 125 micras. Whipple no estaba obteniendo eso de su proveedor de rotores.

Internalizando el mecanizado

El proceso de mecanizado de rotores interno de la compañía usando herramientas de forma es similar al de su proveedor, pero con modificaciones de sujeción para aumentar la rigidez.

Mientras un operador carga un blank de rotor de aluminio 6061 en el torno-fresadora, el husillo principal y luego el contrahusillo de la máquina sujetan los journals de acero salientes del eje.

La máquina que compró hace unos años para esta aplicación es un Mazak Integrex e-420H-S II torno-fresadora con cabezal de fresado eje B. De hecho, este torno-fresadora no realiza torneado.

Blanks cilíndricos de rotor de aluminio 6061 primero se taladran longitudinalmente en otra máquina para permitir que un eje de acero se prense en ellos. Mientras un operador carga un blank en el Integrex, el husillo principal y luego el contrahusillo de la máquina sujetan los journals salientes del eje. Luego, el eje B de la máquina se inclina drásticamente para orientar una herramienta de forma personalizada que coincide con el perfil de flauta del rotor deseado cuando está en ese ángulo. Finalmente, la herramienta de forma giratoria se mueve a lo largo del eje Z mientras el rotor gira lentamente para crear cada flauta en múltiples pasadas.

Inicialmente, Whipple usó pinzas ER de tiro extendido para sujetar los journals del eje. La longitud extendida era requerida para posicionar los blanks lejos del contrahusillo para proporcionar suficiente holgura para que el husillo del eje B se inclinara lo suficiente sobre el portabrocas del contrahusillo como era necesario para acomodar la herramienta de forma. Sin embargo, la funcionalidad de tiro de esas pinzas hacía que la carga de blanks de rotor fuera lenta y desafiante. El apriete de la pinza (resultando en tiro) ponía carga excesiva en el husillo principal, lo que significaba que el contrahusillo del eje W tenía que ser tramado para ayudar a eliminar la carga. De lo contrario, podían resultar vibraciones o malos acabados superficiales. Como resultado, los operadores continuamente apretaban y reapretaban hasta que la mayor parte de la carga se eliminaba, lo que típicamente tomaba 10 minutos. Además, Whipple estaba constantemente reemplazando pinzas debido al desgaste que experimentaban al ser apretadas y aflojadas tantas veces.

A diferencia de las pinzas ER usadas anteriormente, las pinzas de longitud muerta no jalan hacia atrás las piezas y ponen carga en el husillo principal que tendría que eliminarse. Esto redujo las configuraciones de 10 a dos minutos.

Por consejo de Kellen Bush, ingeniero de aplicaciones de Mazak que trabajó con Whipple en este proyecto, la compañía contactó a Hainbuch para idear un enfoque alternativo de sujeción. El Gerente de Ventas de Hainbuch, Tom Chambers, explica que la solución de sujeción personalizada de la compañía no solo proporciona el alcance extendido requerido para permitir que el eje B de la máquina se incline al ángulo requisito sin interferencia, sino que también ofrece mayor rigidez mientras simplifica los cambios. Esto es posible en gran parte porque se usan pinzas de longitud muerta en lugar de tipos de tiro. Chambers dice que las pinzas de longitud muerta "sujetan en el espacio", lo que significa que los blanks de rotor no se moverán cuando las pinzas se aprieten. Como resultado, no se aplica carga adicional que tendría que ser eliminada al husillo principal. Los cambios ahora toman solo dos minutos.

Las herramientas de forma Kyocera Unimerco que Whipple usa para mecanizar sus rotores (así como el proveedor de rotores de Whipple) en realidad no se usan comúnmente para cortar metal. Anders Varga, gerente de ventas de Kyocera Unimerco, dice que este tipo de herramienta se usa típicamente para cortar madera, compuestos y otros materiales fibrosos. Esto se debe principalmente a la cantidad de presión que se ejercería sobre la herramienta como resultado del alto área de contacto entre una pieza de metal y los bordes de corte de inserto largos. Que estas herramientas puedan usarse en esta aplicación de mecanizado de rotores habla de la rigidez de la máquina con interfaz de husillo Capto y su sujeción personalizada.

Usar herramientas de forma que coincidan con el perfil de flauta helicoidal de los rotores (perfiles que Bright ha refinado) elimina el pulido que podría requerirse si se usaran múltiples fresas de extremo para tallar las flautas. Los rotores se mecanizan para que sus lóbulos sean lo más grandes posible, pero ligeramente sobredimensionados para permitir un recubrimiento propietario posterior. Whipple típicamente mantiene dos herramientas de desbaste y tres de acabado a mano para rotores tanto machos como hembras. Las herramientas usan insertos de carburo micrograno sin recubrir. Los insertos para las herramientas de desbaste se adjuntan a los cuerpos de herramienta mediante tornillos; las herramientas de acabado están soldadas a ellos.

Al usar herramientas de forma, Whipple no tiene que realizar acabado secundario como lo haría si usara fresas de extremo para crear las flautas del rotor.

Ahora, no solo este proceso de mecanizado está logrando el objetivo de 125 micras de juego entre rotores acoplados de Bright, sino que la cilindricidad extremo a extremo del rotor es más consistente. Dice que con el enfoque original de sujeción, la diferencia en cilindricidad de un extremo de un rotor comparado con el otro podría ser tan alta como 10 micras. Eso se ha reducido a 1 micra. Los tiempos de ciclo del rotor son un poco más rápidos también. Los tiempos de ciclo para un rotor macho son 14 minutos y un rotor hembra toma 20 minutos. Pero, para Whipple, esto es la guinda del pastel. Sus objetivos principales eran lograr mayor precisión de mecanizado de rotores y acelerar los cambios, ambos los ha realizado.