Более эффективная обработка распределительного вала

Когда я впервые поговорил с Билли Годболдом, он был на трассе и наблюдал, как профессиональная команда по дрэг-рейсингу тестирует изготовленный на заказ распределительный вал. Г-н Годболд является руководителем инженерной группы Comp Cams, производителя компонентов клапанного механизма, поставившего распределительный вал. Месяцем ранее группа разработчиков Comp Cams только начала обдумывать материалы и геометрию распределительных валов для этого приложения. Так быстро перейти от проектирования к готовому распределительному валу из заготовки было бы невозможно несколько лет назад, когда компания передала на аутсорсинг обработку своих высококлассных гоночных распределительных валов.

Сегодня Comp Cams обрабатывает небольшие партии сердечников гоночных распределительных валов на токарном станке с двумя шпинделями и двумя револьверными головками от Okuma. (Сердечники распределительных валов — это распределительные валы, основные элементы которых обработаны, но все же требуют последующей термообработки и шлифования.) Наличие такой возможности механической обработки внутри компании позволило компании значительно ускорить оборот нестандартных распределительных валов для профессиональных гоночных приложений, поскольку ей больше не нужно было подождите недели или месяцы, чтобы получить сердечники распределительных валов. Теперь за одну восьмичасовую смену он может изготовить до 12 сердечников распределительных валов M4 из инструментальной стали из порошковой стали.

Г-н Годболд объясняет, что традиционный опыт Comp Cams заключался в шлифовке распределительных валов, а не в их механической обработке. Поэтому, когда в 2008 году было принято решение установить семиосевой многофункциональный токарный станок, компания в значительной степени полагалась на опыт и рекомендации своих поставщиков оборудования для организации эффективного процесса обработки. Comp Cams продолжает использовать эти ресурсы сегодня, стремясь минимизировать время цикла для сердечников распределительных валов.

К счастью для меня, «вы не сможете продать, если не расскажете» — это девиз Пола «Scooter» Brothers, одного из владельцев Comp Cams, а также председателя правления Ассоциации рынка специального оборудования. В соответствии с духом этого высказывания представители компании не стеснялись подробно рассказывать, как они стали лучше использовать усовершенствованный токарный станок во время моего визита на их предприятие в Мемфисе, штат Теннесси.

Успех на скорости

Распределительные валы линейки продуктов Comp Cams равномерно разделены на три сегмента:высокопроизводительные/негоночные приложения; гонщики-любители; и производители двигателей для NASCAR, NHRA и других профессиональных гоночных команд. Специализированные распредвалы, изготовленные на заводе компании в Мемфисе, используются профессиональными гоночными командами.

Первоначально из-за длительных сроков поставки сердечника распределительного вала компания рассматривала возможность добавления «обычной» ячейки для производства небольших партий, которые требовались гоночным командам. Такие ячейки обычно включают пилу для нарезки прутков по длине; токарные станки для обработки передней и задней части распределительного вала, добавления центров и проточки расположения кулачков; фрезы для обработки деталей передней и задней поверхностей распределительных валов; и дополнительные фрезы для обработки профилей лепестков. Для большинства этих операций также требовалось несколько трудоемких настроек.

В конечном итоге компания решила пойти другим путем после того, как г-н Годболд встретился с Ларри Шварцем, который в то время был президентом Okuma America (сейчас он является директором по стратегии производителя станков). Мужчины обсудили альтернативные способы изготовления сердечников распределительных валов, которые минимизируют количество переналадок и упрощают настройку для производственных партий примерно в 20 штук. Идея г-на Шварца состояла в том, чтобы использовать токарный станок с двумя шпинделями и двумя револьверными головками. Удерживание стержня зажатым между шпинделями и/или частично внутри них позволит полностью обработать сердечники распределительных валов за один установ. Кроме того, сдвоенные шпиндели могли выполнять некоторые операции одновременно.

Компания выбрала Okuma LT300-MY. Г-н Годболд говорит, что во многих отношениях первоначальная концепция и выполнение программы были большими препятствиями, чем небольшие модификации машины, которые требовались для этого приложения. Основным механическим изменением станка было увеличение размера втулок в главном и вспомогательном шпинделях, чтобы через них мог проходить распределительный вал с шейкой 70 мм. Компания рассудила, что, поскольку станок обеспечивает большую жесткость, а каждый из его шпинделей обеспечивает мощность 30 лошадиных сил, у токарного станка не возникнет проблем с обработкой прочных инструментальных сталей из порошкового металла M4 (с твердостью 30 HRc), обычных для его гоночных распредвалов.

Перед поставкой токарного станка Comp Cams отправила то, что, по ее мнению, было очень сложным сердечником распределительного вала на предприятие Okuma для проверки машины:распределительный вал NHRA Pro Stock диаметром 70 мм с девятью шейками. Кевин Краески, прикладной инженер Okuma, создал исходные программы обработки деталей и обработал первые образцы деталей. Г-н Краески настроил программу обработки детали, используя несколько подпрограмм с переменным стилем для часто используемых операций, таких как нарезание канавок между выступами, фрезерование профилей выступов, сверление и нарезание резьбы по шаблонам отверстий под болты и т. д. Это позволило Comp Cams легко перепрограммировать сложную машину для любого количества конструкций распределительных валов, не начиная каждый раз с нуля.

Улучшение качества обработки канавок между кулачками и увеличение скорости обработки кулачков во время испытаний оказались сложной задачей. Тем не менее, Тим Уитмор, руководитель проекта OEM компании Iscar, тесно сотрудничает с г-ном Краески, чтобы сгладить проблемы с инструментами. К тому времени, когда машина была доставлена ​​в Comp Cams, она могла изготовить сердечник распределительного вала M4 за 75 минут.

На фотографиях на следующей странице показано, как на токарном станке изготавливаются сердечники распределительных валов. Оператор вручную вставляет предварительно нарезанный пруток в главный шпиндель, вытягивает пруток на несколько дюймов до упора и зажимает его. Затем токарный станок поворачивает и фрезерует элементы, которые станут передней поверхностью кулачка. Затем вспомогательный шпиндель перемещается в нужное положение, захватывает обработанную поверхность и вытягивает пруток примерно на 10 дюймов. На этом сегменте стержня выполняется обработка канавок и фрезерование выступов. После завершения обработки этого участка вспомогательный шпиндель зажимает некоторые из вновь обработанных шеек и вытягивает стержень дальше от главного шпинделя, чтобы обеспечить возможность нарезания канавок и фрезерования кулачков на задней половине распределительного вала. (Выполнение этих операций двумя небольшими секциями сводит к минимуму риск отклонения, вибрации и вибрации.) Наконец, контршпиндель занимает почти весь прут, что позволяет выполнять токарные и фрезерные работы на задней поверхности распределительного вала.

Компания Comp Cams усовершенствовала этот процесс до такой степени, что теперь она может обрабатывать сердечники распределительных валов за 35–45 минут. Тем не менее, компании пришлось преодолеть некоторые первоначальные трудности с обработкой, чтобы сократить время цикла.

Ранние испытания

Как оказалось, «действительно сложные» распределительные валы Comp Cams, отправленные в Okuma для испытаний, оказались легче в обработке, чем другие модели распределительных валов. Это связано с тем, что девять шеек распределительного вала обеспечивают больше точек зажима контршпинделя, чем типичный распределительный вал с пятью шейками. Следовательно, исходные кулачки вспомогательного шпинделя были недостаточно длинными, чтобы зажать по крайней мере две шейки на моделях с пятью шейками (это было необходимо для обеспечения адекватной поддержки во время обработки). Установка более длинных 6-дюймовых кулачков позволила вспомогательному шпинделю зажимать две или более шейки распределительного вала любого типа, производимого компанией. Основной шпиндель всегда зажимает цельный прутковый материал, поэтому для этого шпинделя не нужны более длинные кулачки.

Проскальзывание заготовки внутри кулачков также иногда создавало проблемы, потому что некоторые материалы распределительных валов труднее зажать, чем другие. Решение заключалось в нанесении покрытия из вольфрамового сплава от Carbonite Metal Coatings на захватную поверхность губок. Это конкретное покрытие наносится электроплавкой, что создает металлургическую связь, которая считается более прочной, чем покрытия, наносимые распылением. Покрытие практически устранило линейное и угловое проскальзывание заготовки во время обработки.

Еще одной ранней проблемой было привыкание к P-кодам, которые используются для синхронизации движения двух турелей. P-коды не только гарантируют, что револьверные головки не мешают друг другу при выполнении отдельных операций, но также могут сигнализировать им о необходимости одновременного выполнения идентичных операций. Например, если программист хочет обработать деталь верхней револьверной головкой, а затем просверлить ее конец нижней револьверной головкой, эти операции необходимо синхронизировать, поскольку очевидно, что они не могут выполняться одновременно. Если программист присвоит значение P10 верхней револьверной головке, а более высокое значение P20 — нижней турели, то верхняя револьверная головка будет продолжать все необходимые движения до тех пор, пока не встретит более высокое значение P в программном коде. Если следующий P-код, с которым он сталкивается, выше, чем P-код, назначенный нижней турели, верхняя турель будет ждать, пока не будет выполнена нижняя турель. Однако если к обеим турелям применить один и тот же P-код, они будут работать одновременно.

Если распределительный вал не имеет нечетного числа канавок, токарный станок выполняет операции токарной обработки и нарезания канавок с использованием обеих револьверных головок одновременно, когда пруток удерживается между шпинделями. Поскольку верхняя револьверная головка оптимизирована для работы рядом с главным шпинделем, а нижняя настроена для работы рядом с вспомогательным шпинделем, компания не выполняет защемление. Однако, по оценке г-на Годболда, одновременная резка позволяет токарному станку снимать материал на 30 процентов быстрее, прежде всего потому, что давление инструмента сбалансировано. Кроме того, нарезание канавок начинается с середины каждой секции прутка и движется к шпинделям, что оставляет больше припуска на обоих концах секции прутка. Это обеспечивает жесткую опору для предотвращения вибрации, а также устраняет изгиб в слабых участках стержня, который может защемить или сломать инструмент для нарезки канавок.

Выгоды от стандартизации

Каждая револьверная головка LT-300MY имеет 12 рабочих мест. Дэниел Фриман, специалист по исследованиям и разработкам компании Comp Cams, который обычно программирует и помогает управлять токарным станком, говорит, что компания в полной мере использует преимущества этих 24 тахеометров. Примерно две трети из них меняются редко. Кроме того, инструменты на нескольких станциях зеркально отображаются как на верхней, так и на нижней револьверной головке, чтобы облегчить одновременную обработку.

Каждая револьверная головка имеет три различных инструмента для нарезки канавок. Два из них выполняют черновые операции. Более широкий из двух используется как можно чаще, а более тонкий используется только в условиях ограниченного пространства. Третий инструмент для нарезания канавок используется для чистовой обработки, обеспечивая качественную чистовую обработку поверхности без заусенцев при сохранении размерных допусков менее 0,010 дюйма на всех линейных размерах вдоль распределительного вала длиной 24 дюйма.

Верхняя револьверная головка имеет две вертикально ориентированные концевые фрезы разного диаметра, которые остаются на своих рабочих станциях. Они используются в сочетании с перемещением станка по оси Y для выполнения фрезерования выступов. Более узкая 0,75-дюймовая концевая фреза имеет на одну пластину меньше, чем 1-дюймовая концевая фреза, поэтому скорость подачи должна быть уменьшена при использовании этого инструмента. Инструменты в пяти горизонтальных рабочих станциях верхней турели также часто не меняются. Они выполняют сверление, нарезание резьбы, развертывание и другие операции на передней поверхности распределительного вала.

Нижняя турель содержит центрирующие сверла, используемые как для передней, так и для задней поверхности распределительных валов. Эта башня также имеет активные горизонтальные станции, настроенные для создания таких функций, как вентиляционные отверстия. Две станции содержат различные инструменты. К ним относятся многофункциональный инструмент для сверления и растачивания, который обычно используется для создания зенковки, и большое сверло со сменными пластинами, которое просверливает отверстия в задней части распределительного вала.

Компания использует быстросменные адаптеры Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 для некоторых операций с инструментами. К каждому адаптеру можно подключить дрель, метчик или фрезу для использования на одной станции. При настройке каждый инструмент отдельно устанавливается в адаптер и отключается. Во время производственного цикла остановка программы приостанавливает работу станка и предлагает оператору сменить инструмент на переходной станции на следующий необходимый инструмент. Оператор может сменить инструмент менее чем за одну минуту, при этом нет необходимости в касании, поскольку смещение для каждого инструмента определяется во время настройки. Г-н Фриман говорит, что инструменты в адаптере выдвигаются на пару дюймов дальше, чем обычно, но это не создает проблем с зазором.

Компания также стандартизировала охлаждающую жидкость, используя ту же синтетическую охлаждающую жидкость Castrol Syntilo 9918 для механической обработки, что и для шлифования. Г-н Годболд говорит, что компания могла бы сэкономить деньги, используя более дешевую охлаждающую жидкость, но она ценит стабильные характеристики, которые предлагает усовершенствованная охлаждающая жидкость. Comp Cams планирует установить центральную систему СОЖ объемом 8000 галлонов с одной основной системой бумажных фильтров для снабжения участков механической обработки и шлифования на объекте.

Одним из преимуществ стандартизации является то, что она сводит к минимуму количество инструментов, которые должны быть задействованы для новой работы. Как правило, во время подготовки к новой работе оператору приходится устанавливать и затачивать только несколько сверл, разверток и метчиков. Стандартизация инструментов также позволяет программистам быстро и легко определять, нужны ли дополнительные инструменты для нового проекта. В конечном итоге стандартизация позволила компании Comp Cams сократить время переналадки для большинства новых заданий с целого дня до нескольких часов.

С учетом сказанного компания продолжает тесно сотрудничать с Рексом Люксмором, представителем Iscar по инструментам, который, по словам г-на Фримана, активно следит за тем, чтобы держать его в курсе новых разработок инструментов. Например, рекомендация г-на Люксмора по инструментам для нарезания канавок с новым покрытием привела к увеличению срока службы инструмента на 30–50 процентов. Эта помощь имеет решающее значение, отмечает г-н Фриман, в основном из-за сложных материалов, таких как порошковая инструментальная сталь M4, которую компания часто обрабатывает. Эта инструментальная сталь не только очень неумолима, но и быстро затвердевает, если резать слишком медленно или слегка.

Небольшой совет

По словам г-на Годболда, цель Comp Cams — стать ведущим разработчиком инновационных компонентов клапанного механизма. Обработка рассматривается как средство достижения этой цели. Г-н Годболд говорит, что компании с подобным подходом хорошо понимают свои производственные ограничения, особенно когда рассматривают возможность добавления сложного токарного станка, такого как LT-300MY. Он отмечает, что лучше уделить некоторое время изучению всех тонкостей такой машины, прежде чем использовать ее для производства.

Scooter Brothers, безусловно, поняли это, когда была поставлена ​​машина с двумя шпинделями и двумя револьверными головками. Пока компания становилась более эффективной, используя токарный станок в течение первых нескольких месяцев, и могла достичь уровня производства в полдросселя в течение года, Mr. Brothers не собирался отчаиваться.

Г-н Годболд считает, что этот подход изменил мир. Он скромно говорит, что Comp Cams доказывает, что мастерская, имеющая только обычный опыт токарной и фрезерной обработки, может успешно интегрировать сложный многофункциональный станок, не обязательно будучи выдающимся в механической обработке или программировании. Однако для этого необходимо установить прочные отношения с поставщиками оборудования, которые готовы помочь магазину в достижении его целей. Он говорит, что найти надежных людей для работы значит все.