Effektivere Nockenwellenbearbeitung

Als ich zum ersten Mal mit Billy Godbold sprach, war er auf einer Strecke und sah zu, wie ein professionelles Drag-Racing-Team eine kundenspezifische Nockenwelle testete. Herr Godbold ist Leiter der Engineering-Gruppe bei Comp Cams, dem Hersteller von Ventiltriebkomponenten, der die Nockenwelle geliefert hat. Einen Monat zuvor hatte die Konstruktionsgruppe von Comp Cams gerade damit begonnen, Nockenwellenmaterialien und -geometrien für diese Anwendung in Betracht zu ziehen. Vor Jahren, als das Unternehmen die Bearbeitung seiner High-End-Rennnockenwellen auslagerte, wäre es nicht möglich gewesen, so schnell vom Design zur fertigen Billet-Nockenwelle zu gelangen.

Heute bearbeitet Comp Cams Kleinserien von Rennnockenwellenkernen auf einer Doppelspindel-/Doppelrevolver-Drehmaschine von Okuma. (Nockenwellenkerne sind Nockenwellen, deren Hauptmerkmale bearbeitet sind, die aber dennoch nachfolgende Wärmebehandlungs- und Schleifvorgänge erfordern.) Durch die Einbringung dieser Bearbeitungsfähigkeit ins Haus konnte das Unternehmen die Durchlaufzeit von kundenspezifischen Nockenwellen für professionelle Rennanwendungen erheblich beschleunigen, da dies nicht mehr erforderlich war Warten Sie Wochen oder Monate, um Nockenwellenkerne zu erhalten. Es kann jetzt bis zu 12 M4-Pulvermetall-Werkzeugstahl-Nockenwellenkerne in einer einzigen Acht-Stunden-Schicht herstellen.

Herr Godbold erklärt, dass die traditionelle Expertise von Comp Cams im Schleifen von Nockenwellen lag, nicht in deren Bearbeitung. Als 2008 die Entscheidung getroffen wurde, die siebenachsige Multifunktionsdrehmaschine zu installieren, verließ sich das Unternehmen stark auf das Fachwissen und die Beratung seiner Ausrüstungslieferanten, um einen effektiven Bearbeitungsprozess zu etablieren. Comp Cams greift auch heute noch auf diese Ressourcen zurück, um die Zykluszeiten für Nockenwellenkerne zu minimieren.

Zu meinem Glück ist „Man kann nicht verkaufen, wenn man es nicht sagt“ das Motto von Paul „Scooter“ Brothers, einem der Eigentümer von Comp Cams und Vorstandsvorsitzender der Specialty Equipment Market Association. Im Sinne dieses Sprichworts scheuten sich die Unternehmensvertreter nicht, bei meinem Besuch in ihrem Werk in Memphis, Tennessee, ausführlich zu beschreiben, wie sie im Umgang mit der fortschrittlichen Drehmaschine besser geworden sind.

Mit Tempo zum Erfolg

Der Nockenwellenteil der Produktlinie von Comp Cams ist gleichmäßig in drei Segmente unterteilt:Hochleistungs-/Nicht-Rennanwendungen; Hobbyrennfahrer; und Motorenbauer für NASCAR, NHRA und andere professionelle Rennteams. Die im Memphis-Werk des Unternehmens bearbeiteten kundenspezifischen Billet-Nockenwellen werden von den professionellen Rennteams verwendet.

Ursprünglich veranlassten die verlängerten Lieferzeiten der Nockenwellenkerne das Unternehmen, eine „konventionelle“ Zelle hinzuzufügen, um die von den Rennteams benötigten Kleinserien zu produzieren. Solche Zellen umfassen typischerweise eine Säge, um Stangenmaterial auf Länge zu schneiden; Drehmaschinen zur Vorder- und Rückseite der Nockenwelle, fügen Zentren hinzu und rillen das Lappenlayout; Fräser zur Bearbeitung von Details in den vorderen und hinteren Nockenwellenflächen; und zusätzliche Fräser zum maschinellen Bearbeiten der Lappenprofile. Die meisten dieser Vorgänge erforderten auch mehrere zeitaufwändige Einstellungen.

Das Unternehmen entschied sich schließlich für einen anderen Weg, nachdem Herr Godbold sich mit Larry Schwartz getroffen hatte, der zu dieser Zeit Präsident von Okuma America war (er ist jetzt Chief Strategy Officer des Werkzeugmaschinenherstellers). Die Männer diskutierten alternative Wege zur Herstellung von Nockenwellenkernen, die Umrüstungen minimieren und die Einrichtung für Produktionsläufe von etwa 20 Stück vereinfachen würden. Die Idee von Herrn Schwartz war, eine Drehmaschine mit zwei Spindeln und zwei Revolvern zu verwenden. Das Halten einer Stange, die entweder zwischen den Spindeln und/oder teilweise in ihnen geklemmt ist, würde die vollständige Bearbeitung von Nockenwellenkernen in einer Aufspannung ermöglichen. Außerdem könnten die Doppelspindeln einige Operationen gleichzeitig ausführen.

Das Unternehmen hat sich für einen Okuma LT300-MY entschieden. Herr Godbold sagt, dass das anfängliche Konzept und die Ausführung der Programmierung in vielerlei Hinsicht größere Hürden waren als die geringfügigen Maschinenmodifikationen, die für diese Anwendung erforderlich waren. Die primäre mechanische Änderung an der Maschine bestand darin, die Hülsen in der Haupt- und Nebenspindel zu vergrößern, damit eine 70-mm-Zapfennockenwelle durch sie hindurchgeführt werden konnte. Das Unternehmen argumentierte, dass die Drehmaschine, da die Maschine eine große Steifigkeit und jede ihrer Spindeln mit 30 PS aufwies, kein Problem damit haben würde, die harten M4-Pulvermetall-Werkzeugstähle (mit 30 HRc) zu bearbeiten, die für ihre Billet-Rennnockenwellen üblich sind.

Vor der Lieferung der Drehmaschine schickte Comp Cams einen seiner Meinung nach sehr schwierigen Nockenwellenkern zur maschinellen Erprobung an Okumas Einrichtung:eine NHRA Pro Stock-Nockenwelle mit 70 mm Durchmesser und neun Zapfen. Kevin Kraieski, Anwendungstechniker bei Okuma, erstellte die ersten Teileprogramme und bearbeitete die ersten Musterteile. Herr Kraieski richtete das Teileprogramm mit mehreren Unterroutinen im variablen Stil für häufig erforderliche Operationen ein, wie z. Dies ermöglichte es Comp Cams, die komplexe Maschine für eine beliebige Anzahl von Nockenwellendesigns einfach neu zu programmieren, ohne jedes Mal bei Null anfangen zu müssen.

Die Verbesserung der Oberflächengüte in den Nuten zwischen den Nocken und die Erhöhung der Nockenbearbeitungsgeschwindigkeit erwiesen sich während des Tests als Herausforderung. Tim Whitmore, ein OEM-Projektmanager bei Iscar, arbeitet jedoch eng mit Herrn Kraieski zusammen, um die Werkzeugprobleme auszubügeln. Als die Maschine an Comp Cams geliefert wurde, konnte sie einen M4-Nockenwellenkern in 75 Minuten fertigstellen.

Die Fotos auf der folgenden Seite zeigen, wie Nockenwellenkerne auf der Drehmaschine hergestellt werden. Ein Bediener schiebt manuell eine vorgeschnittene Stange in die Hauptspindel, zieht die Stange ein paar Zentimeter bis zum Anschlag heraus und klemmt sie fest. Die Drehmaschine dreht und fräst dann Merkmale in das, was die Vorderseite der Nocke wird. Als nächstes bewegt sich die Nebenspindel in Position, greift die bearbeitete Fläche und zieht die Stange etwa 10 Zoll heraus. Das Rillen- und Nockenfräsen wird an diesem Segment der Stange abgeschlossen. Sobald die Bearbeitung dieses Abschnitts abgeschlossen ist, klemmt die Hilfsspindel auf einige der neu bearbeiteten Lagerzapfen und zieht die Stange weiter aus der Hauptspindel heraus, um das Nuten- und Nockenfräsen der hinteren Hälfte der Nockenwelle zu ermöglichen. (Die Durchführung dieser Operationen in zwei kleinen Abschnitten minimiert das Risiko von Durchbiegung, Vibration und Rattern.) Schließlich verbraucht die Gegenspindel fast die gesamte Stange, um Dreh- und Fräsarbeiten an der Rückseite der Nockenwelle zu ermöglichen.

Comp Cams hat diesen Prozess so weit verfeinert, dass Nockenwellenkerne jetzt in 35 bis 45 Minuten bearbeitet werden können. Allerdings musste das Unternehmen einige anfängliche Bearbeitungshürden überwinden, um diese schnelleren Zykluszeiten zu erreichen.

Frühe Herausforderungen

Wie sich herausstellte, erwiesen sich die „wirklich schwierigen“ Nockenwellen-Comp-Cams, die zum Testen an Okuma geschickt wurden, als einfacher zu bearbeiten als die anderen Nockenwellenmodelle. Das liegt daran, dass die neun Zapfen der Nockenwelle mehr Klemmpunkte für die Gegenspindel bieten als eine typische Nockenwelle mit fünf Zapfen. Folglich waren die ursprünglichen Gegenspindelbacken nicht lang genug, um bei den Fünfzapfenmodellen über mindestens zwei Zapfen zu spannen (dies war notwendig, um eine ausreichende Unterstützung während der Bearbeitung zu gewährleisten). Durch die Installation längerer 6-Zoll-Backen konnte die Gegenspindel über zwei oder mehr Zapfen auf jeder Art von Nockenwelle, die das Unternehmen herstellt, geklemmt werden. Die Hauptspindel spannt immer Vollmaterial, daher sind für diese Spindel keine längeren Backen erforderlich.

Auch das Durchrutschen des Werkstücks innerhalb der Spannbacken erwies sich zeitweise als problematisch, da manche Nockenwellenwerkstoffe schwieriger festzuspannen sind als andere. Die Lösung bestand darin, eine Wolframlegierungsbeschichtung von Carbonite Metal Coatings auf die Greiffläche der Backen aufzubringen. Diese spezielle Beschichtung wird durch Elektroschmelzen aufgetragen, wodurch eine metallurgische Verbindung entsteht, die stärker sein soll als Sprühbeschichtungen. Die Beschichtung hat praktisch das Auftreten von linearem und winkligem Schlupf des Werkstücks während der Bearbeitung eliminiert.

Eine weitere frühe Herausforderung bestand darin, sich an P-Codes zu gewöhnen, die verwendet werden, um die Bewegung der beiden Türme zu synchronisieren. P-Codes stellen nicht nur sicher, dass sich die Revolver bei der Durchführung separater Operationen nicht gegenseitig stören, sondern können ihnen auch signalisieren, identische Operationen gleichzeitig auszuführen. Wenn ein Programmierer beispielsweise ein Teil mit dem oberen Revolver bearbeiten und dann mit dem unteren Revolver das Ende bohren möchte, müssen diese Vorgänge synchronisiert werden, da sie offensichtlich nicht gleichzeitig ausgeführt werden können. Wenn der Programmierer dem oberen Revolverkopf einen P10-Wert und dem unteren Revolverkopf einen höheren P20-Wert zuweist, setzt der obere Revolverkopf alle seine notwendigen Bewegungen fort, bis er im Programmcode auf einen höheren P-Wert stößt. Wenn der nächste P-Code, auf den es stößt, höher ist als der dem unteren Revolver zugeordnete P-Code, wartet der obere Revolver, bis der untere Revolver fertig ist. Wenn jedoch derselbe P-Code auf beide Türme angewendet wird, funktionieren sie gleichzeitig.

Sofern eine Nockenwelle keine ungerade Anzahl von Nuten hat, führt die Drehmaschine Dreh- und Nutoperationen unter Verwendung beider Revolver gleichzeitig durch, wenn die Stange zwischen den Spindeln gehalten wird. Da der obere Revolver so optimiert ist, dass er nahe an der Hauptspindel läuft, und der untere so eingerichtet ist, dass er nahe an der Gegenspindel läuft, führt das Unternehmen kein Klemmdrehen durch. Herr Godbold schätzt jedoch, dass das gleichzeitige Schneiden es der Drehmaschine ermöglicht, Material 30 Prozent schneller zu entfernen, hauptsächlich weil der Werkzeugdruck ausgeglichen ist. Wenn Sie mit den Einstechvorgängen in der Mitte jedes Stangenabschnitts beginnen und sich nach außen zu den Spindeln bewegen, bleibt an beiden Enden des Stangenabschnitts mehr Material übrig. Dies gewährleistet eine starre Abstützung, um ein Rattern zu verhindern, und eliminiert auch ein Durchbiegen an schwachen Stellen der Stange, die möglicherweise ein Nutwerkzeug einklemmen oder brechen könnten.

Vom Standardisieren profitieren

Jeder Revolver des LT-300MY hat 12 Werkzeugstationen. Daniel Freeman, der F&E-Techniker für Comp Cams, der üblicherweise die Drehmaschine programmiert und beim Betrieb hilft, sagt, dass das Unternehmen diese 24 Totalstationen voll ausnutzt. Etwa zwei Drittel von ihnen ändern sich selten. Darüber hinaus werden Werkzeuge in mehreren Stationen sowohl auf dem oberen als auch auf dem unteren Revolverkopf gespiegelt, um die gleichzeitigen Bearbeitungsvorgänge zu erleichtern.

Jeder Revolver verfügt über drei verschiedene Nutwerkzeuge. Zwei davon führen Schruppoperationen durch. Der breitere der beiden kommt so oft wie möglich zum Einsatz, der dünnere nur bei beengten Platzverhältnissen. Das dritte Nutwerkzeug wird zum Schlichten verwendet und hinterlässt eine hochwertige, gratfreie Oberflächengüte, während Maßtoleranzen von weniger als 0,010 Zoll auf allen linearen Abmessungen entlang einer 24 Zoll langen Nockenwelle eingehalten werden.

Der obere Revolver hat zwei vertikal ausgerichtete Schaftfräser mit unterschiedlichen Durchmessern, die in ihren jeweiligen Live-Stationen verbleiben. Diese werden in Verbindung mit der Y-Achsenbewegung der Maschine verwendet, um das Lappenfräsen durchzuführen. Der schmalere 0,75-Zoll-Schaftfräser hat einen Einsatz weniger als der 1-Zoll-Schaftfräser, sodass die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden muss, wenn dieses Werkzeug verwendet wird. Auch die Werkzeuge in den fünf horizontalen Live-Stationen des oberen Revolvers ändern sich oft nicht. Diese führen Bohren, Gewindeschneiden, Reiben und andere Operationen an der Vorderseite einer Nockenwelle durch.

Der untere Turm enthält Zentrierbohrer, die sowohl für die vordere als auch für die hintere Nockenwellenfläche verwendet werden. Dieser Revolver verfügt auch über Live-Horizontalstationen, die eingerichtet sind, um Merkmale wie Entlüftungslöcher zu erstellen. Zwei Stationen enthalten verschiedene Werkzeuge. Dazu gehören ein multifunktionales Bohr-/Bohrwerkzeug, das typischerweise zum Erstellen von Senkungen verwendet wird, und ein großer Wendeschneidplattenbohrer, der Bohrungen auf der Rückseite einer Nockenwelle bearbeitet.

Das Unternehmen verwendet Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32-Schnellwechseladapter für einige seiner Arbeiten mit angetriebenen Werkzeugen. Jeder Adapter kann einen Bohrer, Gewindebohrer oder Fräser zur Verwendung in dieser einzelnen Station aufnehmen. Beim Rüsten wird jedes Werkzeug separat in den Adapter eingebaut und abgesetzt. Während eines Produktionslaufs hält ein Programmstopp die Maschine an und fordert den Bediener auf, das Werkzeug in der Adapterstation gegen das nächste benötigte Werkzeug auszutauschen. Der Bediener kann das Werkzeug in weniger als einer Minute wechseln, und ein Antasten ist nicht erforderlich, da der Versatz für jedes Werkzeug während des Einrichtens bestimmt wurde. Mr. Freeman sagt, dass die Werkzeuge im Adapter ein paar Zentimeter weiter herausragen als normal, aber das stellt keine Probleme mit dem Abstand dar.

Das Unternehmen hat auch das Kühlmittel standardisiert und verwendet für die Bearbeitung das gleiche synthetische Kühlmittel Castrol Syntilo 9918 wie für das Schleifen. Herr Godbold sagt, dass das Unternehmen durch die Verwendung eines kostengünstigeren Kühlmittels Geld sparen könnte, aber es schätzt die beständige Leistung, die das fortschrittliche Kühlmittel bietet. Comp Cams plant die Installation eines zentralen 8.000-Gallonen-Kühlmittelsystems mit einem einzigen Hauptpapierfiltersystem, um sowohl die Bearbeitungs- als auch die Schleifbereiche in der Anlage zu versorgen.

Ein Vorteil der Standardisierung besteht darin, dass die Anzahl der Werkzeuge minimiert wird, die für einen neuen Job angetastet werden müssen. Typischerweise muss ein Bediener nur wenige Bohrer, Reibahlen und Gewindebohrer während der Einrichtung für einen neuen Job installieren und absetzen. Die Tool-Standardisierung ermöglicht es Programmierern außerdem, schnell und einfach festzustellen, ob zusätzliche Tools für ein neues Projekt benötigt werden. Letztendlich hat die Standardisierung es Comp Cams ermöglicht, die Umrüstzeiten für die meisten neuen Jobs von einem ganzen Tag auf nur wenige Stunden zu verkürzen.

Vor diesem Hintergrund arbeitet das Unternehmen weiterhin eng mit Rex Luxmore zusammen, seinem Iscar-Werkzeugvertreter, der laut Freeman proaktiv ist, ihn über neue Werkzeugentwicklungen auf dem Laufenden zu halten. Beispielsweise führte die Empfehlung von Herrn Luxmore, Nutwerkzeuge mit einer neuen Beschichtung zu verwenden, zu einer Verbesserung der Standzeit um 30 bis 50 Prozent. Diese Unterstützung ist entscheidend, bemerkt Herr Freeman, vor allem wegen der anspruchsvollen Materialien wie M4-Pulvermetall-Werkzeugstahl, die das Unternehmen häufig bearbeitet. Dieser Werkzeugstahl ist nicht nur sehr unnachgiebig, sondern verhärtet sich auch schnell, wenn er zu langsam oder zu leicht geschnitten wird.

Ein kleiner Rat

Das Ziel von Comp Cams ist es, ein führender Entwickler innovativer Ventiltriebkomponenten zu sein, erklärt Mr. Godbold. Die Bearbeitung wird als Mittel zum Zweck angesehen. Herr Godbold sagt, dass Unternehmen mit einem ähnlichen Ansatz gut beraten sind, ihre Fertigungsbeschränkungen zu erkennen, insbesondere wenn sie die Hinzufügung einer komplexen Drehmaschine wie der LT-300MY in Betracht ziehen. Es ist am besten, etwas Zeit darauf zu verwenden, die Besonderheiten einer solchen Maschine zu lernen, bevor Sie sich für die Produktion auf sie verlassen, bemerkt er.

Das hat Scooter Brothers bei der Auslieferung der Doppelspindler/Twin-Revolver-Maschine durchaus verstanden. Solange das Unternehmen in den ersten Monaten mit der Drehmaschine effektiver wurde und innerhalb eines Jahres eine Halbgasproduktion erreichen konnte, ließ sich Mr. Brothers nicht entmutigen.

Herr Godbold glaubt, dass dieser Ansatz den Unterschied in der Welt gemacht hat. Er sagt bescheiden, dass Comp Cams beweist, dass eine Werkstatt mit nur konventioneller Dreh- und Fräserfahrung eine komplexe Multifunktionsmaschine erfolgreich integrieren kann, ohne unbedingt hervorragend in der Bearbeitung oder Programmierung zu sein. Dies erfordert jedoch den Aufbau solider Beziehungen zu Ausrüstungslieferanten, die bereit sind, einem Geschäft beim Erreichen seiner Ziele zu helfen. Vertrauenswürdige Leute zu finden, mit denen man zusammenarbeiten kann, bedeutet alles, sagt er.