Usinage d'arbre à cames plus efficace

Lorsque j'ai parlé pour la première fois à Billy Godbold, il était sur une piste en train de regarder une équipe de course de dragsters professionnelle tester un arbre à cames personnalisé. M. Godbold est le chef du groupe d'ingénierie pour Comp Cams, le fabricant de composants de train de soupapes qui a fourni l'arbre à cames. Un mois plus tôt, le groupe de conception de Comp Cams venait de commencer à envisager des matériaux et des géométries d'arbre à cames pour cette application. Passer aussi rapidement de la conception à l'arbre à cames complet n'aurait pas été possible il y a des années, lorsque la société a externalisé l'usinage de ses arbres à cames de course haut de gamme.

Aujourd'hui, Comp Cams usine de petits lots de noyaux d'arbres à cames de course sur un tour à double broche/double tourelle d'Okuma. (Les noyaux d'arbre à cames sont des arbres à cames dont les caractéristiques principales sont usinées, mais nécessitent toujours des opérations de traitement thermique et de meulage ultérieures.) L'apport de cette capacité d'usinage en interne a permis à l'entreprise d'accélérer considérablement le traitement des arbres à cames personnalisés pour les applications de course professionnelles, car il n'avait plus à attendre des semaines ou des mois pour recevoir les noyaux d'arbre à cames. Elle peut désormais fabriquer jusqu'à 12 noyaux d'arbres à cames en acier à outils en poudre métallique M4 en une seule journée de travail de huit heures.

M. Godbold explique que l'expertise traditionnelle de Comp Cams consistait à rectifier les arbres à cames, et non à les usiner. Ainsi, lorsque la décision a été prise d'installer le tour multifonction sept axes en 2008, l'entreprise s'est fortement appuyée sur l'expertise et les conseils de ses fournisseurs d'équipements pour établir un processus d'usinage efficace. Comp Cams continue d'exploiter ces ressources aujourd'hui alors qu'elle s'efforce de minimiser les temps de cycle des noyaux d'arbre à cames.

Heureusement pour moi, "vous ne pouvez pas vendre si vous ne le dites pas" est la devise de Paul "Scooter" Brothers, l'un des propriétaires de Comp Cams ainsi que président du conseil d'administration de la Specialty Equipment Market Association. Conformément à l'esprit de ce dicton, les représentants de l'entreprise n'ont pas hésité à expliquer en détail comment ils sont devenus meilleurs dans l'utilisation du tour avancé lors de ma visite à leur usine de Memphis, Tennessee.

Réussir rapidement

La partie arbre à cames de la gamme de produits Comp Cams est divisée en trois segments :applications hautes performances/hors course; coureurs amateurs; et des constructeurs de moteurs pour NASCAR, NHRA et d'autres équipes de course professionnelles. Les arbres à cames usinés sur mesure dans l'usine de Memphis de l'entreprise sont utilisés par les équipes de course professionnelles.

À l'origine, les délais de livraison prolongés du noyau d'arbre à cames ont amené l'entreprise à envisager d'ajouter une cellule «conventionnelle» pour produire les petits lots dont les équipes de course avaient besoin. De telles cellules comprennent généralement une scie pour couper les barres à longueur; des tours pour faire face à l'avant et à l'arrière de l'arbre à cames, ajouter des centres et rainurer la disposition des lobes ; fraises pour usiner les détails des faces avant et arrière des arbres à cames ; et des fraises supplémentaires pour usiner les profils des lobes. La plupart de ces opérations nécessitaient également plusieurs configurations chronophages.

La société a finalement décidé d'emprunter une voie différente après que M. Godbold a rencontré Larry Schwartz, qui était à l'époque président d'Okuma America (il est maintenant le directeur de la stratégie du constructeur de machines-outils). Les hommes ont discuté d'autres moyens de fabriquer des noyaux d'arbre à cames qui minimiseraient les changements et simplifieraient les configurations pour les cycles de production d'environ 20 pièces. L'idée de M. Schwartz était d'utiliser un tour à double broche/double tourelle. Garder une barre serrée entre les broches et / ou partiellement à l'intérieur de celles-ci permettrait un usinage complet des noyaux d'arbre à cames en une seule configuration. De plus, les broches jumelées pouvaient effectuer certaines opérations simultanément.

L'entreprise a choisi un Okuma LT300-MY. M. Godbold dit qu'à bien des égards, le concept initial et l'exécution de la programmation étaient des obstacles plus importants que les légères modifications de la machine qui étaient nécessaires pour cette application. Le principal changement mécanique apporté à la machine consistait à augmenter la taille des manchons dans les broches principales et secondaires afin qu'un arbre à cames de 70 mm puisse les traverser. L'entreprise a estimé que, parce que la machine offrait une grande rigidité et que chacune de ses broches fournissait 30 chevaux, le tour n'aurait aucun problème à usiner les aciers à outils en poudre métallique M4 (évalués à 30 HRc) communs à ses arbres à cames de course à billettes.

Avant la livraison du tour, Comp Cams a envoyé ce qu'il pensait être un noyau d'arbre à cames très difficile à l'installation d'Okuma pour la vérification de la machine:un arbre à cames NHRA Pro Stock de 70 mm de diamètre avec neuf tourillons. Kevin Kraieski, ingénieur d'application chez Okuma, a créé les programmes de pièces initiaux et usiné les premiers échantillons de pièces. M. Kraieski a configuré le programme de pièces à l'aide de plusieurs sous-routines de style variable pour les opérations couramment requises, telles que le rainurage entre les lobes, le fraisage des profils de lobe, le perçage et le taraudage des modèles de trous de boulons, etc. Cela a permis à Comp Cams de reprogrammer facilement la machine complexe pour n'importe quel nombre de conceptions d'arbres à cames sans repartir de zéro à chaque fois.

L'amélioration de la finition dans les rainures entre les lobes et l'augmentation de la vitesse d'usinage des lobes se sont avérées difficiles lors des tests. Cependant, Tim Whitmore, chef de projet OEM pour Iscar, travaille en étroite collaboration avec M. Kraieski pour résoudre les problèmes d'outillage. Au moment où la machine a été livrée à Comp Cams, elle pouvait terminer un noyau d'arbre à cames M4 en 75 minutes.

Les photos de la page suivante montrent comment les noyaux d'arbre à cames sont fabriqués sur le tour. Un opérateur glisse manuellement une barre prédécoupée dans la broche principale, tire la barre de quelques pouces jusqu'à l'arrêt et la serre. Le tour tourne ensuite et fraise les caractéristiques dans ce qui deviendra la face avant de la came. Ensuite, la contre-broche se met en place, saisit la face usinée et tire la barre d'environ 10 pouces. Le rainurage et le fraisage des lobes sont terminés sur ce segment de la barre. Une fois l'usinage de cette section terminé, la sous-broche se fixe sur certains des tourillons nouvellement usinés et tire la barre plus loin de la broche principale pour permettre le rainurage et le fraisage des lobes de la moitié arrière de l'arbre à cames. (Réaliser ces opérations en deux petites sections minimise les risques de déviation, de vibration et de broutage.) Enfin, la contre-broche consomme presque toute la barre pour permettre les travaux de tournage et de fraisage sur la face arrière de l'arbre à cames.

Comp Cams a affiné ce processus au point qu'il peut désormais usiner des noyaux d'arbre à cames en 35 à 45 minutes. Cela dit, l'entreprise a dû surmonter certains obstacles d'usinage initiaux afin d'atteindre ces temps de cycle plus rapides.

Premiers défis

Il s'est avéré que les cames d'arbre à cames "vraiment difficiles" envoyées à Okuma pour des tests se sont avérées plus faciles à usiner que ses autres modèles d'arbre à cames. C'est parce que les neuf tourillons de l'arbre à cames ont fourni plus de points de serrage pour la sous-broche qu'un arbre à cames à cinq tourillons typique. Par conséquent, les mâchoires de la contre-broche d'origine n'étaient pas assez longues pour serrer au moins deux tourillons sur les modèles à cinq tourillons (cela était nécessaire pour assurer un support adéquat pendant l'usinage). L'installation de mâchoires plus longues de 6 pouces a permis à la sous-broche de se serrer sur deux tourillons ou plus sur n'importe quel type d'arbre à cames fabriqué par l'entreprise. La broche principale serre toujours la barre pleine, donc des mâchoires plus longues ne sont pas nécessaires pour cette broche.

Le glissement de la pièce à l'intérieur des mâchoires s'est également avéré parfois problématique car certains matériaux d'arbre à cames sont plus difficiles à serrer fermement que d'autres. La solution consistait à appliquer un revêtement en alliage de tungstène de Carbonite Metal Coatings sur la surface de préhension des mâchoires. Ce revêtement particulier est appliqué par électrofusion, ce qui crée une liaison métallurgique qui serait plus solide que les revêtements par pulvérisation. Le revêtement a pratiquement éliminé le glissement linéaire et angulaire de la pièce pendant l'usinage.

Un autre défi initial consistait à s'habituer aux codes P, qui sont utilisés pour synchroniser le mouvement des deux tourelles. Les codes P garantissent non seulement que les tourelles n'interfèrent pas les unes avec les autres lors de l'exécution d'opérations séparées, mais peuvent également leur signaler d'effectuer des opérations identiques simultanément. Par exemple, si un programmeur veut faire face à une pièce avec la tourelle supérieure puis percer l'extrémité de celle-ci avec la tourelle inférieure, ces opérations doivent être synchronisées car elles ne peuvent évidemment pas être effectuées en même temps. Si le programmeur attribue une valeur P10 à la tourelle supérieure et une valeur P20 supérieure à la tourelle inférieure, la tourelle supérieure continuera tous ses mouvements nécessaires jusqu'à ce qu'elle rencontre une valeur P supérieure dans le code de programme. Si le prochain code P qu'il rencontre est supérieur au code P attribué à la tourelle inférieure, la tourelle supérieure attendra que la tourelle inférieure soit terminée. Cependant, si le même code P est appliqué aux deux tourelles, elles fonctionneront simultanément.

À moins qu'un arbre à cames ne comporte un nombre impair de rainures, le tour effectue des opérations de tournage et de rainurage en utilisant les deux tourelles simultanément lorsque la barre est maintenue entre les broches. Étant donné que la tourelle supérieure est optimisée pour fonctionner à proximité de la broche principale et que la tourelle inférieure est configurée pour fonctionner à proximité de la contre-broche, l'entreprise n'effectue pas de tournage par pincement. Cependant, M. Godbold estime que la coupe simultanée permet au tour d'enlever la matière 30 % plus rapidement, principalement parce que la pression de l'outil est équilibrée. De plus, commencer les opérations de rainurage au milieu de chaque section de barre et se déplacer vers les broches laisse plus de matière à chaque extrémité de la section de barre. Cela garantit un support rigide pour éviter les broutages et élimine également la flexion dans les zones faibles de la barre, ce qui pourrait éventuellement pincer ou casser un outil de rainurage.

Bénéficier de la normalisation

Chaque tourelle du LT-300MY dispose de 12 stations d'outils. Daniel Freeman, le technicien R&D de Comp Cams qui programme et aide généralement à faire fonctionner le tour, explique que l'entreprise tire pleinement parti de ces 24 stations totales. Environ les deux tiers d'entre eux changent rarement. De plus, les outils de plusieurs stations sont mis en miroir sur les tourelles supérieure et inférieure pour faciliter les opérations d'usinage simultanées.

Chaque tourelle dispose de trois outils de rainurage différents. Deux d'entre eux effectuent des opérations d'ébauche. Le plus large des deux est utilisé aussi souvent que possible, tandis que le plus fin n'est utilisé que lorsque l'espace est restreint. Le troisième outil de rainurage est utilisé pour la finition, laissant derrière lui une finition de surface de qualité sans bavure tout en maintenant des tolérances dimensionnelles inférieures à 0,010 pouce sur toutes les dimensions linéaires le long d'un arbre à cames de 24 pouces de long.

La tourelle supérieure comporte deux fraises en bout orientées verticalement de différents diamètres qui restent dans leurs stations d'entraînement respectives. Ceux-ci sont utilisés en conjonction avec le mouvement de l'axe Y de la machine pour effectuer le fraisage des lobes. La fraise en bout plus étroite de 0,75 pouce a une plaquette de moins que la fraise en bout de 1 pouce, de sorte que la vitesse d'alimentation doit être réduite lorsque cet outil est utilisé. Les outils des cinq stations horizontales de la tourelle supérieure ne changent souvent pas non plus. Ceux-ci effectuent des opérations de perçage, taraudage, alésage et autres sur la face avant d'un arbre à cames.

La tourelle inférieure contient des forets centraux utilisés pour les faces avant et arrière de l'arbre à cames. Cette tourelle a également des stations horizontales en direct configurées pour créer des fonctionnalités telles que des trous d'aération. Deux stations contiennent des outils divers. Il s'agit notamment d'un outil de perçage/alésage multifonction généralement utilisé pour créer des contre-alésages et d'un grand foret à plaquette indexable qui usine les alésages à l'arrière d'un arbre à cames.

L'entreprise utilise des adaptateurs à changement rapide Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 pour certains de ses travaux d'outillage motorisé. Chaque adaptateur peut accueillir une perceuse, un taraud ou une fraiseuse à utiliser dans cette station unique. Lors de la configuration, chaque outil est installé séparément dans l'adaptateur et mis en contact. Au cours d'un cycle de production, un arrêt de programme met la machine en pause et invite l'opérateur à changer l'outil dans la station d'adaptation pour l'outil suivant nécessaire. L'opérateur peut changer d'outil en moins d'une minute et aucun toucher n'est nécessaire car le décalage de chaque outil a été déterminé lors de la configuration. M. Freeman dit que les outils dans l'adaptateur s'étendent de quelques pouces plus loin que la normale, mais cela ne présente aucun problème de dégagement.

La société a également normalisé le liquide de refroidissement, en utilisant le même liquide de refroidissement synthétique Castrol Syntilo 9918 pour l'usinage que pour le meulage. M. Godbold dit que l'entreprise pourrait économiser de l'argent en utilisant un liquide de refroidissement à moindre coût, mais elle apprécie les performances constantes offertes par le liquide de refroidissement avancé. Comp Cams prévoit d'installer un système de refroidissement central de 8 000 gallons avec un seul système de filtre en papier principal pour alimenter à la fois les zones d'usinage et de meulage de l'installation.

L'un des avantages de la standardisation est qu'elle minimise le nombre d'outils qui doivent être touchés pour un nouveau travail. En règle générale, un opérateur doit installer et toucher seulement quelques forets, alésoirs et tarauds lors de la configuration d'un nouveau travail. La standardisation des outils permet également aux programmeurs de déterminer rapidement et facilement si des outils supplémentaires sont nécessaires pour un nouveau projet. En fin de compte, la standardisation a permis aux Comp Cams de réduire les temps de changement pour la plupart des nouveaux travaux d'une journée entière à quelques heures seulement.

Cela dit, la société continue de travailler en étroite collaboration avec Rex Luxmore, son représentant de l'outillage Iscar, qui, selon M. Freeman, est proactif pour le tenir au courant des nouveaux développements d'outillage. Par exemple, la recommandation de M. Luxmore d'outils de rainurage avec un nouveau revêtement a entraîné une amélioration de 30 à 50 % de la durée de vie de l'outil. Cette assistance est essentielle, note M. Freeman, en grande partie en raison des matériaux difficiles tels que l'acier à outils en poudre métallique M4 que l'entreprise usine fréquemment. Cet acier à outils est non seulement très impitoyable, mais il durcira rapidement s'il est coupé trop lentement ou légèrement.

Un petit conseil

L'objectif de Comp Cams est d'être l'un des principaux développeurs de composants innovants de trains de soupapes, explique M. Godbold. L'usinage est considéré comme un moyen d'atteindre cet objectif. M. Godbold dit que les entreprises ayant une approche similaire sont bien servies pour reconnaître leurs limites de fabrication, en particulier lorsqu'elles envisagent l'ajout d'un tour complexe comme le LT-300MY. Il est préférable de consacrer un peu de temps à apprendre les tenants et les aboutissants d'une telle machine avant de dépendre d'elle pour la production, note-t-il.

Scooter Brothers l'a certainement compris lors de la livraison de la machine à double broche/double tourelle. Tant que l'entreprise devenait plus efficace en utilisant le tour au cours des premiers mois et était capable d'atteindre un niveau de production à mi-régime en un an, M. Brothers n'allait pas se décourager.

M. Godbold croit que cette approche a fait toute la différence dans le monde. Il dit humblement que Comp Cams prouve qu'un atelier avec seulement une expérience de tournage et de fraisage conventionnel peut intégrer avec succès une machine multifonction complexe sans nécessairement être exceptionnel en usinage ou en programmation. Cependant, cela nécessite d'établir des relations solides avec des fournisseurs d'équipements prêts à aider un atelier à atteindre ses objectifs. Trouver des personnes de confiance avec qui travailler signifie tout, dit-il.