Techniques avancées d'usinage d'arbres à cames pour performance maximale

Lorsque j'ai parlé pour la première fois à Billy Godbold, il était sur un circuit à regarder une équipe de drag racing professionnelle tester un arbre à cames personnalisé. M. Godbold est le responsable du groupe d'ingénierie de Comp Cams, le fabricant de composants de distribution qui a fourni l'arbre à cames. Un mois plus tôt, le groupe de conception de Comp Cams venait juste de commencer à contempler les matériaux et géométries d'arbres à cames pour cette application. Passer de la conception à l'arbre à cames billet terminé si rapidement n'aurait pas été possible il y a des ans quand l'entreprise sous-traitait l'usinage de ses arbres à cames de course haut de gamme.

Aujourd'hui, Comp Cams usine de petites séries de cœurs d'arbres à cames de course sur un tour à double broche/double tourelle d'Okuma. (Les cœurs d'arbres à cames sont des arbres à cames qui ont leurs caractéristiques principales usinées, mais nécessitent encore les traitements thermiques et opérations de rectification ultérieurs.) Internaliser cette capacité d'usinage a permis à l'entreprise d'accélérer considérablement le délai des arbres à cames personnalisés pour la course professionnelle car elle n'avait plus à attendre des semaines ou mois pour recevoir les cœurs. Elle peut maintenant fabriquer jusqu'à 12 cœurs d'arbres à cames en acier à outils poudre M4 en un seul quart de travail de huit heures.

M. Godbold explique que l'expertise traditionnelle de Comp Cams était le rectification d'arbres à cames, pas leur usinage. Alors quand la décision a été prise d'installer le tour multifonction 7 axes en 2008, l'entreprise s'est fortement appuyée sur l'expertise et les conseils de ses fournisseurs d'équipement pour établir un processus d'usinage efficace. Comp Cams continue d'exploiter ces ressources aujourd'hui pour s'efforcer de minimiser les temps de cycle des cœurs d'arbres à cames.

Heureusement pour moi, « on ne peut pas vendre si on ne dit pas » est la devise de Paul « Scooter » Brothers, l'un des propriétaires de Comp Cams et président du conseil de la Specialty Equipment Market Association. Dans l'esprit de ce dicton, les représentants de l'entreprise n'ont pas hésité à détailler comment ils sont devenus meilleurs dans l'utilisation du tour avancé lors de ma visite à leur usine de Memphis, Tennessee.

Réussir la vitesse

La partie arbres à cames de la gamme Comp Cams est divisée en trois segments égaux : applications haute performance/non-course ; coureurs amateurs ; et motoristes pour NASCAR, NHRA et autres équipes de course professionnelles. Les arbres à cames billet personnalisés usinés dans l'usine de Memphis sont utilisés par les équipes de course professionnelles.

À l'origine, les longs délais de livraison des cœurs d'arbres à cames avaient poussé l'entreprise à envisager d'ajouter une « cellule conventionnelle » pour produire les petites séries requises par les équipes de course. De telles cellules incluent généralement une scie pour couper les barres à longueur ; tours pour surfacer l'avant et l'arrière de l'arbre à cames, ajouter des centres et rainurer la disposition des cames ; fraiseuses pour usiner les détails des faces avant/arrière ; et fraiseuses supplémentaires pour usiner les profils de cames. La plupart de ces opérations nécessitaient de multiples mises en place chronophages.

L'entreprise a finalement décidé de prendre une autre voie après que M. Godbold a rencontré Larry Schwartz, alors président d'Okuma America (aujourd'hui chief strategy officer). Les hommes ont discuté de façons alternatives de fabriquer des cœurs d'arbres à cames qui minimiseraient les changements et simplifieraient les mises en place pour des séries de 20 pièces environ. L'idée de M. Schwartz était d'utiliser un tour à double broche/double tourelle. Maintenir une barre soit serrée entre les broches et/ou partiellement à l'intérieur permettrait l'usinage complet des cœurs en une seule mise en place. De plus, les broches jumelles pourraient 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 grands que les légères modifications de machine nécessaires. Le changement mécanique principal était l'augmentation de la taille des manchons dans les broches principale et secondaire pour qu'un arbre à cames à journal de 70 mm puisse passer. L'entreprise a raisonné que comme la machine offrait une grande rigidité et que chacune de ses broches fournissait 30 ch, le tour n'aurait pas de problème à usiner les aciers à outils poudre M4 durs (30 HRC) communs à ses arbres à cames de course billet.

Avant la livraison du tour, Comp Cams a envoyé ce qu'elle pensait être un cœur d'arbre à cames très difficile à l'usine Okuma pour essai machine : un arbre à cames NHRA Pro Stock de 70 mm de diamètre avec neuf journaux. Kevin Kraieski, ingénieur applications chez Okuma, a créé les programmes initiaux et usiné les premières pièces d'essai. M. Kraieski a mis en place le programme en utilisant des sous-routines à variables multiples pour les opérations couramment requises, comme le rainurage entre cames, le fraisage de profils de cames, le perçage et taraudage de patterns 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 cames et l'augmentation de la vitesse de fraisage des cames se sont avérées difficiles pendant les tests. Cependant, Tim Whitmore, chef de projet OEM chez Iscar, a travaillé étroitement avec M. Kraieski pour résoudre les problèmes d'outillage. Au moment de la livraison de la machine à Comp Cams, elle pouvait compléter un cœur d'arbre à cames M4 en 75 minutes.

Les photos sur la page suivante montrent comment les cœurs d'arbres à cames sont produits sur le tour. Un opérateur glisse manuellement une barre pré-coupée dans la broche principale, tire la barre de quelques pouces jusqu'à un arrêt, et la serre. Le tour tourne et fraise alors les caractéristiques de ce qui deviendra la face avant de la came. Ensuite, la contre-broche se positionne, saisit la face usinée et tire la barre d'environ 10 pouces. Le rainurage et le fraisage de cames sont complétés sur ce segment de barre. Une fois l'usinage de cette section terminé, la contre-broche se serre sur certains des journaux nouvellement usinés et tire la barre plus loin hors de la broche principale pour permettre le rainurage et le fraisage de la moitié arrière de l'arbre à cames. (Effectuer ces opérations en deux petites sections minimise le risque de déflexion, vibration et chatter.) Finalement, la contre-broche consomme presque toute la barre pour permettre le tournage et fraisage sur la face arrière de la came.

Comp Cams a affiné ce processus au point de pouvoir maintenant usiner des cœurs d'arbres à cames en 35 à 45 minutes. Cela dit, l'entreprise a dû surmonter certains obstacles d'usinage initiaux pour atteindre ces temps de cycle plus rapides.

Défis initiaux

Comme il s'est avéré, l'arbre à cames « vraiment difficile » que Comp Cams a envoyé à Okuma pour test s'est révélé plus facile à usiner que ses autres modèles. C'est parce que les neuf journaux de l'arbre à cames offraient plus de points de serrage pour la contre-broche qu'un arbre à cames typique à cinq journaux. Par conséquent, les mors de contre-broche d'origine n'étaient pas assez longs pour serrer au moins deux journaux sur les modèles à cinq journaux (nécessaire pour assurer un support adéquat pendant l'usinage). L'installation de mors plus longs de 6 pouces a permis à la contre-broche de serrer sur deux ou plus journaux sur tout type d'arbre à cames fabriqué par l'entreprise. La broche principale serre toujours de la barre pleine, donc des mors plus longs ne sont pas nécessaires pour cette broche.

Le glissement de la pièce à l'intérieur des mors s'est également avéré problématique par moments car certains matériaux d'arbres à cames sont plus difficiles à serrer fermement que d'autres. La solution a été l'application d'un revêtement en alliage de tungstène de Carbonite Metal Coatings sur la surface de serrage des mors. Ce revêtement particulier est appliqué par électrofusion, créant une liaison métallurgique dite plus forte que les revêtements pulvérisés. Le revêtement a pratiquement éliminé le glissement linéaire et angulaire de la pièce pendant l'usinage.

Un autre défi initial était de s'habituer aux codes P, utilisés pour synchroniser le mouvement des deux tourelles. Les codes P non seulement assurent que les tourelles n'interfèrent pas entre elles lors d'opérations séparées, mais peuvent aussi les signaler pour effectuer des opérations identiques simultanément. Par exemple, si un programmeur veut surfacer une pièce avec la tourelle supérieure puis percer son bout avec la tourelle inférieure, ces opérations doivent être synchronisées car elles ne peuvent évidemment pas être effectuées en même temps. Si le programmeur assigne une valeur P10 à la tourelle supérieure et une P20 plus élevée à l'inférieure, la supérieure continuera tous ses mouvements nécessaires jusqu'à ce qu'elle rencontre une valeur P plus élevée dans le code programme. Si le prochain code P rencontré est supérieur au code P assigné à la tourelle inférieure, la supérieure attendra que l'inférieure finisse. Cependant, si le même code P est appliqué aux deux tourelles, elles travailleront simultanément.

À moins qu'un arbre à cames n'ait un nombre impair de rainures, le tour effectue les opérations de tournage et rainurage en utilisant les deux tourelles simultanément quand la barre est tenue entre broches. Comme la tourelle supérieure est optimisée pour tourner près de la broche principale et l'inférieure près de la contre-broche, l'entreprise ne fait pas de tournage pincé. Cependant, M. Godbold estime que la coupe simultanée permet au tour d'enlever la matière 30 % plus vite principalement parce que la pression d'outil est équilibrée. De plus, commencer les opérations de rainurage au milieu de chaque section de barre et aller vers l'extérieur vers les broches laisse plus de matière aux deux extrémités de la section. Cela assure un support rigide pour prévenir le chatter et élimine le fléchissement aux zones faibles de la barre, qui pourrait pincer ou casser un outil de rainurage.

Bénéficier de la standardisation

Chaque tourelle sur le LT-300MY a 12 stations d'outils. Daniel Freeman, technicien R&D pour Comp Cams qui programme et aide à faire tourner le tour, dit que l'entreprise profite pleinement de ces 24 stations totales. Environ deux tiers d'entre elles changent rarement. De plus, les outils dans plusieurs stations sont mis en miroir sur les tourelles supérieure et inférieure pour faciliter les opérations d'usinage simultané.

Chaque tourelle a trois outils de rainurage différents. Deux 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 quand l'espace est serré. Le troisième outil de rainurage est utilisé pour la finition, laissant une finition de surface de qualité, sans bavure, tout en maintenant des tolérances dimensionnelles inférieures à 0,010 pouce sur toutes les dimensions linéaires sur un arbre à cames de 24 pouces.

La tourelle supérieure a deux fraises en bout à orientation verticale de diamètres différents qui restent dans leurs stations vivantes respectives. Elles sont utilisées conjointement avec le mouvement d'axe Y de la machine pour le fraisage de cames. La fraise de 0,75 pouce plus étroite a un insert de moins que celle de 1 pouce, donc le débit d'avance doit être réduit quand cet outil est utilisé. Les outils dans les cinq stations horizontales vives de la tourelle supérieure ne changent souvent pas non plus. Ils effectuent perçage, taraudage, alésage et autres opérations sur la face avant d'un arbre à cames.

La tourelle inférieure contient des forets de centrage utilisés pour les faces avant et arrière. Cette tourelle a aussi des stations horizontales vives configurées pour créer des caractéristiques comme des trous de ventilation. Deux stations contiennent des outils divers. Ceux-ci incluent un outil multifonction perçage/alésage typiquement utilisé pour créer des contre-alésages, et un grand foret à inserts indexables qui usine les alésages sur l'arrière d'un arbre à cames.

L'entreprise utilise des adaptateurs à changement rapide Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 pour certains travaux d'outillage vivant. Chaque adaptateur peut accueillir un foret, taraud ou fraise pour une seule station. Pendant la mise en place, chaque outil est installé séparément dans l'adaptateur et touché. Pendant une série de production, un arrêt de programme met la machine en pause et invite l'opérateur à changer l'outil dans la station d'adaptateur pour le prochain outil nécessaire. L'opérateur peut changer l'outil en moins d'une minute, et le touchage n'est pas nécessaire car le correcteur pour chaque outil a été déterminé pendant la mise en place. M. Freeman dit que les outils dans l'adaptateur dépassent de quelques pouces plus loin que la normale, mais cela ne pose pas de problème de dégagement.

L'entreprise a également standardisé le liquide de refroidissement, utilisant le même Castrol Syntilo 9918 synthétique pour l'usinage que pour le rectification. M. Godbold dit que l'entreprise pourrait économiser en utilisant un liquide de refroidissement moins cher, mais elle apprécie la performance constante qu'offre le liquide avancé. Comp Cams prévoit d'installer un système de liquide de refroidissement central de 8 000 gallons avec un seul système de filtration papier principal pour alimenter les zones d'usinage et de rectification.

Un avantage de la standardisation est qu'elle minimise le nombre d'outils qui doivent être touchés pour un nouveau travail. Typiquement, un opérateur doit installer et toucher seulement quelques forets, alésages et tarauds pendant la mise en place pour un nouveau travail. La standardisation des outils permet aussi aux programmeurs de déterminer rapidement et facilement si un outillage supplémentaire est nécessaire pour un nouveau projet. En fin de compte, la standardisation a permis à Comp Cams de réduire les temps de changement pour la plupart des nouveaux travaux d'une journée entière à seulement quelques heures.

Cela dit, l'entreprise continue de travailler en étroite collaboration avec Rex Luxmore, son représentant outillage Iscar, que M. Freeman dit 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 des outils. Cette aide est critique, note M. Freeman, largely à cause des matériaux difficiles comme l'acier à outils poudre M4 que l'entreprise usine fréquemment. Cet acier n'est pas seulement impitoyable, mais il se durcit rapidement si coupé trop lentement ou légèrement.

Un conseil

L'objectif de Comp Cams est d'être un développeur leader de composants de distribution innovants, explique M. Godbold. L'usinage est vu comme un moyen vers cette fin. M. Godbold dit que les entreprises avec une approche similaire sont bien servies de reconnaître leurs limites de fabrication, surtout quand elles envisagent l'ajout d'un tour complexe comme le LT-300MY. Il est préférable de consacrer du temps à apprendre les tenants et aboutissants d'une telle machine avant de compter sur elle pour la production.

Scooter Brothers a certainement compris cela quand la machine double broche/double tourelle a été livrée. Tant que l'entreprise devenait plus efficace avec le tour pendant les premiers mois et atteignait un niveau de production à mi-régime dans l'année, M. Brothers ne serait pas découragé.

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