보다 효과적인 캠축 가공

내가 Billy Godbold와 처음 이야기를 나눴을 때 그는 트랙에서 전문 드래그 레이싱 팀이 커스텀 캠샤프트를 테스트하는 것을 지켜보고 있었습니다. Godbold 씨는 캠샤프트를 공급한 밸브 트레인 부품 제조업체인 Comp Cams의 엔지니어링 그룹 리더입니다. 한 달 전 Comp Cams의 디자인 그룹은 이 애플리케이션을 위한 캠축 재료와 형상을 고려하기 시작했습니다. 설계에서 완성된 빌렛 캠샤프트로 이렇게 빨리 이동하는 것은 회사가 고급 레이싱 캠샤프트의 가공을 아웃소싱했을 때만 해도 불가능했을 것입니다.

오늘날 Comp Cams는 Okuma의 트윈 스핀들/트윈 터렛 선반에서 소량의 레이싱 캠축 코어를 가공합니다. (캠샤프트 코어는 주요 기능이 가공된 캠샤프트이지만 여전히 후속 열처리 및 연삭 작업이 필요합니다.) 이 가공 기능을 사내에 도입함으로써 회사는 더 이상 다음을 수행할 필요가 없었기 때문에 전문 레이싱 애플리케이션을 위한 맞춤형 캠샤프트의 턴어라운드 속도를 크게 높일 수 있었습니다. 캠축 코어를 받으려면 몇 주 또는 몇 달을 기다리십시오. 이제 단일 8시간 교대로 M4 분말 금속 공구강 캠축 코어를 최대 12개까지 제조할 수 있습니다.

Godbold 씨는 Comp Cams의 전통적인 전문 지식은 캠축을 가공하는 것이 아니라 연삭하는 것이라고 설명합니다. 따라서 2008년에 7축 다기능 선반을 설치하기로 결정했을 때 회사는 장비 공급업체의 전문 지식과 조언에 크게 의존하여 효과적인 가공 프로세스를 구축했습니다. Comp Cams는 캠축 코어의 사이클 시간을 최소화하기 위해 노력하면서 이러한 리소스를 계속 활용하고 있습니다.

운 좋게도 "말하지 않으면 팔 수 없다"는 Comp Cams의 소유주이자 Specialty Equipment Market Association의 이사회 의장인 Paul "Scooter" Brothers의 모토입니다. 그 말의 정신에 따라 회사 담당자는 테네시 주 멤피스 시설을 방문하는 동안 고급 선반을 어떻게 더 잘 사용하게 되었는지 자세히 설명하는 것을 부끄러워하지 않았습니다.

빠른 속도로 성공

Comp Cams 제품 라인의 캠샤프트 부분은 고성능/비레이싱 애플리케이션, 애호가 레이서; NASCAR, NHRA 및 기타 전문 레이스 팀을 위한 엔진 빌더. 회사의 Memphis 시설에서 가공된 맞춤형 빌렛 캠샤프트는 전문 레이스 팀에서 사용합니다.

원래 캠샤프트 코어의 배송 시간이 길어지면서 회사는 경주 팀이 필요로 하는 소량의 배치를 생산하기 위해 "기존" 셀을 추가하는 것을 고려하게 되었습니다. 이러한 셀에는 일반적으로 바스톡을 길이로 자르는 톱이 포함됩니다. 선반이 캠축의 전면과 후면을 향하도록 하고 센터를 추가하고 로브 레이아웃을 홈으로 만듭니다. 전면 및 후면 캠축 면의 세부 사항을 가공하기 위한 밀링; 로브 프로파일을 가공하기 위한 추가 밀. 이러한 작업의 대부분은 시간이 많이 소요되는 여러 설정도 필요했습니다.

회사는 Godbold가 당시 Okuma America의 사장이었던 Larry Schwartz(지금은 공작 기계 제조업체의 최고 전략 책임자)를 만난 후 궁극적으로 다른 길을 가기로 결정했습니다. 남자들은 20개 정도의 생산 작업을 위해 전환을 최소화하고 설정을 단순화하는 캠축 코어를 제조하는 다른 방법에 대해 논의했습니다. Schwartz의 아이디어는 트윈 스핀들/트윈 터렛 선반을 사용하는 것이었습니다. 스핀들 사이 및/또는 스핀들 내부에 막대를 고정하면 한 번의 설정으로 캠축 코어를 완벽하게 가공할 수 있습니다. 또한 트윈 스핀들은 일부 작업을 동시에 수행할 수 있습니다.

회사는 Okuma LT300-MY를 선택했습니다. Godbold 씨는 여러 면에서 초기 개념과 프로그래밍 실행이 이 응용 프로그램에 필요한 약간의 기계 수정보다 더 큰 장애물이라고 말했습니다. 기계의 주요 기계적 변경은 70mm 저널 캠축이 통과할 수 있도록 주축과 보조축의 슬리브 크기를 늘리는 것이었습니다. 회사는 기계가 상당한 강성을 제공하고 각 스핀들이 30마력을 제공하기 때문에 선반이 빌렛 레이싱 캠축에 ​​공통적으로 사용되는 거친 M4 분말 금속 공구강(30HRc 등급)을 가공하는 데 문제가 없을 것이라고 추론했습니다.

선반이 배송되기 전에 Comp Cams는 기계 검증을 위해 매우 어려운 캠샤프트 코어라고 생각했던 것을 Okuma의 시설로 보냈습니다. 바로 9개의 저널이 있는 직경 70mm NHRA Pro Stock 캠샤프트입니다. Okuma의 애플리케이션 엔지니어인 Kevin Kraieski는 초기 부품 프로그램을 만들고 첫 번째 샘플 부품을 가공했습니다. Kraieski 씨는 로브 간 홈 가공, 밀링 로브 프로파일, 드릴링 및 태핑 볼트 구멍 패턴 등과 같이 일반적으로 필요한 작업을 위해 여러 가변 스타일 서브루틴을 사용하여 부품 프로그램을 설정했습니다. 이를 통해 Comp Cams는 매번 처음부터 시작하지 않고도 여러 캠축 설계에 대해 복잡한 기계를 쉽게 다시 프로그래밍할 수 있었습니다.

로브 사이의 홈 마무리를 개선하고 로브 가공 속도를 높이는 것은 테스트 중에 어려운 것으로 판명되었습니다. 그러나 Iscar의 OEM 프로젝트 관리자인 Tim Whitmore는 도구 문제를 해결하기 위해 Kraieski 씨와 긴밀히 협력합니다. 기계가 Comp Cams에 납품될 때쯤에는 M4 캠축 코어를 75분 만에 완성할 수 있었습니다.

다음 페이지의 사진은 선반에서 캠축 코어를 생산하는 방법을 보여줍니다. 작업자는 미리 절단된 막대를 메인 스핀들에 수동으로 밀어 넣고 막대를 몇 인치 밖으로 당겨 멈출 때까지 고정합니다. 그런 다음 선반은 캠의 전면이 될 형상으로 회전하고 밀링합니다. 다음으로, 서브 스핀들이 제 위치로 이동하여 가공된 면을 잡고 막대를 약 10인치 당깁니다. 바의 해당 부분에서 그루빙 및 로브 밀링이 완료됩니다. 해당 섹션의 가공이 완료되면 서브 스핀들이 새로 가공된 일부 저널에 고정되고 바를 메인 스핀들에서 더 멀리 당겨서 캠축 후면 절반의 홈 가공 및 로브 밀링을 가능하게 합니다. (이러한 작업을 두 개의 작은 섹션에서 수행하면 편향, 진동 및 채터의 위험이 최소화됩니다.) 마지막으로, 서브 스핀들은 거의 전체 막대를 소모하여 캠축 후면에서 선삭 및 밀링 작업을 가능하게 합니다.

Comp Cams는 이제 35~45분 안에 캠축 코어를 가공할 수 있을 정도로 이 공정을 개선했습니다. 하지만 회사는 이러한 더 빠른 주기 시간을 달성하기 위해 몇 가지 초기 가공 장애물을 극복해야 했습니다.

초기 도전 과제

테스트를 위해 Okuma에 보낸 "정말 어려운" 캠샤프트 Comp Cam은 다른 캠샤프트 모델보다 가공하기가 더 쉬운 것으로 판명되었습니다. 캠축의 9개 저널이 일반적인 5개 저널 캠축보다 서브 스핀들에 더 많은 클램핑 지점을 제공했기 때문입니다. 결과적으로 원래의 서브 스핀들 조는 5-저널 모델에서 최소 2개의 저널을 가로질러 클램핑할 만큼 충분히 길지 않았습니다(이는 가공 중 적절한 지지를 보장하기 위해 필요했습니다). 더 긴 6인치 조를 설치하면 서브 스핀들이 회사에서 제조하는 모든 유형의 캠축에 있는 두 개 이상의 저널에 클램핑할 수 있습니다. 메인 스핀들은 항상 단단한 막대 스톡을 고정하므로 해당 스핀들에 더 긴 조가 필요하지 않습니다.

일부 캠축 재료는 다른 재료보다 단단히 조이기 더 어렵기 때문에 죠 내부의 공작물 미끄러짐도 때때로 문제가 되는 것으로 나타났습니다. 해결책은 죠의 그립 표면에 Carbonite Metal Coatings의 텅스텐 합금 코팅을 적용하는 것이었습니다. 이 특정 코팅은 전기 융합을 통해 적용되며, 이는 스프레이 방식 코팅보다 더 강한 야금학적 결합을 생성합니다. 코팅은 가공 중 발생하는 선형 및 각진 공작물 미끄러짐을 사실상 제거했습니다.

또 다른 초기 과제는 두 포탑의 동작을 동기화하는 데 사용되는 P 코드에 익숙해지는 것이었습니다. P 코드는 별도의 작업을 수행할 때 포탑이 서로 간섭하지 않도록 할 뿐만 아니라 동일한 작업을 동시에 수행하도록 신호를 보낼 수도 있습니다. 예를 들어, 프로그래머가 상부 터렛이 있는 부품을 마주한 다음 하부 터렛으로 부품 끝을 드릴하려는 경우 이러한 작업은 분명히 동시에 수행할 수 없기 때문에 동기화되어야 합니다. 프로그래머가 상부 터렛에 P10 값을 할당하고 하부 터렛에 더 높은 P20 값을 할당하면 상부 터렛은 프로그램 코드에서 더 높은 P 값을 만날 때까지 필요한 모든 동작을 계속합니다. 다음에 만나는 P 코드가 하단 포탑에 할당된 P 코드보다 높으면 상단 포탑은 하단 포탑이 완료될 때까지 대기합니다. 단, 두 포탑에 동일한 P 코드를 적용하면 동시에 작동합니다.

캠축의 홈이 홀수인 경우를 제외하고 선반은 스핀들 사이에 막대를 고정한 상태에서 두 터렛을 동시에 사용하여 선삭 및 홈 가공을 수행합니다. 상부 터렛은 메인 스핀들에 가깝게 작동하도록 최적화되어 있고 하부 터렛은 서브 스핀들에 가깝게 작동하도록 설정되어 있기 때문에 회사는 핀치 터닝을 수행하지 않습니다. 그러나 Godbold 씨는 동시 절단을 통해 주로 공구 압력이 균형을 이루기 때문에 선반이 재료를 30% 더 빨리 제거할 수 있다고 추정합니다. 또한 바의 각 섹션 중간에서 홈 가공을 시작하고 스핀들 쪽으로 이동하면 바 섹션의 양쪽 끝에 더 많은 스톡이 남습니다. 이렇게 하면 흔들림을 방지하기 위해 단단한 지지가 보장되고 바의 약한 부분에서 구부러지는 현상이 없어져서 홈 가공 도구가 끼거나 부러질 수 있습니다.

표준화의 이점

LT-300MY의 각 터렛에는 12개의 툴 스테이션이 있습니다. 일반적으로 선반을 프로그래밍하고 운영하는 데 도움을 주는 Comp Cams의 R&D 기술자인 Daniel Freeman은 회사가 이 24개의 토탈 ​​스테이션을 최대한 활용하고 있다고 말합니다. 그 중 약 2/3는 거의 변경되지 않습니다. 또한 여러 스테이션의 공구가 상부 및 하부 터렛에 모두 미러링되어 동시 가공 작업이 용이합니다.

각 터렛에는 세 가지 홈 가공 도구가 있습니다. 그 중 2개는 황삭 작업을 수행합니다. 둘 중 넓은 것은 가능한 한 자주 사용하고 얇은 것은 공간이 협소할 때만 사용합니다. 세 번째 홈 가공 도구는 24인치 길이의 캠축을 따라 모든 선형 치수에서 0.010인치 미만의 치수 공차를 유지하면서 품질이 높고 버가 없는 표면 마감을 남기고 마무리 작업에 사용됩니다.

상부 터렛에는 각각의 라이브 스테이션에 유지되는 서로 다른 직경의 수직 방향 엔드밀 2개가 있습니다. 이들은 기계의 Y축 이동과 함께 로브 밀링을 수행하는 데 사용됩니다. 폭이 좁은 0.75인치 엔드밀은 1인치 엔드밀보다 인서트가 하나 적으므로 해당 공구를 사용할 때 이송 속도를 줄여야 합니다. 상부 포탑의 5개 수평 라이브 스테이션의 도구도 종종 변경되지 않습니다. 이들은 캠축 전면에서 드릴링, 태핑, 리밍 및 기타 작업을 수행합니다.

하부 터렛에는 전면 및 후면 캠축면 모두에 사용되는 센터 드릴이 포함되어 있습니다. 이 터렛에는 통풍구와 같은 기능을 생성하기 위해 설정된 라이브 수평 스테이션도 있습니다. 2개의 스테이션에는 기타 도구가 포함되어 있습니다. 여기에는 일반적으로 카운터보어를 생성하는 데 사용되는 다기능 드릴링/보링 도구와 캠축 후면의 보어를 가공하는 대형 인서트 삽입형 드릴이 포함됩니다.

이 회사는 일부 라이브 툴링 작업에 Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 퀵 체인지 어댑터를 사용합니다. 각 어댑터는 해당 단일 스테이션에서 사용하기 위해 드릴, 탭 또는 밀링을 수용할 수 있습니다. 설정하는 동안 각 도구는 어댑터에 별도로 설치되고 분리됩니다. 생산 실행 중에 프로그램 중지는 기계를 일시 중지하고 작업자에게 어댑터 스테이션의 도구를 필요한 다음 도구로 변경하라는 메시지를 표시합니다. 작업자는 1분 이내에 도구를 교체할 수 있으며 각 도구의 오프셋은 설정 중에 결정되기 때문에 터치오프가 필요하지 않습니다. Mr. Freeman은 어댑터의 도구가 평소보다 몇 인치 더 확장되어 있지만 이 경우 간격 문제가 발생하지 않는다고 말합니다.

이 회사는 또한 연삭용과 동일한 Castrol Syntilo 9918 합성 절삭유를 기계 가공용으로 사용하여 절삭유에 대해 표준화했습니다. Godbold 씨는 회사가 더 저렴한 냉각수를 사용하여 비용을 절감할 수 있지만 고급 냉각수가 제공하는 일관된 성능을 높이 평가한다고 말했습니다. Comp Cams는 단일 주 종이 필터 시스템과 함께 8,000갤런 중앙 냉각 시스템을 설치하여 시설의 가공 및 연삭 영역에 공급할 계획입니다.

표준화의 한 가지 이점은 새 작업을 위해 수정해야 하는 도구의 수를 최소화한다는 것입니다. 일반적으로 작업자는 새 작업을 설정하는 동안 몇 개의 드릴, 리머 및 탭만 설치하고 수정하면 됩니다. 또한 도구 표준화를 통해 프로그래머는 새 프로젝트에 추가 도구가 필요한지 여부를 빠르고 쉽게 결정할 수 있습니다. 궁극적으로 표준화 덕분에 Comp Cam은 대부분의 새 작업에 대한 전환 시간을 하루 종일에서 단 몇 시간으로 단축할 수 있었습니다.

그럼에도 불구하고 회사는 Iscar 툴링 담당자인 Rex Luxmore와 계속 긴밀하게 협력하고 있으며 Freeman은 새로운 툴링 개발에 대한 최신 정보를 유지하는 데 적극적이라고 말했습니다. 예를 들어, Luxmore 씨가 새 코팅으로 홈 가공 공구를 추천한 결과 공구 수명이 30~50% 향상되었습니다. Freeman씨는 이러한 지원이 매우 중요하다고 말합니다. 주로 회사에서 자주 가공하는 M4 분말-금속 공구강과 같은 까다로운 재료 때문입니다. 이 공구강은 가혹할 뿐만 아니라 너무 천천히 또는 가볍게 자르면 빠르게 경화됩니다.

조언

Comp Cams의 목표는 혁신적인 밸브 트레인 구성요소의 선도적인 개발자라고 Godbold 씨는 설명합니다. 가공은 이를 위한 수단으로 간주됩니다. Godbold 씨는 특히 LT-300MY와 같은 복잡한 선반 추가를 고려할 때 유사한 접근 방식을 사용하는 회사가 제조 한계를 인식하는 것이 좋습니다. 그는 생산에 의존하기 전에 그러한 기계의 내용을 배우는 데 시간을 할애하는 것이 가장 좋다고 말합니다.

Scooter Brothers는 트윈 스핀들/트윈 터렛 기계가 배송되었을 때 확실히 이해했습니다. 회사가 처음 몇 달 동안 선반을 보다 효과적으로 사용하고 1년 내에 절반 수준의 생산량을 달성할 수 있는 한 Mr. Brothers는 낙담하지 않을 것입니다.

Godbold 씨는 이 접근 방식이 세상의 모든 변화를 가져왔다고 믿습니다. 그는 Comp Cams가 기존의 터닝 및 밀링 경험만 있는 공장이 가공이나 프로그래밍에서 반드시 뛰어나지 않고도 복잡한 다기능 기계를 성공적으로 통합할 수 있음을 증명한다고 겸손하게 말합니다. 그러나 이를 위해서는 상점이 목표를 달성할 수 있도록 기꺼이 도와주는 장비 공급업체와 견고한 관계를 구축해야 합니다. 그는 함께 일할 신뢰할 수 있는 사람들을 찾는 것이 모든 것을 의미한다고 말합니다.