更有效的凸轮轴加工

当我第一次与 Billy Godbold 交谈时，他正在赛道上观看专业的飙车队测试定制的凸轮轴。 Godbold 先生是 Comp Cams 的工程组负责人，Comp Cams 是提供凸轮轴的气门机构部件制造商。一个月前，Comp Cams 的设计团队刚刚开始考虑用于此应用的凸轮轴材料和几何形状。几年前，当该公司将其高端赛车凸轮轴的加工外包时，如此迅速地从设计转变为完成坯料凸轮轴是不可能的。

今天，Comp Cams 在 Okuma 的双主轴/双刀塔车床上加工小批量的赛车凸轮轴芯。 （凸轮轴芯是经过机加工的凸轮轴，但仍需要后续的热处理和磨削操作。）将这种加工能力引入内部使公司能够大大加快专业赛车应用的定制凸轮轴的周转速度，因为它不再需要等待数周或数月才能收到凸轮轴芯。它现在可以在一个 8 小时的班次中生产多达 12 个 M4 粉末金属工具钢凸轮轴芯。

Godbold 先生解释说，Comp Cams 的传统专长是磨削凸轮轴，而不是加工凸轮轴。因此，当 2008 年决定安装七轴多功能车床时，公司在很大程度上依赖其设备供应商的专业知识和建议来建立有效的加工流程。 Comp Cams 今天继续利用这些资源，努力将凸轮轴芯的循环时间降至最低。

对我来说幸运的是，“如果你不说，你就不能卖”是保罗“滑板车”兄弟的座右铭，他是 Comp Cams 的所有者之一，也是专业设备市场协会的董事会主席。根据这句话的精神，在我访问田纳西州孟菲斯的工厂期间，公司代表毫不避讳地详细介绍了他们如何更好地使用先进车床。

快速成功

Comp Cams 产品线的凸轮轴部分平均分为三个部分：高性能/非赛车应用；业余赛车手；和 NASCAR、NHRA 和其他专业赛车队的发动机制造商。在公司孟菲斯工厂加工的定制方坯凸轮轴供专业赛车队使用。

最初，延长的凸轮轴芯交付时间使该公司考虑增加一个“传统”单元来生产赛车队所需的小批量产品。这种单元通常包括将棒料切割成一定长度的锯；车床面向凸轮轴的前后，添加中心并在凸角布局上开槽；铣床加工前后凸轮轴面的细节；和额外的铣床来加工叶片轮廓。大多数这些操作也需要多次耗时的设置。

在 Godbold 先生会见了当时是 Okuma America 总裁的 Larry Schwartz（他现在是机床制造商的首席战略官）之后，公司最终决定走一条不同的路线。这些人讨论了制造凸轮轴芯的替代方法，这些方法可以最大限度地减少转换并简化 20 件左右的生产运行的设置。 Schwartz 先生的想法是使用双主轴/双刀塔车床。将一根棒夹在主轴之间和/或部分夹在主轴内部，可以在一次设置中完成凸轮轴芯的加工。另外，双主轴可以同时执行一些操作。

该公司选择了 Okuma LT300-MY。 Godbold 先生说，在许多方面，最初的概念和编程执行比这个应用程序所需的轻微机器修改更大的障碍。机器的主要机械变化是增加主轴和副主轴中套筒的尺寸，以便 70 毫米轴颈凸轮轴可以穿过它们。该公司推断，由于这台机器提供了很大的刚度，并且它的每个主轴都提供了 30 马力的功率，因此这台车床在加工其钢坯赛车凸轮轴常见的坚韧 M4 粉末金属工具钢（额定值为 30 HRc）时不会有任何问题。

在车床交付之前，Comp Cams 将它认为非常困难的凸轮轴芯送到 Okuma 的机器验证设施：一个 70 毫米直径的 NHRA Pro Stock 凸轮轴，带有九个轴颈。 Okuma 的应用工程师 Kevin Kraieski 创建了初始零件程序并加工了第一个样品零件。 Kraieski 先生使用多个可变样式的子程序设置零件程序，用于通常需要的操作，例如在凸角之间开槽、铣削凸角轮廓、钻孔和攻丝螺栓孔图案等。这使得 Comp Cams 可以轻松地针对任意数量的凸轮轴设计重新编程复杂的机器，而无需每次都从头开始。

在测试过程中，提高叶片之间凹槽的光洁度和提高叶片加工速度被证明具有挑战性。然而，Iscar 的 OEM 项目经理 Tim Whitmore 与 Kraieski 先生密切合作以解决工具问题。到机器交付给 Comp Cams 时，它可以在 75 分钟内完成一个 M4 凸轮轴芯。

下一页上的照片显示了如何在车床上生产凸轮轴芯。操作员手动将预切棒材滑入主轴，将棒材拉出几英寸停止，然后将其夹紧。然后车床将特征车削并铣削成将成为凸轮正面的部分。接下来，副主轴移动到位，抓住加工面并将杆拉出大约 10 英寸。在该段棒材上完成切槽和凸角铣削。完成该部分的加工后，副主轴将夹紧到一些新加工的轴颈上，并将杆从主轴拉出更远，以便对凸轮轴的后半部分进行切槽和凸角铣削。 （在两个小部分中执行这些操作可以最大程度地减少偏转、振动和颤振的风险。）最后，副主轴几乎消耗了整个棒材，以便在凸轮轴的背面进行车削和铣削工作。

Comp Cams 已经改进了这个过程，现在它可以在 35 到 45 分钟内加工凸轮轴芯。也就是说，该公司必须克服一些初始加工障碍才能实现这些更快的循环时间。

早期挑战

事实证明，送往 Okuma 进行测试的“非常困难”的凸轮轴 Comp Cams 被证明比其他凸轮轴型号更容易加工。这是因为凸轮轴的九个轴颈为副主轴提供了比典型的五轴颈凸轮轴更多的夹紧点。因此，原来的副主轴爪的长度不足以夹住五轴颈模型上的至少两个轴颈（这对于确保在加工过程中提供足够的支撑是必要的）。安装更长的 6 英寸卡爪使副主轴能够夹在公司制造的任何类型凸轮轴上的两个或多个轴颈上。主轴始终夹持实心棒料，因此该主轴不需要更长的夹爪。

卡爪内的工件滑动有时也被证明是一个问题，因为一些凸轮轴材料比其他材料更难夹紧。解决方案是在钳口的夹持表面上应用 Carbonite Metal Coatings 的钨合金涂层。这种特殊的涂层是通过电熔施加的，它产生了一种据说比喷涂涂层更强的冶金结合。该涂层实际上消除了加工过程中发生的线性和角度工件滑动。

另一个早期的挑战是习惯 P 代码，它用于同步两个炮塔的运动。 P 代码不仅可以确保炮塔在执行单独操作时不会相互干扰，还可以发出信号让它们同时执行相同的操作。例如，如果程序员想用上刀塔面对一个零件，然后用下刀塔钻它的末端，这些操作必须同步，因为它们显然不能同时执行。如果程序员将 P10 值分配给上炮塔，将更高的 P20 分配给下炮塔，则上炮塔将继续其所有必要的运动，直到在程序代码中遇到更高的 P 值。如果它遇到的下一个 P 代码高于分配给下炮塔的 P 代码，则上炮塔将等待直到下炮塔完成。但是，如果两个炮塔使用相同的 P 代码，它们将同时工作。

除非凸轮轴有奇数个凹槽，否则当棒料夹在主轴之间时，车床会同时使用两个刀塔进行车削和开槽操作。由于上刀塔被优化为靠近主轴运行，下刀塔被设置为靠近副主轴运行，该公司不进行夹车。然而，Godbold 先生估计，同步切削可使车床去除材料的速度提高 30%，这主要是因为刀具压力是平衡的。此外，在每个棒材部分的中间开始开槽操作并向主轴移动，从而在棒材部分的任一端留下更多的库存。这确保了刚性支撑以防止颤振，还消除了杆的薄弱区域的弯曲，这可能会挤压或破坏开槽工具。

受益于标准化

LT-300MY 上的每个炮塔都有 12 个工具站。 Comp Cams 的研发技术员 Daniel Freeman 经常对车床进行编程并帮助运行车床，他说公司充分利用了这 24 个全站仪。其中大约三分之二很少改变。此外，多工位的刀具在上下刀塔上都进行了镜像，便于同时加工。

每个刀塔都有三种不同的切槽工具。其中两个执行粗加工操作。两者中较宽者尽可能多地使用，而较薄者仅在空间紧张时使用。第三个切槽刀具用于精加工，留下优质、无毛刺的表面光洁度，同时在 24 英寸长的凸轮轴上的所有线性尺寸上保持小于 0.010 英寸的尺寸公差。

上部炮塔有两个垂直定向的不同直径的立铣刀，它们保留在各自的现场工作台中。这些与机器的 Y 轴运动结合使用以执行凸角铣削。较窄的 0.75 英寸立铣刀比 1 英寸立铣刀少一个刀片，因此在使用该刀具时必须降低进给速度。上炮塔五个水平现场站的工具通常也不会改变。它们在凸轮轴的正面执行钻孔、攻丝、铰孔和其他操作。

下部炮塔包含用于前后凸轮轴面的中心钻。该炮塔还设置了实时水平站，以创建诸如通风孔之类的特征。两个站包含各种工具。其中包括通常用于制造沉孔的多功能钻孔/镗孔工具，以及在凸轮轴后部加工孔的大型可转位刀片钻头。

该公司将 Exsys/Eppinger Preci-Flex ER32 快速更换适配器用于其一些带电工具工作。每个适配器都可以容纳一个钻头、丝锥或铣刀，以便在该单个工作站中使用。在设置过程中，每个工具都单独安装在适配器中并触发。在生产运行期间，程序停止会暂停机器并提示操作员将适配器站中的工具更换为所需的下一个工具。操作员可以在不到一分钟的时间内更换刀具，并且由于每个刀具的偏移量是在设置过程中确定的，因此不需要触发。 Freeman 先生说，适配器中的工具比正常情况下伸出几英寸，但这不会造成任何间隙问题。

该公司还对冷却剂进行了标准化，使用与磨削相同的嘉实多 Syntilo 9918 合成冷却剂进行加工。 Godbold 先生说，该公司可以通过使用成本较低的冷却剂来节省资金，但它赞赏先进的冷却剂提供的始终如一的性能。 Comp Cams 计划安装一个 8,000 加仑的中央冷却系统和一个主纸过滤器系统，以供应该设施的加工和磨削区域。

标准化的一个优点是它最大限度地减少了新工作必须触发的工具数量。通常，操作员在为新作业设置期间只需安装和触发少量钻头、铰刀和丝锥。工具标准化还使程序员能够快速轻松地确定新项目是否需要额外的工具。最终，标准化使 Comp Cams 能够将大多数新工作的转换时间从一整天缩短到几个小时。

话虽如此，该公司将继续与其 Iscar 工具代表 Rex Luxmore 密切合作，Freeman 先生表示，他积极主动地让他了解最新的工具开发。例如，Luxmore 先生推荐的带有新涂层的切槽刀具使刀具寿命提高了 30% 到 50%。 Freeman 先生指出，这种帮助至关重要，主要是因为公司经常加工具有挑战性的材料，例如 M4 粉末金属工具钢。这种工具钢不仅非常不宽容，而且如果切割得太慢或太轻，它会很快加工硬化。

一点建议

Godbold 先生解释说，Comp Cams 的目标是成为创新气门机构组件的领先开发商。加工被视为实现这一目标的一种手段。 Godbold 先生说，采用类似方法的公司可以很好地认识到他们的制造局限性，尤其是在考虑增加像 LT-300MY 这样的复杂车床时。他指出，在依赖它进行生产之前，最好花一些时间来了解这种机器的来龙去脉。

当双主轴/双炮塔机器交付时，Scooter Brothers 肯定明白这一点。只要公司在最初的几个月里使用车床变得更有效率，并且能够在一年内达到半油门水平的生产，兄弟先生就不会气馁。

Godbold 先生认为，这种方法使世界变得与众不同。他谦虚地说，Comp Cams 证明，只有传统车削和铣削经验的车间可以成功集成复杂的多功能机床，而不必在加工或编程方面表现出色。然而，这需要与愿意帮助商店实现其目标的设备供应商建立稳固的关系。他说，找到值得信赖的人共事意味着一切。