ALTERNATIVAS DE OTIMIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE PARA CENÁRIOS DE FABRICAÇAO EM USINAGEM.

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1 ALTERNATIVAS DE OTIMIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE PARA CENÁRIOS DE FABRICAÇAO EM USINAGEM. Nivaldo Lemos Coppini Programa Pós-Graduação em Engenharia - Centro de Tecnologia - UNIMEP fone (019) ramal ncoppini@unimep.br Elesandro Antonio Baptista Programa Pós-Graduação em Engenharia - Centro de Tecnologia - UNIMEP fone (019) ramal m @unimep.br Abstract For many years, a group, which the authors taken part, have been researching machine conditions optimisation. During this time, this group have published many papers, each one concentrated in work into a manufacturing propose, checking the possibilities of the methodology applied for machines conditions optimisation. This work has the goal to revise all the published papers that has been studied during this time. The conclusions from these papers, Given us conditions to classified the situations where the methodology is easily applied and where is applied with some difficulties. After, a expert system is indicated to optimise and monitoring the machine conditions, which is evolved all the dealt situations. Keywords : Machining; Optimisation; Cutting Speed 1 - Introdução Com um mercado cada vez mais competitivo, a necessidade de se praticar uma manufatura mais eficiente, com decisões acertadas baseadas em informações mais precisas, torna-se uma necessidade para a existência de qualquer indústria manufatureira. Especificamente, nos processos de usinagem, a otimização dos parâmetros de corte já vem sendo realizada há muito tempo, baseada principalmente na redução do tempo de fabricação, que é conseguido com a utilização da ferramenta correta, utilização de avanços e profundidades de corte coerentes com a capacidade da máquina [1, 2]. A otimização da velocidade de corte também permite a obtenção de uma maior taxa de remoção de cavaco e consequentemente, reduz o tempo de usinagem. Entretanto, o aumento da velocidade de corte tem um efeito negativo sobre a vida da ferramenta, o que pode provocar o aumento do tempo de usinagem, devido à necessidade de trocas mais freqüentes de arestas de corte das ferramentas. Para a otimização da Velocidade de Corte pode-se utilizar do intervalo de máxima eficiência, para seleção da velocidade de corte otimizada [6]. No entanto a utilização dos valores de (x) e (k), constantes da equação de Taylor, obtidos a partir da literatura ou outras fontes oriundas de testes em condições ideais de laboratório, tem dificultado a tarefa de otimização da velocidade de corte, pois são diferentes das reais, causando distorções no

2 cálculo da velocidade de corte otimizada. Outra opção é o uso destas constantes a partir de suas determinações em ambiente fabril. Neste caso, haverá maior confiança na seleção da velocidade de corte otimizada, pois a otimização estará sendo realizada em tempo real com a ocorrência do processo, com dados retirados do próprio sistema máquina, ferramenta e peça, alvos da referida otimização. Os autores deste trabalho, fazem parte de uma equipe que tem pesquisado a otimização das condições operacionais de usinagem dentro do contexto da opção mencionada no parágrafo anterior. Especificamente, esta equipe e no momento estes autores, têm procurado modelos que permitam selecionar a velocidade de corte otimizada sempre em ambiente fabril. Dos trabalhos já publicados, é possível identificar cenários de fabricação diferentes que exigem modelos matemáticos e de procedimentos específicos para otimização da velocidade de corte. Este trabalho tem por objetivo apresentar os diversos cenários mencionados. Estes podem ser resumidos em: Cenário corrente. Cenários recomendados para aplicação da metodologia. Cenários não recomendados para aplicação da metodologia. No momento os autores encontram-se em atividades de desenvolvimento de um sistema especialista que possa ser aplicado nos diversos cenários aqui apresentados. 2 - Cenário corrente Atualmente a otimização dos parâmetros de corte em usinagem esta limitado à escolha correta da ferramenta com base em avanços, profundidades de usinagem e velocidades de corte indicados por fontes que publicam a experiência acumulada no assunto (geralmente catálogos de fabricantes) [2]. A principal preocupação, no que tange à otimização, é conseguir usinar a peça dentro das especificações do desenho da mesma. São poucos freqüentes os relatos práticos que mostram uma preocupação de aliar ao cuidado acima mencionado, o de otimizar as condições de corte. Desta forma, condições operacionais de usinagem são utilizadas através de extrapolações àquelas existentes, mesmo sendo notório o fato de que este processo de fabricação depende de um número fantasticamente alto de fatores de influência e que tal prática é, por este motivo, geradora de possíveis grandes erros que se perpetuam em plantas fabris, gerando e avolumando eventuais grandes prejuízos que permanecem como se não existissem. Assim, a otimização mais freqüentemente encontrada na prática de usinagem, consiste em adotar as condições de usinagem e considerando-as como otimizadas, gerenciar o tempo passivo que o operador da máquina teria a sua disposição para trocas de ferramentas e recuperação da fadiga devido as mais diversas causas. Das condições operacionais, a profundidade de usinagem e o avanço são os mais facilmente otimizados: pode-se trabalhar com valores bastante próximos do ótimo apenas considerando-se a potência da máquina, a dimensão do sobremetal a ser removido, a forma do cavaco e a qualidade final da peça exigida para a específica operação alvo da otimização. A velocidade de corte, no entanto, além de exercer influência mais significativa que o avanço e a profundidade de usinagem sobre a vida da ferramenta, tem influência também mais decisiva no tempo e no custo de fabricação relativos a uma dada operação. Pelo fato de ser possível cortar com gama de velocidades de corte relativamente grande, diferentes mecanismos de desgastes podem ser desencadeados, provocando comportamento distinto da ferramenta no que se refere à sua vida. Durante a produção, diferentes valores da velocidade de corte podem implicar em diferentes tempos e custos totais de fabricação por

3 peça, os quais são conseqüências da influência combinada dos correspondentes tempos de corte e dos tempos despendidos com trocas de arestas de corte da ferramenta. Como conseqüência do acima exposto, fica evidenciado que o conhecimento da velocidade de corte otimizada para um dado sistema máquina, ferramenta e peça, somente pode ser adquirido após otimizações que considerem dados do processo, retirados da prática do mesmo após aplicação que utilize o referido sistema. 3 - Metodologia Básica para Otimização Para otimização dos parâmetros de usinagem, utilizou-se do intervalo de máxima eficiência (IME), já consagrado pela literatura especializada [1], que é o intervalo entre a condição de usinagem de mínimo custo (V mc ) e máxima produção (V mxp ). Conforme descrito nas equações abaixo. V mxp = [k/(x-1)*t ft ] 1/x (1) V mc = {k*(s h +s m )/60*(x-1)*[k f +(s h +s m )*T ft ]} 1/x (2) Onde k e x são coeficientes da equação de Taylor, T ft é o tempo de troca da aresta da ferramenta, S h e S m são respectivamente, salário homem e salário máquina e K f é o custo inicial da ferramenta. A velocidade de corte otimizada, deve então ter como referência V mxp, V mc ou V mclim, velocidade de mínimo custo limite, ver a equação número 3. Esta definição deve respeitar o cenário produtivo, que dependendo de sua configuração, indica qual a velocidade de corte que deve ser utilizada, pois a utilização de velocidades de corte que tendem ou são iguais à V mxp, origina uma alta produção com o menor tempo possível, mas com um custo relativamente alto, estando acima do mínimo custo. A utilização de velocidades que tendem ou são iguais à V mc, originam uma produção relativamente menor que a V mxp, com tempos de usinagem maiores, porém o custo de produção é o menor possível. V mclim = [k*(s h +s m )/60*(x-1)*k f ] 1/x (3) Outros fatores que atuam diretamente no cálculo de V mxp, V mc e V mclim, podem também influenciar na velocidade de corte otimizada, como o tempo de troca da aresta da ferramenta e sistema de custeio [6,7]. O tempo de troca quando tende à valores pequenos, até mesmo à zero, implica em velocidades de corte com valores altos, tendo então problemas com os limites técnicos da máquina, potência e maior velocidade de corte disponível, por exemplo. Neste caso pode-se utilizar V mclim [14], como referência, pois o tempo de troca da aresta da ferramenta é tão pequeno que seu produto pela soma do salário homem mais salário máquina fica desprezível em relação ao custo inicial da ferramenta (ver equações 2 e 3). Este valor sempre será uma referência adequada, pois, nunca será menor que V mc e sempre será menor que V mxp, para o tempo de troca da aresta de corte da ferramenta pequeno, porém, diferente de zero. Portanto a V mclim pertence ao IME, estando entre V mc e V mxp. O sistema de custeio também tem influência direta na determinação do IME, pois para a definição da V mc e V mclim, utiliza-se entre outros, dos valores do salário homem e salário máquina. O sistema de custeio deve determinar com precisão estes valores, pois, ao contrário, os resultados estarão afetados. Portanto sugere-se a utilização de V mc ou V mclim em concomitância com o sistema de custeio por atividades, ABC [7, 14]. A metodologia utilizada para otimização dos parâmetros de usinagem, consiste na

4 determinação em ambiente fabril dos coeficientes x e k da equação de Taylor, descritos nas equações abaixo. A usinagem é executada para um determinado número de peças, com velocidades de corte selecionadas em catálogos. Em seguida a vida da ferramenta como também o tempo de corte para cada velocidade são levantados durante a produção, até que o sistema de duas equações a duas incógnitas (4 e 5) permita calcular os valores dos coeficientes acima mencionados, dentro de uma confiança estabelecida. x = [log (z1/z2) / log (v2/v1)] + 1 (4) k = z1 * (v1) x * t c 1 (5) Sendo, z1 o número de peças, v1 o valor da velocidade de corte, e t c 1 o tempo de corte para a velocidade v1. O índice (2) representa uma situação diferente da situação (1). 4 - Cenários Recomendados para Aplicação da Metodologia Produção em série com máquinas dedicadas, ou produção em série para peças de uma mesma família, que utilizem do mesmo material e ferramenta para todas as peças. Será verificada então algumas situações de produção, que influenciam na escolha da velocidade de corte usada como referência durante o processo de otimização [1,2,3,4,5,7,9]. - Carga da máquina. Será analisada duas situações, quando a máquina é definida como gargalo e quando a máquina não é gargalo. Na situação de um gargalo, objetiva-se a maior produção possível, mesmo ocorrendo um custo de fabricação mais alto, pois este influencia diretamente em toda linha produtiva. Neste caso, recomenda-se a utilização da V mxp como velocidade de referência, atingindo-se assim a maior produção possível dentro do IME. O fator restritivo, refere-se as limitações técnicas da máquina, que podem não atender a V mxp necessária, neste caso, utiliza-se da maior velocidade de corte disponível. Se a máquina não é um gargalo, tendo portanto alguma ociosidade, pode-se utilizar da V mc como velocidade de referência para otimização, pois, objetiva-se trabalhar com o menor custo possível, dentro do IME. - Custo do ferramental : A velocidade de corte tem influência negativa sobre vida da ferramenta. A utilização de uma velocidade de corte muito alta implica numa vida da ferramenta menor, ocorrendo num aumento no custo do processo, em função do maior número de ferramentas utilizadas. Quando se faz uso de um ferramental muito caro, não se deve utilizar de uma velocidade de corte muito alta, pois aumentar-se-ia a influência negativa sobre o custo do processo. Portanto, em casos onde a utilização da V mxp é recomendada como velocidade de referência, a análise do custo do ferramental será indicada. Na situação de um ferramental muito caro deve-se reduzir a velocidade de corte, prevenindo, assim, futuras quebras e diminuindo-se a influência negativa da velocidade de corte sobre o custo do processo. - Tempo de troca da aresta da ferramenta (T ft ) : Será analisada situações com T ft muito alto e com T ft muito pequeno, tendendo a zero. Quando o T ft tende a valores muito altos, os valores da V mxp tendem à se aproximar da V mc, neste caso pode-se usar qualquer uma das duas, como velocidade de referência. Quando o T ft possui valores muito pequenos, tendendo a zero, podendo até ser desprezado, a V mxp atinge valores muito altos. Neste caso a V mxp pode ultrapassar os limites técnicos da máquina, pode-se então recomendar a utilização da V mclim como velocidade de referência para otimização [6,7], ou utilizar da maior velocidade de corte disponível na máquina ferramenta.

5 - Sistema de custeio : Por definir alguns valores essenciais aos cálculos da V mc e da V mclim, o sistema de custeio deve oferecer com precisão os custos envolvidos no sistema máquina, ferramenta e peça, permitindo assim a determinação exata da V mc e da V mclim e consequentemente do IME. Esta precisão será atingida com a utilização do sistema de custeio baseado em atividades, ABC, que permite obter os custos envolvidos em tal sistema. A utilização de sistemas de custeio tradicionais, ou que se baseiam em rateio, oferecem valores obtidos com incertezas, podendo distorcer a determinação do IME, pois outros custos que não pertencem ao sistema estudado, serão considerados. Portanto, recomenda-se a utilização da V mc ou V mclim, em concomitância com o sistema de custeio ABC [6,7]. Todas as situações citadas acima, podem se combinar de várias formas, dependendo do ambiente fabril, gerando situações críticas que dependem da análise de um especialista, ou de um sistema especialista, para definir a velocidade que será utilizada como referência Desenvolvimento de um processo : Ribeiro e Coppini (1997), desenvolveram um sistema de banco de dados, o ATAC [12], que tem como objetivo armazenar e manipular dados oriundos de ensaios em planta fabril, utilizando a metodologia para otimização na condição de máxima produção e comparar o desempenho entre as diversas ferramentas ensaiadas. Neste caso, ao final dos ensaios realizados, obtém-se a ferramenta com os melhores resultados e velocidade de corte otimizada. O sistema ATAC também foi estruturado de tal maneira que se possa recuperar os dados armazenados, para determinação dos parâmetros de usinagem para peças ou situações similares, determinando assim, a velocidade de corte inicial para processos novos, antes da realização dos ensaios Produção flexível, com lotes pequenos tendendo a unidade, mas realizados com freqüência : Para a produção flexível, deve-se fazer uso de ferramentas padrões [13, 14], onde se utiliza a mesma ferramenta para realizar uma mesma operação em todas as peças dentro de uma mesma jornada de trabalho.. A metodologia prevê os seguintes aspectos : O operador deve receber o número de arestas, definidos pela equação abaixo, que devem ser utilizadas para um conjunto de lotes. A troca da aresta deve ser efetuada quando o critério de vida for atingido. A velocidade de corte selecionada toma como base a V mclim, determinada pelos coeficientes de Taylor. Ao final, o operador deverá registrar qual o número de arestas utilizadas, para que possam ser realizados ajustes nos cálculos do modelo. n t = n i=l(z i /z ti ) (6) Onde n t é o número total de arestas necessárias para realizar uma determinada operação em um conjunto de lotes programados para uma determinada jornada de trabalho. Z i é o número de peças do lote i; n o número total de lotes programados; Z ti o número de peças por vida de aresta para a peça do lote i. Este é calculado por: Z ti = k i / t ci * (v ci ) xi (7) Onde k i e x i são coeficientes da equação de Taylor; V ci é a velocidade de corte selecionada e t ci é o tempo de corte. Todos os cenários citados acima, que utilizam dos coeficientes de Taylor, para otimização dos parâmetros de usinagem, podem também, ao invés da determinação dos coeficientes de Taylor em planta fabril, fazer uso da literatura disponível para obtenção dos mesmos, sendo que a partir de então, estes estão acometidos de incertezas oriundas da disparidade entre os resultados obtidos a partir de testes em laboratório, e a situação real de

6 fabricação. Em cenários similares aos citados acima onde a otimização ocorre com base nos tempos passivos, como tempo de troca da aresta da ferramenta e tempos estimados para fadiga do operador, os resultados podem não ser satisfatórios em função da subjetividade envolvida quando se estima o tempo de fadiga. 5 - Cenários não recomendados para aplicação da metodologia Produção seriada ou flexível : Em situações onde são produzidos lotes tendendo a unidade e estes não são executadas com freqüência. Pode-se citar, como exemplo, os setores de manutenção ou ferramentaria onde não ocorre produção em escala Ambiente produtivo que envolva a utilização de materiais, ferramentas ou máquinas com qualidades e propriedades não repetitivas Cenários onde se emprega máquinas convencionais, que não permitem a utilização dos parâmetros de usinagem otimizados. 6 - Sistema Especialista. Para validar a metodologia para otimização dos parâmetros de usinagem, alguns sistemas especialistas foram desenvolvidos pela equipe citada. A seguir descreve-se as características e aplicações dos mesmos. Coppini e Batocchio (1994) desenvolveram um sistema especialista de usinagem SEU, especificamente concebido para selecionar a melhor velocidade de corte durante as atividades de usinagem em chão de fábrica. A máquina de inferência do SEU foi construída tendo como base a metodologia para otimização dos parâmetros de usinagem. Todos os parâmetros de usinagem restritivos foram considerados no sistema especialista. Isto quer dizer que, para calcular a V mxp e selecionar a melhor velocidade de corte, o SEU primeiramente verifica os limites em termos, força de corte, potência do acionamento principal e rotação do eixo da máquina utilizada. O SEU foi concebido em uma versão semi-automática, isto quer dizer que toma as decisões de corte e adota todos os parâmetros de corte em função da base de dados e todas as regras da base do conhecimento, com a intervenção do usuário através do teclado do computador que controla o processo [4, 5, 8, 9]. Bernardo e Coppini (1996) desenvolveram o SEDCU, sistema especialista para determinação das condições de usinagem, em ambiente fabril. Tal sistema possui uma estrutura semelhante ao SEU, desenvolvido anteriormente, porém, foi programado através de um shell específico para Sistemas Especialistas. Foi também planejado para otimizar [10]. Em função dos cenários estudados até então, verifica-se que a determinação das condições de usinagem com base nas condições de máxima produção, tendo como referência a V mxp, é restrita à alguns cenários, sendo que em outros, pode-se ter como referência a V mc ou V mclim. Atualmente os autores vem trabalhando no desenvolvimento de um sistema especialista de usinagem, que considera todos os cenários onde se possa aplicar a metodologia utilizada, permitindo assim sua aplicação em um número maior de casos. Considerando que todos os dados e fatos necessários para o emprego de um sistema especialista já existam nas indústrias, pela própria existência dos especialistas humanos, pode-se fazer uso dos mesmos no desenvolvimento de um Sistema Especialista completamente informatizado. Este permitiria operar em ambiente completamente automatizado. Existem portanto, duas formas para executar a otimização de usinagem, a semi-

7 automática e a automática. Esta duplicidade é conveniente pois, muitas empresas possuem máquinas ferramentas a comando numérico, porém trabalham com uma participação ainda expressiva do operador ou especialista humano. 7 - Conclusões. Com o desenvolvimento deste trabalho verificou-se : A metodologia utilizada para otimização dos parâmetros de usinagem, mostrou-se confiável e possível de ser aplicada em diversos cenários de processos produtivos de usinagem, permitindo assim utilizar de maneiras mais eficientes a máquina-ferramenta e a ferramenta. A utilização de V mxp como velocidade de referência, não é indicada quando o custo do ferramental empregado é alto ou, quando o tempo de troca da aresta da ferramenta é muito pequeno. O sistema de custeio ABC traduz maior precisão e confiabilidade para a metodologia utilizada, principalmente quando se faz uso da V mc ou V mclim, como velocidade de referência. Pode-se classificar os cenários onde a aplicação da metodologia utilizada não é recomendada e onde a mesma pode ser aplicada com sucesso. Com base nos cenários onde se recomenda a aplicação da metodologia utilizada, os autores estão desenvolvendo e aperfeiçoando sistemas especialistas que envolvam tais cenários, sendo possível suas aplicações em diferentes ambientes fabris. Tais sistemas deverão permitir o controle adaptativo otimizado de processo, mas também deverão, permitir suas utilizações de modo semi-automático. 8 - Bibliografia 1. RODRIGUES, A, C. S.; DINIZ, A, E.; COPPINI, N. L. - Análise das condições operacionais visando a obtenção das condições de usinagem otimizadas. 7 O. Seminário de comando numérico no Brasil, São Paulo, SP, DINIZ, A, E.; COPPINI, N. L.; VILELLA, R. C.; RODRIGUES, A, C. S. - Otimização das condições de usinagem em células. Máquinas e Metais, junho,1989, pags. 48 à FERREIRA, J. R.; MIRANDA, G. W. A,; COPPINI, N. L. - Metodologia de otimização da ferramenta de corte na prática da usinagem. O mundo da usinagem, editado pela Sandvik Coromant do Brasil Ind. e Com., num.3, 1997, pags FERREIRA, J. R.; MIRANDA, G. W. A,; COPPINI, N. L. - Procedimento para otimização das condições de usinagem para aplicação em chão de fábrica. ENEGEP 97, Gramado, RS, 1997, anais em CD. 5. COPPINI, N. L.; MIRANDA, G. W. A,; FERREIRA, J. R. - Otimização do processo de usinagem através do uso de critério prático de troca da ferramenta. COBEM 97, Baurú, SP, 1997, Anais em CD. 6. MALAQUIAS, J.; COPPINI, N. L. - Velocidade de mínimo custo como condição suficiente para seleção da velocidade de corte otimizada. IV Congresso de engenharia mecânica norte-nordeste, Recife, PE, MALAQUIAS, J. C.; COPPINI, N. L. - Seleção da velocidade de corte em usinagem com base na velocidade de mínimo custo, EME 97 I - encontro de mestrandos em engenharia da UNIMEP, Santa Bárbara d Oeste, SP, COPPINI, N. L.; BATOCCHIO, M. C. A, - Sistema especialista para otimização das condições de usinagem. ENUSAI - Encontro nacional de usuários de automação

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