MELHORIA DA QUALIDADE E ECONOMIA EM OPERAÇÕES DE CORTE POR PLASMA A AR COMPRIMIDO ATRAVÉS DE UM PLANEJAMENTO FATORIAL FRACIONADO

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1 MELHORIA DA QUALIDADE E ECONOMIA EM OPERAÇÕES DE CORTE POR PLASMA A AR COMPRIMIDO ATRAVÉS DE UM PLANEJAMENTO FATORIAL FRACIONADO Sebastião Carlos da Costa Escola Federal de Engenharia de Itajubá DPR Av. BPS, 1303 CEP Itajubá - MG costa@iem.efei.rmg.br Abstract In this work the effect of cutting speed, stand off, gas pressure and current on the assessment of cut quality applied to plates of SAE 1045 steel using an Air Plasma Cutting Process were evaluated. To reach the objectives a technique based on Design of Experiments was used to assess the effects of these variables on the angle of the cut face from the vertical and the loss of mass from the cut surface. The results allowed to determine the best combination of parameters level in order to optimise the response values. The use of standoff, gas pressure and current at the minimum level and cutting speed at the maximum level allowed to get the best results from the point of view of quality and economy. Keywords. Air plasma cutting, Design of experiments, Process optimisation. I. Introdução O corte por plasma é um processo que emprega um plasma gasoso (gás ionizado) produzido por um arco elétrico confinado em um pequeno orifício calibrado (Benedict, 1987). O calor gerado pelo plasma permite obter altas temperaturas, concentradas em regiões muito reduzidas, podendo desta forma fundir e cortar materiais metálicos cuja a temperatura de fusão seja elevada, já que o metal fundido é expulso pela energia cinética do jato de gás. O processo de corte por plasma tem apresentado um grande interesse industrial nas últimas décadas e se destaca dentre os processos térmicos por mostrar potencialidades que o credencia a se obter alta qualidade de corte associada a excelente produtividade, desde que o controle das variáveis influentes no processo se façam de uma forma adequada. Dentre os aspectos relacionados a qualidade de corte, o desvio angular da superfície cortada (ortogonalidade) é aspecto de constante preocupação, dado que inclinações geradas nestas superfícies conduzem muitas vezes à operações de retrabalho por usinagem, acarretando, em conseqüência, custos operacionais elevados. Por outro lado a remoção de material pela sangria gerada durante o corte também é um fator de incessantes preocupações visto que tais perdas de material refletem fortemente no custo final do processo. Além disso tais perdas se tornarão importante em operações de corte onde a dimensão exata da peça é necessária. No sentido de melhor adequar o processo à novas utilizações evitando retrabalhos posteriores às operações de corte, pesquisas tem sido realizadas no sentido de melhor caracterizar a influência das variáveis do processo aos fatores acima relacionados. De destaque vale mencionar os trabalhos citados por Harris (1987), Matsumoto (1988), Manohar (1994), Mawson (1983), Thomas (1979), Slee (1979) e Mont Alvão (1997). Mais recentemente o corte por plasma a ar comprimido tem sido utilizado em larga escala no ambiente industrial, principalmente para espessuras inferiores a 25 mm, em

2 função de menores custos de equipamento e do fator operacional do processo. Entretanto, de uma maneira geral, a qualidade de corte auferida por este processo é inferior à obtida pelo processo convencional de plasma, principalmente aquelas relacionadas a inclinação da superfície cortada e perdas de massa. Para uma melhor utilização do processo de corte por plasma a ar comprimido, este trabalho procura estudar a influência de suas variáveis, através de um tratamento estatístico adequado, sob o aspecto de qualidade final do corte, expresso pela ortogonalidade gerada, e econômico, pela perda de massa durante operação. II. Definição dos parâmetros de análise No processo de corte a ar comprimido muitas variáveis influenciam no processo e, consequentemente, na qualidade final da superfície cortada e também na produtividade do processo. Como fatores principais de qualidade de corte destacam-se a ortogonalidade gerada na superfície e rugosidade superficial. A ortogonalidade normalmente surge em função do movimento helicoidal do gás de plasma gerando, em consequência, inclinações em ambas as superfícies cortadas. Dependendo do movimento da tocha, observa-se que um dos lados do corte apresenta menor inclinação que o outro, sendo o primeiro considerado como superfície de trabalho e o outro como refugo (Benedict, 1987). Com relação a produtividade do processo, a perda de massa se configura como uma resposta importante dado que excessivas perdas de material, além do aspecto dimensional acarreta custos elevados. Para analisar a influência das variáveis no estudo em questão, foi feito um estudo de causa e efeito baseado em trabalhos de Manohar (1994), Matsumoto (1988), Mawson (1983) e Harris (1987), cujo resultado mostrado na Figura 1, permite correlacionar os parâmetros influentes na ortogonalidade e perda de massa. Figura 1. Diagrama causa- efeito dos parâmetros influentes na qualidade do corte. Baseado neste estudo optou-se em trabalhar com os parâmetros ajustáveis velocidade de corte, pressão do gás, distância tocha-peça (standoff), nível de corrente e verificar suas influências na ortogonalidade superficial e perda de massa originada pelo corte. Os demais parâmetros foram considerados fixos para todos os testes. Como técnica de análise utilizou-se a ferramenta estatística Projeto e Análise de Experimentos que, segundo Neto et. al. (1995), possibilita um número reduzido de experimentos com o número máximo de informações sobre os efeitos da combinação de variáveis significativas controláveis de um dado processo sobre determinada(s) resposta(s) de interesse. Tal técnica permite identificar

3 o efeito de determinados fatores (variáveis) em uma superfície de resposta, dentro de uma superfície de contorno pré-estabelecida, utilizando um número reduzido de experimentos. Muitas das vantagens relativas desta técnica aplicadas a otimização de processos tem sido largamente discutidas na literatura nos mais diversos campos da engenharia, como por exemplo, na usinagem, materiais, soldagem entre outros. De destaque vale mencionar os trabalhos de Gunaraj et. al. (2000) e Antony (2000). III. Procedimento experimental De acordo com o mencionado, o processo estudado apresenta quatro variáveis controláveis que influenciam na qualidade geométrica e metalúrgica da superfície cortada. Como superfície de resposta considerou-se que um mínimo de ortogonalidade gerada associada a uma menor perda de massa no corte seria o objetivo central. O projeto de experimento adotado foi um planejamento fatorial fracionado em dois níveis do tipo 2 4 1, sendo que cada variável foi testada em um nível inferior (-) e outro superior (+). Com o objetivo de determinar a significância estatística dos valores encontrados para os efeitos das variáveis e os efeitos de suas interações, o experimento foi repetido (replicado) por mais uma vez. Os níveis das variáveis foram escolhidos em função de indicações do fabricante do equipamento de corte (Plasmarc White Martins) e de alguns testes preliminares realizados, sendo definidos de acordo com a Tabela 1. Fator Nível inferior (-) Nível superior (+) Distância (L) 3.0mm 4.5mm Pressão (P) 5.3 kgf/cm kgf/cm 2 Corrente (I) 62.5 A 70 A Velocidade(vc) 12.4 cm/min 23.1 cm/min Tabela 1: Variáveis estudadas e seus níveis O banco de ensaios foi constituído basicamente de um compressor (ar comprimido), tocha (bico de corte), carrinho elétrico com controle de velocidade, trilho, mesa suporte, fonte de tensão, manômetro, calços para o controle da distância bico-peça de 3,0 mm e 4,5 mm e a mesa de corte, conforme ilustrado na Figura 2. Foi utilizado uma fonte de corte Plasmarc (White Martins) com capacidade para cortes de até 25 mm de espessura. Os corpos de prova utilizados foram de aço ABNT 1045 nas dimensões 50 mm de largura, 100 mm de comprimento e 15,9 mm de espessura sendo que os cortes para testes foram realizados ao longo do comprimento. O diâmetro do bico de corte empregado foi definido em 1,32 mm seguindo recomendações do fabricante. Os experimentos realizados foram delineados de acordo com matriz de planejamento da experimentação gerada por um software comercial e mostrada na Tabela 2. A coluna execução é subdividida em duas colunas (primeira e segunda experimentação ou replicagem) e indica a ordem de execução dos ensaios. A coluna ensaio, refere-se a cada uma das 8 diferentes condições experimentais geradas pela matriz de planejamento. O sinal (+) significa que a variável se encontra no nível superior e o sinal (-) que se encontra no nível inferior de acordo com o descrito na Tabela 1. Após o corte, as superfícies foram analisadas sob o ponto de vista geométrico e metalúrgicos. Como critério de avaliação das condições geométricas das superfícies cortadas foi considerada a ortogonalidade. O procedimento para investigação desta ortogonalidade se deu primeiramente com a usinagem de duas faces perpendiculares dos

4 corpos de prova. Posteriormente com o auxílio de um goniômetro mediu-se a inclinação da face cortada em relação à outra adjacente, nos três pontos, a partir da extremidade inicial das amostras 20, 50 e 80 mm conforme mostrado na Figura 3. Para se avaliar a perda de massa, os corpos de prova foram pesados antes e após o corte, tomando-se o cuidado neste último de remover toda a escória aderida a superfície inferior. A perda de massa percentual (mp) foi calculada de acordo com a equação 1: m p mi m = m i f 100 (1) Figura 2: Bancada de ensaios. Figura 3: Ilustração do esquema de medição da ortogonalidade. IV. Resultados obtidos A Tabela 2 mostra a seqüência de execução dos experimentos, os ensaios realizados e os resultados obtidos, nos dois blocos de experimentos, para a ortogonalidade superficial e a perda de massa durante operação. É importante destacar que para os valores de ortogonalidade são apresentados como sendo os valores médios obtidos de acordo com a metodologia mostrada na Figura 3. Execução Ensaios Resultados Obtidos

5 L P I vc Ortogonalidade Perda de massa mm Kgf/cm 2 Amps cm/min % Tabela 2: Matriz de experimentação e resultados obtidos. Para a análise dos resultados utilizou-se um softwware comercial, considerando-se um nível de significância (α) igual a 5%, sendo portanto a confiabilidade dos resultados de 95%. A Tabela 4 mostra os efeitos principais obtidos para o experimento considerando as interações de até 2 ª ordem. Para o cálculo do erro experimental foi utilizado o método da variância. Após calculado os efeitos principais e de interação, bem como o erro experimental, deve-se, então, realizar o teste de significância dos efeitos. Multiplicando-se o erro padrão pelo erro experimental dos efeitos, obtém-se, assim, o intervalo de confiança do experimento. Através deste é possível identificar os fatores significativos do processo, sendo que na Tabela 4 os mesmos estão delineados em negrito. o IV.1 Fatores Efeitos Ortogonalidade Perda de Massa Média 2,9 +/- 0,1105 7,2639 +/ L 0,315 +/- 0, / P 0,5625 +/- 0, / I 0,5325 +/- 0, / vc -1,205 +/- 0, / L*P 0,1825 +/- 0, / L*I -0,0825 +/- 0, / L*vc -0,355 +/- 0, / Bloco 0,01 +/- 0,2211-0,0753+/ Erro padrão 2, ,36531 Significância +/- 0,5230 +/ Tabela 4: Estimativa dos efeitos para a ortogonalidade e perda de massa (14 graus de liberdade). Análise dos efeitos na ortogonalidade da superfície cortada Dos resultados constantes na Tabela 4 verifica-se que a variável velocidade de corte é a mais significativa. A seguir pressão e corrente também se mostraram significativos. Observa-se que nenhuma das interações apresentaram resultados significativos. A Figura 5 mostra os efeitos principais das variáveis em estudo relativas a ortogonalidade do corte. Observa-se desta figura que o aumento dos níveis distância tocha-

6 peça, pressão do gás e corrente aumenta o valor numérico da superfície da resposta, o que significa um distanciamento do ponto ótimo para a ortogonalidade, que foi considerado de 0 graus. O oposto ocorre com a velocidade de corte, sendo que um acréscimo em seu valor permite reduzir o valor numérico da superfície de resposta, otimizando desta forma o corte obtido. Efeito similar com relação a velocidade de corte foi observada por Harris (1987) analisando superfícies de menor qualidade (lado de refugo) em aços C-Mn e aços inoxidáveis. A provável explicação para a influência mais significativa da velocidade de corte é o fato da concentração excessiva de calor associado ao modo de alimentação helicoidal do gás gerando uma transferência mais efetiva de energia ao bordo do corte quando a velocidade é pequena. Com o aumento desta velocidade com certeza haverá uma melhor distribuição desta energia, diminuindo, provavelmente, a atuação da pressão do gás na formação do ângulo de inclinação conduzindo a obtenção de melhores efeitos na seção cortada. Vale ressaltar que tais resultados correspondem apenas a superfície de contorno estudada. Portanto, poderia se considerar que em termos de ortogonalidade superficial do corte a melhor condição é gerada pela manutenção dos parâmetros distância tocha-peça, pressão do gás e corrente no nível inferior (-) e a velocidade de corte no nível superior (+). Ortogonalidade Figura 5: Gráfico dos efeitos principais para a ortogonalidade. IV.2. Análise dos efeitos na perda de massa Analisando os efeitos estimados na Tabela 4 percebe-se que dentre todas as variáveis, a velocidade é a mais significativa, seguida da distância, corrente e pressão, respectivamente. Com relação as interações, apenas a interação entre distância e corrente (L*I) se mostrou significativo, porém muito próxima do limite do intervalo obtido. A Figura.6 mostra os efeitos principais das variáveis em estudo relativas a perda de massa. Observa-se desta figura que a utilização de pressão e velocidade de corte em seus níveis máximos (+) e distância tocha-peça e corrente em seus níveis mínimos (-) conduzem a menor perda de massa verificada. Considerando uma analogia entre as superfícies de resposta ortogonalidade e perda de massa, Figuras 5 e 6, observa-se uma mesma tendência entre os efeitos das variáveis distância tocha-peça, corrente e velocidade de corte. No caso destes parâmetros é de concordância que a utilização da distância e corrente em seus níveis mínimos (-) e

7 velocidade de corte em seu nível máximo (+) resulta em um corte com a menor perda de massa e menor ortogonalidade. Vale ainda ressaltar que a velocidade de corte se mostrou a mais significativa em ambas respostas, sendo desta forma o parâmetro que necessita de um melhor controle. Por outro lado a pressão do gás se mostrou mais significativa com relação a ortogonalidade do que com relação a perda de massa. Desta forma a sua utilização no nível mínimo, como descrito anteriormente, se mostra como a melhor condição, já que garante uma menor ortogonalidade com uma pequena tendência de aumento da perda de massa. Considerando ainda que a resposta ortogonalidade é aquela que exige um maior dispêndio econômico, exigindo uma usinagem posterior, a mesma é predominante sobre a perda de massa. Perda de Massa Figura 6: Gráfico dos efeitos principais para a perda de massa. V. Conclusões Com base nos resultados obtidos é possível através da análise da influência dos parâmetros melhorar o nível de qualidade das superfícies associado a um menor custo de processamento em superfície geradas em operações de corte por plasma a ar comprimido. Tanto no que concerne a ortogonalidade quanto a perda de massa, o presente trabalho permitiu concluir que a utilização da distância tocha-peça e corrente em seus níveis mínimos (-) e velocidade de corte em seu nível máximo (+) resulta em corte superiores, dentro da superfície de contorno estudada, tanto do ponto de vista de qualidade quanto econômico. A utilização da pressão em seu nível inferior (-) permite obter uma menor ortogonalidade da superfície, porém com um pequeno aumento de perda de massa. VI. Referências Antony, J., 2000, Improving the Manufacturing Process Quality and Capability using Experimental Design: a Case Study, International Journal of Production Research, vol. 38, no. 12, pp Benedict, G.F., 1987, Nontraditional Manufacturing Processes, New York - Marcel Dekker, Inc., pp

8 Gunaraj, V. & Murugan,N., 2000, Prediction and Optimization of Weld Bead Volume for the Submerged Arc Process Part 1, Welding Journal, pp. 286s 294s. Harris, I.D. & Lucas, W., 1987, Improved Cutting Perfomance from the Addition of Water to the Plasma Gas in Plasma Arc Cutting, Welding Institute Members Report, pp Manohar, M. & Snyder II, J.P., 1994, Dross Formation during Plasma Arc Cutting of Steels, Welding Journal, november, pp Matsumoto, J., 1988, Effects of Plasma Cut Surfaces on the Quality of Aluminium Alloy Welds, Welding International, no. 4, pp Mawson, M., 1983, Thermal Cutting in Fabrication, Metal Construction, pp Mont alvão, C. A., 1997, Determinação dos Fatores Significativos do Processo de Corte por Plasma a Ar Comprimido através da Utilização do Projeto e Análise de Experimentos, Dissertação de Mestrado, EFEI, Itajubá. Neto, B.B., Scarmínio, I.S. & Bruns, R.E., 1995, Planejamento e Otimização de Experimentos, Editora da Universidade Estadual de Campinas. Slee, B., 1979, The Economics of NWI Plasma Arc Cutting, Metal Construction, pp Thomas, H. & Goldberg, F., 1979, Recommendations Concerning the Quality of Thermal Cut Surfaces in Steel Structures Subjected to Fatigue Loading, Welding in the World, vol. 17, no. 7/8, pp