Desenvolvimento de um sistema para avaliação por processamento de imagem de desgaste de pastilhas aplicado à usinagem de ligas leves

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1 Desenvolvimento de um sistema para avaliação por processamento de imagem de desgaste de pastilhas aplicado à usinagem de ligas leves Ruan Diego Bevilaqua 1 Mateus Parisenti 2 Gianpaulo Alves Medeiros 3 Tomaz Fantin de Souza 3 Mario Wolfart Junior 3 Diego Rodolfo Simões de Lima 3 Resumo: No sistema produtivo a diminuição de perdas e de atividades que não geram valor é fundamental para o aumento da produtividade. O tempo de set-up para troca de ferramentas de usinagem é crítico neste sentido, pois depende de vários fatores como habilidade do operador, agilidade do almoxarifado, eficiência da entrega de material solicitado, entre outros. Neste sentido, o presente trabalho desenvolvido no âmbito do IFC Câmpus Luzerna tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema autômato para seleção e fornecimento de pastilhas de usinagem para máquinas operatrizes diminuindo o tempo de set-up. O sistema será capaz de reconhecer a necessidade de troca de ferramenta com o uso de reconhecimento de imagem e fornecê-la diretamente a máquina quando necessário. A pesquisa aplicada consiste em consolidar conceitos relevantes ao desenvolvimento e empregabilidade do mesmo na indústria, e suas devidas aplicações, buscando, através de referências, o estado da arte. A metodologia do projeto compreende: i) pesquisa aplicada visando o desenvolvimento da revisão bibliográfica; ii) desenvolvimento de um projeto eletromecânico no intuito de fazer o dimensionamento dos componentes elétricos e da estrutura mecânica que abrigará todo o conjunto; iii) elaborar uma lógica de programação que será implementada no controlador lógico programável, através de seu software específico, que comandará todo o funcionamento e sincronismo do processo; iv) desenvolver e fazer a montagem da estrutura física do projeto, para posteriormente fazer os ajustes e testes necessários ao funcionamento pleno do sistema automatizado; v) desenvolver um sistema de aquisição de dados para melhorar a qualidade e autonomia do processo no intuito de aperfeiçoar o aproveitamento das pastilhas, validando assim o desenvolvimento deste projeto. 1 Graduando em Engenharia de Controle e Automação: Instituto Federal Catarinense Câmpus Luzerna 2 Graduando em Engenharia Mecânica: Instituto Federal Catarinense Câmpus Luzerna 3 Professor do Instituto Federal Catarinense Câmpus Luzerna

2 Palavras-chave: Pastilhas de Usinagem, Controlador Lógico Programável e reconhecimento por imagem. 1. INTRODUÇÃO O avanço no desenvolvimento de carros híbridos e elétricos passa inevitavelmente pela aplicação de peças de massa reduzida. Devido a maior massa dos veículos elétricos e híbridos com relação aos comuns, seu desempenho pode ser significativamente afetado. Os sistemas utilizados nestes carros possuem peças como: motores elétricos, sistemas de transmissão e baterias que aumentam muito a massa total (figura1). Em consequência ocorre o aumento do consumo de energia, seja esta provida por combustível ou eletricidade. Existem diversos meios de diminuir o consumo de energia, uma delas é a diminuição da massa de componentes, como pode ser visto na figura 2. Em consequência da tendência de utilização de veículos híbridos e elétricos os projetos do futuro estão cada vez mais ligados à filosofia de redução de massa e aumento de eficiência. Ao passo que cresce a importância destes sistemas na mobilidade urbana sustentável, cresce também, dentro de sua engenharia, a aplicação de ligas leves como as de alumínio, manganês e titânio. Figura 1 - O Mercedes-Benz M-Class HyPer: veículo-conceito híbrido. Fonte: Layton,

3 Figura 2 Parâmetros que influenciam o consumo de combustível. Fonte: FROES, 2004, p. 43. Devido a sua excelente resistência à corrosão e alta resistência específica (resistência/densidade), o titânio e suas ligas tem sido largamente utilizados na indústria química e aeroespacial como material metálico majoritário - o módulo de elasticidade do titânio comercialmente puro é da ordem de 103 GPa, porém nas ligas de titânio o módulo de elasticidade é mais alto, chegando a 124 GPa, sendo portanto valores mais elevados do que os das ligas de alumínio (70 GPa) e magnésio (43 GPa), porém inferiores aos dos aços (205 GPa). Em contrapartida, devido ao alto custo da matéria prima e de seu processamento, sua aplicação na indústria automotiva tem sido limitada excepcionalmente a carros de corrida e modelos de estrada top de linha, apesar do forte interesse da indústria em termos de redução de massa, eficiência de combustível e performance. Recentemente, entretanto, as ligas de titânio tem ganhado espaço em aplicação nas peças para automóveis de produção seriada, devido a alguns fatores: 1) a prevenção do efeito estufa pela redução da emissão de Co 2 e de outros poluentes; 2) Significativo progresso tem sido alcançado no desenvolvimento processos de fabricação de componentes em titânio, diminuindo o custo de processamento; 3) Avanço na otimização e reprodução de processos de fabricação por simulação numérica;

4 A pontencialidade de utilização tem sindo amplamente discutida nos últimos anos. Diversas publicações abordam estudos de caso específicos que exemplificam aplicações e possíveis aplicacões do titânio e suas ligas, como mostrado de forma resumida na figura 3. Figura 3 - Aplicações do titânio. Fonte: FROES, 2004, p. 41. A pontencialidade de utilização tem sindo amplamente discutida nos últimos anos. Diversas publicações abordam estudos de caso específicos que exemplificam aplicações e possíveis aplicacões do titânio e suas ligas, como mostrado de forma resumida na figura 3. Apesar dos avanços recentes alguns problemas técnicos com relação a aplicabilidade das ligas de titânio permanecem, os quais incluem a resistência ao desgaste, módulo de elasticidade menor que o aço, dificuldades de usinagem, requisitos de segurança e confiabilidade. No que tange a usinagem de titânio, alguns fatores tem relevante influência na elevação do custo do processo em relação ao aços por exemplo. Pode-se citar a baixa usinabilidade das ligas de titânio, a necessidade da utilização de pastilhas e lubricarão especiais, pouco conhecimento do processo por parte das ferramentarias em geral, além do próprio custo da matéria-prima, que em boa parte se torna cavaco. Tonar-se então necessária a pesquisa de alternativas para diminuição de custo e aumento de produtividade nas operações de titânio e ligas leves em geral. 2. USINAGEM DE TITÂNIO E LIGAS LEVES No sistema produtivo a diminuição de perdas e das atividades que não geram valor é fundamental para o aumento da produtividade. Em virtude do desgaste da pastilha, é

5 necessária a troca da mesma para a melhor remoção do material. Para a troca da pastilha é necessario que a máquina pare e o operador busque a pastilha nova no almoxarifado. O tempo de set-up para troca de ferramentas de usinagem é crítico neste sentido, pois depende de vários fatores como habilidade do operador, agilidade do almoxarifado, eficiência da entrega de material solicitado, entre outros. Na usinagem de ligas leves, como o titânio, por exemplo, o tempo de set-up é ainda maior, pois falhas nas pastilhas é mais frequente em relação a usinagem de ligas que tem os processos de fabricação dominados, como as ligas de aço. De acordo com Michels, E. et al apud Marcondes (2001), Afirmam ainda que, A importância do processo de torneamento em usinagem evoluiu constantemente, e hoje se exige cada vez mais, métodos que otimizam seus processos, visando melhorar o seu desempenho quanto a qualidade, redução de custos e ao fator tempo. Marcondes (2001). A escolha certa do material a ser usinado assim como as ferramentas, fluido de corte, equipamento e condições de usinagem podem trazer vantagens econômicas consideráveis; além de poder ser obtidos grandes aumentos de produtividade. Figura 4 a)torno convencional; b) Centro de usinagem de 5 eixos; Fonte: a) ; b) Na evolução da usinagem, houve um avanço enorme no que diz respeito à máquinas utilizadas no processo, como por exemplo a figura 4.a representa um torno convencional, cujo princípio operacional é o mesmo de muitos anos e a figura 4.b, que representa um centro de usinagem cinco eixos, o qual trabalha por comando numérco computadorizado (CNC) totalmente automatizado. Além destes, pesquisas buscaram as melhores geometrias para realizar cortes em materiais. Através da cominação de modelos e diferentes materiais, a melhor opção foi o uso de ferramentas compostas, onde se usa uma pastilha (figura 5.a ) montada sobre uma base como elemento de corte (figura 5.b).

6 Figura 5 a) Pastilhas com diferentes geometrias; b) Ferramenta de corte com pastilhas de diferentes geometrias Fonte: a) b) Pesquisas realizadas com o intuito de analisar a influência do material sobre o desgaste da ferramenta, realizadas por Bornhold, A. et. al.(2011), identificaram que a dureza do material usinado pode influenciar no desgaste da ferramenta, onde constataram que ao usinar materiais mais duros, obtiveram um maior desgaste na ferramenta. Outra pesquisa, que envolvia otimização de vida útil da pastilha, realizada por Bobrovnitchii, G. et al.(2006) constatou que para pastilhas de Nitreto Cúbico de Boro, realizar tratamento térmico complementar pode aumentar a capacidade de usinagem em 40% ao usinar aço 4140 com dureza de 56-58HRc. 3. FALHAS EM PASTILHAS São várias as falhas que podem ocorrer em pastilhas. Falhas são prejudiciais pois alteram as propriedades esperadas da pastilha, como resistência, capacidade de corte e também a qualidade do trabalho realizado. Entre as possíveis falhas em pastilhas podemos citar as principais: desgaste, quebra, aresta postiça, formação de crateras e queima. O desgaste é uma falha que ocorre devido ao uso da pastilha. O contato com o material usinado faz com que a pastilha sofra desgaste na aresta de corte como se vê na figura 7, de forma que a eficiência de corte da pastilha diminua.

7 Figura 4 Exemplo de desgaste em arestas: a) pastilha de coloração metálica; b) pastilha de coloração amarela; Fonte: A quebra é uma falha de ocorre quando há a secção do gume cortante, conforme figura 9, inutilizando a face de corte. Dentre as possíveis causa destas falhas estão a força excessiva de corte e a presença de inclusões duras no material usinado. Figura 5 Aresta quebrada Fonte: SANDVIK-COROMANT O acúmulo de material, também conhecido como aresta postiça ocorre quando o material usinado adere (por solda) na pastilha, o que implica na fragmentação e no desgaste irregular da aresta de corte, gerando também um mau acabamento na peça usinada. Pode ocorrer, devido à altas forças de corte, baixas velocidades de corte, superfície da pastilha irregular, ausência ou baixa pressão do fluido de corte e principalmente por cacarteristicas intrincicas ao material, como em ligas de alumínio por exemplo. Figura 6 a) e b) Cratera na superfície da pastilha; c) Aresta com acúmulo de material Fonte: SANDVIK-COROMANT

8 A craterização é a formação de crateras na superfície da pastilha, como se vê na figura 10.a) e 10.b). A alta temperatura gerada durante a usinagem juntamente com forças de fricção fazem com que surja desgaste químico na superfície da pastilha. 4. TEMPO DE SET-UP Por tempo de set-up, compreende-se o tempo necessário para realizar a configuração desejada na máquina para que posteriormente possa ser realizado o trabalho desejado. No caso da usinagem mecânica, o tempo de set-up compreende o período utilizado para a troca da ferramenta ou da pastilha de usinagem utilizada. O tempo de set-up para troca de ferramentas de usinagem é crítico neste sentido, pois depende de vários fatores como habilidade do operador, agilidade do almoxarifado, eficiência da entrega de material solicitado, entre outros. Pesquisas indicam que um departamento que tem processos padronizados pode ter uma redução de até 90% no tempo de preparação das máquinas, o que se transforma no aumento da produtividade, reduzindo o tempo de usinagem em até 30%. Com o avanço da área metal-mecânica e o advento de novas tecnologias, conceitos foram criados para o aumento da produtividade, como por exemplo a troca rápida de ferramentas (figuras 11 e 12). Figura 7 a) Mandris de rosquear com troca rápida; b) Troca automática de ferramenta em torno Fonte: a) SANCHES BLANES; b) Ainda com esse conceito, foram desenvolvidas máquinas com troca automática de ferramenta, presente mais comumente em máquinas de unisnagem por comando numerico computadorizado (CNC) como se vê nas figuras 4.b e 12.b. Apesar de todo a evolução obtida nessa área, ainda cabe ao operador da máquina analisar a olho nú a situação da pastilha

9 utilizada, avaliando desgaste, quebras ou outras possíveis falhas além de realizar a troca da pastilha no magazine ou torre de ferramentas. 5. RECONHECIMENTO DE IMAGENS O reconhecimento de imagens tem por finalidade utilizar ferramentas computacionais para identificar padrões em imagens que sejam compatíveis com padrões previamente especificados. Podemos utilizar imagens salvas em disco ou imagens provenientes de camêras, em tempo real. Reconhecimento de imagens é comumente confundido com visão computacional. Por visão computacional, entendemos a possíbilidade de emularmos a visão humana de modo que a entrada do sistema seja uma imagem, porém a saída é uma interpretação da imagem como um todo. Uma ferramenta que auxilia o desenvolvimento de aplicações dessa espécie é o uso do OpenCV, que é um framework (conjunto de bibliotecas de funções para uma linguagem de programação específica) para desenvolvimento de aplicações que necessitam de visão computacional. Embora seja uma ferramenta utilizada para visão computacional, pode ser utilizado para reconhecimento de imagens sem nenhum problema. Esse framework para visão computacional utiliza as seguintes etapas: segmentação, classificação, recohecimento de padrão e rastreamento. a) Segmentação compreende o particionamento da imagem. Nesta etapa a imagem é dividida em partes ou objetos, de modo que a quantidade de subdivisões seja propícia para a resolução do problema em questão. É uma tarefa difícil e essencial, pois a segmentação é necessária para que os processos subsequêntes funcionem. b) Classificação compreende o reconhecimento dos objetos na imagem. c) O reconhecimento de padrões envolve a análise dos objetos classificados em busca de padrões previamente especificados em uma base de conhecimento, que pode ser implementada diretamente no código. d) O rastreamento tem por finalidade reconhecer padrões em uma sequência de imagens, geralmente em um vídeo. 6. MATERIAIS E MÉTODOS

10 Após uma visita técnica na HISA percebeu-se a necessidade de agilizar os procedimentos de troca de ferramentas e pastilhas, onde o operador parava o processo produtivo e buscava a pastilha no almoxarifado. Com a necessidade de agilizar o processo, surgiu-se a idea de desenvolver um sistema de fornecimento e troca de pastilhas. Na primeira etapa foi idealizado e desenvolvido os projeto do sistema. Foi utilizado o software Autodesk Inventor para esboço do sistema (figura 13), onde representamos um torno convencional e os demais componentes. Dentre os componentes podemos citar a câmera para captura de imagens, o controlador, o seletor de pastilhas, as caixas de armazenamento e e a caixa de depósito. Figura 8 - Esquema de montagem dos componentes do sistema Fonte: O próprio autor 1 Pastilha de usinagem 2 Câmera 3 Caixa de depósito da pastilha 4 Controlador 5 Caixa de armazenamento de pastilhas novas 6 Seletor de pastilhas

11 A câmera irá capturar imagens da pastilha em breves períodos de tempo, e enviará esas imagens para o controlador. O controlador utilizará algoritmos para análise da imagem para então reconhecer padrões de falha e inferir a sua análise no processo produtivo. Caso a pastilha utilizada necessite ser trocada, o controlador solicitará uma nova pastilha ao seletor. Figura 9 Painel de armazenamento com seletor de pastilhas Fonte: O próprio autor. O painel de armazenamento de pastilhas possui nove caixas de armazenamento, uma para cada tipo de pastilha. O seletor navegará através deste painel em busca da pastilha apropriada, pegar a pastilha correta e enviar para a caixa de depósito da pastilha para que o operador realize a troca da mesma. Aproveitando a lógica deste projeto, também desenvolveremos um aplicativo para smartphones que rodará sobre a plataforma Android que permitirá ao operador avaliar falhas de pastilha sem depender do sistema como um todo. 7. RESULTADOS Baseados nos dados atuais de tempo necessário para set-up de ferramenta, os resultados esperados com este sistema é a redução do tempo de set-up em no mínimo 10%, contribuindo para maior agilidade no processo, menos perdas de material, menos dependência do operador e a posterior implementação em ferramentarias de grande porte.

12 8. AGRADECIMENTOS Agradecemos à reitoria do Instituto Federal Catarinense pelo apoio financeiro, à diretoria do IFC - câmpus Luzerna, à coordenação de pesquisa, aos professores do que de alguma forma estiveram envolvidos neste projeto, em especial aos professores do departamento da mecânica e aos demais alunos envolvidos, Giovani Tiago da Silva, Luan Cizeski de Lorenzi e Rangel Conrado pela contibuição e troca de ideias que permitiram o bom andamento deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 FROES, F. H.; FRIEDRICH, H.; KIESE, J.; BERGOINT, D.. TITANIUM IN THE FAMILY AUTOMOBILE: The Cost Challenge, JOM-Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, v. 56, nº 2, p , LAYTON, J.; NICE, K.. Como funcionam os carros híbridos. HowStuffWorks, (novembro de 2010). Disponível em: Acesso: junho de LIEWALD, M., & FELDE, A. (2011). Recent Developments in Cold Forgindg in Europe - Impact of E-Mobility. 31ª Conferência internacional de Forjamento, (p ). Porto Alegre FUJII, H.; TAKAHASHI, K.; YAMASHITA, Y.. Application of Titanium and Its Alloys for Automobile Parts. NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT, Japão, nº 88, p , PEACOCK, D. Titanium for Automotive Applications. Materials World, Vol. 5 no. 10 p Outubro Disponível em: Acesso: junho de USINAGEM BRASIL. Voith reduz tempo de usinagem com processo da Walter, Disponível em: Acesso: agosto de SOUZA, A. J. Processos de Fabricação por Usinagem. Disponível em: p , Acesso: agosto de 2014.

13 8 BORNHOLD, A.; TORMES, D.; BENDER, R.; ALVES, V. J. ; Análise da Influência do Material sobre o Desgaste da Ferramenta de Usinagem, disponível em menta_usinagem.pdf. Acesso: julho de Por um setup mais ágil e dinâmico, disponível em Acesso: agosto de BOBROVNITCHII, G; FILGUEIRA, M. A influência de tratamento térmico complementar sobre a resistência ao desgaste de pastilha de nitreto cúbico de boro. Disponível em Acesso: junho de SANDVICK. Desgaste da pastilha. Disponível em: Acesso: julho de SANDVICK. Desgaste nas arestas de corte. Disponível em: Acesso: julho de MARENGONI, M; STRINGHINI, D. Tutorial: Introdução à Visão Computacional usando OpenCV. Revista de Informática Teórica e Aplicada. UFRGS Disponível em: Acesso: junho de 2014.