3. Confiabilidade da inspeção de componentes usinados

Transcrição

1 3. Confiabilidade da inspeção de componentes usinados A confiabilidade da inspeção de componentes usinados abrange os aspectos da funcionabilidade e da intercambiabilidade, que são essenciais para um componente de produção seriada. É necessário que ele funcione de acordo com o projeto e apresente a possibilidade de substituir qualquer outro de mesma especificação. Ao término do processo de produção ou desenvolvimento o componente usinado passa por diversas etapas de inspeção, para obter a certificação. O objetivo é confirmar a qualidade especificada no projeto, por meio de um resultado confiável. Na inspeção de certificação, por vezes, utiliza-se um calibrador funcional por atributo do tipo passa não passa (PNP). O PNP é projetado de forma restritiva, com o objetivo de absorver todas as incertezas dos processos envolvidos na fabricação e manuseio do calibrador. Garante a qualidade necessária do componente aprovado, evita que peças ruins sejam classificadas como boas, mesmo que com o ônus de se reprovar componentes bons que estejam nos limites de sua condição dimensional. O uso de PNP apresenta limitações devido ao custo ou dificuldade construtiva, sendo então essencial o uso da técnica de medição por variáveis com o uso de MMC. A utilização de um resultado de medição como etapa de inspeção, para a certificação, requer a avaliação do processo em si. Deve haver confiança no resultado apresentado, representada no mínimo pela rastreabilidade metrológica. A necessidade de qualidade assegurada para diversos produtos deve-se ao potencial impacto advindo de eventual falha Rastreabilidade metrológica - Propriedade de um resultado de medição pela qual tal resultado pode ser relacionado a uma referência através de uma cadeia ininterrupta e documentada de calibrações, cada uma contribuindo para a incerteza de medição (INMETRO VIM, 2008).

2 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 46 Porém, como visto no capítulo anterior, outros fatores contribuem para a variação do processo de medição, causando a redução da exatidão de medição. A comparação a um padrão, agregada do controle e avaliação das situações periféricas do processo permite uma melhor análise da qualidade do resultado de medição. Obter estas evidências permite identificar os pontos para melhoria Características dos componentes usinados sob avaliação A pesquisa foi realizada em um ambiente industrial de produção de componentes por centro de usinagem de precisão, utilizados na montagem do Elemento Combustível Nuclear (EC) para geração de energia elétrica. Todos os componentes usinados, em diversos materiais e equipamentos, são produzidos na INB FCN1 em Resende-RJ. O foco deste estudo são os componentes de aço inoxidável, ASTM A-316 com baixo cobalto (INB ESP/MA-63.-, 2008) (INB ESP/MA , 2008), que são produzidos com o uso de ferramentas especiais e parâmetros de corte específicos. Para representar a complexidade das solicitações dimensionais e geométricas dos componentes usinados, que possuem tolerâncias de centésimo de milímetro, foi definido o Bocal Inferior (BI) (figura 6), que possui importância estrutural e alto valor agregado e que tem tido aumento na quantidade produzida. Figura 6. Bocal Inferior do Elemento Combustível (BI do EC). O Bocal Inferior do Elemento Combustível para geração de energia elétrica (BI do EC) é a base do EC. O BI, montado em conjunto com os 20 tubos-guia (TG), e as grades estruturais, para performance térmica, misturadoras e filtro

3 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 47 (anti-debris) 1 e o Bocal Superior (BS) formam a estrutura mecânica do Elemento Combustível (figura 7). Grade Misturadora BI do EC Tubo guia Grade Performance BS do EC Grade filtro Figura 7. Estrutura do Elemento Combustível. Grade Estrutural Após a inserção de 235 varetas, que contem pastilhas de urânio combustível, no esqueleto temos o EC (figura 8). Pronto para ser utilizado como combustível para a geração de energia elétrica (DULCE, et al., 2009). Figura 8. Elemento Combustível 16 NGF (New Generation Fuel) e uma vareta em corte. Nota 1: Debris são pequenas partículas, normalmente metálicas, que devido ao fluxo de água passam a vibrar (efeito fretting ) e causam ruptura das varetas que contem as pastilhas de urânio combustível ocasionando falha no EC.

4 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados Considerações funcionais das características do estudo As características definidas para este estudo vêm de uma necessidade observada ao longo do processo produção e certificação do componente, estando alinhadas com a função projetada do componente. São as que apresentam maior complexidade, tanto no processo de fabricação como no de controle dimensional. O EC, quando é colocado na posição vertical, livre e apoiado pelo BI, deve ter todo seu comprimento de 4.068,36 mm, do BI até o BS, contido em um envelope de 0,35 mm de afastamento para cada lateral do BI. Esta condição, por si só, já justifica todas as reduzidas e bem detalhadas tolerâncias solicitadas no projeto e foi determinante na escolha do componente e das características alvo deste estudo. O BI tem como principal característica funcional ser a base do EC, servindo de apoio para os 20 TG. Isso demonstra a importância da planeza da área T onde se apóiam os TG e das alturas das quatro cantoneiras de apoio. Também é solicitado um paralelismo das sapatas de cada cantoneira em relação ao plano de apoio dos TG. O atendimento às especificações garante uma base estável, capaz de proporcionar o perpendicularismo necessário ao EC. Os 20 furos do TG possuem uma informação de posicionamento, que encontra a correspondência no BS, a perda de posição entre estes pode representar a torção ou desalinhamento do EC por sobre seu eixo central. Os furos S1 e S2 são os posicionadores do EC na sua célula local, no interior do vaso de pressão do reator. Depois de instalado no reator, PWR (Pressurized Water Reactor) de 1350MW na usina de Angra 2 (usina nuclear para geração de energia elétrica), em um sistema de rack, o afastamento a frio entre os EC é de aproximadamente 0,5 mm. É importante lembrar que a falta de atendimento a qualquer requisito de projeto pode representar uma falha prematura do componente A construção de um padrão geométrico A construção de um padrão geométrico veio a suprir a necessidade de representar o componente medido, permitindo uma comparação a ser utilizada no

5 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 49 momento da verificação do processo de medição em componentes usinados por MMC CNC. Para a realização da medição do padrão foi estabelecida uma qualidade capaz de oferecer um resultado com baixo nível de incerteza. A qualidade definida, inclusive do equipamento (figura 9), aliada à aplicação de normas e procedimentos reconhecidos, supera a existente na indústria e apresenta de forma intrínseca o princípio da rastreabilidade ao SI. A elaboração do padrão atende à necessidade da verificação de incertezas do processo, assim como de desvios e tendências de resultados (ISO/TS , 2004). Figura 9. MMC utilizada para calibrar a peça padrão na CERTI. A realização da medição do bocal inferior, para ser o padrão, foi na Fundação CERTI, em Florianópolis SC, que é um centro de excelência em estudos metrológicos. A alta capacidade de seus técnicos, os equipamentos e sistemas de controles existentes, com a experiência e conhecimento em máquinas de medição por coordenadas foram fatores essenciais nesta decisão. Possui instalações adequadas com laboratório de medição acreditado pelo INMETRO, tendo a capacitação para a emissão de certificado de medição RBC. O resultado foi um padrão dimensional bem definido em seu relatório de medição, apresentando certificação RBC, atendendo a todas as necessidades deste estudo.

6 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados Definição das características a calibrar A sequência de medição com a MMC-CNC, utilizada durante o processo de certificação final, tem a duração aproximada de duas horas. Na realização do padrão houve uma redução, com a seleção das características de maior importância, conforme 3.1.1, e de acordo com uma localização capaz de representar o volume do componente. Com isto se modela uma atividade de avaliação de processo de medição, com aplicação industrial, apresentando viabilidade experimental com representatividade do problema. As características controladas são apresentadas na figura 10, sendo abaixo descritas em desenho técnico de projeto (anexos 1-4) conforme definido em norma técnica ASME Y14.5M (ASME Y14.5M, 1994). Furos de posicionamento - S1 e S2, características BN e BE: Posicionamento - BE - Máx material 0,076mm 1º -T; 2º -X, 3º -Y. Dimensão - BN = 22,23 +0,09 0,00 mm. Furos do Tubo Guia (TG) furo p, características BM, BD 1 e BD 2 : Dimensão - BM = 6,38 +0,09 0,00 mm. Posicionamento - Máx material BD 1 = 0,203mm 1º -T; 2º -X, 3º -Y. Posicionamento - BD 2 = 0,152mm 1º -T. Cantoneiras de apoio características BA e CZ: Paralelismo - CZ = // 0,127 - T. Dimensão de altura - BA = 60,53 +0,12 0,12 mm. Plano de apoio dos TG plano T - AY 1 : AY 1 = 0,050mm, planeza a ser medida na placa em área delimitada pelo contra-furo do tubo guia de dimensão 10,82 mm.

7 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 51 Furos de posicionamento (2) Cantoneiras de apoio (4) Plano de apoio do TG Furos do TG (20) Figura 10. Localização, no BI, das características do estudo Seleção e calibração do padrão O padrão atende a uma necessidade específica na indústria, o uso na avaliação de um processo de medição com aplicação da análise de incertezas. A norma ISO TS (ISO/TS , 2004) é orientativa na definição de critérios a serem observados no padrão, que deve possuir similaridade com o componente medido (tabela 1). Tabela 1. Tabela de similaridade, fonte ISO TS Assunto Requisitos Características dimensionais Dimensões Idênticos dentro de: 10% se maior que 250mm 25mm se abaixo de 250mm Ângulos Idênticos com ± 5º Desvios de forma e textura de superfície Semelhantes devido a propriedades funcionais Material (expansão térmica, elasticidade, dureza.) Semelhantes devido a propriedades funcionais Semelhantes devido a propriedades funcionais

8 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 52 Devido ao excelente acabamento superficial e qualidade de forma, o BOCAL INFERIOR Nº 60 - projeto KNFC, um componente de linha, foi definido para ser o componente padrão. O bocal foi fabricado em junho de 2007 e possui uma não conformidade dimensional na característica AN (não presente neste estudo), foi retirado do almoxarifado através de CI GPMEC.N 054/08 em 03/10/2008. É caracterizado como estabilizado devido ao tempo já decorrido desde sua fabricação. Com esta escolha o padrão está além da similaridade, estabelecida na norma, sendo idêntico ao componente medido em suas características físicas e dimensionais. A escolha reduz custos, evita a necessidade de elaboração de projeto e fabricação de um padrão representativo do componente, com o reaproveitamento de um produto sucatado. Durante a medição do padrão foram seguidas as seguintes condições: (conforme relatório de calibração CERTI n.1042/09 - anexo 5). ISO TS Geometrical Product Specifications (GPS) Coordinate measuring machines (CMM): Technique for determining the uncertainty of measurement -- Part 2: Use of multiple measurements strategies in calibration artefacts. (ISO/TS ). Erro máximo admitido da máquina de medir por coordenadas EMA = (1,2 + 3,6*L/1000) μm, L em mm. Condições ambientais: o Temperatura 20,0 ± 0,3 ºC. o Umidade relativa do ar: 50,0 ± 10%. Parâmetros CNC: o Força de contato: 0,2 N. o Velocidade de aproximação: 2mm/s. o Distância de posicionamento: 2mm. Equipamento utilizado: o Apalpadores com esfera de diâmetro 5mm, haste com 50mm de comprimento e extensão 50 mm, para as referências T,X e Y e o diâmetro BT (12,15mm). o Apalpadores com esfera de diâmetro de 3mm, com haste com 22mm de comprimento e extensão 60mm, para as demais referências.

9 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados A estratégia de medição Na indústria tempo significa custo é através da otimização de cada processo industrial que se busca reduzir o custo final. Uma das metas mais importantes é reduzir o tempo da produção de cada componente. A certificação dimensional dos componentes produzidos é um gargalo devido à quantidade final de componentes na produção por dia, em comparação com o tempo necessário à inspeção final de cada componente. A estratégia de medição é capaz de atuar na redução do tempo de inspeção, no processo de medição com uso de MMC CNC, porém seu uso não deve exceder a ponto de prejudicar a qualidade necessária das medições para uma análise inequívoca da característica. O modelo de qualidade apresentado pela indústria, de MMC CNC, reforça o conceito de velocidade de medição como um ponto forte do equipamento. Devese ter atenção para evitar que seja inserido o paradigma que: o programa que mede rápido e aprova peça é programa bom. Uma atitude comum de se observar é que o questionamento sobre a qualidade do processo de inspeção somente surge quando o primeiro componente é rejeitado. Um conhecimento profundo do componente a ser medido, com a avaliação de forma e qualidade de superfície das características a serem medidas, é o inicio de uma estratégia com potencial de apresentar resultados confiáveis. No capitulo anterior demonstrou-se que, na medição do bocal inferior, a MMC apresentava, em geral, uma repetitividade aceitável, mas as tendências observadas eram, para a maioria das características, maiores que o limite aceitável de 10% da tolerância. A causa dessas diferenças deve ser procurada principalmente nas estratégias de medição. A temperatura ambiente, embora possua uma influência não desprezível, pode ser analisada em segunda instância.

10 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados Estratégia da calibração do padrão A calibração da peça foi realizada com a mesma em posição vertical, apoiado em uma das faces laterais que não é usada para definir as referências de posicionamento dos furos (referências X e Y). A peça foi medida em três orientações distintas, realizando três ciclos de medição para cada orientação. O valor de cada característica foi estimado a partir da média de todas as medições obtidas. Para as características foi adotada a distribuição de pontos a seguir: a) Furos de posicionamento - S1 e S2: Cilindro extraído em três seções, com 12 pontos cada, igualmente espaçadas. b) Furo do Tubo Guia (TG) furo P : Cilindro extraído em duas seções com 12 pontos cada. c) Cantoneira de apoio: Plano extraído Rb com cinco (5) pontos em cada. d) Plano de apoio dos TG plano T : Plano extraído AY1 com cinqüenta (50) pontos Estratégia da medição industrial Reproduziu-se a fixação usada no dia a dia, fixando o componente em um dispositivo com a face do plano AY1 voltada para baixo, paralela com o granito. O sistema de compensação de temperatura foi ativado, instalando o sensor na posição habitual (figura 11). Foram realizados vinte pares de medição no componente padrão (18 pares validos).

11 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 55 Figura 11. Peça BI fixada em dispositivo, com sensor de compensação térmica, pronta para ser medida na INB. Para o processo de medição industrial foi adotada a coleta de pontos com a seguinte distribuição: a) Furos de posicionamento - S1 e S2: Cilindro extraído por scanning de forma helicoidal (figura 12). Figura 12. Medição no modo scanning do furo S, na INB. b) Furo do Tubo Guia (TG) - furo P : Circulo extraído em uma seção com 4 (quatro) pontos diametralmente opostos (figura 13).

12 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 56 Figura 13. Seqüência de medição do furo P, por apalpação, na INB. c) Cantoneira de apoio: Plano extraído Rb com cinco (5) pontos em cada (figura 14). Figura 14. Seqüência de medição da característica CZ, na INB. d) Plano de apoio dos TG - plano T : Plano extraído T é caracterizado por oito pontos que são medidos pelos quatro lados do componente. Dois de cada vez, com movimentação composta de translação, giro de 90º com indexação do cabeçote a 5 em referência ao plano da mesa e toque em dois pontos da superfície de apoio (figura 15). A planeza AY1 é a distância entre os dois planos paralelos que passam por pontos extremos da superfície.

13 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 57 Figura 15. Seqüência de medição, coleta de pontos da característica AY1, na INB Metodologia para a realização e implantação dos estudos na MMC INB O controle dimensional é realizado no mesmo ambiente das atividades industriais, com o equipamento MMC CNC recém adquirido pela Coordenação de Laboratórios e Inspeção Nuclear (CLABI.N). A velocidade da medição, a experiência e prática dos programadores aliada à oportunidade de utilizar um equipamento responsável por parte da certificação dimensional final do componente foram determinantes nesta definição. Existe o mesmo sistema de climatização, utilizado durante a produção, com o controle de temperatura ambiente e estabilização da temperatura do componente antes de realizar a medição. Existe a correta instalação e calibração da MMC realizada pelo fabricante com manutenção adequada e calibração periódica. É realizada uma qualificação prévia dos acessórios, por toque e medição com esfera padrão. A fixação do componente é realizada sem que haja deformação e permite o acesso às características a serem medidas. Existe um alinhamento do componente em função das referencias e eixos definidos no projeto antes de iniciar a medição.

14 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 58 O programa CNC para medir o componente BI, nas características solicitadas para o desenvolvimento desta dissertação, é denominado plano de medição - BI KNFC DESENHO ESEC 1036 B teste de rr victor. Para interpretação do desenho do produto é definida a norma ASME Y14-5 (ASME Y14.5M, 1994). O processo de medição reproduz o realizado no dia a dia da indústria, para controlar dimensionalmente os componentes usinados com uso de MMC CNC. O programa de medir aplicado possui a mesma base do programa em uso na indústria, porém com a quantidade de características inspecionadas reduzidas às deste estudo. São mantidos os padrões de velocidade, força de contato, distância e velocidade de aproximação com a mesma configuração no apalpador. Aplica-se ao processo de medição a avaliação de repetitividade, dos erros sistemáticos, da incerteza e da tendência do processo. A análise utilizou seis componentes, descartados por pequenos defeitos em características que não fazem parte da avaliação, cinco para o ensaio de repetitividade e um para ser transformado no padrão. O processo de medição da indústria apresenta as seguintes condições: Informações sobre a MMC CNC (conforme certificado de calibração, emitido pelo fabricante da MMC ZEISS- anexo 6): o Certificado: 144/06. o Data calibração: 11-out-2006 (validade 11-out-2009). o Modelo: ACCURA. o Fabricante: Carl Zeiss. o Software: Calypso. Incerteza de medição calculada: o U = ± (0,5 + 1 x L / 1000) μm; L = posição em mm. Para K=2 (nível de confiança 95%). Tolerância de medição declarada: (ISO 10360) o E = 2,2 +L / 333 µm (L = mm). Condições ambientais: o Temperatura observada na peça: 20,9 ± 1,1 C. o Umidade relativa do ar: 65 ± 5 C (estimada com base em histórico), não há informação referente ao período de 23/05/2009 até 07/07/2009.

15 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados 59 Parâmetros: o Força de contato: é um parâmetro da máquina definido automaticamente durante a calibração. (informação do operador default ). o Velocidade de aproximação: é um parâmetro da máquina definido automaticamente durante a calibração. (informação do operador). o Distância de posicionamento: 1,5 mm. Acessórios utilizados: o Cabeçote: RDS CAA. o Apalpador: Vast XXT. o Esfera de diâmetro de 3mm, haste com 30mm de comprimento e extensão 25mm. Para a característica S, esfera de diâmetro de 5mm, com haste com 60mm de comprimento Estudo da estabilidade e tendência O ensaio verificou a condição de estabilidade. Propriedade de um instrumento de medição segundo a qual este mantém as suas propriedades metrológicas constantes ao longo do tempo. E a tendência instrumental, que é a diferença entre a média de repetidas indicações e um valor de referência (INMETRO VIM, 2008). Apresenta-se assim a avaliação para erros sistemáticos e variações (incertezas) ocorridas no processo. Vinte (20) pares de medições foram realizados no componente padrão, em dias e horários diferentes, sendo os dados de amostra para o estudo. O par de medições é constituído de duas medições subseqüentes. Utiliza como base um procedimento normalizado (ISO/TS , 2004), o que vem ao encontro da necessidade de um processo de avaliação de incertezas com reconhecimento em nível mundial, se somando à MSA (CHRYSLER; FORD; GENERAL MOTORS, 2003). Serão aplicados os seguintes cálculos e gráficos: o Média com desvio padrão. o Amplitude da média e desvio padrão. o Correlação temperatura x variação da dimensão. o Diferença entre média e valor padrão.

16 Confiabilidade da inspeção de componentes usinados Estudo de repetitividade O ensaio verifica a condição de repetitividade: Condição de medição em um conjunto de condições, as quais compreendem o mesmo procedimento de medição, os mesmos operadores, o mesmo sistema de medição, as mesmas condições de operação e o mesmo local, assim como medições repetidas no mesmo objeto ou em objetos similares durante um curto período de tempo (INMETRO VIM, 2008). A MMC-CNC repete sempre a seqüência de medição de forma automática, o operador posiciona o componente no dispositivo, realizando sua fixação, e inicia a seqüência de medição. O operador comanda o apalpador, pelo joystick, tocando em posições do componente para o reconhecimento da localização física na mesa de medição. Após essa tarefa semi-automática a MMC CNC executa a seqüência de medição. Segue os passos do programa, cria a origem, executa a coleta dos pontos de medição, realiza os cálculos e emite o relatório final de medição, sem nenhuma atuação do operador. Foram realizadas seis repetições da medição para cada característica em cinco componentes distintos. Serão aplicados os seguintes cálculos e gráficos: o Gráfico da média das repetições, seu desvio padrão e limites de controle. o Gráfico do desvio padrão médio e limites de controle.