OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE USINAGEM: ANÁLISE DE VIABILIDADE NA ADOÇÃO DE CONDICIONAMENTO SUPERFICIAL ESPECIAL EM MACHOS MÁQUINA EDSON NUNES DA SILVA (UNINOVE ) edsonnunesq@ig.com.br Elesandro Antonio Baptista (UNINOVE ) elesandro@elesandroab.eng.br Nivaldo Lemos Coppini (UNICAMP ) ncoppini@terra.com.br Nas indústrias manufatureiras, em geral, a fabricação de roscas internas de pequenos diâmetros é uma tarefa corriqueira e por vezes a última operação a ser realizada. Atualmente a ferramenta de usinagem denominada macho de roscar é praticcamente o único recurso para a fabricação de roscas internas de pequenos diâmetros. Devido às limitações intrínsecas a sua aplicação, são poucos os avanços tecnológicos obtidos nos últimos anos quando comparado com outros processos de fabricação por usinagem. Os recentes avanços limitamse, em geral, ao tipo de recobrimento do material e ao tipo de ângulos de corte aplicados em macho máquina e a adoção de metal duro como material da ferramenta. Com o intuito de contribuir com o tema, o presente trabalho objetiva fazer uma analise da viabilidade econômica na operação de rosquear com machos máquina, após a aplicação de um condicionador metálico em sua superfície, verificando a relação custo/benefício de tal procedimento. Para isto, foi adotada uma peça padrão com 37 roscas cada e o fim de vida de cada macho foi determinando com o uso de um calibrador passa-não-passa. Foram analisadas duas condições de trabalho, sendo a primeira a condição normal e a segunda com a aplicação do condicionador metálico na superfície do macho. Foi aplicada a técnica de planejamento de experimentos para a verificação da confiança de cada ensaio, dado que será utilizado para a continuidade dos trabalhos. Os resultados dos ensaios preliminares demonstram aumento da produção na operação de roscar com machos de corte por vida e a redução dos custos produtivos desta operação. Palavras-chaves: usinagem; viabilidade econômica; fabricação; rosqueamento
1. Introdução No atual cenário global as empresas manufatureiras, em geral, necessitam ter agilidade para atender seus clientes com prazos cada vez menores, preços competitivos e produtos ou serviços de qualidade. Esta também é a realidade das empresas que empregam processos de usinagem, em que os custos de fabricação de seus produtos, são altamente influenciados pela abordagem de gestão adotada, portanto, a busca pela redução de custo de fabricação e/ou de aumento de produtividade é uma preocupação constante para este tipo de empresa (SHARMA, 2009; SILVA, 2004). A manufatura de roscas internas em pequenos diâmetros é um processo muito empregado no meio fabril e é, por vezes, considerado o gargalo da produção, podendo causar paradas de linhas inteiras e por ser, frequentemente, uma das últimas operações realizadas no produto esta operação, possui alto valor agregado e quaisquer refugos ou retrabalhos implicam em consideráveis perdas de tempo e dinheiro (REIS, et al, 2005). Este processo é considerado uma das mais complexas operações de usinagem devido aos problemas ocasionados pelas dificuldades de remoção do cavaco e de manutenção de uma lubrificação adequada das arestas de corte do macho. Existem basicamente dois materiais para o fabrico de machos de roscar: aço rápido e metal duto. Para machos de aço rápido as velocidades de corte utilizadas no processo de rosqueamento são relativamente baixas, girando em torno de 20m/min e velocidades de corte acima de 50 m/min, já seriam consideradas altas (REIS, et al, 2005). Já os machos de metal duro permitem a adoção de velocidades de corte mais altas, contudo, um grande problema do rosqueamento com macho de corte em altas velocidades de corte é a quebra da ferramenta, geralmente devido ao torque excessivo e temperaturas elevadas, causadas principalmente pelo aumento do atrito gerado pelos cavacos, e pela falta de lubrificação na interface cavaco/ferramenta, aumentando sensivelmente as forças de corte (FANTIN, 1992; REIS et al, 2005). Em contrapartida, a operação de rosqueamento interno com machos, de forma manual ou realizada em máquinas, é uma solução economicamente viável para a obtenção de roscas internas de pequeno diâmetro e, em muitos casos, a única maneira atualmente conhecida para obtenção de tal geometria. Apesar de se tratar de um processo de fabricação muito empregado, os recentes avanços publicados referem-se, principalmente, ao tipo de recobrimento utilizado e a alteração de algumas características geométricas da região de corte do macho (AGAPIOU, 1994; DA MOTA, 2006; HECK et al, 2007; REIS, 2004). Com o intuito de contribuir com o tema, o presente trabalho objetiva fazer uma analise da viabilidade econômica na operação de rosquear com machos máquina, após a aplicação de um condicionador metálico em sua superfície, verificando a relação custo/benefício de tal procedimento.. Apesar de se tratar de um estudo preliminar, os resultados iniciais demonstram a redução dos custos produtivos e aumento da produção da operação realizada. 2. Processo de rosqueamento com machos 2
Os machos de roscar são ferramentas com filetes externos e rasgos longitudinais ou helicoidais formando arestas cortantes e sulcos para saída de cavaco (FREIRE, 1977; STEMMER, 1995). São ferramentas específicas para execução de roscas internas e podem ser utilizados manualmente, com o auxílio de desandadores, ou em máquinas como furadeiras, tornos, centros de usinagem e rosqueadeiras. Em relação aos tipos de machos os mesmos podem ser de corte, com a remoção de cavaco, ou laminadores em que as roscas são formadas por meio da conformação do material da peça. O processo de rosqueamento interno com macho de corte é uma das operações de usinagem mais comuns, sendo frequentemente, uma das últimas operações realizadas sobre a peça e, neste caso, a operação possui um alto valor agregado (SHA et al, 1990), portanto, problemas durante esta operação podem resultar em refugos, re-trabalhos ou comprometimento da qualidade do produto além do consequente aumento dos custos devido a perda de tempo na operação. O processo de rosqueamento com machos é complexo devido à dificuldade, tanto de remoção dos cavacos, como a de lubrificação das arestas de corte (REIS et al., 2004). A relação fixa e inalterável entre a velocidade de corte e o avanço é definida pelo passo da rosca e constitui um problema para o processo, principalmente quando o furo da rosca a ser produzida não é passante, pois os cavacos gerados costumam acumular e se compactar no fundo do furo, podendo travar o avanço do macho e ocasionar sua quebra. Ainda sobre rosqueamento de furos não passantes a velocidade de corte do macho deve ser reduzida devido à necessidade de rápida reversão da rotação na conclusão da rosca. Existem basicamente dois tipos de materiais empregados para a fabricação de machos, sendo: - os aços rápido, que possuem, além do carbono, vários elementos de liga, tais como tungstênio (W), cobalto (Co), cromo (Cr), vanádio (Va), molibdênio (Mo) e boro (Bo), que são responsáveis pelas propriedades de resistência de corte a quente até 550 C (DINIZ, 2013), sendo que cada elemento de liga atribui características distintas ao material modificando suas propriedades mecânicas, aumentando a temperabilidade, conferindo dureza a quente, aumentando a capacidade de corte e melhorando a sua resistência ao desgaste; - os metais duros, fabricados pela metalurgia do pó, são produzidos a partir de partículas duras de carbonetos de metais refratários, que são sinterizados com um ou mais elementos do ferro (ferro, níquel ou cobalto) formando um corpo de alta dureza e resistência à compressão (DINIZ, 2013). O metal duro se caracteriza por elevada resistência à compressão, alta dureza, elevada resistência ao desgaste com alta resistência ao corte a quente, pois até uma temperatura de 800 C a dureza mantém-se inalterada e as velocidades de corte variam entre 50 e 500m/min, podendo chegar à velocidade cinquenta vezes superior a do aço rápido, porém com resistência a flexão e tenacidade limitadas (SENAI- SP, 2008). Em resumo, pode-se aumentar a vida das ferramentas alterando os seus materiais, em geral o metal duro é o que apresenta melhor desempenho em termos de velocidade de corte e de resistência à temperatura de trabalho. No processo de rosqueamento, o atrito do macho com a peça e os cavacos, juntamente com a energia gasta para deformar o material, geram grandes quantidades de calor. Este calor é um dos grandes responsáveis pelo desgaste das ferramentas, pela dilatação térmica e pelo dano térmico causado a estrutura superficial da peça (DINIZ, 2013). A fim de minimizar estes problemas, algumas das soluções encontradas foram os tratamentos e os revestimentos 3
superficiais, que garantem maior resistência térmica, menor adesão e atrito entre a ferramenta e a peça durante a usinagem. As primeiras referências sobre a aplicação de revestimentos em peças e componentes, visando melhorar a resistência ao desgaste, datam da década de 1930 por fabricantes de relógios suíços (SANTOS, 2007). Já os primeiros estudos sobre revestimentos para ferramentas de corte são da metade da década de 1960, que na época resultaram em um método de deposição de metais como o háfnio, que participava da formação de carbonetos estáveis. Em 1969 entravam no mercado as primeiras ferramentas revestidas com TiC (carboneto de titânio) desenvolvidas pela empresa Sandvik (SUR, 1976; SANTOS, 2007), apresentando excelentes resultados de resistência ao desgaste abrasivo, adesivo, oxidação e deformação plástica (SANTOS, 2007). Os revestimentos feitos por meio da aplicação de outros materiais, apesar de refletir em significativo aumento da vida da ferramenta, são eliminados naturalmente com o desgaste da ferramenta ou durante as afiações e neste caso o macho perderá a camada adicional após feita alguma afiação, o que implica em redução de sua vida em relação ao macho novo. Outro importante instrumento para minimizar o desgaste das ferramentas nas operações de rosqueamento interno é o fluido de corte. As principais funções dos fluidos de corte são: refrigerar, lubrificar, proteger contra a oxidação e limpar a região da usinagem, entretanto em algumas condições de aplicação, os mesmos podem aumentar expressivamente o desgaste das ferramentas, além de causarem danos aos operadores e ao meio ambiente (ZEILMANNN, 2003). Há uma tendência mundial de redução e/ou eliminação de fluidos na usinagem, porém em diversos casos a lubri-refrigeração é essencial para se obter qualidades superficiais requeridas e custo/benefício adequado ao processo. (BELEJCHAK, 1997; BRAGA et al, 2002). 2.1. Análise de viabilidade de melhorias no processo Usualmente em um processo de fabricação, a análise sobre o desempenho de qualquer melhoria aplicada ao processo é feita por meio de uma análise do custo/benefício, verificando se o valor do investimento da alteração proposta é viável financeiramentepode-se verificar se o processo é viável tecnicamente e para tanto podem ser avaliados outros indicadores diretos e/ou indiretos, como o tempo de disponibilidade de máquina atingido, redução do número de ferramentas consumidas, aumento de produtividade, redução do tempo de SETUP, aumento de produção, etc. A qualidade do produto também deve ser analisada, pois segundo Martins et al (2005) a melhoria contínua da qualidade traz vantagens competitivas e consequente redução de custos, ainda segundo Martins et al (2005) para se obter um diferencial competitivo na fabricação devem ser analisados e formulados objetivos e diretrizes, dentro outros, para os custos e para os prazos de entrega ambos devem ser os menores possíveis e, por exemplo, a diminuição do número de troca de ferramentas e o aumento de produção por unidade de tempo podem contribuir para a melhoria destes fatores competitivos. Nesse sentido para a verificação da viabilidade há necessidade de coleta de dados que possam ser contrastados, analisados e avaliados, pois segundo Gil, (2004) e Miguel et al (2010) a comparação e analise dos resultados podem ser verificadas estatisticamente por um modelo matemático, ainda segundo Miguel et al, (2010) a pesquisa operacional é mais efetivamente aplicada quanto mais próxima os modelos e os processos operacionais reais. A pesquisa experimental analisa os modelos quantitativos a fim de explicar suas características podendo ser utilizado como medida média na quantificação de uma determinada variável. 4
Segundo Freund et al, (2004) pode-se começar a coleta de dados com tamanho de amostras relativamente pequenos para a determinação da necessidade de mais dados. 3. Materiais e Métodos Os ensaios realizados foram para a obtenção da vida em cada condição (machos com condicionador metálico e machos sem tratamento), os valores da vida foram então analisados aplicando conceitos de planejamento de experimentos buscando-se verificar o nível de confiança, de posse dos dados e do custo do condicionador superficial verificou-se o custo/benefício do mesmo. Para a realização dos ensaios foi utilizado um centro de usinagem do fabricante OKUMA modelo MULTUS B300W, com comando OSP-P200L, um cabeçote fixo da própria máquina, programação padrão da própria máquina e específico para os ciclos de furação e rosqueamento. Os machos de corte utilizados foram para rosca métrica M6, material metal duro sem revestimento, sendo 3 machos com a aplicação do condicionador metálico de superfície e 3 machos sem condicionador, para ambos os casos a velocidade de corte foi de 25m/minutos. Os machos condicionados foram mergulhados no fluido condicionador (o nome do fluido condicionador foi omitido propositadamente) e logo após, retirado o excesso de óleo. O fabricante é Sandvik e o código do macho é EP00M6 6H, conforme DIN 371. Para a operação de furação foi utilizado brocas de diâmetro de 5 mm com lubrificação interna, velocidade de corte de 84m/min e avanço de 0,15mm/rotação. Tanto o processo de furação quanto o processo de rosqueamento foram feitos com lubrificação abundante, especificamente com o fluído de corte fabricante blasocut, com PH entre 8,5 a 9,2 e concentração de 8 a 10%. O material do corpo de prova é o aço SAE 4140 com diâmetro externo de 56mm por 20mm de largura contendo 37 roscas passantes após ciclo de furação e rosqueamento, conforme Figura 1. Figura 1- Desenho do corpo de provas (Fonte: O AUTOR). As principais características construtivas dos machos estão descritas no Quadro 1. Quadro 1 - Características dos machos utilizados nos ensaios (MOTA, 2005). 5
Características Dimensões Características Dimensões N de canais 3 canais N de filetes no chanfro 2 filetes Ângulo de entrada 20 Ângulo de saída ou de corte De 12 a 14 Diâmetro externo 6 mm (M6) Passo 1 mm Diâmetro efetivo 5,350 mm Diâmetro interno 4,971 mm Altura do filete 0,541 mm Ângulo da rosca 60 Para a verificação da qualidade da rosca foi utilizado um calibrador tampão de rosca interna passa não passa M6 6H. O ensaio foi iniciado com a fixação da peça na placa, seguido pela realização de todos os furos por meio de um ciclo de furação (G181), em seguida foi executado o ciclo de rosqueamento (G178) com velocidade de corte de 25m/min e foi marcado o último furo feito a fim de controle dimensional com calibrador passa-não-passa. Em caso de reprovado pelo calibrador, os furos roscados eram testados em ordem cronológica inversa, até que o último furo feito em condições de aprovação fosse identificado, o qual passaria a ser imediatamente considerado o último furo roscado para a especificação da vida da ferramenta. Cada macho recebeu um número sequencial e os corpos de provas foram identificados com o número do macho e o número de peças realizadas. O planejamento dos experimentos se deu com 3 machos de cada condição a fim de determinação da média amostral, desvio padrão e erro padrão a fim de posterior análise estatística para determinar o número necessário de experimentos com um nível de confiança de 95%. 4. Resultados e Discussões As vidas (número de roscas conformes) foram contabilizadas verificando-se a quantidade de furos roscados feitos por cada macho, conforme Quadro 2. Quadro 2: Número de peças realizadas por cada macho (Fonte: O AUTOR). N macho Quantidade de roscas Com Condicionador Superficial Critério de Fim de Vida 1 222 Não Quebra do macho 2 346 Não Quebra do macho 3 814 Sim Reprovado pelo Calibrador P/NP 4 309 Sim Quebra do macho 5 598 Sim Quebra do macho 6 518 Não Quebra do macho Após realização dos ensaios e modelos matemáticos há necessidade de mais 12 ensaios em ambas as situações conforme descrito a seguir. 6
Para machos não condicionados tem-se: Média (µ )= 222+346+518= 362 roscas 3 Desvio Padrão ( σ) = 148,64 Erro Padrão (ε) = 85,82 Z α = 1,96 para confiança de 95%. 2 Com os dados acima o número mínimo de ensaios é dado pela Equação 01. 2 2 2 z n (1) Substituindo os valores, há necessidade de 12 ensaios para obter um nível de confiança de 95% para os machos não condicionados. Para os machos com condicionador superficial tem-se: Média (µ )= 814+309+598= 573 furos Desvio Padrão (σ) = 253,38 3 Erro Padrão (ε) = 146,29 Z α = 1,96 para confiança de 95% 2 Usando os dados acima na Equação 1 e, substituindo os valores, serão necessários 12 ensaios para se obter um nível de confiança de 95% para os machos com condicionador superficial. Para a análise da viabilidade econômica foram analisados dois parâmetros; a quantidade de roscas/macho e o custo por rosca (adotou-se que 1 rosca= 1peça). Foram contabilizados apenas os custos dos machos envolvidos no processo e da aplicação do condicionador metálico utilizado, visto que o custo da hora máquina e de outros insumos envolvidos serem os mesmos para ambas as situações. O preço unitário de cada macho é R$76,98, os machos condicionados utilizaram 0,003 litros/macho de fluido e o preço médio do produto condicionador é R$500,00/litro totalizando R$1,50/macho, ou seja, o custo total dos machos condicionados é de R$78,48. Cada macho com condicionador fabricou, em média, 573 roscas totalizando R$0,14/rosca. Nos machos não condicionados há apenas o custo do macho em si, ou seja, R$76,98 e cada macho fabricou, em média, 362 roscas, totalizando um custo de R$0,21/rosca. Comparandose os custos envolvidos e a quantidade de roscas produzidas em cada situação tem-se um aumento da quantidade de roscas produzidas por macho em 58,3% e uma redução de custo em 33,3% conforme Quadro 3. Quadro 3: Quantidades de roscas e Custos (Fonte: O AUTOR). 7
Tipos de Machos Qtd. de roscas produzidas por macho Aumento de roscas produzidas Custo Total por macho (R$/macho) Custo Unitário (R$/rosca) Redução de custo (%) Com condicionador Sem condicionador 573 R$78,48 R$0,14 58,3% 362 R$76,98 R$0,21 33,3% Houve quebra de todos os machos não tratados enquanto que nos machos tratados quimicamente apenas em 1 das amostras não houve quebra dos machos o que indica um menor atrito entre o macho e a peça. Não foram avaliados a redução do número de trocas e seus respectivos gastos e também não foram avaliados os ganhos na diminuição de máquinas paradas em ambiente fabril. 5. Conclusão Com base nos resultados obtidos, pode-se afirmar que: - serão necessários 12 ensaios com machos condicionados e 12 ensaios com machos não condicionados a fim de se obter 95% de confiança estatística, e tais ensaios serão realizados futuramente para a conclusão do trabalho; - os machos com condicionador metálico obtém maior produção por peça e custo inferior em comparação aos dos machos não condicionados; - há possibilidade, em ambiente fabril, contabilizar os ganhos obtidos com a redução dos tempos de trocas de ferramentas; - o mesmo tipo de tratamento superficial pode ser aplicado em outras operações de usinagem como torneamento e brochamento, por exemplo. Há também a possibilidade de combinação com ferramentas com revestimento, o que poderia aumentar ainda mais a sua vida útil; - as quebras dos machos foram reduzidas durante a operação de rosqueamento com condicionador metálico. Portanto, é possível afirmar que, na condição testada, o tratamento superficial aplicado em operações de rosqueamento com machos-máquina, apresenta viabilidade técnica e econômica. 6. Referências BELEJCHAK, P. Machining stainless steel. Advanced Materials & Processes, 1997. BEZERRA, A.A. Estudo do Desgaste no Roscamento com Alta Velocidade em Ferro Fundido, Tese de Doutorado apresentada a Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2003. 8
BRAGA, D.U.; DINIZ, A.E.; MIRANDA, G.W.A. & COPPINI, N.L. Using a minimum quantity of lubrificant (MQL) and diamond costed tool in the drilling of aluminum-silicon alloys. Journal of Materials Processing Technology, 122:127-138, 2002. DINIZ, A.E.; MARCONDES, F.C. & COPPINI, N.L. Tecnologia da usinagem dos materiais. 8. ed. São Paulo: Artliber, 244p, 2013. DUNLAP, C. Should you try dry? Cutting Tool Engineering v.49 n.1 p.22-33, 1997. FREIRE, J.M. Tecnologia de Corte 1.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1977. FREUND, E. F.; SIMON, G.A.; Estatística Aplicada 4.ed. São Paulo: Bookman, 2004. MARTINS, P.G.; LAUGENI, F.P. Administração da Produção. 2. Ed. São Paulo: Saraiva, 555p, 2005. MOTA, P R.; GONÇALVES, P.A.; REIS, A.M. & SILVA, M.B. Estudo do desempenho de ferramantas de aço-rápido revestidas no rosqueamento interno em alta velocidade de corte, Artigo apresentado ao 15 POSMEC- Simpósio de Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Uberlândia, 2005. REIS, A.M. Avaliação do Desempenho de Diferentes Materiais de Ferramentas no Processo de Rosqueamento Interno de Ferro Fundido Cinzento, Através do Monitoramento do Desgaste Tese de Doutorado Apresentada à Universidade Federal de Uberlândia 188 p., 2004. REIS, A.M.; COELHO, G.A.B.; BARBOSA, F.Q. & SILVA, M.B. Estudo da relação entre o sinal de potência e o desgaste da ferramenta para o processo de rosqueamento interno.13 POSMEC.FEMEC/UFU, Uberlândia, 2003. SANTOS, S.C. & SALES, W.F. Aspectos tribológicos da usinagem dos materiais. Artliberltda. São Paulo: 246 p., 2007. SENAI-SP; Tecnologia Aplicada I, São Paulo, 2008. SHA, J.; NI, J. & WU, S. M. Development of a Tap Wear Monitoring Scheme Proceedings of Manufacturing International '90. Part4: Advances in Materials and Automation, Atlanta: GA, 1990. SHARMA,V.S; DOGRA, M. & SURI, N.M. Cooling techniques for improved productivity in turning International Journal of Machine Tools & Manufacture 435 453, 2009. SILVA, L.R; COELHO, R.T & CATAI, RE. Desgastes de ferramentas no torneamento com alta velocidade de corte da superliga wapaloy Metalurgia e Materiais, 109-114, 2004. STEMMER, C. E. Ferramentas de corte II: brocas, alargadores, ferramentas de roscar, fresas, brochas, rebolos e abrasivos 2.ed. Florianópolis: UFSC, 326 p., 1995. VANDERBECK, E.J; NAGY, C.F.;.Contabilidade de Custos 11.ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning: 2003. ZEILMANN, R.P. Furação da liga de titânio Ti6Al4V com mínimas quantidades de fluido de corte. Tese de Doutorado, UFSC, Florianópolis, 2003. 7. Agradecimentos Os autores agradecem ao apoio recebido da empresa Sandvik do Brasil S.A, a Uninove (Universidade Nove de Julho) e a CAPES. 9