PROCEDIMENTO PARA OTIMIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE USINAGEM PARA APLICAÇÃO EM CHÃO DE FÁBRICA Nivaldo Lemos Coppini Depto. Enga. Fabricação/Fac. Enga. Mecânica/UNICAMP, C.P.6122, CEP 13083-970, Campinas-SP. João Roberto Ferreira Depto Produção/EFEI- Escola Federal de Enga. de Itajubá, C. P. 50, CEP 13083-970, Itajubá-MG. Gilberto Walter Arenas Miranda Depto. Enga. Mecânica/UNITAL-Universidade de Taubaté, Rua Daniel Danelli, s/n, 12060-440, Taubaté-SP. ABSTRACT Is very known, in Industrial atmosphere, the lack of technical support to help the operator of the tool machine to decide the correct moment for replace the tool edge. This decision is taking in base of his own experience or feeling. Now a days even with a progress in the Monitoring Systems is very difficult to cover all kinds of tool edge failure in practical situations. This work propose a methodology where tool edge replacement criterion based on the number of machined pieces shows to be true and very helpful. The monitoring system sensors was used only for safety situations. The tool life criterion is independent on the monitoring system, and could be easily applied for environmental industries. Finally, this work presents a comparative analisys of production cost between purpose and conventional methodologies. Key-Words: Optimization, machining process, shoop-floor. 1. INTRODUÇÃO Atualmente, a nível de chão de fábrica, são praticamente não utilizados critérios para determinação do momento de troca da ferramenta em processos de usinagem. Por este motivo são geradas grandes perdas com ferramentas, parada de máquina, tempo de produção, e etc. [1]. Na literatura [2] há uma grande variedades de trabalhos publicados sobre sistemas de monitoramento que usam diferentes conceitos físicos como força, potência elétrica, desgaste da ferramenta, rugosidade da peça, e etc., e vários tipos de sensores para determinar o momento de troca da ferramenta. Estes trabalhos foram realizados em laboratório, em condições específicas e controladas, e em muitos casos não são possíveis de serem reproduzidas em chão de fábrica. Infelizmente, os sistemas de monitoramento não são sempre confiáveis para aplicações práticas, o que gera uma necessidade de se utilizar simultaneamente diferentes sistemas para assegurar com confiabilidade o fim de vida da ferramenta. No geral os sistemas de monitoramento são muito intrusivos na área de produção dificultando sua aplicação. Em função dos motivos expostos acima, normalmente é o operador da máquina que toma a decisão sobre o melhor momento para a troca da ferramenta, baseado em seu próprio ponto de vista, experiência ou sensibilidade.
Porém, este trabalho propõe uma metodologia para o momento de troca da ferramenta mais confiável e fácil de ser usado em processos de usinagem. A troca da ferramenta ocorre quando um número fixado e otimizado de peças são processadas. Nesta metodologia é usado um sistema especialista para otimizar as condições do processo em condições reais de chão de fábrica. Por fim, este trabalho apresenta uma análise comparativa de produtividade e custos entre as metodologias proposta e convencional. 2. METODOLOGIA DE OTIMIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE USINAGEM Vários trabalhos [3,4] sobre otimização das condições de usinagem foram desenvolvidos por pesquisadores da UNICAMP nos últimos anos. Estes trabalhos utilizam metodologias baseadas na equação de Taylor, que foram comprovadas em ambiente de chão de fábrica.. Os principais tópicos estão resumidos abaixo: i [ i + 1] i + 1 [ i] log Zt Zt x = 1 + log Vc Vc (1) K = Zt tc Vc x i. i. i (2) ( ) Onde: (x), (K) são os coeficientes da equação de Taylor; (Zt) é o número de peças usinadas por vida da ferramenta; (Vc) é a velocidade de corte mantida constante (m/min); (tc) é o tempo de corte (min); (i) é a condição inicial de corte adotada no início da aplicação do método. Seguindo a metodologia proposta, os coeficientes da vida da ferramenta (x) e (K) podem ser obtidos durante a evolução do processo de usinagem, podendo ser aplicados para alta produção, bem como para alta frequência de lotes de mesma peça ou peças similares classificadas sobre a base de Tecnologia de Grupo. Para aplicar a metodologia, a primeira velocidade de corte deve ser selecionada seguindo maneiras tradicionais. Para selecionar a velocidade de corte, a média do número de peças por vida de aresta de corte da ferramenta deve ser tomada em conta durante a produção normal. É indispensável manter sempre o mesmo critério específico para a troca da ferramenta. O mesmo procedimento pode ser aplicado para um segundo valor de velocidade de corte, adotado em torno de ± 20% em relação ao primeiro. Quando a mesma ferramenta trabalha em vários estágios, a condição de validade para (x) e (K) deverá ser verificada. As vantagens do estabelecimento de equações gerais a partir da média do número de peças usinadas por vida de aresta de corte (Zt), é evidente porque a substituição da ferramenta na prática deve ser feita somente na base do limite do desgaste convencional. Para a seleção de velocidade de corte, a literatura mostra que é suficiente utilizar como referência válida somente o lado direito do intervalo de máxima eficiência, isto é, a velocidade de corte para a máxima produção (Vmxp). Seguindo esta sugestão, não é necessário determinar o lado esquerdo do mencionado intervalo, o qual é definido pela velocidade de corte para o mínimo custo. O método proposto usa a determinação dos coeficientes da equação de Taylor em condições reais, e a melhor condição é baseada somente em condições técnicas. Na validação do método usa-se a relação (D) entre (Vmxp), velocidade de corte para a máxima produção e (Vo), velocidade de corte para o custo mínimo; o qual é dado por:
D V mxp 60. Cft = = x 1 + Vo ( Sh + Sm). t Onde: (Cft) é o custo da vida da ferramenta por vida da aresta (R$); (tft) é o tempo de troca da ferramenta (min); (Sm) é o custo total da máquina (R$/hora); (Sh) é o custo do operador (R$/hora). É muito fácil deduzir que (D) é sempre igual ou maior que 1. Isto quer dizer que a (Vmxp) é sempre igual ou maior que (Vo). Como a (Vmxp) foi determinada em condições reais, a melhor Velocidade a ser selecionada deverá ser menor ou igual ao valor da (Vmxp). Para analisar se (Vmxp) poderá ser a condição suficiente a ser usada como referência para a seleção da velocidade de corte, foi considerada a variação de (D) quando Cft, Sh, Sm e tft assumem valores diferentes. Esta validação foi feita modificando os valores dos parâmetros numa simulação hipotética. Dois casos foram apontados: Quando (D) tende para 1; Quando (D) tende para um número grande. Para ambos casos foram analisadas o desempenho dos seguintes parâmetros: (KVo) é o custo por peça trabalhada com Vo (KVmxp) é o custo por componente (peça) trabalhada com Vmxp ( Rk ) é a relação KVmxp/KVo No primeiro caso, (D) tende para 1, quando (Cft) tende para um valor baixo ou quando (Sh), (Sm) e (tft) tendem para valores altos. Sempre que (Rk) diminui, (Vmxp) é condição suficiente a ser usada como referência para uma melhor determinação da velocidade de corte a ser utilizada, a qual deverá situarse muito próxima da (Vmxp). Esta seleção é feita desta forma porque (Vmxp) é aproximadamente igual a (Vo). No segundo caso (D) tende para um número grande, quando (tft), (Sh), e (Sm) tendem para um valor baixo, ou quando (Cft) tende para um valor muito alto. Quando (tft) tende para um valor muito baixo, (Vmxp) tende para um valor alto que normalmente torna-se maior que a velocidade máxima de corte existente na máquina ferramenta, por isto a melhor velocidade de corte a ser usada devera ser selecionada perto da velocidade de corte máxima existente na máquina ferramenta. Se (Vmxp) pertence a faixa das velocidades de corte existentes na máquina ferramenta, o autor sugere que a melhor velocidade de corte a ser utilizada deverá ser de ± 20 % menor que a (Vmxp). Esta recomendação é feita porque a relação (Rk) torna-se muito alta quando (tft) tende para um valor muito baixo, e por causa disto torna-se muito caro trabalhar muito perto da (Vmxp). Por outro lado, quando (Sh) e ou (Sm) tornam-se baixos e (Cft) torna-se muito alto, a relação (Rk) é um fator limitante, porque torna-se muito alto. Neste caso os autores também sugerem que a melhor velocidade de corte a ser usada seja selecionada ± 20 % abaixo que a (Vmxp),pela mesma razão mencionada acima. Coppini e Batocchio [5] desenvolveram um sistema especialista de usinagem (EMS) especificamente concebido para selecionar a melhor velocidade de corte durante as atividades de usinagem em chão de fábrica. A máquina de inferência do sistema especialista foi construída tendo como base a metodologia apresentada acima. Todos os parâmetros de usinagem restritivos foram considerados no sistema especialista. Isto quer dizer que, para calcular a (Vmxp) e selecionar a melhor velocidade de corte, o (EMS) ft (3)
primeiramente verifica os limites em termos de força de alimentação, força de corte, potência do acionamento principal e rotação do eixo da máquina a ser utilizada. O (EMS ) foi concebido em uma versão semi-automática, conforme a Figura 1. Isto quer dizer que o (EMS) toma as decisões de corte e adota todos os parâmetros de corte em função da base de dados e todas as regras da base de conhecimento. A máquina de inferência providencia o cálculo da (Vmxp), a qual é utilizada como referência para selecionar a melhor velocidade de corte a ser usada. Entretanto o usuário aqui, o operador da máquina ferramenta deverá colocar pessoalmente através da interface do usuário (teclado do computador) as seguintes informações: Número de peças usinadas para cada velocidade de corte (Zt); Tempo de troca da ferramenta (tft); Tempo de corte (tc). O operador da máquina ferramenta deverá providenciar também as mudanças das velocidades de corte no programa CNC fornecida pelo EMS; as mudanças das peças após o ciclo completo de usinagem; as mudanças das ferramentas, sempre que o critério de substituição tenha sido atingido. Toda esta metodologia descrita e o sistema EMS foram validados em aplicações de chão de fábrica. Máquina Ferramenta Operador Interface Base de Conhecimento Máquina de Inferência Banco de Dados Figura 1 - Arquitetura do (EMS) para versão semi-automática [5]. 3. METODOLOGIA PROPOSTA PARA TROCA DA FERRAMENTA A metodologia toma como ponto de partida para as condições de usinagem as informações obtidas em catálogos de fabricantes de ferramenta, ou a própria experiência do usuário. De acordo com a figura 2, a velocidade de corte (Vc i ) será a base para determinação do número de peças usinadas (Zi). Para isto deve-se trabalhar até acionar um sistema de segurança (SSE), que pode ser um sensor de força, potência, e etc. [6]. O número de peças tomado pelo modelo será um número inteiro (Zt i )=(Z i -1). Em seguida adota-se a nova velocidade de corte (Vc i+1 )=(1,2.Vc i ). Para esta nova velocidade de corte obtém-se um novo número inteiro de peças (Z i+1 ). A metodologia usa no segundo passo do processo (Zt i+1 )=(Z i+1-1). Com os valores de (Zt i ) e (Zt i+1 ) o EMS calcula a velocidade de corte otimizada (Vc ot ) e o número de peças otimizado (Z ot ) que serão utilizados como critério de troca da ferramenta. Vc i Zt i = Z i -1 Z i Ativação SSE
Vc i+1 =1,2Vc i Zt i+1 = Z i+1-1 Z i+1 Ativação SSE EMS Vc ot, Z ot Figura 2 - Diagrama da Metodologia Proposta. Em casos de variações de composição química e características mecânicas entre diversos lotes de fabricação do material da peça, pode ocorrer que o sistema de segurança venha a ser acionado com mais frequência. Portanto, se durante o processo de produção a média do número de ativações do (SSE) for superior à 25%, é necessário um novo ciclo de otimização conforme descrito acima. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Ativação Trabalho 4.1. Comprovação Experimental Para comprovar experimentalmente a metodologia proposta, ensaiou-se em operação de torneamento de desbaste o aço ABNT 4340 (figura 3), dureza 300 HB, com ferramenta de metal duro ISO TNMG 16 04 08 com cobertura de Ti(C,N) e Al 2 O 3. Na aquisição de dados de força de corte e potência elétrica para o sistema de segurança utilizou-se o software LABVIEW. SSE 5 4 85 85 39 49 Figura 3 - Dimensões do corpo de prova. Conforme a tabela 1, primeiramente realizou-se dois ensaios com velocidades de corte (Vc i )= 125 e 200 m/min. Em ambos os casos o processo foi interrompido quando o número de peças chegou na marca de (Z i )=100, sem atingir o critério de troca. Este número é três vezes maior que o indicado pelo catálogo do fabricante de ferramenta.
Reiniciando o ensaio com Vc i = 250 m/min e usando o sistema de segurança para determinar o fim de vida da ferramenta, atingiu-se com esta velocidade de corte Zt i = 43 peças. Aumentando Vc i em 20% tem-se Vc i+1 = 300 m/min, e da mesma forma Zt i+1 = 34 peças. Para calcular Vmxp é necessário fornecer ao EMS o tempo de troca da ferramenta (tft), que cronometrado e, após uma concessão de fadiga de 20%, resultou em 1,5 min, em complemento aos outros parâmetros já citados acima. O sistema EMS encontrou uma Vmxp> 300 m/min, portanto utilizou-se uma Vc i+1 = 360 m/min que correspondeu a obtenção de Zt i+1 = 21 peças (tabela 1). Usando novamente o sistema EMS tem-se uma Vmxp= 350 m/min, que é um valor situado entre Vc i e Vc i+1. Consequentemente esta é a velocidade de corte ótima (Vc ot )= 350 m/min, que corresponde à um número de peças ótimo Zot= 22 peças. Pode-se observar que existe uma grande diferença entre os dados iniciais de catálogo do fabricante de ferramentas, que é o geralmente usado pelas empresas, e os dados obtidos pela metodologia de otimização. Das condições iniciais de Vc i = 125 m/min e Z i = 30 peças, é possível através do procedimento proposto trabalhar com Vcot= 350 m/min e Zot= 22 peças, permitindo deste modo uma racionalização significativa do processo de produção. Vc i Vc i+1 Z i Zt i Z i+1 Zt i+1 125 - > 100 > 100 // // 200 250 > 100 > 100 44 43 250 300 44 43 35 34 300 360 35 34 22 21 Tabela 1 - Resultados dos ensaios experimentais. Depois da obtenção das condições otimizadas realizou-se vários ensaios para confirmar a validade da metodologia proposta, conforme a figura 4. 30 Número Peças (Zt) 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ensaios Figura 4- Ensaios de validação da metodologia. Vcot=350 m/min, Zot=22 peças. A metodologia proposta pode ser utilizada em processos de usinagem automatizados e semi-automatizados. No primeiro caso, os sensores (SSE) informam o exato momento da troca da ferramenta (figura 4), e Zot representa o valor médio de peças usinadas por aresta de ferramenta para o lote completo de peças. Deste modo, as condições de corte ótimas serão sempre usadas na melhor situação. Assim, na figura 4 pode ser visto que o número de peças usinadas varia abaixo e acima do número Zot.
De outra forma, no processo semi-automatizado, o número de peças otimizado Zot mostrado na da figura 4, pode ser usado pelo operador da máquina para efetuar a troca da ferramenta sem considerar a ativação do sistema de segurança (SSE). Assim, o operador trabalha somente com Zot, pois em geral os sensores não são usados em processos semiautomatizados. Entretanto, no processo semi-automatizado, quando o operador troca a ferramenta ao Zot ser atingido (ensaios 2, 3, 6, 8, e 9 na figura 4), algumas peças deixam de ser usinadas. De outra forma, o operador pode tomar a decisão sobre a troca da ferramenta antes de atingir Zot, nos casos dos ensaios 4, 5, e 7 (figura 4), baseado na sua experiência ou de um evento característico do processo usinagem. 4.2. Análises de Produção e Custos Como descrito acima tem-se dois cenários para as condições de usinagem do aço ABNT 4340. Um primeiro com informações obtidas do catálogo do fabricante de ferramentas. Essas informações são usualmente adotadas pela maiorias das empresas (Vc= 125 m/min, Z i = 30 peças). O segundo cenário é aquele em que as condições de processo utilizam a metodologia de otimização proposta (Vcot= 350 m/min, Zot= 22 peças). Assim, em razão destes fatos, torna-se relevante fazer uma análise de tempos e custos de usinagem para os dois cenários. Através desta análise, permite-se ter uma idéia quantitativa da comprovação experimental da metodologia. Para tanto, utiliza-se os modelos de tempos e custos exclusivos de usinagem segundo as equações 4 e 5 [8]: t = t + t + t c 1 t c i T Z Cp = t (S h + S m ) t t + 60 T C tft (4) c ft (5) A tabela 2 mostra a simulação de tempos e custos considerando o torneamento da peça da figura 3, partindo do diâmetro φ49 mm até φ39 mm em 5 passes, exemplificando uma condição prática. Como é uma peça simples com tempo de corte pequeno tem-se uma grande influência dos tempos improdutivos no tempo de fabricação da peça (tt). Esta influência tende a minimizar a diferença do custo de usinagem (Cp) e da produção horária (Ph) entre os dois cenários. Mesmo assim, pode-se constatar que com a implementação da metodologia de otimização há um significativo aumento da produção, da ordem de 100% por peça usinada. Há também uma redução de custos da ordem 36%. No entanto, em peças mais complexas com maior tempo de corte os efeitos da metodologia proposta devem ser mais significativos para a empresa. É comum existirem gargalos de produção em chão de fábrica provocados por sobrecarga em um ou mais tipos de máquinas-ferramenta, o que provoca a realização de horas extras, terceirização, aquisição de novas máquinas, e etc., com as conseqüências econômicas decorrentes. Estas fabricas utilizando-se da metodologia proposta teriam um aumento substancial de produtividade com reflexos econômicos evidentes. ITEM METODOLOGIA CONVENCIONAL METODOLOGIA PROPOSTA Tempo de corte tc (min) 2,34 0,84 Tempos improdutivos ti (min) 0,36 0,36 Tempo de troca ferramenta tft (min) 1,5 1,5
Vida da ferramenta T (min) 15 4,1 Número de peças do lote Z 1000 1000 Tempo de fabricação/peça tt (min) 2,93 1,5 Custo do operador Sh (R$/hora) 8 8 Custo da máquina Sm (R$/hora) 25 25 Custo da ferramenta/vida Cft (R$) 2 2 Custo de usinagem/peça Cp (R$) 1,92 1,23 Produção horária Ph (peças/h) 20 40 Tabela 2 - Tempos, custos, e produção horária para os dois cenários. 5. CONCLUSÕES Em função dos resultados obtidos e das discussões acima pode-se chegar nas seguintes conclusões: A metodologia de otimização mostrou ser confiável e possível de ser aplicada em processos automatizados e semi-automatizados de usinagem; A metodologia proposta traz uma significativa racionalização no processo à nível de chão de fábrica, com aumento de produtividade e redução de custos; A implementação da metodologia em sistemas produtivos semi-automatizados vem de encontro com o interesse da pequena e média empresa, que em geral não dispõem de sistemas sofisticados de monitoramento; A atuação da metodologia junto aos gargalos de produção traz vantagens econômicas multiplicadoras. 6. BIBLIOGRAFIA 1. Colding, B.N., A Boa Escolha de Parâmetros de Usinagem leva à muitos Ganhos. Máquinas e Metais, pp. 86-94, N 313, fevereiro 1992. 2. Byrne, G., et al., Tool Conditions Monitoring (TCM) - The Status of Research and Industrial Applications, Annals of the CIRP, pp. 541-567, Vol. 44/2/1995. 3. Pallerosi, C. A., et al., Durability of Cutting Tools Under True Conditions. Proceedings of CANCAM 91 -Canadian Congress Applied Mechanics, pp. 173-175, Canada, 1991. 4. Coppini, N.L., Vilella, R.C., Otimizaçâo das Condições de Corte em Células de Manufatura. Primeiro Cogresso Brasileiro de Tecnologia de Usinagem, pp. 17/01-17/20, São Paulo, Brasil, Março 1989. 5. Coppini, N.L. and Batocchio, M.C.A, Otimização das Condições de Corte baseado em Sistema Especialista 3 o CEM-NNE, pp. 564-567, Belém, Brasil, Junho, 1994. 6. Coppini, N.L. Miranda, G.W.A., and Ferreira, J.R., Cutting Tool Edge Replacement Criterion For Optimised Adaptive Control Purposes. Trabalho aceito para publicação no CANCAM 97-16 th Canadian Congress of Applied Mechanics, Canada, june 1-6,1997. 7. Coppini, N.L., Ferreira, J.R., Custo de Usinagem na Seleção de Ferramentas no Torneamento de Compósitos PRF. 16 o ENEGEP, Unimep, Piracicaba-SP, outubro de 1996. 8 Ferraresi, D., Fundamentos da Usinagem dos Metais. Ed. Edgard Blücher, SP., 1977.