OTIMIZAÇÃO DE UM PROCESSO DE
TORNEAMENTO COM MÚLTIPLAS
RESPOSTAS
Josielle Aparecida Giovanelli dos Santos (CEAVAP )
Andrew Cardoso de Brito (CEAVAP )
Ricardo Batista Penteado (UNESP )
Messias Borges Silva (UNESP )
Rubia Fernanda Toledo de Oliveira (UNESP )
Este estudo apresenta uma aplicação das técnicas de Planejamento de
Experimento em um processo de usinagem da liga NIMONIC 80, uma
superliga que possui propriedades térmicas e mecânicas que dificultam
sua usinagem. Para tanto, foram utilizaadas técnicas de Taguchi que,
por meio de análises estatísticas, determinam fatores que apresentam
efeitos significativos no processo analisado. Por serem condições
determinantes na usinabilidade da liga, foram consideradas como
variáveis respostas a rugosidade e o comprimento de corte e como
fatores que podem influenciá-las: velocidade de corte, avanço,
profundidade de corte, tipo de pastilha e lubrificação. A partir da
análise dos resultados, observou-se influência de todos os fatores no
comprimento de corte e do avanço e tipo de pastilha na rugosidade,
além da eficiência e confiabilidade do método.
Palavras-chave: Palavras-chave: Planejamento de Experimentos;
Método de Taguchi; Liga NIMONIC 80A.
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1.Introdução
Na última década, empresas de diversos setores da economia lutam para se
consolidarem em um mercado cada vez mais acirrado devido à alta competitividade. Estas
Empresas estão adotando diversas mudanças em suas estratégias para que possam
acompanhar todas as transformações desse mercado.
Com a globalização da economia e a rápida e contínua busca por novas tecnologias,
as organizações mobilizam se em busca de um alto nível de competitividade, perante um
mercado em expansão, garantindo assim sua sobrevivência (BERNARDOS; VOSNIAKOS,
2002; BESSERIS, 2009).
Em virtude dessas mudanças, para Senthilkumar, Tamizharasane e Anandakrishnan
(2014) as indústrias manufatureiras cada vez mais vêm se preocupando com a qualidade de
seus produtos, bem como o cuidado para manter os custos baixos de seus produtos.
2.Qualidade
Segundo Teboul (1991), a qualidade pode ser definida de diversas formas, vista por
diversos ângulos, mais ela tem fundamental relevância quanto ao uso, sendo satisfatória vista
esteticamente, pois quando o produto vai de acordo com as expectativas ele não decepciona o
cliente.
De acordo com Caten (1995), a qualidade é avaliada conforme a escolha do
consumidor. A empresa hoje tem como foco resistir à sociedade, atender as necessidade do
cliente e ir de acordo com uma qualidade garantida e um preço acessível. Sendo assim ela
conquista sua sobrevivência e seus clientes
Salientado por Andrietta e Miguel (2002), as empresas são dependentes do aumento
dos negócios, e nos dias atuais percebe – se que o principal índice para esse aumento depende
da aprovação do cliente que conta com três importantes fatores sendo eles: qualidade, valor e
serviço. O processo é responsável por garantir melhor desempenho, contando com algumas
variáveis de limitações, como defeitos, falhas, atraso na produção, rompimento de ciclo,
gerando os pontos negativos e interferindo no resultado final.
Com toda evolução da qualidade, com novos métodos, descobertas que aprimoram
sua execução, exemplos de empresas nacionais e internacionais que seguem o mesmo
objetivo, variando alguns detalhes visto que ela [a qualidade] vai assumindo sua forma com
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seus pontos positivos e negativos. No mercado, os seis sigmas é um método que tem como
foco reduzir imperfeições na linha de produção, transformando o processo final no mais
perfeito possível (SMITH E ADAMS, 2000)
3.Usinagem
Com a competição no mercado cada vez mais acirrada, tornar a produção mais
eficiente com decisões diretas e precisas, baseando – se em informações mais corretas, tornou
– se essencial para manter viva qualquer indústria produtiva (BAPTISTA E COPPINI, 1998).
Segundo Fang, Wu (2009), a usinagem de alta velocidade (high speed machining -
HSM) encontra-se entre a fabricação moderna mais capaz e produtiva envolvendo tecnologia.
Ela por sua vez foi criada para atender e aumentar o rendimento, pois melhora a qualidade e
consegue diminuir o custo.
Já para Droga, Sharma e Suri (2009) e Lauro et al. (2014), processos de usinagem
são amplamente utilizados para a fabricação de componentes que requerem grande precisão e
acabamento de alta qualidade da superfície usinada. Além disso, a usinagem é um processo
que pode proporcionar baixos custos. No entanto, para obter estas vantagens, é necessário
assegurar a melhor configuração (máquina, ferramenta, resfriamento, etc.).
De acordo com Yildiz, Nalbant (2008) é importante ressaltar o fundamental papel da
refrigeração na usinagem, pois muitos dos procedimentos não podem ocorrer sem a mesma. A
aplicação de um fluido de resfriamento no procedimento de corte garante vida útil à
ferramenta, gera resultados mais precisos, consumindo menos energia e assim gerando uma
produtividade maior.
Conforme Akturk e Gurel (2006), a utilização manufatureira que consiste no processo
de métodos mais controláveis, são os de procedimento CNC. Hoje se é possível controlar
tempo, através do controle de paramentos da usinagem. Essa técnica consiste numa
programação mais sensível em relação ao tempo de sistema de dados, são necessárias relações
adequadas para garantir que os objetivos de agendamento sejam realizados. O intuito para
uma programação regular é delimitar o tempo, tenta – se diminuir ao Maximo a duração do
processo, mais ao mesmo tempo gera-se uma preocupação em relação à ferramenta, ou seja,
aumenta a produtividade mais o custo ferramenta pode exceder.
Para tal, uma técnica conhecida como Design of Experiments (DOE) vem sendo
muito utilizada por poder ajudar a determinar corretamente a melhor combinação dentre as
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variáveis de entrada, podendo assim auxiliar na maximização dos níveis de produtividade.
Esta técnica também ajuda pesquisadores a encontrar quais variáveis apresentam maior
influência sobre uma resposta, além de fornecer uma visão sobre as interações entre os fatores
que podem influenciar as variáveis respostas (SADEGHIFAM et al., 2015).
4.Planejamento de experimentos (DOE – Design of Experiment)
O conceito de Planejamento de Experimentos foi introduzido pela primeira vez no
início da década de 1920, em uma pequena Estação de Pesquisa em Agricultura na Inglaterra,
por um cientista chamado Sir. Ronald Fisher. Ele mostrou como um experimento válido
poderia ser conduzido na presença de muitas condições naturais variáveis, tais com:
temperatura, condições do solo e chuva. Os princípios do projeto de experimentos
inicialmente empregado na agricultura foram adaptados com êxito nas indústrias e nas
aplicações militares, desde 1940 (JOHN; JAMES, 1996).
O Projeto de Experimento (Design of Experiments, DOE) é uma técnica utilizada
para definir quais dados, em que quantidade e condições devem ser coletadas durante um
determinado experimento, buscando satisfazer dois grandes objetivos: a precisão estatística da
resposta e o menor custo (ARANDA, 2008).
Para Farooq et al. (2015), os objetivos do DOE são estudar o desempenho dos
processos e sistemas de modo a melhor compreensão do comportamento dos fatores do
processo, bem como o seu impacto nas características de qualidade tanto do produto quanto
do processo. Em outras palavras, tais experimentos são realizados para:
• Determinar quais fatores controláveis tem maior influência sobre a(s) resposta (s);
• Definir quais fatores de controle são mais significantes, a fim de assegurar uma
resposta mais próximo do valor alvo;
• Assegurar que os efeitos dos fatores incontroláveis e de ruído sobre as respostas
sejam mínimas.
5.Método de Taguchi
De acordo Xiangsheng et al. (2011), esse método pode ser utilizado nos mais diversos
tipos de processos, podendo – se conseguir uma grande diminuição no custo e gasto no tempo
com experimentos e ainda sim conseguir uma melhora no produto final, já que essa é uma das
mais poderosas ferramentas utilizadas na resolução de problemas.
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Esse método, de maneira mais simplificada, consiste na utilização de um arranjo
ortogonal para separar de maneira organizada os parâmetros que afetam os processos e suas
variações de nível. Ele torna mínima a quantidade necessária de experimentos e ainda assim
consegue determinar com segurança os fatores que podem determinar a qualidade do produto.
Comprovado com resultados em estudos na área de Usinagem, um dos aspectos mais
atrativos desse método é a sua capacidade de diminuir a quantidade e o tempo gasto com
experimentos, logo se aplicado dentro da indústria, diminuirá também o gastos com os
mesmos e seus materiais necessários (corpos de prova, metalografia, e etc.). Isso dentro da
produção poderá acarretar num produto final mais barato sem afetar sua qualidade, muitas
vezes até melhorando – a.
6.Otimização de Múltiplas Respostas
Segundo Bashiri e Salsmania (2009), os problemas que envolvem mais de uma
resposta são cada vez mais relevantes dentro de um processo de fabricação cujo o produto
final deve ser avaliado de diversas formas para atestar sua qualidade e eficácia. Logo, quando
trata-se de um novo produto ou um novo processo de usinagem, a escolha de variáveis
respostas são um dos tópicos de estudos e experimentos mais importantes.
Salientado por Jeong e Kim (2009), consiste basicamente em três etapas: Coleta de
dados, construção de um modelo (em sua maioria matemático) e a otimização. Nele, é
chamado de melhoria, problemas com múltiplas características ou respostas, que se resume na
determinação de condições ótimas na entrada de variáveis fundamentadas através de uma
consideração simultânea de todas as variáveis respostas.
Sabe-se que, muitos outros métodos são discutidos na literatura e que vários já são
utilizados para resolução de problemas estatísticos com múltiplas respostas, mas é importante
salientar que, baseado nos estudos de Ortiz et al. (2004), a confiabilidade destas técnicas e
métodos é limitado e dependente da quantidade e da complexidade dos problemas que busca-
se resolver.
O uso de uma otimização baseada em projetos de experimentos e uma análise da
superfície de resposta, no intuito de estipular os parâmetros nos quais as respostas assumirão
um valor máximo e mínimo, também é uma linha de estudo. Neste, também deve – se
considerar as interações entre diversos fatores que podem acontecer, sendo que para Paiva
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(2006), mais importante ainda é encontrar a combinação entre uma metodologia de projetos
de experimentos e métodos de otimização.
7.Procedimento experimental
Para os ensaios, os parâmetros foram pré – estabelecidos baseados em conceitos de
usinagem. A usinabilidade da peça é uma característica do material, que é caracterizada pelo
grau de facilidade que o material tem para ser usinado. No nosso caso, a rugosidade foi
utilizada para medir esse grau. Considerando que a rugosidade é influenciada por fatores
como avanço (f), Profundidade de Corte (AP) e velocidade de Corte (vc), podemos e
definimos então uma variável de resposta do nosso experimento – a Rugosidade. Nela a busca
é por valores menores, que para nós são melhores.
Outra Variável de resposta é o comprimento de corte, que é basicamente a quantidade
de material cortado expressa em dimensão de comprimento. O comprimento de corte também
está relacionado a usinabilidade do material, onde avaliamos essa grau através da quantidade
de material cortado num espaço de tempo, que quanto maior essa relação, maior também será
a usinabilidade e a produção. Através dessa variável podemos avaliar também a vida útil da
nossa ferramenta de corte, avaliado pela quantidade de material que a mesma foi capaz de
cortar sem falhar ou quebrar.
7.1.Especificações de Níveis
Com nossas variáveis de respostas determinadas, basta agora estipular os níveis com
que cada uma será avaliada, assim os testes poderão ser feitos com intuito de estipular quais
as melhores condições. Assim, estabelecemos para velocidade de corte (vc) 75m/min no nível
1 que é o nível baixo e 90m/min para o nível, que é o alto. Estes valores estão acima do
especificado e foram definidos com intuito de reduzir o tempo de usinagem, alcançando
valores para otimização de processos. Para o avanço (f) e profundidade de usinagem (ap)
foram atribuídos valores dentro do especificado, onde no nível baixo 0,12mm/volta e
0,18mm/volta no nível alto para o avanço e profundidade de corte 0,8mm e 0,16mm, nos
níveis 1 e 2, respectivamente. Vale lembrar que esses valores foram baseados na dissertação
de mestrado de José Carlos de Faria (2007) e na dissertação de Doutorado de Ricardo Batista
Penteado (2011). Quanto às pastilhas utilizadas, adotamos os modelos TNMG160404R-UX
TP2500 e o modelo TNMG160404R-UX CP250. A primeira é tida como uma pastilha
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universal e flexível, que apresenta menor custo a longo prazo e seu material é mais tenaz e
mais dura, logo mais resistente ao desgaste.
A segunda pastilha é tida como a mais adequada para o tipo de material do nosso
estudo, ligas resistentes as altas temperaturas, as superligas. Ambas pertencem ao mesmo
fabricante, Seco. Para finalizar, em relação à lubrificação, o experimento foi realizado sob
duas condições: MQF – Mínima quantidade de Fluido.
Usada no nível 1 com o tipo LB1000-ITW FLUIDO ABUNDANTE. Usada no nível 2
com tipo de óleo LUBRAX OP38 EM. O primeiro tipo de óleo apresenta teve sua quantidade
reduzida à mínima para diminuir o prejuízo ao meio ambiente e a saúde humana, logo
diminuímos também os gastos no uso do mesmo.
Os fatores definidos junto aos seus níveis podem ser visualizados na tabela a seguir:
7.2 Arranjo Ortogonal
Para Taner e Antony (2006) Taguchi desenvolveu um tipo de matriz especial (arranjo
ortogonal) que se pode empregar em várias situações, sendo a quantidade de colunas nessas
matrizes o número máximo de fatores que podem ser estudados.
Neste caso, o estudo foi feito a partir da configuração do arranjo L8. Arranjo que foi
definido considerando os 5 fatores já determinados para análise, juntamente aos seus 2 níveis,
como pode ser visto na Figura 1.
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7.3 Realização de ensaios
Para os ensaios foram utilizados corpos de prova de material solubilizado, com
comprimento e diâmetro iniciais de aproximadamente 120 mm e 50 mm, respectivamente,
fornecidos pela Villares Metals, realizados em um torno CNC-MACH 9-CENTUR 30S, 25 a
3500 RPM, com potência de 7,5 CV, marca ROMI. Ao término de cada ensaio, era verificado
o diâmetro final, com o auxílio de um paquímetro Mitutoyo de resolução 0,05mm e a
rugosidade da peça usinada e, para tal medição foi utilizado um rugosímetro Mitutoyo
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SURFTEST-301. Para avaliação da rugosidade, foram realizadas três medidas no início, no
meio e no fim da peça, distribuídas num giro de aproximadamente 120°. Outra análise foi
com relação ao desgaste da pastilha e, para tanto foi usada uma Lupa graduada, de precisão
0,05 mm, que verificava a evolução do desgaste.
Vale ressaltar ainda a relevância do desgaste de flanco (VB), que representa o critério
de fim de vida da ferramenta e, neste estudo, o limite para o ensaio da peça sob determinada
condição. O valor imposto neste caso foi de 0,5 mm, a fim de permitir um comprimento de
corte para estudo do comportamento da rugosidade.
Conforme arranjo L8 determinado, os valores de rugosidade e comprimento de corte
obtidos são apresentados conforme Tabela 2:
As respostas de cada ensaio permitiram a análise do experimento, quanto às propostas
já apresentadas – determinação dos fatores de influência – por meio do software Minitab,
desenvolvido na Pennsylvania State University, Barbara F. Ryan, Thomas A. Ryan, Jr., e
Brian L. Joiner, baseada em um conjunto de ferramentas para análise estatística e qualidade.
8.Análise dos Resultados
8.1 Determinação dos Fatores de Influência na Rugosidade
De acordo com a ANOVA da média da Rugosidade, fornecido pelo Minitab (tabela 3)
e considerando 95% de confiança, sabe-se que os fatores com efeitos de significância são os
com valor-p menor que 0,05. Desta maneira, pode-se destacar como fatores de influência o
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avanço, com p = 0,000008, o tipo de pastilha, com p = 0,002354 e a interação avanço x
pastilha, com p = 0,003513.
Grafico 1 – Efeitos Para Média (Ra)
21
3,0
2,5
2,0
1,5
21 21
21
3,0
2,5
2,0
1,5
21
Vc
Me
an
of
Me
an
s
F Tp
ap L
Efeitos para Média (Ra)
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Quando a velocidade de corte está ajustada para o nível baixo (nível 1), obtém – se
uma média de rugosidade de 2,449, e quando é colocado no nível alto (nível 2), o resultado
médio passa a ser 2,421. Essa mesma forma de analise pode ser feita para os demais
parâmetros
Considerando que para a otimização da usinagem, a rugosidade é caracterizada como
“menor-melhor”, ou seja, tem-se a intenção de minimizar a rugosidade, entende-se que para o
fator avanço, o melhor nível é o mais baixo, de 0,12 mm/volta, já para o tipo de pastilha é o
nível mais alto, a pastilha CP250.
Tal análise confirma a teoria já explicada, o material da pastilha CP250, a apropriada
para o tipo de material analisado (ligas a base de níquel), é mais resistente ao calor gerado
entre a ferramenta e a peça usinada e, desta maneira causa menor deformação. Com relação ao
avanço, quanto menor o “salto” da ferramenta durante as passadas da ferramenta, menor será
a rugosidade da área usinada.
8.2 Determinação dos Fatores de Influência no Comprimento de Corte
Como apresentado na tabela anterior, no caso da variável resposta comprimento de
corte, nota-se pela análise do valor-p que todos os fatores são influentes (tabela 4), já que
todos apresentam valor-p menor que 0,05 (considera-se 95% de confiança).
Tabela 5 – ANOVA da média do Comprimento de Corte
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Grafico 2 – Efeitos para Média (Lc)
21
500
400
300
21 21
21
500
400
300
21
Vc
Efe
ito
s
F Tp
ap L
Efeitos para Média (Lc)
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Em Vc, quando a variável velocidade de corte está ajustada no nível baixo (nível 1),
em média obtém um comprimento de corte 507,6m, em contrapartida, quando é ajustado para
o nível alto (nível 2) em média obtêm se 275m de comprimento de corte. Esta mesma analise
pode ser feita para os demais parâmetros.
Visto na Tabela 5, é possível determinar os níveis mais adequados para se otimizar o
processo quanto ao comprimento de corte. O nível mais baixo é o mais adequado para os
fatores velocidade de corte e avanço, com os respectivos valores, 75 m/min e 0,12 mm/volta.
E o nível 2 é o melhor para os fatores tipo de pastilha, profundidade de corte, e lubrificação,
ou seja, a pastilha CP250, 1,6 mm de profundidade de corte e lubrificação abundante,
considerando que para o comprimento de corte, a intenção é de maximização (maior-melhor).
Com isso, para a otimização conjunta, foi utilizado o minitab e pode-se verificar os
resultados obtidos dado pelo Gráfico 3, utilizando os valores alvos mostrados na Tabela 7.
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Tabela 7: Valores alvos e Meta de cada variável resposta
Desta maneira, ficam evidenciadas algumas associações já explicadas. A velocidade
de corte, o avanço e a profundidade de corte estão relacionados com a quantidade de calor
gerada na usinagem. O aumento da velocidade de corte aumenta a temperatura na zona de
corte, o que contribui para o desgaste da ferramenta, além dos danos ao acabamento
superficial. Portanto, a uma menor velocidade de corte, a ferramenta suporta mais passadas,
aumenta seu tempo de vida e, conseqüentemente, maior é o comprimento de corte obtido.
Quanto ao avanço e ao tipo de pastilha, observaram-se as mesmas condições já
explicadas para a rugosidade. Como dito, o avanço está diretamente ligado ao calor gerado na
região de usinagem, logo, além de se obter um melhor acabamento superficial a baixas faixas
de avanço, também se maximiza o comprimento de corte, pois a temperatura na região de
corte será menor, o que permite mais tempo de usinagem com a mesma ferramenta. A mesma
associação é conveniente para o caso da pastilha, cujo tipo mais adequado é a CP250,
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apropriado para usinagem das superligas, que oferece maior resistência ao calor e, assim,
maior comprimento de corte.
Para diminuir este calor gerado na região usinada são utilizados lubrificantes, que
neste estudo, foi indicado como melhor condição o seu uso abundante. Reduzindo a
quantidade de calor entre peça e ferramenta, é possível obter um maior comprimento de corte.
Já para a profundidade de corte, foi verificada como melhor nível de atuação, o mais
alto, ou seja, 1,6 mm, pois se entende que com maior profundidade de corte, maior a área de
contato entre ferramenta e peça e, assim, dissipa mais energia pela ferramenta, diminuindo
seu desgaste e aumentando o comprimento de corte.
9. Conclusão
No decorrer deste estudo foi ressaltada a importância do foco na qualidade de
produtos, processos e serviços para atender ao mercado consumidor, cada vez mais exigente.
Deste modo, foi apresentado o modelo robusto de Taguchi como ferramenta para
planejamento de experimentos, aplicado em um processo de usinagem.
Como particularidade do método proposto por Taguchi, pode-se destacar uma
vantagem, que é a redução do número de experimentos a partir da determinação do arranjo
ortogonal, que embora possa apresentar variabilidade com relação ao método do fatorial
completo que permite uma análise estatística mais completa, contribui economicamente para
o processo.
Com base nas análises apresentadas e considerando a incidência dos fatores nos
resultados obtidos da rugosidade e do comprimento de corte, é possível destacar como fatores
de maior influência o avanço e o tipo de pastilha. Sendo o nível mais adequado para o avanço
o mais baixo, ou seja, de 0,12 mm/volta e nível mais alto para o tipo de pastilha, a CP250.
Para o comprimento de corte apenas, todos os outros fatores apresentaram efeitos
significantes, velocidade de corte no nível baixo (75 m/min), lubrificação abundante (nível 2),
profundidade de corte a 1,6 mm (nível 2) e as interações velocidade de corte e avanço (Vc x f)
e avanço e tipo de pastilha (f x TP). E considerando somente a rugosidade, além do avanço e
tipo de pastilha, ainda houve influência da interação avanço e tipo de pastilha.
Tais condições definidas afetam diretamente a rugosidade e o comprimento de corte e,
conseqüentemente, a otimização do processo como um todo, sendo válida e pertinente a
conclusão do estudo, principalmente quanto a eficiência do método utilizado.
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