Avaliação da Influência das estratégias de Usinagem sobre os indicadores de sustentabilidade do processo de Fresamento da Liga de Titânio ASTM F136

Tecnologia 26/05/20 Avaliação da Influência das estratégias de Usinagem sobre os indicadores de sustentabilidade do processo de Fresamento da Liga de Titânio ASTM F136

Entre as inúmeras operações de usinagem realizadas pela indústria de manufatura, destaca-se a operação padrão de desbaste, uma vez que é aplicada para a maioria das peças fabricadas pelo processo de fresamento. 

Logo, é exigida atenção especial a esta operação, pois se trata de uma etapa do processo que detém um percentual de tempo grande na fabricação de peças.  

Pesquisas recentes realizadas por pesquisadores norte-americanos do Massachusetts Institute of Technology (MIT) fizeram algumas descobertas interessantes mostrando que a energia consumida em operações de usinagem reflete uma proporção pequena no total de energia consumida, sendo a maior parte utilizada por funções auxiliares como lubrificação e ferramentas da máquina [Dahmus e Gutowski]. 

Pesquisadores da University of California, em Berkeley, desde a década de 90, vêm desenvolvendo um plano de processamento que valoriza aspectos ambientais [Paul Sheng, 1990]. . Sheng e Srinivasan desenvolveram recursos baseados em uma rota de processo multi objetivo onde foi relatada uma redução de 4,5% do consumo total de energia, sendo que 47,2% de fluido de corte foi poupado durante o processo. 

Seguindo o mesmo viés, pesquisadores do Reino Unido como Rajemi (2010) desenvolveram um modelo que calculam o consumo de energia em operações de torneamento a seco em função de parâmetros de avanço, velocidade de corte e vida da ferramenta. 

As equações envolvidas no modelo permitiram desenvolver procedimentos que minimizam o consumo de energia durante o torneamento respeitando as condições ideais de corte.  Resultados reportados por Mativenga e Rajemi apontam redução de 64% nos custos de energia e custos das peças simultaneamente com a otimização dos parâmetros de processos nas operações de torneamento. 

Experimentos conduzidos por Newman e colaboradores realizados especificamente com operações de fresamento, demostram que com a remoção constante de material, seguida de altos avanços e baixa profundidade de corte, o consumo de energia total é menor que quando aplicado em condições com altas profundidades de corte e baixo avanço. 

A economia alcançada para tais condições é cerca de 6% da energia elétrica utilizada na fabricação de peças de alumínio. Outros estudos reportam economia do processo quanto ao modo de movimentação da ferramenta. Segundo Pleta (2018), no fresamento trocoidal, onde os movimentos são puramente circulares, a ferramenta realiza um caminho circular e incrementa o passo repetindo o movimento até que a geometria desejada seja atingida. O fresamento trocoidal tem demonstrado vários benefícios principalmente na usinagem de materiais a base de titânio e superligas de níquel.

Logo, a fim de contribuir na implementação de dados de sustentabilidade no processo de usinagem, este artigo correlaciona os indicadores econômico, social e ambiental sobre a produção de peças em ligas de titânio ASTM F136 através da comparação entre o fresamento de desbaste em camadas com insertos de Metal Duro e a aplicação de estratégia de fresamento trocoidal utilizando fresas inteiriças de Metal Duro.

 

Materiais e Métodos 

Para o presente estudo, foi utilizado como parte principal, um centro de usinagem CMX 50 U da marca DMG-Mori com cinco eixos.  A máquina possui movimentos nos eixo XYZ e giro nos eixos B e C com curso de trabalho de 500x450x400 mm sendo que a mesa do equipamento suporte cargas de até 200 kg de peso, com velocidade linear em movimento rápido do equipamento de 30m/min, com espaço para colocação de 30 Ferramentas no magazine. Ainda possui rotação máxima no spindle de 12000 RPM com potência de 15KW e 83Nm de torque. O software utilizado para programação foi o ESPRITCAM.

Quanto ao ferramental, foram utilizados ferramentas de corte de dois tipos. O inserto intercambiável de metal Duro de geometria APKT 11 T3 04 (R390-11 T3 04E-PL S30T) com suporte de fixação de 16mm de diâmetro (RA390-016O16L-11L). Sendo que para esta ferramenta utilizou-se 50m/min de velocidade de corte, profundidade de corte de 2 mm, profundidade lateral de 16mm com avanço de corte de 220mm/min (taxa de remoção de 7,05cm3/min). A estratégia de usinagem utilizada no processo foi o desbaste em camadas de nível em Z. Complementarmente, para comparação das estratégias de usinagem, foi utilizada outra fresa inteiriça de metal Duro com 25 mm de diâmetro e comprimento de corte máximo de 45 mm (497625008MT). 

Com esta ferramenta foi utilizado 200 mm/min de avanço linear, 45 mm de profundidade de corte, 2 mm de profundidade lateral de corte com 50m/min de velocidade de corte (taxa de remoção de 18cm3/min) a partir do método de desbaste trocoidal do software ESPRIT CAM (Profit Milling). Esta estratégia disponibilizada pelo software combina ângulo de engajamento, carregamento de cavaco, força lateral de corte e aceleração da máquina.

Quanto ao material utilizado para as análises, cabe destaque. Todas as usinagens foram realizadas na liga de titânio ASTM F136 (Ti-6Al-4V),uma das mais utilizadas no mundo, principalmente por apresentar uma excelente resistência à corrosão e resistência à tração, seguida de baixa densidade e ótima biocompatibilidade. Tais características proporcionam utilizações em dispositivos médicos e implantes, como também em aplicações na indústria aeroespacial, Lutjering (2007).

Para avaliar o processo produtivo nas duas condições aqui apresentadas, foram mensurados os indicadores de sustentabilidade nos níveis econômico, social e ambiental. Para o primeiro, os aspectos econômicos foram avaliados quanto ao custo do maquinário e ferramental, taxa de remoção de material (taxa de produção) e tempo de operação de usinagem. Para a relação ambiental, considerou-se a quantidade de resíduos gerados durante o processo, assim como consumo de energia e tempo de vida do ferramental. Por último, horas de trabalho manual e treinamento foram utilizados como indicadores sociais. A figura 1 apresenta esquematicamente a contribuição de cada um dos aspectos sobre a sustentabilidade.

Figura 1 - Diagrama esquemático das dimensões da Sustentabilidade segundo Cato (2009). 

Resultados e discussões

Os resultados apresentados referem-se somente a operação de desbaste, ou seja, foram desprezadas operações de usinagem complementares a fabricação da peça, uma vez que não fazem parte do escopo do estudo. Adicionalmente, os dados dos indicadores de sustentabilidade coletados foram normalizados com o intuito de não revelar valores sigilosos da empresa envolvida. Sendo assim, a partir da normalização, deve-se considerar valores próximos ou iguais a 1(um) como os melhores índices e, analogamente, próximos ou iguais a 0(zero), os piores.

A tabela 1 apresenta as relações obtidas entre os indicadores (normalizados) quanto aos aspectos econômicos. De modo geral, nota-se que a operação de fresamento utilizando Fresa Inteiriça MD apresentou indicadores superiores em relação ao Inserto Intercambiável. Analisando os índices individualmente, o processo de Usinagem com fresa inteiriça de Metal Duro com estratégia trocoidal se mostra economicamente uma solução superior pelo fato de prover uma redução de custo operacional da hora trabalhada em 50%. No entanto o custo com ferramentas de corte tem um incremento de 16%, em virtude do aumento da taxa de remoção de material na operação de desbaste em cerca de 156%.

Quanto aos aspectos ambientais, seguindo a mesma tendência dos econômicos, de forma ponderada, o Inserto Intercambiável apresentou indicadores mais próximos de zero, ou seja, inferiores a segunda estratégia de fabricação. O fator preponderante para tais considerações deve-se a economia de energia despendida durante o processo e principalmente, a vida da ferramenta. De acordo com os dados investigados, a redução do consumo de energia elétrica foi de 127% nas operações de fresamento trocoidal em consequência do tempo menor de operação. No entanto, em consequência do volume da fresa inteiriça de metal duro ser 400 vezes superior ao inserto intercambiável, tem-se um incremento no resíduo de metal duro enviado para reciclagem de 1.457%. 

Quanto ao aspecto social, a operação de fresamento trocoidal apresentou superioridade sobre todos os índices. A partir dos experimentos de fresamento por desbaste, foi constatado, que o emprego da Fresa Inteiriça reduz à utilização de mão de obra em trocas de ferramentas em 859%. Tal característica é importante, pois implica na redução da quantidade de treinamentos operacionais, tornando a fabricação mais autônoma e confiável.

A avaliação global da sustentabilidade foi obtida considerando os indicadores econômicos, ambientais e socias com o mesmo critério de peso. Logo, a partir da figura 2, é possível observar o predomínio dos índices da operação de fresamento trocoidal sobre a utilização de insertos intercambiáveis de metal Duro. 

É claro que o fator econômico foi relevante, no entanto, uma abordagem independente, ou seja, sem a consideração dos aspectos de sustentabilidade, indica que o baixo custo de implantação da ferramenta de Inserto Intercambiável poderia justificar sua utilização a partir do viés de investimento. Contudo, nota-se que o prisma sustentabilidade proporciona uma abordagem mais assertiva quanto aos índices econômicos, assim como orienta para outros indicadores que afetam o processo de produção e ambiente de fábrica. 

Figura 2 – Diagrama geral de sustentabilidade obtido para as condições de processamento.

Conclusões

A partir das análises observadas, mesmo que aplicada para uma operação de usinagem isolada, fica clara a importância e necessidade de esforços em processos de manufatura sustentável. O conhecimento colocado em prática ainda está em sua fase inicial, no entanto, a aplicação das ferramentas de análise permitiu identificar de modo efetivo a melhor condição de processamento em condições reais de fabricação. 

Complementarmente, possibilita, como critério de decisão, ser uma estratégia competitiva para melhoria e otimização dos processos de usinagem, onde os indicadores de sustentabilidade, além da valorização econômica, permitem também a criação de valor social, qualidade de vida, bem-estar dos trabalhadores e preservação da diversidade do planeta. 

Co-Autores

Dra. Muriel de Oliveira Gavira, professora nos Cursos de Administração e Administração Pública da Faculdade de Ciências Aplicadas da UNICAMP em Limeira.

Dr. Daniel Iwao Suyama, professor nos Cursos de engenharia de Produção e Manufatura da Faculdade de Ciências Aplicadas da UNICAMP em Limeira.

Dr. Rodrigo José Contieri, professor nos Cursos de engenharia de Produção e Manufatura da Faculdade de Ciências Aplicadas da UNICAMP em Limeira.

  

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