Clássicos da Usinagem - A arte de cortar metais

Esta artigo apresentará resenhas de textos clássicos sobre manufatura por usinagem, de fontes variadas, como livros e outros textos científicos, que merecem respeito nos diferentes ambientes que envolvem os processos de usinagem, desde o chão de fábrica que diariamente faz cavaco até os setores de planejamento e projeto das indústrias de manufatura, passando inevitavelmente pelos diferentes níveis acadêmicos.

Enfim, são textos que merecem ser lido e relidos, pois uma grande parte dos problemas atuais no dia a dia da usinagem já foram de alguma forma discutidos no passado e a solução de problemas atuais pode passar pelo mesmo pensamento que os antigos já enfrentaram.

Nada mais justo que iniciar esta jornada com a apresentação de uma resenha da primeira parte do livro ON THE ART OF CUTTING METALS, escrito ao longo da vida de pesquisador daquele que pode ser considerado como um dos fundadores do pensamento científico na indústria, o próprio Frederick Winslow Taylor, conhecido somente por Taylor.

Este mesmo texto também foi publicado em forma de artigo científico em um famoso periódico internacional. Entretanto o livro completo, que leva o mesmo nome, será apresentado em diversas resenhas, e esta é apenas a resenha da parte 1.

Uma vez que Taylor dispensa comentários sobre o conjunto de sua obra, o texto específico ON THE ART OF CUTTING METALS pode ser entendido como uma espécie de resumo, verdadeiramente um diário sobre uma de suas linhas de pesquisa (em termos atuais da academia), visto que Taylor é famoso por consolidar um pensamento científico na administração da produção e, com certeza, as empresas de manufatura em que Taylor atuou foram plantas industriais de usinagem, fundição e forjamento. Para situar o leitor, o texto de Taylor tem sua publicação final completa em 1906, época em que não havia plásticos ou outros processos que não utilizassem invariavelmente metais para serem usinados.

Um ponto importante sobre ler o texto original do Taylor (que pode ser acessado em domínio publicado na internet), é perceber o estilo tipo “diário de conclusões” com que a primeira parte do texto foi escrito. Ao longo das 29 páginas iniciais, que encerram a primeira parte, Taylor apresenta diversos conceitos que não estão separados por tópicos. Isto é interessante pelo fato de que um texto científico muito longo, sem divisão em itens ou capítulos, tem muita chance de “perder sentido”. Entretanto, o texto de Taylor é coeso e interessante de ler, mesmo com a mudança súbita de assuntos entre um parágrafo ou outro.

A parte 1 do texto tem apenas 29 páginas e 129 parágrafos (numerados), forma de redação que remete ao “diário de conclusões”. Mas a parte 2, apesar de dividida em itens, mantém o mesmo estilo de escrita, com parágrafos numerados que permitem uma leitura com pausas entre os parágrafos, pois os mesmos mudam de assunto, mas sempre sobre o mesmo tema do contexto. Na parte 2, há uma preocupação com a divisão do texto em itens e tópicos, principalmente pela quantidade de páginas (209, incluindo o índice da parte 2).

Já no começo da obra, com grafia diferenciada para trazer o devido destaque ao texto, Taylor define até o quinto parágrafo o problema da usinagem e qual é o principal propósito do texto. A figura a seguir é descrição de Taylor para o problema diário da usinagem nas oficinas:

(Que traduzido será):

A - Qual ferramenta devo utilizar?

B - Qual velocidade de corte devo utilizar?

C - Qual avanço devo utilizar?

Uma imediata reflexão pode ser feita por qualquer profissional da usinagem, sobre o caráter atemporal destas perguntas, pois, de 1906 até hoje, as perguntas são as mesmas. É claro que com soluções e possibilidades distintas atualmente, mas as perguntas são exatamente as mesmas...

Ainda no início da parte 1, Taylor particulariza suas conclusões no texto para operações que o próprio autor denomina “desbaste”, mas sem desconsiderar a importância das operações que ele mesmo denomina “mais leves”. Taylor busca solucionar o problema das três questões da figura 1 com a construção de uma espécie de “régua de cálculo”, uma espécie de gráfico que auxilie os operadores na realização de suas tarefas particulares de planejamento e execução do processo de usinagem em cada situação do dia a dia da manufatura.

Para concluir a importância da ideia de formar um “gráfico” ou “régua de cálculo”, Taylor deixa claro que considera o técnico mais bem treinado aquele que utiliza esta “ajuda” científica do que aquele que somente se apoia em experiência. Taylor não despreza a experiência, mas considera que esta pode ser melhorada com o estudo científico.

No parágrafo 11, Taylor esclarece que existem 12 variáveis que atuam conjuntamente, resultando na base das relações que formarão a “régua de cálculo” na prática da usinagem. Estas variáveis são:

Taylor na continuidade do texto busca encontrar relações exclusivas e mútuas entre estas variáveis e a velocidade de corte. E, como pode ser percebido pelo leitor, nem todas as doze variáveis se relacionam com a velocidade de corte diretamente.

Desta forma, o trabalho científico desenvolvido se dividiu em 4 etapas sugeridas por Taylor como sendo:

A- Determinar com base em experimentos e nos principais fatos científicos as possíveis leis relacionadas à arte de cortar metais;

B- Encontrar relações matemáticas que tornem a explicação dos fatos e leis simples para o uso diário;

C- Conhecer limitações e possibilidades das máquinas operatrizes;

D- Desenvolver uma régua de cálculo que incorpore as relações matemáticas que descrevem as leis.

No parágrafo 17, Taylor descreve uma experiência de sucesso em aumentar a produtividade com base em experimentos científicos, quando comparado com o conhecimento pré-existente, baseado somente em experiência. Entretanto, ele salienta que este sucesso só foi possível devido ao gerenciamento baseado no pensamento científico que os até então empresários industriais, das empresas onde estes ensaios foram realizados, acreditavam. Taylor desenvolveu seu texto com base em experimentos em chão de fábrica, e encontra-se pouquíssimo em seu texto sobre experimentos realizados em laboratórios de pesquisa.

A principal característica observada por Taylor em seus ensaios nas diferentes indústrias sempre foi a velocidade de corte. Um detalhe importante é que estes resultados se estenderam por anos de análise de uma equipe, e nunca um resultado particular de um pesquisador ou outro. Naquela equipe de pesquisadores cada membro possuía habilidades particulares destacadas: metalurgistas, gerenciadores, matemáticos e integradores de soluções, como é o caso do próprio Taylor.

Diversas empresas participaram dessas investigações realizadas ao longo dos 26 anos. E nenhum nome em particular merece destaque, com exceção da Midvale Steel Company, onde o trabalho começou.

Ainda dentro do rigor da pesquisa científica no chão de fábrica no qual diversas pessoas entram em contato com o estudo realizado, Taylor deixa claro que nenhum conhecimento foi vendido, mas o pagamento pela investigação sempre aconteceu. As empresas se beneficiaram dos resultados inevitavelmente. O sigilo sempre foi mantido sobre os resultados investigados.

Uma situação interessante da posição de pesquisador de Taylor é que, mesmo após desenvolver centenas de observações em usinagem, as conclusões e leis formuladas são consideradas como resultados específicos deste universo experimental, e que outros pesquisadores tem a possibilidade de chegar aos mesmos resultados. Taylor considera o resultado local e particular. De maneira organizada cronologicamente, os parágrafos 33 a 50 apresentam de maneira reduzida parte das conclusões de observações de diversos ensaios em usinagem. Seguem algumas conclusões de Taylor:

A - A ferramenta de corte com raio de ponta oferece maior vida que ferramentas com ponta sem raio de concordância

B - Alto avanço e baixa velocidade de corte resultam em maior vida que a situação oposta

C - Refrigeração em jato constante com alto fluxo aumenta a vida da ferramenta e que fluxos reduzidos são inadequados

D - Quão maior a espessura de corte, menor deve ser a velocidade de corte

(...)

M - Em 1886, uma demonstração experimental ensinou que a espessura do cavaco possui maior influência na velocidade de corte que qualquer outro elemento, salientando novamente conclusões anteriores de que é melhor utilizar alto avanço e baixa velocidade de corte que o contrário.

N - O uso de aços autoendurecíveis em substituição a aços somente temperados como material da ferramenta de corte

O - O uso de refrigeração em ferramentas autoendurecíveis permitiu o aumento da vida, porém os fabricantes das ferramentas não aconselham o uso de refrigeração

Q - Ferramentas de aço-cromo-tungstênio, quando aquecidas até próximo da fusão, permitem aumento significativo do total de cavaco removido... (pode-se considerar tais conclusões como a fundação do aço rápido em escala industrial para ferramentas de corte)

R - É construída uma primeira versão da “Régua de cálculo”

S - Refrigeração aumenta a vida da ferramenta na usinagem de ferro fundido

T - Em 1906, a adição de vanádio no aço-cromo-tungstênio aumenta a dureza a quente e a vida ao desgaste, além do aumento da velocidade de corte

Taylor ao longo do texto, por mais de uma vez, considera possível o pagamento por produtividade ao invés do pagamento por jornada. E fica claro para ele a diferença que deve ser feita para recompensar o trabalho que foi feito mais rápido, quando comparado com esta mesma tarefa realizada mais devagar. Ele acredita em uma espécie de “bônus” por produtividade. E desta forma a régua de cálculo se torna uma forma de previsão no gerenciamento. O controle do tempo baseado na experiência perde força em relação ao caráter provisional do uso da régua de cálculo.

No parágrafo 53, Taylor expressa a dificuldade em se encontrar uma formulação matemática que resulte com boa precisão na régua de cálculo. Sejam as dificuldades expressas por Taylor:

Primeiro – Encontrar uma simples fórmula matemática que expresse com precisão confiável o efeito de cada variável sobre a velocidade de corte.

Segundo – Encontrar um método fácil para aplicar esta fórmula.

O leitor não pode se esquecer que a formulação de Taylor para construir uma régua de cálculo considera as doze variáveis citadas anteriormente.

E da mesma forma que Taylor é respeitado pela análise científica do método de trabalho, no parágrafo 55 o autor deixa claro a importância de observar o efeito de uma variável por vez. Além disso, por ser um integrador de soluções, a sua parcela de experimentalista também descreveu em seu texto as possíveis fontes de erros experimentais, divididos em:

a) - A adoção de padrões errados ou inadequados para medir o efeito de uma variável sobre a velocidade de corte

b) - Fracasso em manter verdadeiramente constante uma variável que foi considerada fixa, tão logo esta deve ser constante durante o desenvolvimento da investigação

c) - A omissão ou falta de cuidado na precaução que deve ser tomada para garantir precisão ou falhar em registrar algum resultado direto ou indireto do fenômeno considerado como “menos importante” no momento de sua ocorrência, mas que se provou importante e essencial para o entendimento dos fatos.

Após explicar sobre o método de investigar, Taylor - na segunda metade da parte 1 - procurou apresentar o método científico que garanta confiabilidade aos resultados medidos. Ele apresenta critérios estabelecidos para o desenvolvimento de experimentos. E de maneira prática, Taylor estabelece para o limite em tempo para a vida útil de uma ferramenta de corte em 20 minutos. É o primeiro momento no texto em que um valor específico de critério é apresentado. Em resultados práticos, pode ser muito ou pouco para as diferentes realidades, porém, o principal não é o valor, mas sim a ideia de critério. E, após isto, Taylor enfatiza a necessidade de se alterar uma variável por vez.

No parágrafo 70, Taylor apresenta uma relação de erros experimentais aprendidos pelos pesquisadores, sendo estes:

i - Tempo de vida medido erroneamente

ii - Mudança de tonalidade da ferramenta como padrão de medição

No parágrafo 76, Taylor descreve uma espécie de recomendação àqueles que desejam fazer experimentos científicos em qualquer campo. Em primeiro lugar, deve-se identificar todas as variáveis/ elementos pelos quais resultados práticos podem ser esperados, e depois selecionar os mais simples e elementares destes elementos para investigar e, somente após isto, investigar os elementos mais complicados.

Uma situação interessante ocorre no parágrafo 84 quando Taylor questiona os resultados de outros pesquisadores para formar um padrão ou para dedução de alguma formulação matemática. Taylor é direto em questionar os resultados produzidos por pesquisadores industriais de Manchester, Inglaterra, assim como ele, e também por cientistas na Alemanha, pois:

(1) - A forma da ferramenta não foi mantida constante nos ensaios

(2) - A qualidade do aço variou ao longo dos ensaios

(3) - O tratamento térmico foi negligenciado

(4) - A profundidade de corte não foi definidamente constante

(5) - Houve variação não prevista na peça forjada e fundida

Assim como foi explicado no início desta resenha, ocorrem mudanças súbitas no assunto de um parágrafo para outro, mas sempre dentro do contexto. No parágrafo 85, Taylor retoma a importância da velocidade de corte e da variável que mais tem influência sobre a velocidade de corte que é o avanço.

E como é certo, seja com Taylor ou não, a área de corte é uma consequência do avanço e do ângulo de posição. Taylor não descreve a importância deste segundo aspecto, mas deixa certo em seu texto que a pressão exercida sobre a superfície da ferramenta pelo cavaco tem menos influencia que a influência exclusiva do avanço.

Nós sabemos que, na definição da área de contato entre ferramenta e peça, a decomposição da força de corte exercida sobre a área de contato se torna a pressão de corte. Não se discute neste momento se esta área é real ou aparente, que é assunto da tribologia investigada décadas após Taylor, mas apenas a relação direta no qual a pressão é a decomposição da força sobre a área, e que esta área é o produto do avanço pela profundidade de corte. Taylor é claro a partir do parágrafo 85 que se deve investigar a influência do avanço e depois a influência da profundidade na velocidade de corte, pois em escala de importância, a profundidade tem menor peso quando comparado com o avanço.

No parágrafo 92, Taylor conclui que parece não existir alguma relação traçável entre a tal pressão exercida pelo cavaco e a velocidade de corte. Por outro lado, uma questionável relação entre dureza da peça e pressão sobre a superfície da ferramenta.

Logo na sequência da discussão sobre pressão, surge comentário sobre a influência do calor sobre o desgaste e a deformação da ferramenta de corte. E seu estudo considera que o calor irá crescer diretamente em proporção a três elementos:

a) - Intensidade da pressão do cavaco sobre a ferramenta

b) - A velocidade de deslizamento no qual o cavaco desliza sobre a ponta de ferramenta

c) - O coeficiente de atrito entre a ferramenta e o cavaco

E logo na sequência de sua breve discussão sobre o calor, Taylor assume novamente o fracasso em relacionar pressão do cavaco e a velocidade de corte.

No parágrafo 95, Taylor deixa claro um aspecto muito curioso de seu texto que é um caso de ingerência de um jovem pesquisador em relação às diretrizes da investigação. Ele é questionado sobre a validade de continuar os testes sobre a pressão em relação à velocidade de corte, que, para Taylor, já havia mais validade.

O recém-contratado decide levar o caso à alta administração que o certifica da confiança no trabalho em geral, mas o próprio Taylor se dispõe a medir os valores para que o pesquisador recém-contratado publique os resultados. O texto não deixa claro o exato desfecho do caso, mas as publicações com os experimentos propostos pelo jovem pesquisador nunca existiram.

Apesar do assumido fracasso, Taylor segue realizando experimentos que expliquem a relação entre pressão do cavaco sobre a ferramenta de corte e a velocidade de corte, mas passa a considerar, muito próximo do final do texto na parte 1, que esta relação seria sem utilidade no planejamento diário do processo de usinagem.

Com base neste pensamento, procura reduzir os esforços em investigar esta relação e aconselha os demais pesquisadores para que se concentrem em investigar relações entre variáveis mais úteis e de controle direto no processo.

E como citamos anteriormente sobre as mudanças de assunto entre os parágrafos, a partir do 105 é possível realmente considerar que o texto é um marco para a aplicação dos aços de alto teor de elementos de liga, seguidos de tratamento térmico específico. E doravante é possível considerar na industrialização por usinagem que as velocidades de corte se tornam elevadas em relação ao padrão da época e o termo aços de alta velocidade ou “aços rápidos” torna-se uma realidade.

Mais um caso curioso é apresentado no texto quando Taylor, após escolher um determinado aço que deveria ser aplicado como padrão para as ferramentas de corte, realiza uma exposição fracassada frente aos profissionais de uma das empresas onde diversas investigações foram realizadas. Ele havia definido uma composição de aço que teria sido superaquecido durante sua têmpera.

Com isto, mesmo sob velocidades mais baixas, não foi possível obter o rendimento adequado no que se refere à vida da ferramenta. Entretanto, confiante na influência do tratamento térmico sob o aço alta liga, ou “aço rápido”, Taylor passa a investigar não somente a influência do primeiro ciclo de têmpera, mas também a possibilidade de uma “retêmpera” para recondicionar a ferramenta de corte danificada ao longo da usinagem.

E, ao longo das investigações sobre a influência da temperatura da têmpera, tornou-se possível com a grande quantidade de experimentos que houve um aumento de vida sob temperaturas mais elevadas, quando comparado com um patamar anterior de menor temperatura...

Passa então a existir uma leitura do efeito de dureza de segunda fase, condição que melhora o desempenho do aço rápido ao operar sob temperaturas mais elevadas e não sob patamar médio no qual a segunda fase de dureza não é obtida.

No parágrafo 117, ocorre novamente uma mudança súbita de assunto, mas neste caso o novo assunto seguirá até o final, no qual Taylor enfatiza o esforço do gerenciamento em aplicar a régua de cálculo.

Ele é muito claro sobre a mudança de mentalidade no gerenciamento, e utiliza a expressão “mudança revolucionária” na atitude mental na força de trabalho em todos os níveis para utilização da régua de cálculo que o novo método de trabalho somente resultará em aumento de produtividade com o devido controle da operação, e não somente com o aconselhamento dos operadores a assumirem o uso da régua de cálculo proposta. Taylor tem consciência do tempo necessário para estas mudanças tomarem lugar e proporcionarem ganho efetivo.

Um fato interessante na sequência de pensamentos das vantagens do novo método de trabalho é que Taylor afirma proporcionar aumento de produtividade e redução de desperdícios da ordem de 20 a 35%... Tais valores seriam no futuro, por volta dos anos 50 do século passado, enfatizados por Taichi Ohno, fundador do Sistema Toyota de Produção, dentro da aplicação da mentalidade Lean nas empresas...

No parágrafo 118, Taylor se posiciona como um incentivador da inovação dentro de seu sistema de trabalho que tem como método a informação descrita da tarefa a ser feita e como esta tarefa deve ser feita, e que qualquer melhoria deve ser implementada e proporcionar um padrão com possibilidade incremental de ganhos, e não uma forma estática de execução das tarefas diárias baseada em experiência, que muitas vezes se opõem à inovação, mesmo sem aplicá-la.

Logo à frente, Taylor mais uma vez utiliza uma expressão que ficaria popular no Sistema Toyota de Produção: Simplificação do trabalho significa padronização. Este pensamento atualmente na engenharia de produção é massificadamente atribuído à revolução proposta pelo sistema Toyota de produção, porém ele começa com Taylor, quase meio século antes.

No parágrafo 121, Taylor é claro em dizer que o novo método de administração baseado em instruções claras e formalizadas, e que acompanha instantaneamente a execução das tarefas, é muito mais complicado que o método antigo de gerenciamento baseado em números finais e com a separação distinta dos trabalhadores que são produtivos e aqueles que não são... e neste segundo caso um erro de postura gerencial que permanece até hoje.

Ainda dentro da ideia de um novo método de trabalho, Taylor é objetivo em dizer que cada trabalhador com sua função devidamente descrita, e sendo este supremo na sua execução, sem a interferência na função dos demais, conduzirá à simplicidade das rotinas de trabalho, e não a sua complicação.

Taylor encerra a parte 1 de seu texto enfatizando o termo “cooperação verdadeira”. Ele escreve que foi-se o tempo em que um indivíduo obtém o melhor resultado em suas funções sem a ajuda de outros. Ele comenta sobre um profissional ser supremo em sua especialidade e que a atuação harmoniosa entre tais profissionais conduzirá ao pensamento, expresso em grafia na figura 2. A tradução da figura 2 a seguir é a própria conclusão que dispensa comentários particulares e somente um expresso agradecimento ao autor, pois sua contribuição na usinagem realmente torna o ofício laborioso de cortar metais uma verdadeira ARTE.

“Diversos homens quando cooperando verdadeiramente, mesmo se suas habilidades são comuns, podem atingir aquilo que seria próximo do impossível para um único homem com habilidades excepcionais.”

“Experimentos caros podem ser conduzidos com sucesso por um homem sem dinheiro, e o mais difícil problema matemático pode ser solucionado por matemáticos comuns; contanto que eles estejam dispostos a pagar o preço com tempo, paciência e trabalho duro.”

“O velho ditado é novamente acertado ao dizer que todas as coisas vêm para aquele que espera, se este apenas trabalhar duro enquanto aguardar”.

Obrigado, boa usinagem a todos, ciência para as massas.

Fonte Usinagem Brasil

(*) Marcelo Acacio de Luca Rodrigues é engenheiro mecânico, doutor em engenharia mecânica, licenciado em filosofia, microempresario e professor universitário.



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