Ganho de produtividade e redução de custo em máquinas CNC a partir do uso de presetting a laser

O estudo demonstra a possibilidade de redução significativa dos tempos de preparação de ferramentas em uma ferramentaria de moldes para injeção de metais não ferrosos, traduzindo-se em ganho considerável de produtividade e lucratividade.

Os avanços tecnológicos e a competitividade dos mercados vêm crescendo de forma acelerada e fazendo com que as empresas busquem novas possibilidades para conquistar seu espaço na produção (Vieira Júnior et al.,2011). Segundo Felix (2008), muitas empresas utilizam de novas tecnologias, que aplicadas de maneira correta em suas máquinas ou meio de produção, aumentam a precisão e a rapidez do processo, fazendo com que o índice de produtividade aumente gradativamente.

Nos processos produtivos existem grandes perdas devido aos tempos ociosos entre as preparações de máquinas e equipamentos que estão relacionados com a produção de lotes de produtos, seja em pequenas ou em largas escalas (Shingo, 2000).

Vieira Júnior et al. (2011) apresentam que nas empresas de usinagem são buscadas novas alternativas para elevar a produtividade, por meio de recursos que otimizam os tempos de produção. Uma das estratégias para aumentar a produtividade é a redução do tempo de preparação (setup ), por meio da efetividade das operações, fazendo com que os períodos que não agregam valor ao processo sejam reduzidos ao máximo durante a produção.

Um dos conceitos utilizados na área de usinagem para a redução do tempo de setup é o da Troca Rápida de Ferramentas (TRF) como apresentam Calhado et al. (2015) e Santos et al. (2014). No entanto, das operações que influenciam diretamente o tempo de setup¬, uma das menos estudadas e otimizadas é a operação do tempo de pré-ajustagem de ferramentas com uso de sistemas automáticos para medição de ferramentas, conhecidos como sistemas de presetting (Santos et al., 2006; Wiese et al., 2007).

O baixo uso destes sistemas é apresentado por Simon (2008) no estudo aplicado em 457 empresas de usinagem brasileiras, das quais 16,6% utilizam sistemas de pré-ajustagem de ferramentas que otimizam os tempos de preparação da usinagem. Das que não utilizam, os motivos evidenciados são: a falta de conhecimento da tecnologia e o alto custo.

Fardin et al (2010), Vieira Júnior et al (2011), Correr et al (2011), Fortunato (2012) e Vieira Júnior et al (2012) apresentam a redução dos tempos de preparação do processo de usinagem com o uso dos sistemas de presetting automáticos em relação ao método de pré-ajustagem manual de ferramentas. Costa et al. (2014), Vieira Júnior et al. (2015) e Costa et al. (2015) apresentam os benefícios obtidos com o uso de sistemas de presetting automáticos no que se refere ao aumento de produtividade e qualidade dimensional da peça.

Portanto, o presente trabalho visa comparar os tempos de pré-ajustagem de ferramentas utilizando o método manual e automático (sistemas de presetting), em uma empresa de usinagem da cidade de Limeira/SP, e avaliar o aumento da produtividade no que se refere à ampliação da disponibilidade das máquinas-ferramentas CNC e a economia gerada no processo produtivo da empresa.

Iderações finaiseferencial teórico

Produtividade nos processos de usinagem

Desde o surgimento de novas máquinas-ferramentas CNC na década de 1970, a referência da produção passou a ser avaliada pelos lotes produzidos, ou seja, o tamanho do lote era o parâmetro da produção, tendo em vista que os lotes eram cada vez menores. Por isso, tornou-se o uso de várias ferramentas algo de grande importância em operações de usinagem com o intuito de manter o tempo de ociosidade da máquina o menor possível (Smith, 2008).

Segundo Antunes et al. (2008), as perdas que fazem parte dos sistemas de produção tem como origem a caracterização em alguns processos, dentre esses destacam-se: processo por superprodução; transporte; processamento de materiais; defeitos e estoques. Também existem as perdas em operação, que são: movimentos desnecessários de operadores e fila ou a espera dos lotes. Todas as perdas relacionadas com as operações de setup influenciam diretamente nas perdas de processo e operação.

Pereira (2007) apresenta que a adequação de técnicas, sistemas, ferramentas e máquinas pelas empresas de usinagem, auxiliam no alcance de melhores índices de produtividade, reduzindo as paradas de máquinas e aumentando a produção sem desperdício de tempo e recursos existentes na fabricação.

A redução do tempo de máquina parada e, consequentemente, o aumento da disponibilidade da máquina para produção nas empresas de usinagem, segundo Sandvik (2012), é influenciada por diversos fatores: seleção do método de usinagem; definição do tipo de ferramenta; redução do número de troca de ferramentas; disponibilidade de produto; e, especialmente, redução do tempo de setup, sendo que em muitos casos o tempo de setup é maior que o tempo de usinagem.

Tempos de setup

O tempo para preparação das máquinas, incluindo as atividades de usinagem, deve ser considerado com todos os movimentos executados (setup) entre a conclusão de uma peça de um determinado lote até o início da próxima operação de usinagem (Shingo, 2000). Esse tempo abrange uma diversidade de operações nos processos de usinagem, como a substituição de peças, equipamentos e pré-ajustagem das ferramentas. A redução no tempo de setup resulta em um fluxo constante sem interrupções. Segundo Slack et al (2007), mudanças simples podem reduzir consideravelmente os tempos de setup.

Segundo Nishida (2005), realizar um setup com rapidez é considerado um fator de extrema importância para equilibrar uma produção, possibilitando assim trabalhar de uma forma eficiente, eliminando estoques desnecessários, cumprindo com os prazos e atendendo a demanda dos clientes com maior agilidade.

Aronson (2000) apresenta que durante o processo de usinagem, a empresa deve dedicar seus esforços na redução de tempos perdidos ou ociosos durante a etapa de setup da máquina, executando de forma rápida e com grande precisão.

Reduzir o tempo de setup das máquinas é fundamental para as empresas que estão ligadas a usinagem (Wiese, 2007). Baseado neste contexto, para reduzir esses tempos, as empresas vem buscando novas soluções e tecnologias que contribuam para tal eficiência (Fardin et al, 2010).

Autores como Calhado et al (2015), Santos et al (2014) utilizam do conceito de TRF para redução dos tempos de setup nos processos de usinagem, entretanto, das operações que influenciam diretamente no tempo de setup. A operação de pré-ajustagem de ferramentas é ainda pouco otimizada (Santos et al, 2006; Wiese, 2007).

Pré-ajustagem de ferramentas

Nas máquinas-ferramenta CNC, o processo de pré-ajustagem de ferramentas se baseia em informar ao comando da máquina as dimensões das ferramentas que serão utilizadas durante a operação de usinagem. Este processo é também conhecido como referenciamento das ferramentas (Correr, 2006).

O processo de pré-ajustagem de ferramentas para centros de usinagem CNC, segundo Correr (2006) e Simon (2008), pode ser realizado pelo sistema de medição manual, externo, e interno (quadro 1).


Nas operações de pré-ajustagem de ferramentas realizadas de forma manual, a qualidade da medição depende de múltiplos fatores, sendo que o conhecimento e experiência do operador é um dos mais relevantes. O quadro 2, apresenta limitações relacionadas ao processo de medição manual que influenciam no produtividade do processo.


As limitações do processo de medição manual apresentadas anteriormente podem ser minimizadas/eliminadas com o uso de sistemas automáticos de presetting internos.

Fardin et al. (2010), Viera Júnior et al (2011), Correr et al (2011), Fortunato (2012), Vieira Júnior et al (2012) apresentam os benefícios obtidos com o uso de sistemas de presetting internos relacionados ao ganho e produtividade em função da redução do tempo de pré-ajustagem de ferramentas comparado ao sistema manual.

Costa et al. (2015) demonstram o ganho de produtividade e redução de perdas com o uso de sistema de presetting de ferramentas interno a laser em uma empresa de usinagem que trabalha com produção em pequenos e grande lotes.

Vieira Júnior et al. (2015) apresentam um comparativo das variações na qualidade dimensional causadas pelo método manual e automático de pré-ajustagem de ferramentas em centro de usinagem, na qual as variações foram de ±0,1 mm para o processo manual e de ±0,01 mm para o processo automático.

Metodologia de pesquisaiderações finais

O presente artigo possui abordagem quantitativa de caráter exploratório e natureza aplicada, uma vez que o local que a pesquisa foi realizada serviu como fonte de coleta de dados, análise do efeito das ações e avaliação dos resultados. Por meio do aprimoramento do conceito do objeto de estudo (revisão bibliográfica), os conhecimentos adquiridos foram aplicados na prática, voltados à resolução do problema (Lacerda et al., 2007; Gil, 2002).

O método aplicado foi a pesquisa experimental e se baseou-se no procedimento apresentado por Turrioni e Mello (2012):

(i) Planejamento do experimento;

(ii) Operacionalização das variáveis;

(iii) Estabelecimento das relações causais;

(iv) Definição das técnicas de análise dos dados do experimento;

(v) Especificação da unidade de análise do banco de ensaio;

(vi) Especificação do tempo para condução do experimento;

(vii) Projeto do experimento;

(viii)Realização do experimento e coleta de dados;

(ix) Análise dos resultados e;

(x) Conclusão.

Pesquisa experimental

O método experimental foi utilizado para avaliar os tempos gastos nas operações de pré-ajustagem de ferramentas em máquinas CNC em uma empresa prestadora de serviço de usinagem da região de Limeira/SP que trabalha com a fabricação de moldes para injeção de alumínio.

Com a realização de dois grupos de ensaios, foram analisados os tempos envolvidos na (i) operação manual de pré-ajustagem de ferramentas e (ii) com o uso do sistema de presetting a laser, para avaliar o ganho de produtividade.

O maquinário utilizado para os ensaios foi um centro de usinagem CNC, do fabricante Romi, modelo Discovery 1250, dentro de um grupo de nove máquinas que a empresa possui com as mesmas características.

O produto selecionado é fabricado em aço ABNT 1045 e foi utilizado o seguinte ferramental: fresa de topo de haste paralela nos diâmetros de 40 mm, 25 mm, 12 mm, 6 mm, 4 mm; fresa esférica de haste paralela nos diâmetros de 2 mm; broca de haste paralela nos diâmetros de 8 mm.

Os instrumentos de medição utilizados para os ensaios foram: sistema automático a laser para medição de ferramentas, da fabricante GeoTecno, modelo TSG-130, com repetibilidade de 2 µm e acuracidade de 2 µm; relógio apalpador, da fabricante Mitutoyo, 0,8 mm, resolução 0,01 mm; paquímetro digital, da fabricante Mitutoyo, na faixa de 0-150 mm e resolução 0,01 mm.

Ensaios

Ensaio com pré-ajustagem manual

Para o ensaio com pré-ajustagem manual foram utilizadas condições normais de usinagem para o produto selecionado (figura 1), na qual os meios utilizados para a pré-ajustagem manual das ferramentas são adotados pela empresa como norma prática para produção, por meio da experiência dos operadores.

Figura 1 – Produto selecionado

Foi realizada a fixação da peça selecionada na mesa do centro de usinagem com o uso de grampos de fixação e realizado o alinhamento da mesma com o uso de relógio apalpador. Posteriormente a fixação da peça, foi realizada a indexação das ferramentas no magazine da máquina e realizado a pré-ajustagem manual de cada ferramenta utilizada no processo (9 ferramentas).

A pré-ajustagem manual para cada ferramenta foi realizada pelo operador, com a aproximação manual da ferramenta no sentido do eixo Z até a face de um calço retificado de 10 mm, posicionado na face plana da peça. O operador definia o comprimento da ferramenta quando a mesma encostava-se ao calço retificado baseando-se na sua sensibilidade de detecção do contato ferramenta/calço (figura 2a). Posteriormente era realizada a medição do diâmetro e do batimento da ferramenta com o uso do relógio apalpador rotacionando manualmente a ferramenta (figura 2b). Para cada procedimento apresentado o operador insere os dados das medições manualmente na IHM (Interface Homem Máquina) da máquina e realiza as correções necessárias.

Figura 2 – Medição do comprimento da ferramenta (a) e medição do diâmetro e batimento da ferramenta (b)

A coleta do tempo das medições das ferramentas foi realizada durante o processo de fabricação do produto estudado, com o acompanhamento de um dos autores do presente artigo, sem interferência, e cronometrada. O quadro 3 apresenta todos os tempos envolvidos no processo de fabricação e os tempos de medição de ferramentas.


Ensaio com pré-ajustagem automática

Para o ensaio com o uso da pré-ajustagem automática de ferramentas, foram seguidos os mesmos parâmetros utilizados no ensaio anterior: programa, parâmetros de usinagem, centro de usinagem, produto a ser usinado. Foi alterado apenas o processo de medição das ferramentas (fases 14 e 15 do quadro 3).

Inicialmente foi realizada a instalação do sistema automático a laser para medição de ferramentas - TSG-130 (figura 3) com a fixação do equipamento na mesa do centro de usinagem. Posteriormente foi realizado o referenciamento do equipamento com o comando da máquina-ferramenta em conformidade com o manual do fabricante.

Figura 3 – Sistema automático a laser para medição de ferramentas (TSG-130

Após a rotina de referenciamento, a posição do feixe laser é reconhecida pelo comando da máquina como referência padrão para todas as ferramentas. A partir disso todas as ferramentas são medidas e suas informações são inseridas automaticamente no comando da máquina-ferramenta.

Análise dos resultados e discussõesiderações finais

A tabela 1 apresenta os resultados obtidos na realização dos ensaios descritos anteriormente.



Como pode ser observado, a somatória das nove operações realizadas para a pré-ajustagem das ferramentas pelo método manual somou 34:22 (minutos). Já para o processo automático, somou 03:52 (minutos), o que representa uma economia no tempo de medição de 30:30 (minutos). Ou seja, o tempo médio para medição de cada ferramenta girou em torno de 03:50 (minutos) para medição manual e de 00:26 (minutos) para medição automática.

Com base nos históricos das ordens de produção e do Registro de Não Conformidades (RNC) no ano de 2015, disponibilizados pela empresa estudada, foi realizado um levantamento e identificado que a mesma realiza uma média de 125 construções (conjunto montado com peças usinadas) com o uso médio de 80 ferramentas para cada construção.

A tabela 2 apresenta o aumento do tempo da disponibilidade das máquinas CNC que a empresa obteria no caso de utilizar sistemas de presetting automático a laser em todas as máquinas CNC (9 máquinas). Foi também calculado, com base no valor hora/máquina fornecido pela empresa, o valor financeiro (R$) correspondente ao custo embutido nas operações de presetting decorrentes da maior indisponibilidade das máquinas no caso da pré-ajustagem manual.



Como pode ser observado na tabela 2, o tempo médio de medição por ferramenta após a utilização do sistema de presetting automático a laser foi de 3min24seg, multiplicando este valor pelo número médio de ferramentas utilizadas anualmente que seria de 10.000, resultado da fabricação de 125 conjuntos com uso médio de 80 ferramentas por conjunto, resultaria em um aumento do tempo de disponibilidade de máquinas para produção em 566h40min, tempo este que se multiplicado pelo custo de R$ 120,00 da hora/máquina indica um custo embutido da ordem de R$ 68.000,00 anuais, que pode ser eliminado com o uso de sistemas de presetting automático a laser.

Deve ser ressaltado ainda, que a redução de custo de R$ 68.000,00 anuais pode vir a ser maior com o uso de sistema de presetting automático, no que se refere a outros fatores influenciados pela pré-ajustagem de ferramentas como: quebra de ferramentas durante o processo de medição manual e desvios dimensionais (formação de degraus na peça) causados pela medição manual, que podem refletir em retrabalho e descarte da peça.

A título de informação, baseando-se nos históricos das ordens de produção e do Registro de Não Conformidades (RNC) no ano de 2015, os problemas relacionados aos desvios dimensionais causados pela pré-ajustagem manual giram em torno de 10% das peças fabricadas e que posteriormente devem ser retrabalhadas, bem como problemas relacionados a quebra de ferramentas durante pré-ajustagem manual, que giram em torno de 2% das ferramentas, nesse caso devendo realizar a substituição da ferramenta danificada. Isso indica que novas pesquisas e estudos futuros relacionados aos benefícios gerados pelo uso de sistemas de presetting, não apenas relacionados a redução do tempo de medição, são necessárias para a identificação completa dos ganhos de produtividade resultantes do uso de sistemas de presetting automático a laser.

Considerações finaisiderações finais

Com base nos objetivos propostos do presente artigo e diante dos ensaios realizados conforme a metodologia definida e dos resultados obtidos, pode-se concluir que:

a) O uso do sistema de presetting automático a laser permite a redução do tempo de medição de ferramentas se comparado ao processo de pré-ajustagem de ferramentas pelo método manual, conforme apresentado na tabela 1;

b) O uso do sistema de presetting automático a laser possibilita o aumento da disponibilidade da máquina-ferramenta CNC e redução de custo adicional de pré-ajustagem de ferramentas, conforme apresentado na tabela 2.

Adicionalmente, outros ganhos de produtividade, não comprovados no presente trabalho, podem ser obtidos, bem como ganhos de qualidade das peças usinadas, também não estudados neste artigo. Sugere-se que esses temas sejam objetos de estudo em trabalhos futuros.

Agradecimentos finaisiderações finais

Os autores agradecem o apoio da empresa Modelação Wibra, local da realização dos experimentos, e da empresa GeoTecno Soluções em Automação, que cedeu equipamentos para a realização desta pesquisa.

Co-autores

MILTON VIEIRA JÚNIOR – mvieirajr@uninove.br

WILSON ROBERTO BERGAMIN – wbergamin@hotmail.com

RAFAEL DE LIMA APOLINÁRIO – rafael_apolinario@live.com

EDINAURA BATTISTI – edinaurabattisti93@gmail.com


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