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OTIMIZAÇÃO DE UM PROCESSO DE

TORNEAMENTO COM MÚLTIPLAS

RESPOSTAS

Josielle Aparecida Giovanelli dos Santos (CEAVAP )

[email protected]

Andrew Cardoso de Brito (CEAVAP )

[email protected]

Ricardo Batista Penteado (UNESP )

[email protected]

Messias Borges Silva (UNESP )

[email protected]

Rubia Fernanda Toledo de Oliveira (UNESP )

[email protected]

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.

XXXVI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCÃO Contribuições da Engenharia de Produção para Melhores Práticas de Gestão e Modernização do Brasil

João Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016.


João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016. .

2

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



3

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



4

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.



5

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



7

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.



8

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



9

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



10

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)



11

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)



13

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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