Alcançando Excelência em Usinagem: Equilibrando Produtividade, Qualidade e Custo

Introdução

Na produção de uma vasta gama de peças de materiais de peça amplamente diferentes, fabricantes utilizam uma variedade de processos de usinagem. Independentemente, o objetivo comum de todos os fabricantes é criar um certo número de peças de uma qualidade desejada, em uma quantidade específica de tempo e a um custo apropriado.

Muitos fabricantes alcançam esse objetivo seguindo um modelo de perspectiva estreita que começa com seleção e aplicação de ferramenta e resolvendo problemas de forma reativa. Inverter essa abordagem, no entanto, pode reduzir custos e aumentar eficiência. Em vez de esperar problemas surgirem e então fazer ajustes em operações de usinagem individuais, fabricantes devem focar primeiro em pré-planejamento proativo visando eliminar peças rejeitadas e tempo de inatividade não planejado. Após um processo estável e confiável ter sido estabelecido, aplicar os conceitos de economia de produção pode ajudar fabricantes a encontrar um equilíbrio entre taxa de produção e custos de manufatura. Então, construindo sobre a fundação de operações seguras e economicamente fortes, fabricantes podem selecionar ferramentas e condições de corte que otimizarão totalmente o processo de usinagem.

Economia de Produção

Antes de tomar medidas para otimizar corte de metal, é essencial que os processos sejam seguros e confiáveis, sem peças defeituosas ou tempo de inatividade não planejado. Alcançar segurança de processo requer criação de um ambiente de produção estável. As áreas que fabricantes devem analisar incluem manutenção de máquina-ferramenta, programação CAM, sistemas de fixação de ferramenta e aplicação de refrigerante. Automação de manuseio de trabalho como sistemas de carga/descarga de paletes ou robóticos poderiam ser parte da avaliação também.

A arte e ciência da economia de produção foca em assegurar máxima segurança e previsibilidade do processo de manufatura, mantendo maior produtividade e menores custos de produção. Quando o processo e ambiente de corte de metal são seguros e previsíveis, a economia de produção se torna uma busca bidimensional: encontrar um equilíbrio entre produção de saída e custos de manufatura que seja apropriado para a situação específica de um fabricante. Por exemplo, em produção em massa de peças simples, maximizar saída a custos mínimos pode ser a consideração primária. Por outro lado, em manufatura de alta mistura, baixo volume de peças complexas valiosas, a ênfase deve ser na confiabilidade e precisão totais antes de abordar custos de manufatura.

Micro versus Macro

A abordagem tradicional para maximizar saída de corte de metal envolve um modelo micro de perspectiva estreita baseado em otimização de ferramentas individuais em operações individuais. Modelos macro, por outro lado, consideram processos de manufatura de uma perspectiva mais ampla. Estes modelos concentram-se no tempo total floor-to-floor necessário para produzir uma peça dada.

A relação entre os modelos econômicos micro e macro pode ser comparada à perspectiva de um artista ao criar uma pintura. O modelo micro concentra-se em detalhes individuais, da mesma forma que um artista se concentraria em pinceladas individuais. O modelo macro dá um passo para trás e vê o processo de produção da peça no geral, como ver uma pintura em sua totalidade. É claro que atenção ao detalhe é necessária, mas não ao preço de ignorar o propósito geral do esforço.

Custos Ocultos

Fixação exagerada em detalhes pode distrair a atenção do resultado final do processo. Por exemplo, é uma desvantagem reduzir tempo de corte em dez segundos quando isso é alcançado com uma ferramenta extra que adiciona dez minutos em tempo de configuração e indexação. Similarmente, trabalhar para alcançar qualidade de produto além dos requisitos do cliente aumentará custos e tempo de produção. Quase seriamente, poder-se-ia perguntar: "Quanto tempo levaria, e quanto custaria, para produzir a pior peça possível, que ainda é funcionalmente aceitável?"

Custos Operacionais

Modelos para custos de usinagem também podem representar perspectivas micro e macro. Micro-modelos consideram processos de corte de uma visão estreita, ligando condições de corte diretamente a custos de corte. Modelos macro-econômicos trabalham de uma perspectiva mais ampla, enfatizando o tempo total necessário para produzir uma peça dada.

Fabricantes medem taxa de produção de várias maneiras, de peças completadas ao longo de um período de tempo ao comprimento total de tempo necessário para terminar uma operação. Muitos fatores afetam taxa de produção, incluindo requisitos de geometria da peça e características do material, fluxo de produto através de uma instalação, entrada de pessoal, manutenção, equipamentos periféricos e questões ambientais, reciclagem e segurança.

Alguns elementos de custos de manufatura são fixos. Complexidade da peça e material geralmente ditam o tipo e número de operações de usinagem requeridas para fazer uma peça. Os custos de aquisição e manutenção das máquinas-ferramenta de uma instalação e a energia para rodá-las são basicamente custos fixos. Custos de mão de obra são um pouco mais flexíveis, mas são efetivamente fixos pelo menos no curto prazo. Estes custos devem ser compensados com receita da venda de componentes usinados. Aumentar a taxa de produção — a velocidade com que peças são convertidas em produtos acabados — pode compensar custos fixos.

Otimização Individual

Após a imagem geral de produtividade e eficiência de custo de um processo ser equilibrada e otimizada em base macro, fabricantes podem alcançar melhorias adicionais por otimização cuidadosa de operações individuais. Condições de corte — nomeadamente profundidade de corte, taxa de avanço e velocidades de corte — desempenham papel chave em equilibrar produtividade e custos. Qualquer ou todas as três podem contribuir para reduções em tempo de usinagem, mas o impacto de cada uma na confiabilidade do processo varia amplamente. Profundidade de corte essencialmente não tem efeito na vida da ferramenta. Taxa de avanço afeta vida da ferramenta levemente. No entanto, o impacto da velocidade de corte na vida da ferramenta, bem como na confiabilidade do processo de corte, é significativo.

Muitos gerentes de oficina acreditam que simplesmente aumentar velocidades de corte produzirá mais peças por período de tempo e assim reduzirá custos de manufatura. Geralmente isso é verdade, mas trocas estão envolvidas. Em geral, quanto mais rápido uma operação roda, menos estável ela se torna. Altas velocidades geram mais calor que afeta tanto ferramenta quanto peça. Desgaste da ferramenta ocorre mais rápido e é menos previsível, e desgaste da ferramenta ou vibração podem causar variação nas dimensões da peça e declínio no acabamento superficial.

Uma ferramenta pode quebrar e danificar a peça. Além disso, um processo operando nos limites externos de confiabilidade é tipicamente incapaz de rodar sem supervisão ou semi-supervisionado, eliminando uma fonte potencial de economia de mão de obra. Velocidades de corte extremamente altas e parâmetros de usinagem agressivos podem aumentar custos de manutenção de máquina e até tempo de inatividade resultante de falhas de máquina.

Reconhecendo estas questões, o engenheiro mecânico americano F.W. Taylor, no início do século 20, desenvolveu um modelo para determinação de vida de ferramenta. O modelo mostra que para uma dada combinação de profundidade de corte e avanço há uma certa janela para velocidades de corte onde deterioração da ferramenta é segura, previsível e controlável. O modelo de Taylor torna possível quantificar a relação entre velocidade de corte, desgaste da ferramenta e vida da ferramenta, equilibrando eficiência de custo e produtividade e fornecendo uma imagem clara da velocidade de corte ótima para uma operação.

Em geral, fabricantes devem selecionar as maiores profundidades de corte e maiores taxas de avanço possíveis para cada operação, sujeitas à estabilidade da fixação da ferramenta, fixação da peça e máquina-ferramenta, bem como a potência da máquina-ferramenta. Segurança operacional, em relação a formação e evacuação de cavacos, vibrações e deformação da peça, também deve ser considerada. Uma abordagem equilibrada envolve velocidades de corte reduzidas combinadas com aumentos proporcionais em taxa de avanço e profundidade de corte. Utilizar a maior profundidade de corte possível reduz o número de passadas de corte requeridas e assim reduz tempo de usinagem. Taxa de avanço deve ser maximizada também, embora requisitos de qualidade da peça e acabamento superficial possam ser afetados por taxas de avanço excessivas. Na maioria dos casos, aumentos em taxa de avanço e profundidade de corte enquanto mantém ou reduz velocidades de corte produzirão taxas de remoção de metal iguais à alcançada por velocidades de corte mais altas sozinhas.

Custos de produção são a soma de custos de ferramenta e custos de máquina. Com velocidades de corte crescentes, tempos de usinagem se tornam mais curtos e custos de máquina diminuem. No entanto, a partir de um certo ponto, custos gerais sobem porque vida de ferramenta mais curta aumenta o custo de ferramentas e tempos de troca de ferramenta o suficiente para superar as economias em custo de máquina.

Quando uma combinação estável e confiável de taxa de avanço e profundidade de corte foi alcançada, velocidades de corte podem ser usadas para calibração final da operação. O alvo é uma velocidade de corte mais alta que reduz custos de tempo de máquina mas não eleva excessivamente custos de ferramenta de corte via desgaste acelerado da ferramenta.

Questões Não Relacionadas a Corte

Questões ambientais e de segurança representam fatores cada vez mais importantes em economia de produção. Fabricantes estão sob pressão para conservar energia. Uso e descarte de refrigerantes e óleos de corte é cada vez mais regulado e caro. Uma abordagem equilibrada para condições de corte pode ajudar fabricantes a lidar com estas e preocupações similares. Velocidades de corte mais baixas combinadas com taxa de avanço aumentada e profundidades de corte menores reduzem a quantidade de energia requerida para remover metal. Condições equilibradas também aumentam vida da ferramenta, reduzindo consumo e questões de descarte de ferramentas. Menor consumo de energia resulta em geração reduzida de calor, oferecendo oportunidades para usinagem com mínimo ou zero refrigerante.

Conclusão

Adotar conceitos de economia de produção requer fazer uma análise geral do ambiente de usinagem e aceitar maneiras de pensar que são contrárias a muitas práticas estabelecidas de corte de metal. Mas, realizar as estratégias recomendadas pode melhorar economia de custos e qualidade de peça e permitir produção mais ambientalmente amigável, enquanto ao mesmo tempo mantém produtividade e lucratividade em um processo de manufatura estável e confiável no geral.

Perspectiva de Instalação Inteira

Os benefícios de ver processos de usinagem de uma perspectiva macro estendem-se além de operações individuais de corte de metal. Uma visão ampla considera a inter-relação de todos os passos na produção. Um exemplo simplificado envolve duas máquinas-ferramenta empregadas em série para produzir um componente. Se a máquina-ferramenta A é otimizada para aumentar sua saída mas os resultados da máquina B não podem ser melhorados, peças da primeira máquina ficarão esperando a segunda como estoque semi-acabado, aumentando custos. Neste caso, simplesmente otimizar custos de corte (em vez de saída) na primeira máquina baixaria custo de usinagem geral enquanto mantém saída.

Por outro lado, em uma situação onde a máquina B fica ociosa esperando processar peças da máquina A, aumentar a saída da primeira máquina aumentará saída total. Muito depende se o fluxo de produção da oficina é organizado em sequência de linha, lote ou paralela.

Custos de aquisição de máquinas-ferramenta também podem ser avaliados em relação ao negócio geral de um fabricante. Uma situação típica envolve uma oficina rodando uma fresadora totalmente carregada 40 horas por semana e decidindo substituí-la por uma máquina mais cara, mais sofisticada, de velocidade mais alta. No entanto, quando a nova máquina está rodando, ela gasta metade do tempo parada ociosa.

A oficina enfrenta o desafio e despesa de encontrar mais trabalho para manter a nova máquina ocupada e justificar o investimento nela. Além disso, trabalho que tira total vantagem das capacidades da nova máquina pode não ser um bom ajuste com o resto das operações ou mercados da oficina. O melhor caminho teria sido primeiro examinar o quadro maior e antecipar o que resultaria da maior saída da nova máquina. Uma máquina menos cara, menos avançada pode ser um melhor ajuste com requisitos de peça atuais e antecipados e volumes de produção. Emparelhada com a máquina mais velha, uma máquina-ferramenta mais cuidadosamente escolhida também poderia fornecer flexibilidade expandida e redundância para lidar com tempo de inatividade programado ou não programado.

Ter uma visão abrangente de otimização de processo também pode envolver ações e análises muito básicas e simples. Exame de ferramentas usadas fornece uma visão ampla do que está acontecendo em uma oficina. Por exemplo, se uma oficina geralmente usa inserts com arestas de corte de 12 mm de comprimento mas padrões de desgaste nas ferramentas só alcançam 2 mm ou 2,5 mm, a oficina provavelmente está usando inserts que são grandes demais para o que fazem. Ferramentas com arestas de corte de 6 mm seriam mais que suficientes, e uma ferramenta com aresta de corte de 6 mm é significativamente mais barata que uma com aresta de 12 mm. Tal observação simples pode reduzir custos de ferramenta em 50% sem afetar produtividade.

Publicado anteriormente em SecoTools.com.