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DEFINIÇÃO DO PONTO DE ÓTIMO NO

TORNEAMENTO DO AÇO ABNT H13

ENDURECIDO A 54 HRC UTILIZANDO

UMA FERRAMENTA CC 6050 WIPER

PAULO HENRIQUE DA SILVA CAMPOS (UNIFEI)

[email protected]

Joao Roberto Ferreira (UNIFEI)

[email protected]

Camila Rocha Galhardo (UNIFEI)

[email protected]

O aumento da competitividade que a indústria encontra exige que sua

produção atenda com qualidade, flexibilidade e velocidade a demanda

do cliente . Neste cenário, as empresas que possuem processos de

retífica estão aderindo ao processo de torneamento em detrimento dos

processos de retífica para usinagem de aço endurecido. Com esta

tendência é extremamente importante saber definir a melhor

ferramenta e os parâmetros mais adequados de operação para obter

produtos com características dentro das especificações rigorosos de

rugosidade e atender em curto espaço de tempo a demanda do cliente a

um baixo custo, garantindo desta forma a competitividade da empresa.

Assim, este trabalho estudará o comportamento dos principais

envolvidos no torneamento: avanço, velocidade de corte e

profundidade de corte; e definirá o ponto de ótimo destes parâmetros

de usinagem do aço ABNT H13 endurecido a 54 HRC através de um

estudo estatístico, pelo método Desirability, utilizando uma ferramenta

CC 6050 WIPER, que esta cada vez mais presente na indústria visto

sua capacidade de operar com um avanço maior que a ferramenta

convencional sem prejudicar a rugosidade resultante do processo de

torneamento. Além disso é feita a otimização dos parâmetros através

do método Desirability obtendo-se o seguinte ponto de ótimo: 171,1791

m/min, 0,22 mm/rev e 0,3683 mm para velocidade de corte, avanço e

profundidade respectivamente.

Palavras-chave: Desirability;DOE, Torneamento duro; Qualidade,

Método Estatístico.

XXXVII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO “A Engenharia de Produção e as novas tecnologias produtivas: indústria 4.0, manufatura aditiva e outras abordagens

avançadas de produção” Joinville, SC, Brasil, 10 a 13 de outubro de 2017.



2

1. Introdução

O torneamento duro é um processo realizado em aços endurecidos com dureza acima de 45

HRC. Os produtos resultantes desta operação são utilizados em diferentes campos da

manufatura como o automotivo, hidráulico, projetos de moldes e ferramentas

(SAMARDŽIOVÁ; NESLUŠAN, 2013).

O torneamento duro é aplicado em processos de fabricação a partir de 1980. Desde então

existe uma tendência a substituir o processo de retífica pelo torneamento duro com uso de

ferramentas com geometria bem definida (SAMARDŽIOVÁ; NESLUŠAN, 2013). O estudo

de alguns trabalhos revela a possibilidade de obtenção de peças com qualidade semelhante às

obtidas na retificação fina, utilizando-se para isto, tornos de alta precisão, parâmetros

otimizados de corte e geometrias especiais de ferramentas (CESCON, 2006).

A substituição do processo de retificação pelo torneamento duro, traz inúmeras vantagens,

dentre as quais a possibilidade de trabalhar sem fluido de corte, a eliminação de etapas no

processo de fabricação, maior produtividade, baixo consumo de energia por volume de

material usinado, máquinas-ferramenta de menor custo e também a possibilidade da

realização de várias operações numa mesma fixação, o que garante as características

geométricas da peça e reduz o tempo de usinagem (MATSUMOTO, 1998).

Juntamente com o avanço das pesquisas estão atreladas as inovações em termos de insertos,

onde cada vez mais se encontram ferramentas de corte aperfeiçoadas para melhorar o

desempenho no processo de usinagem (IZQUIERDO, 2013). De acordo com o catálogo da

Sandvik Ferramentas (2012), as pastilhas Wiper são capazes de tornear com altas faixas de

avanço, sem perder a capacidade de gerar bom acabamento superficial, o que segundo

Corteline (2004) permite uma redução de aproximadamente 30% nos tempos de corte.

Segundo Pavia (2006) a análise estatística é importante, porque uma pequena diferença entre

as especificações técnicas de um produto ou nos níveis de ajustagem dos fatores de controle

de um processo de fabricação pode significar o ganho ou perda nos fatores: tempo de

produção, desgaste de ferramentas de usinagem e qualidade do produto; o que,

consequentemente, converte-se em grandes ganhos ou perdas econômicas para a empresa.



3

As consequências da má seleção dos parâmetros também é exposta no estudo feito por

Thomas (1982) no qual afirma que parâmetros escolhidos erroneamete geram falhas como

desgaste prematuro ou quebra de ferramenta, além de perdas econômicas com tempos

ociosos, peças não-conformes ou redução na qualidade da rugosidade superficial.

Myers e Montgomery (2002) alegam que a complexidade que envolve a grande maioria dos

processos e produtos exige que a avaliação de sua qualidade não recaia sobre apenas uma

característica funcional. Desta forma é primordial, em um processo que envolve mais de um

fator na geração da característica desejada, que é o caso do torneamento duro, a utilização de

um planejamento experimental como o projeto de experimentos (DOE), que segundo Neto

Bruns e Scarminio (2007) proporcionam aos pesquisadores a obtenção de um número máximo

de informações do sistema em estudo a partir de um número mínimo de experimentos. No

entanto, a definição do ponto de ótimo de um processo varia conforme o inserto escolhido,

assim parte fundamental na otimização é garantir o uso do inserto mais adequado para a

operação em questão, portanto o objetivo deste trabalho é evidenciar os principais trade-offs

entre a ferramenta Wiper e Standard e mostrar como a ferramenta Wiper tornou o

torneamento duro competitivo com outros processos de usinagem através do aumento da

produtividade sem interferir negativamente na rugosidade do produto acabado.

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Torneamento de aço endurecido

A usinagem pode ser entendida como uma operação mecânica pela qual se da forma a

matéria-prima. As propriedades de usinagem de um material são dadas pela vida da

ferramenta, o acabamento superficial da peça, os esforços de corte, a temperatura de corte, a

produtividade e as características do cavaco. (DINIZ,E.A; MARCONDES,F.C;

COPPENI,N.L, 2000).

O torneamento é a operação da qual um sólido indefinido é feito girar ao redor do eixo

da máquina operatriz que executa o trabalho de usinagem, ao mesmo tempo que uma

ferramenta de corte lhe retira material perifericamente, de modo a transforma-lo numa peça

bem definida, tanto em relação a forma como as dimensões. (CHIAVERINI).

A usinagem de aços endurecidos até poucos anos atrás era em quase sua totalidade

dominada pelo processo de retificação, principalmente pela deficiência das máquinas

operatrizes (pouca rigidez e flexibilidade) e pela falta de ferramentas de corte com

propriedades avançadas como alta dureza a quente, resistência ao desgaste e a altas



4

temperaturas, tenacidade e estabilidade química. Com o desenvolvimento de novos materiais

de ferramentas de corte como o PCBN e cerâmica, mais o avanço na manufatura de máquinas

operatrizes mais rígidas, computadorizadas e com tolerância extremamente precisa, a

operação de torneamento de aços endurecidos vem se tornando cada vez mais comum e

tomando mercado do processo de retificação, pois os benefícios se comparado com o processo

de retificação são imensos e altamente vantajosos. (KÖNIG, 1984; BRANDT, 1986;

BARTSCH, 1988; GRUSS, 1988; SORRELL, 1986).

O torneamento em detrimento da retífica oferece as seguintes vantagens: Produz cavaco em

um ambiente limpo, maior produtividde, possibilidade de realizer múltiplas operações em

apenas um ciclo, baixo custo de ferramental, redução da dependência do operador, usinagem

de superficies complexas e possibilidade da isenção de fluído de corte. CAMPOS (2015)

Para o torneamento de aços endurecidos, os materiais para ferramentas devem cumprir alguns

requisitos, que segundo König et al (1984), são: elevada dureza à temperatura ambiente e à

quente, elevada resistência à ruptura transversa, elevada tenacidade à fratura; elevada

resistência à compressão, elevada resistência ao choque térmico; elevada resistência às

reações químicas.

2.2 Otimização

Encontrar uma condição ótima para operação de um processo que o viabilize ou produza

resultados com consideráveis melhorias, é o objetivo fundamental da metodologia de

superfície de resposta. E, para alcançar tais resultados, diversos algoritmos de modelagem são

utilizados para estabelecer funções de transferência entre os dados e as variáveis de controle

experimentais, viabilizando a determinação do ponto de ótimo. (CAMPOS, 2015).

Em grande parte dos produtos e processos, a qualidade não pode ser avaliada por apenas uma

característica funcional do produto (Myers e Montgomery, 1995) e a análise individual de um

experimento com múltiplas respostas podem conduzir a análise univariada a conclusões sem

sentido (Khuri e Cornell, 1996).

Neste estudo, será abordado o método Desirability, que, segundo Van Gyseghem et al.

(2004), é um método multicritério capaz de avaliar um conjunto de resposta simultaneamente,

e que permite a determinação do conjunto de condições mais desejável para as propriedades

estudadas.

2.3 Método Desirability

Neste método, utiliza-se o método de superfície de resposta para estabelecer um



5

relacionamento entre as respostas e as variáveis independentes. Em seguida, usando a

formulação de Harrington (unilateral ou bilateral) transforma-se as respostas do conjunto

original de forma que di (função Desirability individual) pertença ao intervalo 0 ≤ di ≤1,

sendo que o coeficiente di aumenta quando a i-ésima resposta se aproxima dos limites

impostos. Estas respostas transformadas então são combinadas através de uma media

geométrica e então é encontrado o índice global D, como é descrito na Equação 5.

D"="(d"(Y"). d"(Y")...d"(Y"))k

(05)

O valor de D avalia de maneira geral os níveis do conjunto combinado das respostas e será

maximizado quando todas as respostas se aproximarem o máximo possível de suas

especificações. Assim, quanto mais próximo de 1 etiver D, mais próximo as respostas estão

dos seus respectivos limites de especificação. (Osborne et al., 1997; Rossi, 2001). Portanto, o

ponto de ótimo do sistema é o ponto de ótimo alcançado pela maximização da media

geométrica (D) que é calculada a partir das funções desaribility individuais. Sabendo o tipo de

otimização desejada de cada fator (maximização, normalização e minimização), os limites

(valores desejados) e as importâncias (pesos) de cada resposta, é possível definir a função

Desirability e definer o ponto de ótimo. A relação de importância entre o alvo e os limites no

Desirability e os diferentes tipos de otimização se encontram respectivamente no quadro 1 e 2

a seguir:

Quadro 1. Relações de importância entre o Alvo e os Limites no Desirability.

Fonte: Paiva (2006)



6

Quadro 2. Objetivos de otimização no Método de Derringer

Fonte: Paiva (2006)

3. Metodologia e aplicação

No presente trabalho será utilizado o experimento feito na tese de doutorado do Prof. Dr.

Paulo Campos no qual ferramentas com diferentes geometrias e coberturas foram empregadas



7

no torneamento do aço endurecido ABNT H13 submetido a três parâmetros de usinagem

arranjados em dois níveis (2k = 23 = 8), seis pontos axiais (2k = 6) e cinco pontos centrais (cp

= 5), o que resultou em 19 experimentos.

Tabela 1. Níveis de trabalho dos parâmetros estudados

Variáveis de Controle Símbolo Níveis de trabalho

-1.682 -1 0 1 1.682

Velocidade de Corte (m/min) Vc 57.39 100.00 162.50 225.00 267.61

Avanço de Corte (mm/rev) f 0.06 0.10 0.16 0.23 0.27

Profundidade de usinagem (mm) ap 0.09 0.15 0.24 0.33 0.39

Com base nesta série de experimentos, foi escolhido uma ferramenta específica (CC 6050

Wiper) e as respostas mais relevantes para o estudo: vida da ferramenta, força de corte,

temperatura, rugosidade e tempo total de ciclo. A ferramenta PCBN foi escolhida pois,

segundo Gonzaga e Abrão (2005), desde que se tornou viável comercialmente em 1970,

proporcionou, principalmente a indústria automotiva, uma redução de custo de fabricação de

peças em 40% e aumentou a produção em 30% na usinagem de materiais endurecidos

caracterizados pela produtividade baixa e desgaste intensivo das ferramentas de corte. A

geometria CC 6050 foi escolhida pois foi utilizada em um artigo similar realizado por

Varaprasad e Srinivasa (2016) no qual é estudado o comportamento dos mesmo parâmetros

avaliados neste trabalho no torneamento duro do aço AISI D3 (62 HRC) através do estudo da

superfície de resposta gerado por um projeto de experimentos. Este trabalho teve como

resultado que o parâmetro que mais influencia a rugosidade é o avanço (Pvalue = 0) enquanto

os outros dois parâmetros não são significativos.

Neste trabalho será realizada a comparação de influência dos parâmetros que não otimiza os

resultados, desta forma os resultados deste presente trabalho serão comparados com os pontos

de ótimo encontrados por Campos (2015) através da otimização multivariada do Erro

Quadrado Médio Multivariado, que foram: Vc = 88m/min, f = 0,20mm/rev, ap = 0,33mm.

Tabela 2. Arranjo do Projeto Experimental Estudado

Experimento T (min) Tt (min) Ra (μm) Fr (N) Tpº (ºC)

1.00 62.00 2.32 0.13 340.22 502.82

2.00 33.00 1.41 0.11 236.49 653.54

3.00 52.00 1.47 0.41 432.59 473.86

4.00 30.50 1.03 0.72 240.32 633.72

5.00 63.00 2.39 0.34 451.47 475.23



8

6.00 30.00 1.45 0.09 244.18 569.33

7.00 52.00 1.53 0.08 459.39 539.50

8.00 28.50 1.02 0.42 246.31 609.30

9.00 59.00 2.52 0.22 485.87 429.43

10.00 24.50 1.07 0.29 224.48 528.32

11.00 39.00 2.46 0.13 319.28 498.24

12.00 40.25 1.10 0.49 358.85 540.93

13.00 51.00 1.31 0.22 330.98 558.77

14.00 47.50 1.37 0.12 359.24 565.83

15.00 43.50 1.37 0.47 336.52 497.34

16.00 43.00 1.37 0.49 335.28 485.32

17.00 44.50 1.37 0.49 334.92 495.73

18.00 44.00 1.37 0.48 337.83 497.44

19.00 45.00 1.37 0.47 334.78 506.15

A partir destes resultados será feita uma análise da interação dos fatores velocidade de corte e

avanço para uma dada profundidade de corte e será proposto um ponto de ótimo para esta

operação, no entanto com uma novo método estatístico, o método Desirability.

4. Aplicação

Através do Software Minitab foi analisado o P-value dos fatores para cada resposta

encontrada de modo a definir os fatores lineares e interações relevantes para definir o par de

fatores que seria variado no estudo de superfície de cada resposta e o fator que seria fixado

(menor relevância), como é representado na Tabela 7, onde os valores em negrito representam

P-value maior que 5%.

Quadro 3. Determinação dos fatores relevantes para cada resposta

4.1 Temperatura de corte

A velocidade de corte é o único fator com influência na temperatura de corte. Assim foi

estudada sua interação com o avanço para uma profundidade de corte fixa de 0,15mm.



9

Figura 1. Gráfico de superfície temperatura

Temos então que a temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte e não sofre

influência do avanço.

4.2 Vida útil

A velocidade de corte é o único fator com influência na vida útil da ferramenta. Assim foi

estudada sua interação com o avanço para uma profundidade de corte fixa de 0,15mm.

Figura 2. Gráfico de superfície de vida útil

Temos que a vida útil da ferramenta é inversamento proporcional a velocidade de corte e não

sofre influência de outros fatores.

4.3 Rugosidade (Ra)

No caso da rugosidade observa-se que o único fator linear relevante é o avanço e que a

interação entre avanço e profundidade é relevante, assim, será estudado esta interação para

uma velocidade de corte fixa de 200m/min.



10

Figure 3. Gráfico de superfície de rugosidade (Ra)

Observa-se que os melhores valores de rugosidade são encontrados com baixas profundidades

e avanço pequeno, porém é possível acalçar valores bons de rugosidade com profundidades

maiores caso seja mantido um avanço baixo.

4.4 Força de Corte

A velocidade de corte é o único fator com influência na força de corte. Assim foi estudada sua

interação com o avanço para uma profundidade de corte fixa de 0,15mm.

Figura 4. Gráfico de superfície de Força de Corte

Observa-se que a força de corte é maior para baixas velocidades de corte e sofre certa

influência do avanço, aumentando seu valor com o aumento deste fator em casos de baixa

velocidade de corte.

4.5 Tempo Total

Avanço e velocidade de corte são fatores significativos no estudo do tempo total, assim será

estudada a interação deste par para um valor fixo de profundidade de corte de 0,15mm.



11

Figura 5. Gráfico de superfície de tempo total

Observa-se que a maior produtividade é encontrada com valores altos de velocidade de corte e

grande avaços; configuração que é possível graças a tecnologia Wiper.

5. Otimização

A análise do comportamento dos principais parâmetros proporciona um visão branda de como

as respostas do processo podem variar a medida que altera-se cada parâmetro, no entando não

é possível inferir quais exatos valores que proporcinarão a condição de ótimo do processo.

Visando identificar a esta condição foi realizado a otimização pelo método Desirability

visando a redução de custo, o aumento da vida útil e da produtividade com um alvo de

rugosidade de 0,15µm. Os parâmetros encontrados que atendem estas condições assim como

as respostas que são esperadas após a implementação destes no processo se encontram na

Figura 6:



12

Figura 6. Desirability CC6050 Wiper

Os parâmetros desejados (velocidade de corte, avanço e profundidade de corte) para as

respostas otimizadas são, respectivamente, 171,18 m/min, 0,22mm/rev e 0,37 mm. Com estes

parâmetros as respostas encontradas para produtividade, rugosidade, custo e vida útil são,

respectivamente, 14,48cm3/min, 0,15µm, U$ 1,49, 41,50 min.

6. Conclusão

O presente trabalho contextualiza uma das principais ferramentas estatísticas atuais que é o

projeto de experimentos em um processo cada vez mais dominante na indústria global

decorrente da evolução das técnicas de usinagem. Através do estudo da superfície de resposta

apresentada foi definido a influência dos principais fatores na geração das principais

características do torneamento duro, além da relação que possuem com outros fatores

considerados relevantes na definição do experimento.

Os resultados colhidos desta interpretação gráfica e estatística suportam resultados obtidos em

experimentos similares, como o de Varaprasad e Srinivasa (2016), que indicam que o avanço

é o fator que mais influencia na rugosidade do produto acabado, além disso, agrega

informações complementares realizando a mesma avaliação para produtividade, vida útil e

custo. Além disso é proposta uma nova abordagem, pelo método Desirability, em relação a

otimização feita no experimento de Campos (2015). Os resultados colhidos foram

semelhantes, exceto pela velocidade de corte que se mostrou 86 m/min maior na otimização



13

feita pelo Desirability, o que se deu pelo fato do pesquisador em questão ter considerado

outros resultados na otimização, como temperatura e força de corte, que induziram a uma

mudança na velocidade de corte do ponto ótimo. Após o estudo das principais interações dos

parâmentros e como estes influenciam nas características do produto acabado, o método

Desirability se mostrou eficaz para a definição do ponto de ótimo do processo. Por outro lado

o método apresenta algumas limitações pois não é capaz de limitar os valores dos parâmetros

a valores positivos, desta forma foi necessário estabelecer um rugosidade como Target, o que

não influencia negativamente no resultado já que a rugosidade ótima é o principal resultado

buscado. Este trabalho também contribui na tomada de decisão na seleção de ferramentas de

corte, revelando os principais fatos a serem considerados na escolha do inserto, além da

definição da zona de rugosidade que a pastilha Standard é mais adequada do que a pastilha

Wiper.

A metodologia utilizada possui abrangência e pode ser utilizada para futuros estudos de

métodos de fabricação que utilizam outros tipos de ferramenta e corpos de prova ou que

buscam otimizar outras respostas inerentes ao processo de torneamento.

7. Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da FAPEMIG, CAPES e CNPq para a realização deste

trabalho.

8. Referências Bibliográficas

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