Estudo e otimização de sistemas de apoio à qualidade no forjamento a frio
Abstract
Consequência da crescente exigência dos consumidores para que os produtos comprados estejam conforme os parâmetros previstos, a qualidade tem cada vez mais um papel determinante nas empresas para atingirem a satisfação dos clientes. Neste sentido, a ETMA Metal parts, empresa do ramo da metalomecânica sentiu a necessidade de aumentar a qualidade dos produtos manufaturados no setor do forjamento a frio, maioritariamente parafusos especiais ou peças semelhantes que se produzem a frio, em grandes quantidades e com elevada cadência e cujos processos de fabrico são baseados numa grande dose de empirismo e de experiência dos operadores. Inicialmente, de forma a que se percebesse de forma rápida e eficaz que melhorias poderiam ser projetadas, foi feita uma análise dos problemas e das reclamações dos clientes que o setor do forjamento enfrentava. Com o objetivo de solucionar alguns dos problemas identificados, foram desenvolvidos dois projetos de melhoria para os equipamentos de forjamento a frio. O primeiro consistiu na implementação de um sensor no batente que surge com a finalidade de suprir os defeitos relacionados com a má alimentação de arame nas máquinas. A segunda melhoria idealizada foi a implementação de uma calha com a função de impedir que as peças que caem durante o transporte de posto para posto ao longo da produção se juntem com as peças conformes. Para além destes projetos de melhoria, foi também levada a cabo a aplicação da metodologia SMED a um dos equipamentos do setor com vista a diminuir o seu tempo de setup, alcançando-se uma redução de 48,3%. Para concluir, com este trabalho, foram alcançados alguns ganhos ao nível da qualidade que resultam tanto resolução direta de problemas que estavam a causar defeitos, através das melhorias aplicadas aos equipamentos, como de uma inspeção mais metódica e rigorosa das produções e da existência de procedimentos de setup mais organizados e normalizados resultantes da aplicação da metodologia SMED a um dos equipamentos.
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Outubro de 2022 Rui Filipe da Silva Matos Estudo e otimização de sistemas de apoio à qualidade no forjamento a frio
Outubro de 2022 Rui Filipe da Silva Matos Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Doutor João Pedro Mendonça Assunção Silva
i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
ii AGRADECIMENTOS Ao Professor Doutor João Pedro Mendonça Assunção Silva pela orientação deste trabalho e por todo o tempo disponibilizado. À ETMA Metal Parts pela oportunidade de realizar o estágio curricular nas suas instalações e pelo apoio e investimento no desenvolvimento do projeto. Ao Engenheiro Ricardo Pereira pela proposta do tema e pela orientação dentro da empresa. Ao Hélder Ferreira e ao Calisto Sá por toda a disponibilidade, contributo e conhecimento partilhado. A todos os colaboradores do setor do forjamento a frio por estarem sempre disponíveis para ajudar. À minha família por toda a ajuda, por se mostrarem sempre orgulhosos e por tornarem possível este percurso.
iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Universidade do Minho, 27 de outubro de 2022
iv RESUMO Consequência da crescente exigência dos consumidores para que os produtos comprados estejam conforme os parâmetros previstos, a qualidade tem cada vez mais um papel determinante nas empresas para atingirem a satisfação dos clientes. Neste sentido, a ETMA Metal parts, empresa do ramo da metalomecânica sentiu a necessidade de aumentar a qualidade dos produtos manufaturados no setor do forjamento a frio, maioritariamente parafusos especiais ou peças semelhantes que se produzem a frio, em grandes quantidades e com elevada cadência e cujos processos de fabrico são baseados numa grande dose de empirismo e de experiência dos operadores. Inicialmente, de forma a que se percebesse de forma rápida e eficaz que melhorias poderiam ser projetadas, foi feita uma análise dos problemas e das reclamações dos clientes que o setor do forjamento enfrentava. Com o objetivo de solucionar alguns dos problemas identificados, foram desenvolvidos dois projetos de melhoria para os equipamentos de forjamento a frio. O primeiro consistiu na implementação de um sensor no batente que surge com a finalidade de suprir os defeitos relacionados com a má alimentação de arame nas máquinas. A segunda melhoria idealizada foi a implementação de uma calha com a função de impedir que as peças que caem durante o transporte de posto para posto ao longo da produção se juntem com as peças conformes. Para além destes projetos de melhoria, foi também levada a cabo a aplicação da metodologia SMED a um dos equipamentos do setor com vista a diminuir o seu tempo de setup, alcançando-se uma redução de 48,3%. Para concluir, com este trabalho, foram alcançados alguns ganhos ao nível da qualidade que resultam tanto resolução direta de problemas que estavam a causar defeitos, através das melhorias aplicadas aos equipamentos, como de uma inspeção mais metódica e rigorosa das produções e da existência de procedimentos de setup mais organizados e normalizados resultantes da aplicação da metodologia SMED a um dos equipamentos. Palavras-Chave Forjamento a Frio; Qualidade; Melhorias; SMED;
v ABSTRACT As a result of the growing demand of consumers for the products purchased to be in accordance with the expected parameters, quality has an increasingly important role in companies to achieve customer satisfaction. In this sense, ETMA Metal parts, a metalworking company, felt the need to increase the quality of products manufactured in the cold forging sector, mostly special screws or similar parts that are produced in large quantities and at high cadence, and whose manufacturing processes are based on a large dose of empiricism and experience of operators. Initially, to quickly and effectively understand what improvements could be designed, an analysis was made of the problems and customer complaints that the cold forging sector was facing. To solve some of the problems identified, two improvement projects were developed for the cold forging equipment. The first one consisted in the implementation of a sensor with the purpose of solving the defects related to the misfeeding of the machines. The second improvement was the implementation of a rail with the function of preventing the parts that fall during the transport from station to station along the production from getting together with the compliant parts. Besides these improvement projects, the SMED methodology was also applied to one of the sector's equipment to reduce its setup time, achieving a 48.3% reduction. To conclude, with this work, some gains in quality were achieved. These gains resulted from direct resolution of problems that were causing defects, through improvements applied to equipment, and from a more methodical and rigorous inspection of production and the existence of more organized and standardized setup procedures resulting from the application of the SMED methodology to one of the machines. Keywords COLD FORGING; QUALITY; IMPROVEMENTS; SMED;
vi ÍNDICE Agradecimentos ......................................................................................................................... ii Resumo ...................................................................................................................................... iv Abstract ...................................................................................................................................... v Índice ......................................................................................................................................... vi Índice de Figuras ......................................................................................................................... ix Índice de Tabelas ........................................................................................................................ xi Lista de Símbolos ........................................................................................................................ 1 1. Introdução ........................................................................................................................... 1 1.1. Enquadramento ........................................................................................................... 1 1.1.1. Apresentação da Empresa.................................................................................... 2 1.2. Objetivos ...................................................................................................................... 3 1.3. Motivação do Trabalho ................................................................................................ 4 1.4. Guia de Leitura ............................................................................................................ 5 2. Revisão Bibliográfica ........................................................................................................... 7 2.1. Forjamento .................................................................................................................. 7 2.2. Forjamento a Frio ........................................................................................................ 8 2.2.1. Vantagens e Desvantagens do forjamento a frio ................................................. 9 2.2.2. Projeto no Forjamento a Frio ............................................................................. 10 2.2.3. Atrito e Lubrificação ........................................................................................... 16 2.2.4. Máquinas de Forjamento a frio .......................................................................... 18 2.3. Automação no Forjamento ........................................................................................ 23 2.3.1. Aplicações da automação no forjamento .......................................................... 24 2.4. Mudança Rápida de ferramenta ................................................................................ 27 2.4.1. Modelo de aplicação da metodologia SMED ..................................................... 29
vii 2.4.2. Benefícios da implementação da metodologia SMED ....................................... 30 2.4.3. Influência da sequência de produção no tempos de setup ............................... 31 2.5. Comentários e Síntese do Capítulo ........................................................................... 32 3. Melhorias Idealizadas para os equipamentos .................................................................. 33 3.1. Implementação de sensor no batente ...................................................................... 33 3.1.1. Enquadramento .................................................................................................. 33 3.1.2. Tipo de Sensor para o batente ........................................................................... 36 3.1.3. Isolamento do batente ....................................................................................... 36 3.1.4. Montagem do Sensor ......................................................................................... 38 3.1.5. Necessidade de um sensor auxiliar .................................................................... 39 3.1.6. Instalação do Sensor Auxiliar ............................................................................. 40 3.1.7. Escolha do Sensor Auxiliar ................................................................................. 43 3.1.8. Escolha do PLC .................................................................................................... 43 3.1.9. Grafcet ................................................................................................................ 44 3.1.10. Programação do PLC ....................................................................................... 46 3.1.11. Entradas e Saídas do PLC ................................................................................ 49 3.1.12. Esquema Elétrico ............................................................................................ 49 3.2. Implementação de calha para separar peças inacabadas ......................................... 50 3.2.1. Enquadramento .................................................................................................. 50 3.2.2. Conceção do Separador e da Calha .................................................................... 51 3.3. Comentários e Síntese do capítulo ............................................................................ 55 4. Redução do tempo de setup ............................................................................................. 56 4.1. Estágio Preliminar ...................................................................................................... 56 4.2. Estágio 1 – Separação das Atividades Internas e Externas ....................................... 59 4.3. Estágio 2 – Conversão das atividades Internas em Externas .................................... 60
Estudo e Otimização de Sistema de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 2 como esquentadores onde a exigência é máxima e onde parafusos não conformes podem causar danos graves. 1.1.1. APRESENTAÇÃO DA EMPRESA A ETMA Metal Parts (ETMA Metal Parts – Emp. Técnica de Metalurgia, S.A.) é uma empresa da área da metalomecânica fundada pelo Sr. Mário Rodrigues da Costa em 1940. A fábrica situa-se em Braga e conta com um centro logístico na República Checa. A empresa dedica-se à produção de peças metálicas customizadas para os seus clientes, sendo as suas principais áreas de negócio a indústria dos componentes automóveis, a indústria elétrica e dos eletrodomésticos, sistemas de fixação e injeção de plástico. Entre os 10 processos produtivos que se desenvolvem na empresa encontram-se processos de fabrico por torneamento, estampagem, forjamento a frio e conformação de Figure 1: Exemplos de produtos produzidos pela ETMA Metal Parts
Estudo e Otimização de Sistema de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 3 arame; a realização de tratamentos térmicos e de superfície; e outros processos de apoio à produção como a prototipagem, o desenvolvimento de ferramentas e equipamentos, a montagem e soldadura e o desenvolvimento de sistemas de inspeção e de escolha. Na figura 1 encontram-se alguns de exemplos de componentes fabricadas na empresa. Toda a organização encontra-se certificada pelas normas de gestão de qualidade ISO 9001:2015 (desde 1993) e IATF 16949:2016 (desde 2010) e pela certificação ambiental NP ISSO 14001:2015 (desde 2009). Ciente da exigência do setor da metalurgia e da metalomecânica, a ETMA Metal Parts trabalha exaustivamente para melhorar os seus padrões de eficiência e qualidade. 1.2. OBJETIVOS O grande objetivo do trabalho, tal como o título evidencia, será o estudo e implementação de soluções que permitam a melhoria da qualidade no setor de forjamento a frio da empresa parceira. Contudo, para que se atinga este objetivo será necessário que primeiro se atinjam outros considerados menores, mas indispensáveis, e que se adquiram conhecimentos com vista a atingir o objetivo principal. De seguida serão apresentados os objetivos que se esperam alcançar e conhecimentos que se predem adquirir neste projeto: • Análise dos processos e variáveis envolvidos no fabrico de componentes por forjamento a frio; • Identificação dos equipamentos e do seu modo geral de funcionamento; • Obtenção de conhecimentos relacionados com o projeto de ferramentas para forjamento a frio; • Identificação e análise das reclamações dos clientes e dos defeitos habituais do forjamento a frio; • Estudo dos métodos de qualidade e de inspeção utilizados no setor; • Busca de soluções e melhorias que permitam reduzir o número de defeitos e de reclamações por parte dos clientes; • Implementação de melhorias e análise dos resultados obtidos com a implementação das mesmas;
Estudo e Otimização de Sistema de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 4 • Contacto e sensibilização dos colaboradores para importância da qualidade e da execução de ações que contribuam para a qualidade; 1.3. MOTIVAÇÃO DO TRABALHO Sendo o principal objetivo deste trabalho a implementação de melhorias que visam o incremento da qualidade no setor de forjamento a frio, torna-se relevante que primeiramente se faça uma análise dos problemas que o setor enfrenta. O principal foco de uma empresa é cumprir as espectativas dos seus clientes e mantêlos satisfeitos, por isso, a forma de se perceber o que pode ser melhorado de maneira rápida e eficaz foi proceder a um reconhecimento das reclamações e defeitos apresentados pelos clientes no último ano civil. Neste sentido foram analisadas as reclamações mais relevantes do ano de 2021, estando elas apresentadas graficamente na figura 2. Como se constata pelo gráfico apresentado acima, o foco dos problemas que causam reclamações por parte dos clientes são: a queda das peças durante a transporte de um posto para outro, culminado na chegada ao cliente de peças inacabadas; erros por parte dos Figura 2: Gráfico com causas das reclamações dos clientes (2021)
Estudo e Otimização de Sistema de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 5 operários na afinação e manutenção das ferramentas; e a falta de material nas peças provocada por uma má alimentação dos equipamentos. Para além dos problemas mencionados anteriormente (causadores da maioria das reclamações) existem outros como incapacidade dos equipamentos de produzir as peças que lhes foram alocadas, principalmente em peças de maiores dimensões que exigem maior esforço por parte do equipamento para provocar as deformações necessárias ou problemas no corte do arame que sendo feito por rebentamento, impede que as peças tenham o acabamento desejado. Em suma, todos estes problemas, estão primeiramente relacionados com a falta de processos normalizados e bem definidos que permitam a realização de setups rápidos e fiáveis e a manutenção apropriada das ferramentas, em segundo lugar, com o uso abusivo de métodos de tentativa-erro tanto no projeto de ferramentas como no setup dos equipamentos e por último, com a falta de capacidade dos equipamentos de produzir produtos com os níveis de qualidade exigidos pelo mercado atualmente. Esta análise servirá de guia e motivação para o trabalho que será desenvolvido nos próximos capítulos onde serão apresentadas propostas de melhoria que visam colmatar estes problemas, causadores de defeitos que culminam em reclamações por parte dos clientes. 1.4. GUIA DE LEITURA Este documento é composto por 6 capítulos: 1Introdução, 2 – Revisão Bibliografia, 3 – Melhorias idealizadas para os equipamentos, 4 – Redução do tempo de setup, 5 – Melhoria Contínua, 6 – Considerações Finais; No primeiro capítulo, no qual este guia de leitura se inclui, é feito um enquadramento do tema deste projeto, é feita a apresentação da empresa onde foi feito o seu desenvolvimento e são identificados os objetivos que se pretendem atingir. Para além disso, são evidenciadas as reclamações dos clientes e os defeitos recorrentes no setor do forjamento a frio que serviram de motivação para a elaboração deste trabalho. No segundo capítulo surge a revisão bibliográfica onde são apresentados conceitos teóricos importantes para interpretação e o desenvolvimento do projeto estando dividido em duas temáticas principais: o forjamento a frio e a metodologia SMED.
Estudo e Otimização de Sistema de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 6 No terceiro capítulo são apresentadas as melhorias que foram idealizadas e desenvolvidas para os equipamentos de forjar a frio com vista a resolver dois dos problemas que mais causam complicações de qualidade no setor: a má alimentação dos equipamentos e a mistura de peças inacabadas com as peças conformes. O quarto capítulo é dedicado à aplicação da metodologia SMED com vista a reduzir os tempos de setup e a simplificar e organizar todas as atividades inerentes a esse processo de forma a ganhar produtividade e ao mesmo tempo reduzir o erro humano. No quinto capítulo é feita uma exposição sobre a dificuldade e a importância da sensibilização dos operadores quando se introduzem novos metodologias e novas tarefas. Para finalizar, no último capítulo será feito um balanço final do projeto onde serão apresentadas todas as conclusões e serão perspetivados trabalhos futuros.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo serão apresentados os conceitos teóricos que servirão de base para a elaboração desta dissertação. Inicialmente será tratado o forjamento a frio, com a exposição de conceitos fundamentais e a abordagem de assuntos como os processos e os equipamentos utilizados, o projeto de ferramentas e as vantagens e fraquezas desta tecnologia de fabrico quando comparada com outras. De seguida será abordada a metodologia SMED, fazendo-se uma revisão dos seus conceitos, benefícios e métodos que servirão de sustento para se alcançar uma redução dos tempos de setup. 2.1. FORJAMENTO O Forjamento é um processo de fabrico que envolve esforços de compressão sobre metais que tendencialmente levam a que o material assuma a forma da ferramenta conformadora. É um processo que é frequentemente caracterizado pela temperatura à qual é efetuado, podendo ser realizado em condições de temperaturas operacionais diferentes, a quente, a morno ou a frio. Este é o mais antigo processo de conformação de metais, com origem no trabalho dos ferreiros há muitos séculos atrás. No forjamento, uma peça inicial, um tarugo por exemplo, é plasticamente deformada entre duas ferramentas ou matrizes para se obter a configuração final desejada. Assim, uma peça de geometria simples é transformada numa peça de geometria complexa. As ferramentas detêm a geometria desejada e exercem pressão sobre o material deformável através da interface ferramenta/material. O trabalho braçal do ferreiro foi substituído na Revolução Industrial e, atualmente, existe maquinaria moderna com tecnologias de forjamento avançadas. As máquinas são capazes de produzir peças que vão desde simples parafusos e alfinetes até às mais complexas, como asas e turbinas de avião. O forjamento é uma tecnologia de fabrico muito baseada no empirismo e na experiência. Ao longo dos anos, muito know-how e experiência foram acumulados neste
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 8 campo, em grande parte por métodos de tentativa e erro. Ainda assim, esta indústria tem sido capaz de fornecer produtos sofisticados e fabricados com padrões muito rígidos e com ligas recém-desenvolvidas e difíceis de moldar, (Altan, Ngaile & Shen, 2004). 2.2. FORJAMENTO A FRIO No forjamento a frio, o metal a temperatura ambiente escoa plasticamente através da força exercida por uma ferramenta, originando geralmente componentes de pequenas dimensões, quando comparado com a gama de componentes que o forjamento a quente possibilita. É uma tecnologia que foi criada essencialmente para a produção de parafusos, mas que atualmente, com o avanço tecnológico já está a ser utilizada para a produção de peças muito mais complexas. Nos últimos dez anos, o forjamento foi ganhando popularidade. Este fenómeno ocorreu porque há um aumento na procura por peças de precisão em grandes quantidades. Esta necessidade é excecionalmente elevada no setor automóvel. Portanto, foi desenvolvida uma variedade de tecnologias de fabrico para produzir essas peças, sendo que o forjamento a frio é um desses processos, (Laroche, 2021). Na figura 3, podemos ver alguns exemplos de peças produzidas por forjamento a frio. Figura 3: Exemplo de peças produzidos por forjamento a frio
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 9 2.2.1. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO FORJAMENTO A FRIO O forjamento a frio conta com uma série de vantagens quando comparado com o forjamento a quente e a outros processos de fabrico. Relativamente ao forjamento a quente beneficia do facto de não haver custos com energia para o aquecimento do material, para além disso, visto que se realiza abaixo da temperatura de recristalização do metal proporciona melhores acabamentos superficiais e melhores propriedades mecânicas e possibilita o fabrico de componentes com tolerâncias mais apertadas (Schaeffer, 2001; Klocke, 2013). Quando comparado com outros processos de fabrico particularmente com processos de maquinagem está demonstrado que o forjamento a frio providencia melhores propriedades mecânicas, nomeadamente um aumento na resistência à tração e um aprimoramento da taxa de recuperação do material. Para além disso as velocidades de produção são extremamente elevadas quando comparadas com as de qualquer processo de maquinagem, muitas vezes na ordem das dezenas de milhares de peças por hora, e os desperdícios de material são muito reduzidos, pelo facto de geralmente não haver rebarbas e de se produzir pouca ou nenhuma apara (Jo et al., 2021). No entanto, todos estes benefícios são acompanhados de algumas desvantagens. Os custos das ferramentas para o forjamento a frio podem ser significativos, de 5.000€ a 25.000€ para um conjunto de ferramentas, dependendo do quão complexa é a geometria da peça. Para além disso são necessários equipamentos capazes de exercer pressões elevadas, e as ferramentas estão sujeitas a grandes esforços. A necessidade de se exercerem grandes pressões deve-se ao processo de encruamento pelo qual a peça que está a ser deformada passa durante a deformação. Isto não acontece quando o processo é feito a quente, pois, simultaneamente ao encruamento, a microestrutura é recristalizada, através dos processos dinâmicos de recuperação e recristalização, o que facilita a deformação do material (Santos, 2021). O tempo de conceção do projeto e preparação das ferramentas para fazer as peças forjadas a frio é frequentemente medido em semanas, muito mais tempo do que seria necessário para programar e produzir a mesma peça num torno CNC ou num centro de maquinagem. Dependendo da fábrica e do tipo de peça, as quantidades a produzir para que um certo projeto seja viável economicamente são grandes. Normalmente o número de peças
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 10 para que uma encomenda seja viável são na ordem dos milhares, para peças especiais com grandes dimensões, e na ordem de centenas de milhares ou milhões para o caso de pequenos parafusos, (How it works – Cold Forming makes fasteners and a lot more, 2008). 2.2.2. PROJETO NO FORJAMENTO A FRIO Os fenômenos físicos que descrevem as operações de forjamento são difíceis de expressar de forma quantitativa e objetiva. O fluxo do metal, o atrito na interface ferramenta/material, a geração e transferência de calor durante o fluxo plástico, e as relações entre microestrutura/propriedades e as condições do processo são difíceis de prever e de analisar. Muitas vezes na produção de peças, são necessárias várias operações de forjamento (pré-forma) para transformar a geometria inicial simples numa geometria complexa, sem causar falha ou degradação das propriedades do material, (Altan, Ngaile & Shen, 2004). Consequentemente, o objetivo central de qualquer método de análise é ajudar no projeto do forjamento e/ou nas sequências de pré-forma. Para uma determinada operação, seja de preparação ou acabamento, o seu projeto consiste essencialmente em: a) estabelecer as relações cinemáticas (forma, velocidades, taxas de deformação, deformações) entre a parte deformada e não deformada, ou seja, prever o fluxo de metal; b) estabelecer os limites de deformação, ou seja, determinar quantas etapas vão ser necessárias e se é possível formar a peça sem falhas internas e superficiais; c) prever os esforços e as tensões necessárias para executar a operação de forjamento para que as ferramentas e os equipamentos possam ser projetados e selecionados; O projeto de uma sequência de forjamento com várias etapas envolve a definição do número de estágios necessários juntamente com as suas formas e as suas dimensões. Os melhores projetos para operações de pré-forma são caracterizados pela sua capacidade de obter uma distribuição adequada do material, este é um dos aspetos mais importantes nos processos de forjamento a frio. Tradicionalmente, o projeto da sequência de forjamento é realizado usando principalmente diretrizes empíricas, experiência e tentativa e erro, o que resulta num longo tempo de desenvolvimento do processo e altos custos de produção. O
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 11 uso de técnicas de simulação auxiliadas por computador na conformação de metais antes dos testes físicos pode reduzir o custo e o tempo do projeto do processo (Bassan, 2014). Na figura 3 está ilustrado um exemplo de uma sequência de pré-formas onde se pode ver a evolução da peça ao longo do processo. Para além disso podem-se ver os diferentes punções e matrizes que têm que ser projetados para cada etapa de forma a atingir as deformações pretendidas em cada estágio. Neste caso, o exemplo apresentado na figura 4 refere-se a uma peça que posteriormente necessita de ser acabada por maquinagem devido às limitações do processo de forjamento. Este tipo de procedimento, de primeiro se fabricar um peça near-net shape por forjamento e depois finalizá-la por maquinagem, quando comparado com a exclusiva utilização da maquinagem para fabricar esta peça, permite uma grande poupança de material e está-se a transformar num procedimento cada vez mais recorrente hoje em dia. 2.2.2.1. FERRAMENTAS DE FORJAMENTO A FRIO No forjamento a frio, para o fabrico de uma qualquer referência, o conjunto de ferramentas a utilizar é normalmente composto, pelo menos, por: punções, matrizes, contrapunções, calços de pressão e extratores. O conhecimento sobre o design e as funções de cada uma destas ferramentas é fundamental na hora de se realizar o projeto de um conjunto de ferramentas funcional e duradouro. De seguida serão apresentadas de forma Figura 4: Etapas do processo de fabrico de uma peça por forjamento a frio (Jo et al, 2021)
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 18 adequada de lubrificantes assume uma importância significativa no forjamento a frio e traz benefícios incontestáveis (Accadrolli, 2020). 2.2.3.1. CARACTERÍSTICAS DOS LUBRIFICANTES USADOS NO FORJAMENTO Na conformação de metais, o atrito é controlado através da utilização dos lubrificantes apropriados. É expectável que o lubrificante utilizado tenha certas características e que desempenhe algumas, senão todas, as seguintes funções (Schey, 1983): • Reduzir o atrito de deslizamento entre a ferramenta e a peça deformada. Isto é conseguido usando um lubrificante de alta lubricidade; • Atuar como um agente de separação e evitar a adesão e gripagem entre a peça e a ferramenta; • Providenciar boas propriedades de isolamento de forma a reduzir a transferência de calor entre a ferramenta e a peça; • Conferir inércia para prevenir ou minimizar reações que iram degradar as ferramentas e as peças devido às temperaturas de conformação; • Ser não abrasido de forma a reduzir a erosão e o desgaste da ferramenta; • Estar isento de componentes poluentes e tóxicos e não produzir gases desagradáveis ou perigosos; • Ser facilmente aplicável e removível tanto das ferramentas como das peças; 2.2.4. MÁQUINAS DE FORJAMENTO A FRIO O desenvolvimento contínuo da tecnologia de forjamento requer uma compreensão sólida e fundamental das capacidades e características do equipamento. O equipamento influencia o processo de forjamento, uma vez que afeta a taxa de deformação e determina a taxa de produção. Os requisitos de um determinado processo de forjamento devem ser compatíveis com as características de carga, energia, tempo e precisão de uma determinada máquina de forjamento. Os desenvolvimentos na indústria de forjamento são grandemente influenciados pela cada vez maior exigência mundial nos produtos fabricados e pela procura por componentes mais complexos e materiais mais difíceis de forjar. As necessidades presentes e futuras da indústria aeroespacial, o aumento da procura por sistemas de energia estacionários, motores a jato e componentes de aeronaves, e a crescente competição tecnológica externa
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 19 exigem atualização contínua da tecnologia atual. Então, o uso mais eficiente do equipamento de forjamento existente e a instalação de máquinas mais sofisticadas tornaram-se necessidades incontornáveis, (Altan, Ngaile & Shen, 2004). O desenvolvimento em todas as áreas de forjamento tem como objetivos: (a) aumentar a taxa de produção; (b) melhorar as tolerâncias de forjamento; (c) reduzir custos, minimizando as perdas de refugo, reduzindo as etapas de pré-forma e aumentando a vida útil da ferramenta; d) expandir a capacidade para forjar peças maiores e mais complexas; De seguida serão enfatizados essencialmente dois equipamentos, a Carlo Salvi RF-550SV de dois golpes e a máquina multi-etapas com 5 golpes, Multipress MP 510. O motivo para serem apresentados estes dois equipamentos deve-se ao facto de serem representativos dos vários tipos de máquinas existentes e de serem os equipamentos sobre a qual recairá grande parte do conteúdo deste trabalho. 2.2.4.1. CARLO SALVI RF-550-SV A máquina de forjamento Carlo Salvi RF-580-SV produz essencialmente parafusos de pequenas dimensões. Existe uma única matriz onde o material é golpeado por dois punções (rodeados a vermelho na figura 12). Na figura 12 pode-se ver à esquerda uma imagem do interior da máquina em questão e à direta uma imagem do seu exterior. Figura 12: Equipamento Carlo Salvi RF-550-SV
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 20 O primeiro punção é um preparador que tem a função de provocar uma primeira deformação, formando um cabeça em forma de tulipa. O segundo punção é um acabador que tem como função dar forma final à cabeça do parafuso. Na figura 13 estão ilustradas as etapas de produção de dois tipos de parafusos diferentes. Sinalizado a verde está representada a quantidade de arame necessária para cada um dos parafusos, que é cortada pela máquina. A cor amarela encontra-se o resultado do trabalho do primeiro punção sobre o material previamente cortado e introduzido na matriz. Finalmente a azul está sinalizado o que resulta da aplicação do punção acabador sobre o material preparado na etapa anterior. Na tabela seguinte estão apresentadas as principais especificações técnicas da máquina Carlo Salvi RF-500SV. Esta informação tem de ser tida em consideração cada vez que se aloca uma referência a um equipamento de forma que se garanta que o equipamento possuí as características necessárias para a produção dessa mesma referência. Tabela 1: Especificações técnicas da máquina Carlo Salvi RF-500SV Número de matrizes 1 Número de punções 2 Diâmetro do arame 2-5 mm Máximo comprimento de haste 50 mm Diâmetro máximo de cabeça 10 mm Velocidade máxima 500 peças/min Força máxima de estampagem 110 kN Potência Instalada 6 Kw Figure 13: Sequência de produção na Carlo Salvi RF-550-SV de dois tipos de parafusos
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 21 2.2.4.2. MULTIPRESS MP 510 A Máquina de forjar Multipress MP 510 possui cinco etapas (cinco matrizes e cinco punções, estando os punções rodeados a vermelho na imagem à esquerda da figura 14). Para além de parafusos produz peças mais complexas e maiores que a máquina de dois golpes apresentada anteriormente incluindo peças que exigem operações de corte de material. Cada etapa é composta por um par formado por uma matriz e um punção. A peça vai sendo transportada ao longo das etapas por um sistema de pinças e vai sendo deformada até atingir, na última etapa, a forma final pretendida. Na figura 15 é possível ver duas peças diferentes que são produzidas nesta máquina. Cada elemento na imagem corresponde a uma etapa na produção da peça sendo que o elemento mais à esquerda corresponde à primeira deformação e o elemento mais à direita corresponde à peça final. Figura 14: Equipamento Multipress MP 510
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 22 Na tabela 2 que se segue estão apresentadas as especificações técnicas da máquina Multipress MP 510. De salientar (novamente) a importância desta informação quando se parte para a escolha do equipamento para o fabrico de determinada peça. Esta escolha tem de ser feita antes de se avançar para o projeto da ferramenta pois o design da ferramenta vai ser influenciado pela máquina para a qual vai ser concebida a ferramenta. Tabela 2: Especificações técnicas da máquina Multipress MP 510 Número de matrizes 5 Número de punções 5 Diâmetro máximo do arame 12 mm Velocidade máxima 50-200 peças/min Força máxima de estampagem 1 200 kN Potência Instalada 30 kW Figura 15: Etapas de fabrico de duas peças produzidas na Multipress MP 510
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 23 2.3. AUTOMAÇÃO NO FORJAMENTO A industrialização das economias ao redor do mundo deve muito ao forjamento. Sem a capacidade de forjar aços e outros metais, ao longo do último século e meio não teríamos as peças necessárias para fabricar carros, construir aviões, explorar petróleo e metais e construir caminhos de ferro. Como em qualquer outro processo que envolva trabalho manual, a automação está a começar a impactar esta indústria. A indústria do forjamento, apesar de estar atrasada em relação a muitas outras, tem vindo a promover cada vez mais atualizações e inovações relevantes no campo da automação, tanto ao nível da conceção de novos equipamentos como na reconstrução e melhoramento dos equipamentos já existentes (Cutler, 2019). A competitividade do mercado e a constante pressão financeira que as indústrias atualmente enfrentam exigem que as empresas apresentem padrões diferenciadores de elevada qualidade e maior valor acrescentado. A automação é apresentada como um meio de atingir esses padrões, contribuindo para os seguintes aspetos: uma qualidade melhorada, através da consistência da fabrico e redução da variabilidade; tolerâncias de fabrico mais apertadas; um aumento do volume de produção; redução de custos; aumento da segurança dos operadores; e redução da dependência de mão de obra difícil de encontrar (Harrison, 2014). Os ensaios académicos existentes sobre automação no forjamento são poucos, o que contrasta com elevada quantidade de estudos sobre lubrificação, desgaste, danos, e simulações 3D. Apesar da existência de um desenvolvimento relativamente constante por parte dos fornecedores e fabricantes de robôs, os mesmos revelem que tem havido pouco progresso na conceção de aplicações direcionadas para a automação das atividades de forjamento (Cutler, 2019). O forjamento apresenta um tremendo desafio para se desenvolver automatização dos seus processos de fabrico, uma vez que combina temperaturas variáveis, imensas forças de elevada grandeza, potencialmente destrutivas, e a utilização e acumulação de grandes quantidades de lubrificante em todos os equipamentos. Isto, combinado com o elevado custo de substituição das prensas de forjamento, cuja sua vida útil pode ser de décadas, significa que a adaptação de sistemas automáticos aos equipamentos já existentes é uma
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 24 abordagem industrial mais viável, mas que por outro lado menos eficaz que a substituição integral por equipamentos mais modernos. 2.3.1. APLICAÇÕES DA AUTOMAÇÃO NO FORJAMENTO Atualmente, muitas tarefas manuais estão a substituídas pela "mão" mecânica, como um robô ou servo motores integrados que podem levantar, inserir, e depositar materiais. Mesmo tarefas como as mudanças de ferramentas podem ser completadas de forma automática com o premir de um botão. Abaixo serão apresentadas as tarefas que numa indústria de forjamento poderão ou já estão a ser realizadas de forma automatizada e como tarefas onde os operadores humanos podem ser auxiliados ou substituídos por aplicações da automação (Harrisson, 2014). ➢ Alimentação de material; ➢ Corte de material; ➢ Aquecimento de material; ➢ Manuseio de peças que se encontram a elevadas temperaturas; ➢ Trocas de ferramentas pesadas; ➢ Lubrificação automatizada; ➢ Sistema de controlo de qualidade; Como já foi mencionado anteriormente, a abordagem mais convencional na indústria do forjamento é a realização de retrofitting aos equipamentos e dos processos já existentes, com a implementação de melhorias e atualizações como as que foram mencionadas nos tópicos acima. São bastos os benefícios destas atualizações, contudo existe um custo associado a estas modificações dos equipamentos, dos processos e das peças que são muitas vezes difíceis de calcular. 2.3.1.1. BRAÇOS ROBÓTICOS Um fator chave para a progressiva automatização do forjamento é a utilização de braços robóticos. Segundo a British Automation and Robot Association (BARA) o mercado é dominado pelas aplicações desta tecnologia no setor automóvel. A tendência, desde 2005, indica que outros setores estão progressivamente a utilizar cada vez mais braços robóticos
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 25 nos seus processos. No entanto, na indústria do forjamento o crescimento está-se a dar a um ritmo relativamente baixo. A implementação de braços robóticos permite às indústrias aumentar a consistência, aumentar o volume da produção, reduzir as horas de trabalho, promover maior segurança aos operadores, baixar os custos de produção e baixar os consumos energéticos, contribuindo neste último caso para a sustentabilidade do ambiente (Harrison, 2014). O modelo base do projeto de um braço robótico industrial moderno mudou pouco ao longo das duas últimas décadas, no entanto, a confiabilidade e o desempenho destes continuou a evoluir e a melhorar, tornando-se num dos equipamentos mais confiáveis em qualquer processo de fabrico. Um fator chave para estas evoluções tem sido a necessidade de os fabricantes penetrarem nos mercados que apresentam ambientes de produção mais hostis, incluindo-se neles o forjamento (Hutson,2009). Na figura 16 é possível verificar um braço robótico a realizar a alimentação de uma prensa. Figura 16: Braço robótico a alimentar prensa vertical
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 26 2.3.1.2. LUBRIFICAÇÃO AUTOMATIZADA A automatização dos sistemas de lubrificação são uma das aplicações mais usuais da automação na generalidade dos processos de conformação. Determinando os parâmetros de concentração especifica de lubrificante para uma determinada configuração de peças e temperatura, o processo de lubrificação pode ser gerido por controlo estatístico (Harrison, 2014). Na figura 17 é mostrado um exemplo de lubrificação automática em processos de extrusão e de encabeçamento. As vantagens da lubrificação automática são uma atomização muito fina e precisa e um efeito de redução de temperatura limitados aos locais onde a lubrificação está a ser aplicada, levando a um processo mais estável. Nos processos de forjamento a variabilidade introduzida por métodos controlados manualmente é uma questão que merece ser abordada. No caso específico da lubrificação, cada operador tende a utilizar uma técnica individualizada o que significa que os produtos finais sofrem variações de acordo com parâmetros como a velocidade do operador ou a quantidade de lubrificante utilizado levando a resultados que podem ser inconsistentes. A automação pode ser utilizada como forma de combater esta variabilidade de processos (Williams, 2022). Figure 17: Aplicação de lubrificação automático
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 27 2.4. MUDANÇA RÁPIDA DE FERRAMENTA Os longos tempos de troca de ferramentas são um obstáculo ao uso flexível dos recursos da produção é por isso são um assunto de grande importância para a organização da produção. Posto isto, a redução dos tempos de setup é fundamental para se alcançar uma produção otimizada. Com a competitividade dos mercados atuais, as empresas estão pressionadas a providenciar um crescente nível de performance e para isso pretendem que as suas produções cumpram requisitos como o mínimo de stocks possíveis e o mínimo de lead time possível, com zero defeitos e com a máxima qualidade. Para alcançar estes objetivos são utilizadas metodologias com JIT (Just in time), JIS (Just in sequence), Kanban, 5 S´s de forma a organizar a produção, gerir stocks e inventários e reduzir ao máximo o número de desperdícios e de processos que não acrescentam valor (Herr,2014) O gráfico que se segue permite estabelecer uma relação entre o tamanho de lote, os custos de produção, os custos de setup e os custos de inventário. Como é possível verificar pelo gráfico acima, a forma economicamente mais vantajosa de se organizar a produção é com o fabrico de lotes relativamente pequenos que permitam evitar a acumulação de stocks. No entanto, para se alcançar este objetivo é preciso dotar a
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 34 Por vezes, por motivos que estão apresentados nos pontos abaixo, como por exemplo, deslizamento do arame ou pressões incorretas nas rodas de alimentação, o arame não chega ao batente e consequentemente quando é cortado o seu comprimento não é o pretendido, ocorrendo problemas como mau preenchimento das peças ou peças fora das dimensões exigidas. Causas da má alimentação • Pressão das rodas de alimentação insuficiente ou excessiva; • Muito óleo no arame; • Torções ou entalhes no arame; • Bobinas de arame muito grandes ou com emaranhados; • Rodas de alimentação presas; • Bobina de arame não centralizada na máquina; • Alisador de arame mal ajustado Consequências da má alimentação • Comprimento de arame inconsistente; • Mau preenchimento da peça; • Peças fora das dimensões pretendidas; Quando esta falta de material ocorre é usual que, até que seja detetada a falha, se produzam muitas peças, resultando na necessidade de sucatar grandes quantidades de peças. Figura 18: Modelo CAD ilustrativo da função do batente
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 35 Nos casos em que a falha ocorre aleatoriamente durante a produção, ou seja, quando as peças estão a sair especificações pretendidas, de repente saem algumas não conformes e depois voltam novamente a sair com as especificações pretendidas, no meio de milhares de peças boas, as peças não conformes não são notadas e acabam por seguir assim para os clientes. Na figura 19 está apresentado um exemplo das consequências de uma falha na alimentação do arame. Rodeados a vermelho encontram-se parafusos defeituosos devido à falta de material. Neste caso, esta falta de material resultou também em danos para as ferramentas e consequentemente em quebras de produção e custos económicos. Rodeado a verde encontra-se o mesmo parafuso conforme. Na figura 20 está apresentado outro exemplo onde uma alimentação de arame deficiente resultou na produção de alguns eixos com comprimentos inferiores ao pretendido. Esta falha só foi detetada na operação seguinte porque os eixos mais curtos estavam a danificar os pentes que fazem uma recartilha neste eixo. Mais uma fez, a simples falha na alimentação do arame resultou em danos para a ferramenta e em custos de retrabalho. Para além disso, foi necessário destacar operários para escolher toda a produção e sucatar os eixos curtos. Figura 19: Exemplo de defeitos causados pela falta de material
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 36 Para resolver este problema, foi decidido implementar no batente um sensor com o objetivo de detetar quando o arame não chega ao batente e assim, parar a produção e alertar o operador para que este possa resolver o problema da má alimentação de material. 3.1.2. TIPO DE SENSOR PARA O BATENTE Devido à falta de espaço junto ao batente, devido à elevada cadencia de produção destas máquinas, muitas vezes na ordem das 15 000 peças por hora, e devido à ocorrência de choques na zona do batente a escolha do tipo sensor a implementar neste local assume grande importância. Foi decido que seria utilizado um sensor por massa. Cada vez que o arame chocar com o batente, vai provocar uma corrente elétrica. Assim, isolando o batente do resto da máquina e ligando um fio elétrico ao mesmo é possível saber cada vez que o arame choca com o batente. 3.1.3. ISOLAMENTO DO BATENTE Como foi dito anteriormente, para utilizar este método de deteção por massa é necessário isolar do resto da máquina o componente onde a corrente elétrica gerada pelo choque de dois metais vai ser verificada. Figura 20: Exemplo de eixos curtos causados pela falta de material
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 37 Posto isto foram projetados os isolantes. Primeiro foram modelados num software CAD e foram feitos os respetivos desenhos técnicos e, posteriormente foram maquinados na serralharia da empresa ETMA Metal Parts. Para isolar o batente da máquina foi feito um casulo em melamina com 1 mm de espessura. O seu modelo CAD e a peça maquinada podem ser vistos na figura 21. Para isolar os parafusos que estão a fixar o batente no seu suporte, foram feitos casquilhos em nylon. O seu modelo CAD e a peça maquinada podem ser vistos na figura 22. Figura 21: Modelo CAD e peça maquinada do casulo isolante do batente Figura 22: Casquilhos em nylon maquinados e respetivo modelo CAD
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 38 3.1.4. MONTAGEM DO SENSOR Estando o batente isolado é espectável que a corrente elétrica gerada pelo choque do arame no batente percorra os parafusos que se podem ver na figura abaixo. Tendo isso em consideração foi decidido que o fio elétrico, que terá a função de sensor, fosse instalado num dos parafusos com a ajuda de duas porcas. Na figura 23 está ilustrada a vista frontal e a vista traseira do batente com o sensor incorporado, estando o sensor representado a castanho. O modelo foi realizado no software Autodesk Inventor. Na figura 24 pode ver-se a montagem final no batente de todos os componentes falados anteriormente. Figura 23: Modelo CAD da montagem dos componentes no batente
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 39 3.1.5. NECESSIDADE DE UM SENSOR AUXILIAR Para que o sensor instalado no batente atinja os objetivos esperados é necessário que se saiba em que momento é suposto que o arame choque no batente para que, caso o arame não choque no batente no intervalo de tempo em que deveria ter chocado, a máquina pare. Visto que, a máquina trabalha com velocidades diferentes de produção para produção, e que os comprimentos do arame também variam dependendo do parafuso que está a ser produzido, torna-se impossível utilizar variáveis como tempo na programação do PLC para sabermos quando deveria ou não ter ligado o sensor que deteta a presença de arame. Assim sendo, foi estipulada a utilização de um segundo sensor que pudesse informar quando é que o sensor do batente deve ser acionado. Deste modo, se os dois sensores estiverem ligados em simultâneo significa que o arame bateu no batente nesse ciclo e que, portanto, essa peça está conforme. Caso o sensor de auxílio ligue e desligue sem que o sensor do batente seja acionado, significa que nesse ciclo, o arame não bateu no batente e que por isso, a máquina deve ser parada para que o operador corrija a falha na alimentação Figura 24: Fotografias da montagem dos componentes no batente
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 40 do arame, verifique as últimas peças produzidas e caso seja necessário, sucate os parafusos não conformes. Desta maneira, este segundo sensor precisa de estar instalado de forma que tenha o mesmo comportamento que o sensor do batente, independentemente das características de cada produção. Por exemplo, se a velocidade de produção é mais elevada, o arame vai bater mais vezes no batente. O sensor auxiliar tem que acompanhar este tipo de comportamento. 3.1.6. INSTALAÇÃO DO SENSOR AUXILIAR O sistema de alimentação de arame da máquina é controlado por uma came que, ora ativa ora desativa a alimentação do arame de forma a prover a máquina com a quantidade de material necessária para o fabrico de uma peça. A ação dessa came é sempre a mesma, independentemente do tipo de peça a ser produzida. Cada volta completa desta came corresponde ao fabrico de uma peça, e há uma posição da came que corresponde sempre ao facto do arame estar a bater no batente. Esta came foi o local escolhido para a instalação do segundo sensor. Em favor de não danificar a came e pelo facto de esta ser temperada e, portanto, difícil de maquinar, o obstáculo que será o acionador do sensor será instalado junto da anilha da came, cujo movimento é igual ao da própria came. O obstáculo que ativa este sensor foi modelado no software Autodesk Inventor e posteriormente foi fabricado na serralharia da ETMA Metal parts. Tanto o modelo como o componente fabricado podem ser vistos na figura 25. Figura 25: Obstáculo que ativa o sensor modelado e fabricado
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 41 Da forma que foi concebido, este componente manterá o sensor auxiliar ligado durante 75% do ciclo que corresponde ao fabrico de uma peça. Será dentro deste mesmo intervalo de tempo que o arame terá de chocar no batente para haja confirmação de que a alimentação do arame está a ocorrer conforme o pretendido. Para posicionar o sensor da posição pretendida foi necessário idealizar um suporte para o mesmo. O suporte foi modelado de forma que pudesse ser fixado na máquina através de dois parafusos M8 e de forma que não comprometesse nem prejudicasse o natural funcionamento da máquina. Na figura 26 pode ser visto o suporte para o sensor modelado no software Autodesk Inventor e o componente posteriormente fabricado na serralharia da ETMA Metal Parts. Na figura 27 estão ilustradas as ideias descritas nos parágrafos anteriores. A vermelho está representado o local estável da máquina ao qual será aparafusado o suporte para instalar o sensor. Figura 26: Suporte do sensor fabricado e modelado
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 42 Na figura 28 encontra-se o sensor de auxilio na came tal como foi projetado. Este sensor está instalado de forma que comece a detetar no instante imediatamente antes do arame bater no batente e que fique ligado algum tempo de maneira que o sensor do batente ligue enquanto o sensor auxiliar também está ligado. Se ambos estiverem ligados em simultâneo durante o ciclo então a máquina foi alimentada corretamente. Came Anilha da Came Obstáculo Sensor Suporte do sensor Figura 27: Representação da instalação do sensor de auxílio Came Anilha da Came Obstáculo Suporte do sensor Sensor Figura 28: Montagem do sensor de auxílio
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 43 3.1.7. ESCOLHA DO SENSOR AUXILIAR Para a função de sensor auxiliar foi escolhido o sensor indutivo M5 IY5034 da ifm electronic que se pode ver da figura abaixo. De salientar que o sensor indutivo a selecionar tinha que ser do tipo NPN, fruto de uma das entradas ser um sensor por massa. Na tabela 3 estão apresentadas algumas das características técnicas do sensor escolhido. Tabela 3: Especificações técnicas do sensor indutivo escolhido Conceção elétrica NPN Funções de saída Normalmente aberto Alcance de deteção 0,8 mm Dimensões M5 x 0,5 / L = 30 3.1.8. ESCOLHA DO PLC Tendo em consideração que os equipamentos onde serão instalados os sensores têm cadências de produção muitas vezes de 15 000 peças por hora, ou seja aproximadamente 4,2 peças por segundo, existe a necessidade de se escolher um PLC com uma elevada capacidade de processamento. A elevada capacidade de processamento é fundamental para que, a resposta da máquina quando tiver de efetuar a paragem ocorra em tempo útil, de forma a que se evite Figura 29: Sensor indutivo M5 IY5034
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 50 Figura 39: Esquema das ligações elétricas dos componentes do projeto do sensor ao PLC 3.2. IMPLEMENTAÇÃO DE CALHA PARA SEPARAR PEÇAS INACABADAS Neste subcapítulo será apresentada a solução idealizada para separar as peças inacabadas que caem durante a passagem de estação nas máquinas de forjamento multiestações. 3.2.1. ENQUADRAMENTO Como se pôde verificar no capítulo 3 sobre os defeitos e as reclamações dos clientes, a queda de peças durante o transporte entre postos foi uma das causas que mais reclamações gerou. Nas máquinas multiestações, as peças são transportadas de estação em estação por pinças, que agarram na peça e a largam na estação seguinte. Ocasionalmente, há peças que caem das pinças durante o transporte, não chegando assim à última etapa e ficando desse modo inacabadas. Estas peças inacabadas caem no mesmo tapete das peças boas, e no meio de milhares de peças boas são extremamente difíceis de detetar. Na figura 40 encontram-se dois exemplos onde estão rodeadas a vermelho peças que caíram durante o transporte e, portanto, ficaram inacabadas.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 51 3.2.2. CONCEÇÃO DO SEPARADOR E DA CALHA Para resolver este problema foi idealizado um separador onde vai ser fixada uma calha de forma a guiar para o tapete apenas as peças que passaram por todas as etapas. As peças inacabadas vão ser guiadas juntamente com a sucata para um parafuso de Arquimedes já existente responsável por tirar a sucata da máquina. Foi então modelado um separador, que pode ser visto na figura 41 a), que será fixado à máquina com parafusos. O separador possuí um rasgo lateral por onde entrarão as peças que vêm da última matriz e um rasgo no topo. Figura 40: Exemplos de peças que caíram durante o transporte
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 52 Algumas peças que sofrem remoção de apara (quando acontece é sempre na última etapa) caem por trás do bloco de punções, daí a necessidade de existir um rasgo também no topo. A peça finalizada cai para o lado das peças boas, precisamente pelo rasgo do topo, e a apara cai para o lado da sucata. Apesar das máquinas onde este separador vai ser aplicado serem de cinco e quatro golpes, há peças que para serem produzidas necessitam apenas de três ou quatro etapas. Por esse motivo, a posição da calha, tem de ser regulável. Poderá ser aparafusada de forma a apanhar as peças que saem na quarta ou na quinta matriz no caso da máquina de cinco golpes, e na terceira ou quarta matriz no caso da máquina de quatro golpes, dependendo da necessidade. A calha em questão está representada na figura 41 b). A montagem da calha no separador está representada na figura 42. Figura 41: Separador e calha modelados a) b)
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 53 Na figura 43 está representava uma ilustração explicativa do modo de funcionamento do separador e da calha. A peça da última matriz vai pela calha para o lado esquerdo do separador. O seu trajeto está representado com pintas verdes. As peças que caírem antes de chegarem à última etapa caem do lado direito do separador, representadas a vermelho na ilustração. Figura 42: Ilustração da montagem da calha no separador
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 54 Na figura 44 pode-se ver uma fotografia com a sinalização a vermelho do local onde as peças inacabadas (NOK) caem e a verde o local (calha) onde as peças que estão conformes (OK) caem. Figura 43: Ilustração explicativa do modo de funcionamento do separador e da calha Figura 44: Fotografia com a sinalização a vermelho do local onde as peças (NOK) caem e a verde o local onde as peças OK caem.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 55 3.3. COMENTÁRIOS E SÍNTESE DO CAPÍTULO Neste capítulo foram apresentados dois projetos de melhoria com o principal intuito de aumentar a qualidade e a fiabilidade dos produtos fabricados no setor do forjamento a frio. O projeto de implementação de um sensor no batente permitiu alcançar uma solução para a má alimentação dos equipamentos, garantindo a paragem da máquina assim que a quantidade de arame alimentada for inferior ao pretendido para a peça em produção. O projeto de implementação de uma calha que permita fazer a separação das peças inacabadas, tal como o nome indica, permite que se faça uma separação eficaz das peças que não passaram por todas as etapas de deformação devido a quedas durante o transporte entre estações. Estes projetos deixam demonstrado que soluções simplistas e com investimentos reduzidos (principalmente o da separação das peças) podem ter impactos relevantes. Com pequenos ajustes (ou até mesmo sem nenhuns em alguns casos), será possível aplicar estas melhorias a outros equipamentos do setor e desta forma resolver dois dos problemas que mais reclamações dos clientes causam (40% das reclamações do ano 2021).
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 56 4. REDUÇÃO DO TEMPO DE SETUP Com o intuito auxiliar e guiar no estudo e posterior elaboração de um plano para a redução do tempo de setup das máquinas de forjamento a frio vai ser utilizada a metodologia SMED. O propósito desta metodologia passa por reduzir o tempo de troca de ferramenta de uma máquina para valores na ordem de um dígito, (Single Minute Exchange Die), ou seja, para valores de tempo inferiores a 10 min. Estando ciente de que este é um objetivo demasiado ambicioso ou até mesmo inalcançável, vai-se tirar proveito dos procedimentos utilizados nesta metodologia para reduzir ao máximo os tempos de setup. 4.1. ESTÁGIO PRELIMINAR O primeiro passo da aplicação da metodologia SMED consiste em observar e analisar todos os procedimentos atualmente realizados durante o processo de mudança de ferramenta. Após o acompanhamento de alguns processos de setup, todas as atividades foram registadas e o tempo que cada uma delas demora foi anotado. Os dados dos procedimentos de troca de ferramentas foram recolhidos de setups realizados no equipamento Multi Press MP 410, de quatro golpes, e posteriormente foi feita a média dos tempos recolhidos. De salientar que os setups realizados dizem respeito a setups com um grau de dificuldade e de tempo de setup intermédios. Para além de todas as operações realizadas durante o setup e do tempo que cada uma delas demora, é importante neste estágio recolher o máximo de informações possível sobre os processos atuais. É importante perceber quais são os principais problemas, as ineficiências e os desperdícios que ocorrem durante o setup. Neste caso de estudo são notórios os seguintes: ➢ A inexistência de planeamento e normalização das atividades; ➢ Desorganização dos movimentos; ➢ Falta de manutenção planeada das ferramentas; ➢ Todas as atividades são realizadas com a máquina parada, incluindo tarefas que poderiam ser realizadas antes ou depois de paralisar a máquina para a troca de ferramentas; ➢ Demasiado tempo perdido em ajustes por tentativa-erro;
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 57 Na tabela 6 estão apresentadas as atividades de setup e os seus respetivos tempos. De salientar que apesar das atividades estarem classificadas de internas e externas, essa classificação diz respeito à possibilidade de serem ou não efetuadas com a máquina parada e não ao que acontece na realidade neste estágio. Como foi mencionado anteriormente, nesta fase todas as operações exibidas na tabela são efetuadas com a máquina parada. Tabela 6: Operações de setup realizadas e os seus respetivos tempos de execução antes da aplicação da metodologia SMED Operação nº Descrição da Operação Tempo médio (min) Tipo de atividade 1 Desmontagem e Lavagem 78,5 1.1 Guardar o cadastro da ferramenta e o plano de inspeção 1 Externa 1.2 Levar peças da referência que terminou a produção para próxima operação 2,5 Externa 1.3 Ir buscar líquido de limpeza 1 Externa 1.4 Fazer limpeza geral da máquina com pistola de ar comprimido 6,5 Interna 1.5 Retirar pinças 7 Interna 1.6 Recuar e retirar batente 1,5 Interna 1.7 Retirar punções 3 Interna 1.8 Desmontar e lavar os punções da referência terminou produção 13 Externa 1.9 Retirar bússola e cutelo 6 Interna 1.10 Retirar matrizes 3 Interna 1.11 Desmontar e lavar as matrizes da referência que terminou produção 14,5 Externa 1.12 Tirar rodas de alimentação da referência que terminou produção 3,5 Interna 1.13 Fazer limpeza geral da máquina e do tapete com pistola de ar comprimido e líquido de limpeza 6 Interna 1.14 Guardar rodas de alimentação da referência que terminou produção 1,5 Externa 1.15 Retirar arame do desenrolador 5 Interna 1.16 Guardar a caixa de ferramentas 3.5 Externa 2 Montagem 218,5 2.1 Colocar arame no desenrolador 5 Interna
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 58 2.2 Recolher as rodas de alimentação da referência que vai iniciar produção 1,5 Externa 2.3 Colocar as rodas de alimentação do arame 5 Interna 2.4 Recolher caixa com ferramentas da referência que vai iniciar produção 4,5 Externa 2.5 Procurar amostras das etapas das produções anteriores na caixa de ferramentas 1,5 Externa 2.6 Recolher e colocar plano de inspeção junta à máquina da referência que vai iniciar produção 3 Externa 2.7 Recolher caderno com as medidas dos extratores das matrizes 2 Externa 2.8 Ajustar extratores das matrizes 5,5 Interna 2.9 Montar as matrizes 8,5 Interna 2.10 Montar o cutelo com auxílio de uma prensa 1,5 Externa 2.11 Montar a bússola e o cutelo na máquina 5,5 Interna 2.12 Afinar o cutelo com a bússola para passar o arame 10 Interna 2.13 Introduzir o arame e afinar as rodas do sistema de alimentação 14 Interna 2.14 Ajustar comprimento do arame (quantidade de material) 8 Interna 2.15 Colocar punção primeira operação 13,5 Interna 2.16 Colocar punção segunda operação 12,5 Interna 2.17 Colocar punção terceira operação 12 Interna 2.18 Colocar punção acabador quarta operação 8,5 Interna 2.19 Afinação geral dos quatro postos 9 Interna 2.20 Colocar e afinar os pares pinças posto a posto e fazer reajustes necessários 85,5 Interna 2.21 Colocar ar comprimido e lubrificação 2 Interna Total 297 O tempo total de montagem e desmontagem (obtido através da média de tempos de referências semelhantes) é de 297 minutos (4h e 57 min aproximadamente). Esta escala de tempo é um grande entrave à produtividade e eficiência de uma atividade industrial, tendo em conta que atualmente existe uma grande competitividade no mercado, uma maior exigência dos clientes, e uma necessidade cada vez maior, tanto dos clientes como das indústrias de terem o mínimo de stocks possível e por isso necessitarem da maior flexibilidade disponível. Estas imposições levam à solicitação, por parte dos clientes, de
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 59 encomendas cada vez mais pequenas e com lead times cada vez menores que exigem um número mais elevado de setups. Após estudar os métodos atualmente utilizados o próximo passo é separar as atividades internas e externas 4.2. ESTÁGIO 1 – SEPARAÇÃO DAS ATIVIDADES INTERNAS E EXTERNAS Como se verificou no estágio preliminar todas as tarefas de setup eram realizadas com a máquina parada, não havendo nenhuma organização com vista a reduzir ao máximo o tempo de paragem dos equipamentos. Neste estágio 1 as atividades, depois de classificadas como internas ou externas, foram reorganizadas de maneira que todas as atividades externas fossem realizadas fora do tempo de setup sendo distribuídas por dois novos momentos, um de pré-setup e um de pós-setup. Na figura 45 é apresentado um esquema onde se podem verificar as atividades reorganizadas. As atividades externas que consistem essencialmente em atividades de preparação de setup como a recolha de utensílios, ferramentas e materiais informativos foram alocadas no pré-setup. As atividades externas que consistiam arrumar e lavar utensílios e ferramentas e guardar os materiais informativos da produção que terminou foram colocadas na fase de pós-setup. Após a reorganização das atividades, colocando fora do tempo de setup as atividades que não necessitam que a máquina esteja parada para serem efetuadas foi possível reduzir o tempo de setup em 51 minutos de 297 minutos para 246 minutos, consumando uma redução de 17,2%. Dos 51 minutos de tempo reduzido, 15 minutos foram alocados no tempo de preparação do setup (pré-setup) e 36 minutos foram deslocados para depois do setup.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 66 De seguida será efetuada uma análise mais detalhada das atividades que serão intervencionadas de forma a perceber que oportunidades existem de as simplificar e de reduzir os seus tempos de execução. Ajustar o comprimento do arame (2.14) A quantidade de material que cada peça necessita é definida pelo comprimento de arame que será cortado pelo equipamento. O corte do arame é a primeira operação efetuada pela máquina. Para ajustar a quantidade de material o operador mede a amostra da quantidade de material das produções anteriores e vai ajustando o batente e o curso do arame até chegar ao valor pretendido. Com a existência de um plano de montagem de fácil acesso junto ao local de trabalho do operador, este já não precisa de consultar e medir amostras da quantidade de arame Figure 48: Exemplo de plano de montagem
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 67 usado nas produções anteriores, basta olhar para essa informação que está disponível no plano de montagem. Tabela 7: Tempo poupado na atividade 2.14 (ajustar o comprimento do arame) Tempo sem plano de montagem Tempo com plano de montagem Tempo poupado 8 min 7 min 1 min Ajustar extratores das matrizes (2.8) No caso desta atividade a poupança de tempo não vai ser direta na atividade interna de ajustar os extratores das matrizes. Visto que os operários já possuem um caderno onde vão anotando essa medida das últimas produções, com a incorporação dessas medidas no plano de montagem permitirá que se poupe tempo nas atividades de ir buscar o caderno, procurar a referência no caderno e guardar o caderno. Visto que estas atividades já foram transformadas em externas, a poupança de tempo resultante desta medida será contabilizada no tópico sobre redução e simplificação das atividades externas. Montagem dos punções (2.15, 2.16, 2.17, 2.18) A montagem dos punções está baseada em métodos de tentativa-erro. Para montar e afinar os punções o operador necessita de colocar um calço antes do punção, montar o punção no equipamento e depois afinar a posição do punção. O punção pode ser afinado verticalmente e horizontalmente através do ajuste de parafusos, de forma a ficar centrado com o furo matriz que está do lado oposto. Pode também ser afinado longitudinalmente de maneira a ficar mais ou menos próximo da matriz, consoante a deformação pretendida. Quanto mais próximo estiver, mais vai empurrar o material contra ou para dentro da matriz. A afinação longitudinal é conseguida tanto através do tamanho do calço introduzido como pela afinação de um parafuso. É recorrente que não se coloque o calço certo à primeira tentativa o que resulta em perdas relevantes de tempo. Quando acontece, o operador tem que retirar o punção, retirar o calço que estava errado, colocar outro calço e voltar a montar o punção, isto sem ter a certeza de que o novo calço introduzido será o adequado. Os operadores têm acesso a amostras de todos os postos das produções anteriores e, a
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 68 partir dessas tentam replicar as deformações desejadas em cada posto. Com a existência de um plano de montagem de fácil acesso na área de trabalho do operador, com a informação de qual calço usar e da posição do parafuso que regula distância do punção à matriz, poupa-se muito tempo com a redução das operações por tentativa-erro, que incluem: introduzir o calço, regular o parafuso, testar e comparar com a amostra de produções anteriores, e repetir este procedimento até chegar ao resultado pretendido. Para além disso, o operador já não precisa de verificar e medir as cotas das amostras das produções anteriores para verificar se o resultado é o pretendido, basta olhar para o plano de montagem. Com isto, foi possível reduzir o tempo total da montagem dos quatro punções de 46,5 minutos para os 24 minutos. Tabela 8: Tempo poupado nas atividades 2.15, 2.16, 2.17, 2.18 (montagem dos punções) Tempo sem plano de montagem Tempo com plano de montagem Tempo poupado 46,5 min 24 min 22,5 min Afinação geral da peça (2.19) Nesta atividade, depois de já ter montado os punções e as matrizes, o operador faz um teste geral a todas as etapas antes de partir para a colocação do sistema de transporte das peças. O operador testa cada posto, transportando a peça de posto em posto manualmente e faz pequenas correções nas afinações. Mais uma vez o operador mede as amostras da peça em cada posto e verifica se estão de acordo com o que está a ser produzido. Com o aumento de rigor da afinação nas atividades anteriores e com a necessidade quase certa de se voltarem a fazer estes pequenos ajustes quando se colocarem as pinças, esta atividade passa a possuir um carater redundante onde o tempo gasto não traz valor acrescentado na mesma proporção. Se a afinação dos punções e das matrizes for feita de forma definitiva e correta nas operações que se destinam a isso mesmo, esta atividade pode ser eliminada. Fazer um teste geral transportando a peça manualmente de posto em posto não traz qualquer acréscimo, que permita contribuir para o setup do equipamento. Posto isto, foi decidido que esta atividade seria eliminada.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 69 Tabela 9: Tempo poupado na atividade 2.19 (afinação geral da peça) Tempo sem plano de montagem Tempo com plano de montagem Tempo poupado 9 min 0 min 9 min Tabela 10: Tempo poupado na atividade 2.20 (colocação e afinação das pinças) Tempo sem plano de montagem Tempo com plano de montagem Tempo poupado 85,5 min 58 min 27,5 min Colocação e afinação das pinças (2.20) A montagem das pinças é composta por vários ajustes. A peça agarrada pelas pinças precisa de estar centrada com o punção e com o furo da matriz. Para além disso existem duas cames por cada par de pinças. Uma dessas cames define o tempo que as pinças estão fechadas a segurar na peça enquanto o punção não chega para empurrá-la para dentro da matriz. A outra define o momento em que as pinças vão fechar para agarrar a peça que é extraída da matriz e posteriormente transportada para o próximo posto. Um dos aspetos que torna esta etapa tão demorada é a falta de rigor nas tarefas que a antecedem. É usual que nesta operação se façam ajustes em muitas das afinações que tinham sido feitas anteriormente. É usual que se tenha que mudar algum calço, que se necessite de aumentar ou reduzir a quantidade de arame, que se tenha que ajustar a distância do punção ou que se tenham de fazer ajustes nos extratores das matrizes. Não havendo soluções para encurtar o tempo que se destina à afinação das pinças e dos tempos de transporte das peças de posto em posto, para se reduzir o tempo gasto nesta atividade é fundamental que se garanta precisão e certeza nas afinações feitas na operações prévias. Por este motivo, o facto de haver um plano de montagem e por isso uma afinação mais certeira nas atividades que prestam essa função, foi possível reduzir o tempo gasto nesta tarefa dos 85,5 minutos para os 58 minutos.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 70 4.4.3. REDUÇÃO E SIMPLIFICAÇÃO DAS ATIVIDADES EXTERNAS Quanto à redução e simplificação das atividades externas apenas foi possível eliminar duas delas. A eliminação destas atividades é mais uma contrapartida na implementação do plano de montagem. Uma vez que existente o plano de montagem deixa de ser necessário que existam nas caixas de ferramentas amostras de todos os postos das produções anteriores (2.5) porque os seus desenhos já estão no plano de montagem e deixa também de ser necessário ter um caderno que as medidas nos extratores (2.7) pois essa informação também já estará inserida no plano de montagem. Tabela 11: Tempo poupado na atividade 2.5 (procurar amostras das etapas das produções anteriores na caixa de ferramentas) e 2.7 (recolher caderno com as medidas dos extratores das matrizes) Tempo sem plano de montagem Tempo com plano de montagem Tempo poupado 3,5 min 0 min 3,5 min 4.4.4. REDUÇÃO DO TEMPO DE SETUP RESULTANTE DA APLICAÇÃO DO ESTÁGIO 3 Antes da aplicação do estágio 3 – otimização sistemática de todos os aspetos do setup – o tempo de setup era 246 minutos. Após o terceira e último estágio o tempo de setup ficou nos 150,5 minutos, representando uma redução de 38,8 %. Apesar de se terem reduzido 99 minutos, apenas 95,5 contam para a redução real do tempo de setup pois 3,5 minutos dizem respeito à eliminação de duas atividades externas, que apesar de não interferirem no tempo que a máquina está parada sem produzir continuam a consumir tempo e recursos que podem ser canalizados para outras atividades. Tabela 12: Resumo da redução do tempo de setup resultante da aplicação do estágio 3 Tempo reduzido pela implementação das atividades paralelas Tempo reduzido pela redução e simplificação das atividades internas Tempo reduzido pela redução e simplificação das atividades externas Tempo total reduzido pela aplicação do estágio 3 32,5 60 3,5 96 min 4.5. ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NA REDUÇÃO DO TEMPO DE SETUP Neste subcapítulo serão apresentados e analisados os resultados decorrentes da implementação da metodologia SMED num equipamento de forjamento a frio de quatro
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 71 golpes. Abaixo está apresentada uma tabela resumo daquilo que foram os resultados obtidos. Analisando a tabela é possível obter a informação de quanto tempo foi reduzido em cada estágio e de que forma foi atingida essa redução. Tabela 13: Resultados obtidos na redução do tempo de setup Antes da aplicação da metodologia SMED o tempo total de setup era em média, para o equipamento em questão, 297 minutos. Após a aplicação foi possível reduzir este valor para 153,5 minutos, que corresponde a uma redução de 48,3%. No gráfico está retratada a evolução do tempo de setup ao longo da execução do método. Para além da percentagem de tempo total reduzido, encontram-se também neste gráfico, dados sobre as percentagens de tempo reduzido de estágio para estágio. Pré-setup Setup Pós-setup Tempo inicial de setup 0 297,0 0 Tempo após a aplicação do estágio 1 15,0 246,0 36,0 • Separação das atividades internas e externas +15,0 - 51,0 +36,0 Tempo após aplicação do estágio 2 15,0 246 15,0 Tempo após aplicação do estágio 3 (tempo final) 11,5 153,5 36,0 • Atividades paralelas 0 -32,5 0 • Redução e simplificação -3,5 -60,0 0
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 72 Tendo em consideração que não se fez reengenharia do equipamento nem se implementaram melhorias que acarretassem custos relevantes, a redução de 48,3% no tempo de setup é um resultado bastante satisfatório. Habitualmente, no tipo de equipamento onde foi aplicado o SMED, são feitos de 1 a 2 setups por semana. Para os cálculos que se seguem vai-se então considerar que no espaço de 1 mês são feitos 6 setups. Tabela 14: Ganhos mensais da redução do tempo de setup Tempo (min) gasto por mês em setups antes da aplicação da metodologia SMED 1 782 Tempo (min) gasto por mês em setups depois da aplicação da metodologia SMED 921 Tempo (min) ganho num mês com a aplicação da metodologia SMED 861 Velocidade de produção média (peças por min.) 100 Acréscimo de peças produzidas por mês 86 100 No espaço temporal de 1 mês, depois da aplicação da metodologia SMED são gastos menos 861 minutos (14h 21 minutos) que anteriormente. Esta poupança permite que no mesmo espaço de tempo se produzam mais 86 100 peças. Para além disso, durante este tempo ganho os operadores podem-se dedicar a outras tarefas de maior valor acrescentado. De seguida será apresentada a tabela atualizada com todas as atividades relacionadas setup reorganizadas e com os respetivos tempos de execução. Tabela 15: Atividades de setup após a aplicação da metodologia SMED Nº da operação Descrição da Operação Tempo médio (min) Tipo de atividade PréSetup 11,5 1.3 Ir buscar líquido de limpeza 1 Externa 2.2 Recolher rodas de alimentação da referência que vai iniciar produção 1,5 Externa 2.4 Recolher caixa com ferramentas da referência que vai iniciar produção 4,5 Externa 2.6 Recolher e colocar plano de inspeção junta à máquina da referência que vai iniciar produção 3 Externa 2.10 Montar o cutelo com auxílio de uma prensa 1,5 Externa Setup 153,5 1.4 Limpeza geral da máquina com pistola de ar comprimido 6,5 Interna
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 73 1.9 Retirar bússola e cutelo 6 Interna 2.11 Montar a bússola e o cutelo na máquina 5,5 Interna 1.5 Retirar pinças 7 Interna 1.6 Recuar e tirar batente 1,5 Interna 1.7 Retirar punções 3 Interna 1.10 Retirar matrizes 3 Interna 1.12 Tirar rodas de alimentação da referência que terminou produção 3,5 Paralela 2.13 Introduzir o arame e afinar as rodas do sistema de alimentação para o arame correr 14 Paralela 1.15 Retirar arame do desenrolador 5 Paralela 2.1 Colocar arame no desenrolador 5 Paralela 2.3 Colocar as rodas de alimentação do arame 5 Paralela 1.13 Limpeza geral da máquina e do tapete com pistola de ar comprimido e líquido de limpeza 6 Interna 2.8 Ajustar extratores das matrizes 5,5 Interna 2.9 Montar matrizes 8,5 Interna 2.12 Afinar o cutelo com a bússola para passar o arame 10 Interna 2.14 Ajustar comprimento do arame (quantidade de material) 7 Interna 2.15 Colocar punção primeira operação 8 Interna 2.16 Colocar punção segunda operação 6 Interna 2.17 Colocar punção terceira operação 6 Interna 2.18 Colocar punção acabador quarta operação 4Interna 2.20 Colocação e afinação dos pares pinças posto a posto e fazer reajustes necessários 58 Interna 2.21 Colocar ar comprimido e lubrificação 2 Interna Pós-Setup 36 min 1.1 Guardar o Cadastro da ferramenta e o plano de inspeção 1 Externa 1.2 Levar peças para próxima operação da referência que acabou 2,5 Externa 1.8 Desmontar e lavar os punções da referência que acabou 13 Externa 1.11 Desmontar e lavar as matrizes da referência que terminou produção 14,5 Externa 1.14 Guardar rodas de alimentação da referência que terminou produção 1,5 Externa 1.16 Guardar caixa de ferramentas 3,5 Externa
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 74 Preenchidas a cor de laranja estão as linhas correspondentes às atividades paralelas. As linhas a laranja, entre a atividade 2.11 e 1.5 e a atividade 2.12 e 2.14 marcam os limites onde as atividades paralelas podem ser realizadas. Sucintamente, as atividades escaladas como paralelas podem se realizar depois da atividade 2.11 e antes da 2.14. 4.6. IMPORTÂNCIA DE UMA SEQUÊNCIA INTELIGENTE DE PRODUÇÃO Quando se parte para a troca de referência, o tempo de setup despendido nessa troca está diretamente relacionado com a similaridade de características entre a peça de entrada e a peça de saída. Duas peças com perfis semelhantes levarão a um setup mais rápido. Esta é uma situação que, em setups tão prolongados como os dos equipamentos de forjamento a frio, na ordem das horas, assume uma especial importância e deve ser contemplada ao nível do planeamento da produção. Peguemos no exemplo da referência de entrada utilizar um arame com o mesmo diâmetro da referência de saída. Nesta situação, as seguintes atividades deixariam de ser efetuadas. Tabela 16: Atividades que não precisam de ser realizadas caso o diâmetro do arame da referencia de saída seja igual ao diâmetro de arame da referência de entrada Nº da operação Descrição da Operação Tempo médio (min) Tipo de atividade PréSetup 3 2.2 Recolher rodas de alimentação da referência que vai iniciar produção 1,5 Externa 2.10 Montar o cutelo com auxílio de uma prensa 1,5 Externa Setup 1.9 Retirar bússola e cutelo 6 Interna 2.11 Montar a bússola e o cutelo na máquina 5,5 Interna 1.12 Tirar rodas de alimentação da referência que terminou produção 3,5 Paralela 2.13 Introduzir o arame e afinar as rodas do sistema de alimentação para o arame correr 14 Paralela 1.15 Retirar arame do desenrolador 5 Paralela 2.1 Colocar arame no desenrolador 5 Paralela 2.3 Colocar as rodas de alimentação do arame 5 Paralela
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 75 2.12 Afinar o cutelo com a bússola para passar o arame 10 Interna Pós-Setup 1.5 1.14 Guardar rodas de alimentação da referência que terminou produção 1,5 Externa Neste caso (referência de entrada utiliza o mesmo diâmetro de arame da referência de saída), todas as substituições relacionadas com a alimentação de arame (troca das rodas de alimentação, cutelo, bússola, troca de arame, …) deixariam de ser realizadas. Olhando para a tabela das operações, todas as atividades que foram transformadas em paralelas deixam de precisar de ser efetuadas. O tempo de pré-setup é reduzido em 3 minutos, o tempo de setup, para além da não execução das atividades paralelas (32,5 minutos) é reduzido em 21,5 minutos e o tempo de pós-setup é reduzido em 1,5 minutos. O simples facto de a referência de entrada utilizar um arame com o mesmo diâmetro da referência de saída, além de dispensar a necessidade de ter um segundo operário a realizar atividades paralelas, leva a uma redução do tempo de setup de 14%. Estes são factos que comprovam a importância de haver um sequencia de produção inteligente, sendo fundamental a existência de modelos que determinem as sequências de produção mais apropriadas, tendo por exemplo, uma gestão da produção baseada em grupos ou famílias de referência que reúnem aquelas que efetivamente possuem graus de similaridade maiores. 4.7. COMENTÁRIOS E SÍNTESE DO CAPÍTULO Neste capítulo foi apresentada a aplicação da metodologia SMED ao setup de um dos equipamentos multiestações presentes no setor do forjamento a frio da empresa ETMA Metal Parts. Ficou demonstrado que com uma organização dos processos de montagem é possível alcançar uma redução significativa do tempo de setup trazendo benefícios relevantes para a produção e para a qualidade dos produtos. Apesar de haver a consciência que o objetivo da metodologia SMED passa por reduzir o tempo de setup para valores abaixo dos 10 minutos, este é um objetivo inalcançável neste caso de estudo particular. Ainda assim os seus métodos foram seguidos com vista a reduzir ao máximo os tempos de setup praticados.
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 82 Ainda no que toca a melhorias aplicadas aos equipamentos, com a simples aplicação de uma calha e um separador foi possível idealizar um sistema simples e sem custos monetários de relevo que permite a separação das peças que caem durante o transporte de posto para posto nas máquinas multiestações. Com esta aplicação é possível impedir que as peças inacabadas se juntem com as peças que completaram todas as etapas de deformação previstas, evitando que por este motivo seguiam para o cliente produtos não conformes que resultaram em reclamações. A aplicação da metodologia SMED permitiu alcançar uma redução significativa do tempo de setup de um dos equipamentos multiestações presentes no setor de forjamento. Apesar do objetivo desta metodologia ser a redução do tempo de troca de referências para valores abaixo dos dois dígitos (10 minutos) foi possível fazer uso dos seus procedimentos para se conseguir uma redução de 48,3% do tempo total de setup passando dos 297 minutos em média, para os 153,5 minutos. Contudo este ganho imediato não é a única contrapartida da aplicação desta metodologia. A redução dos tempos de troca de ferramenta torna desnecessária a existência de grandes stocks que acarretam custos, permite a redução dos prazos de entrega através de uma maior flexibilidade e disponibilidade dos equipamentos promovendo a competitividade da empresa e trazendo benefícios económicos. Para além destes benefícios, o mais importante tendo em conta o principal objetivo deste trabalho, prende-se com o facto de proporcionar melhorias na qualidade. As melhorias na qualidade são evidentes quando se produzem lotes mais reduzidos pois obrigam a uma maior eficácia na prevenção de defeitos, de forma a obter um rácio maximizado de peças boas no lote. Fruto do tempo ganho na fase de setup, a frequência do controlo e inspeção da produção pode também ser aumentada, garantindo maior rapidez na atuação sobre a causa raiz, menor propagação dos defeitos e um tratamento do produto não conforme otimizado. Por outro lado, o facto de se organizar e normalizar os procedimentos de setup levará a redução da quantidade de defeitos causados por erros humanos resultantes de setups desorganizados e pouco normalizados. Para finalizar, durante a elaboração deste trabalho, e através do contacto direto com os colaboradores de uma indústria foi possível perceber que um dos principais entraves ao progresso e à melhoria continua são os recursos humanos. Para que se atinjam os resultados pretendidos nestas ações de melhoria são fundamenta a cooperação e a participação de
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 83 todas as partes envolvidas desde a gestão de topo até aos operadores das máquinas. É fundamental que se tomem decisões que agradem a todas as partes implicadas com vista a tornar estas melhorias viáveis, proveitosos e permanentes. Neste sentido, a sensibilização e formação dos colaboradores é um passo fundamental para que toda a gente proceda da forma que se espera e para que sejam tomadas as decisões e as ações corretas quando ocorrem contrariedades, para que se atinjam os níveis pretendidos de qualidade. 6.2. PERSPETIVAS E TRABALHOS FUTUROS De forma a dar continuidade ao trabalho elaborado nesta dissertação propõe-se o desenvolvimento de alguns trabalhos futuros que se prendem essencialmente com o alargamento do trabalho já realizado em alguns equipamentos aos outros equipamentos do setor. No que toca à implementação do sensor no batente, a instalação de todo o sistema ficou em ponto de teste. O próximo passo será realizar uma instalação final de todo o projeto idealizado, nomeadamente a colocação dos botões e dos leds de aviso para que possa passar a ser utilizado permanentemente e autonomamente pelos operários. Para além disto, seria pertinente a aplicação deste sistema a todos os equipamentos de dois golpes presentes no setor. O mesmo se aplica à implementação da calha para fazer a separação das peças inacabadas. O próximo passo será aplicar o mecanismo concebido aos restantes equipamentos multiestações. Quanto à redução dos tempos de setup, futuramente seria relevante que se fizesse um estudo semelhante para os restantes equipamentos multiestações. Para além disso, seria pertinente que se fizesse uma aplicação desta metodologia aos equipamentos de dois golpes. De forma a dar continuidade e a exponenciar e efetivar os ganhos obtidos no setor com a redução dos tempos de setup é fundamental que futuramente se proceda à otimização de todas as atividades sobre as quais o forjamento de peças está dependente. Concretizando, o aumento de produtividade, qualidade e organização do setor não atingirão os seus níveis máximos caso todas as etapas que precedem a produção das encomendas não acompanharem esse nível de otimização e bom funcionamento. Portanto, o planeamento da
Estudo e Otimização de Sistemas de Apoio à Qualidade no Forjamento a Frio 84 produção, o projeto das ferramentas, a compra de materiais para fabricar as ferramentas, o fabrico das ferramentas, a gestão de stocks de ferramentas e componentes consumíveis, a manutenção dos equipamentos, a manutenção das ferramentas e a inspeção da produção por parte do departamento de qualidade são atividades que futuramente merecem ser alvo de uma análise de forma a serem otimizadas e reduzir o tempo gasto nestas atividades.
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