1) O documento discute o monitoramento de processos de usinagem, incluindo diferentes tipos de medição como força de corte, desgaste da ferramenta e rugosidade da peça. 2) São descritos vários equipamentos para medição em tempo real e offline, como dinamômetros, termopares e rugosímetros. 3) Planejamento de experimentos como ANOVA são abordados para análise estatística dos resultados das medições.

1. Capítulo 13 - Monitoramento da Usinagem
Usinagem para Engenharia
A.C. Araujo a
, A.L. Mougo b
e F.O. Campos c
.
a
araujo@insa-toulouse.fr, INSA-Toulouse, Institute Clément Ader, França
b
adriane.mougo@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
c
fabio.campos@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
Slides propostos
Setembro de 2020

2. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Internet das Coisas (IOT) e Industrial-IOT
É o conceito utilizado para se referir à tecnologia de objetos conectados à internet e
interconectados através de uma rede e utilizando sensores, circuitos eletrônicas e programas.
Suas aplicações vão desde a objetos do cotidiano como fechaduras e automóveis inteligentes
até aplicações na área de serviços. A usinagem está diretamente ligada a este conceito pois
tanto os produtos (com chips e codigos de referência) quanto as máquinas-ferramentas estão
conectadas na rede fabril na indústria do futuro.
Monitoramento de usinagem:
Envolve os dispositivos e os sistemas de controle para operações de usinagem
Controla a produtividade, a qualidade do produto final, economia em material,
ferramentas, maquinário e mão-de-obra;
Identifica as características do processo: o desgaste da ferramenta, vibrações, rugosidade
da superfície usinada, etc.
1 18

3. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Monitoramento de
processos de usinagem
Ferramenta de corte
Desgaste, temperatura,
vida da ferramenta,
deslocamento
Processo de usinagem
Forças de corte,
morfologia dos cavacos,
fluido de corte
Máquina-ferramenta
Vibrações,
potência, corrente
Peça usinada
Rugosidade, rebarba, tensão
residual, microestrutura
Figura 1: Exemplos de sistemas de observação no monitoramento nos processos de usinagem
2 18

4. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Tipos de monitoramento de usinagem
Em tempo real, ou seja online, durante o processo
Na parada da máquina (offline) entre duas peças ou dois processamentos
Tipos de medição em usinagem
Medição direta - quando é possível obter diretamente o valor da variável medida.
Usualmente tem menor erro experimental.
I Exemplo: medida direta das distâncias definidas pela norma para o desgaste de flanco
através de imagens da superfície de flanco.
Medição indireta - quando o valor de uma variável é estimado utilizando relações
(empíricas ou analíticas) a partir de outras observações experimentais na usinagem.
I Exemplo: estimar a evolução do desgaste de flanco a partir do sinal da emissão acústica.
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5. Principais análises experimentais em usinagem
Table 1: Principais métodos, equipamentos e sensores utilizados para diferentes análises
Análise Tipo de monitoramento Equipamento ou sensor
Desgaste da Na parada da Perfilômetros e microscópios
ferramenta da máquina ópticos e eletrônicos
(métodos diretos) (apresentados no Cap. 10)
Desgaste da Em tempo real Estimativa a partir das variáveis:
ferramenta força, temperatura
(métodos indiretos) potência, ondas acústicas, etc.
Desgaste da Na parada pelo dimensional da peça com
ferramenta da máquina micrômetro e transdutores,
(métodos indiretos) por partículas abrasivas,
por espectrofotometria,
através da resistência elétrica
com voltímetro ou CCD etc.
Força de usinagem Em tempo real Células dinamométricas e
Torque dinamômetros
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6. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Figura 2: Monitoramento em tempo real [Araujo, Mougo e Campos 2020]
5 18

7. Equipamentos de medição em usinagem
Potência consumida e corrente elétrica: A medida da corrente do equipamento da
máquina-ferramenta está diretamente ligada a potência consumida;
Figura 3: Medida de potência e corrente através da máquina-ferramenta ou Wattímetro
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8. Funcionamento do Wattímetro com sensores de efeito Hall
Condutor elétrico
Pinça
(Núcleo magnético)
com corrente
Gerador do Hall
Figura 4: Sensor de efeito Hall
[Araujo, Mougo e Campos 2020]
Os sensores de efeito Hall
consistem em dispositivos que geram
uma variação de tensão proporcional
à corrente quando sob um campo
magnético. Este sensor circunda o
cabo de alimentação de corrente
elétrica da máquina-ferramenta, ou
do motor específico, como um
"alicate" ou uma pinça.
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9. Figura 5: Dinamômetro piezoelétrico
Força de usinagem e torque
O dinamômetro
piezoelétrico tem o
funcionamento relacionado a
propriedade da
piezoeletricidade, que é a
capacidade de um material
gerar tensão elétrica quando
submetido a uma tensão
mecânica normal ou de
cisalhamento.
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10. Outros equipamentos de medição em usinagem
Emissão acústica: No mecanismo de formação do cavaco existem diversas fontes de
emissão acústica espalhadas pelas zonas primária, secundária e terciária
[Lauro et al. 2014]1, [SY 1989]2;
Temperatura: As duas técnicas mais difundidas para medição de temperatura em
usinagem são o uso de termopares e de sensores infravermelhos;
Topografia de superfície: As principais formas de caracterização topográfica de
superfícies são a medição do perfil de uma direção na superfície para o cálculo dos
parâmetros médios (rugosidade e ondulação) e análise de imagens adquiridas por
microscópios para identificar a superfície tridimensional.
1
LAURO, C. et al. Monitoring and processing signal applied in machining processes - a review.Measurement, v. 58, p. 73 –
86, 2014. ISSN 0263-2241
2
SY, D. D. L. Tool wear detection using time series analysis of acoustic emission.Journal of Eng.Industry, v. 111, n. 3, p. 199
– 205, 1989. ISSN 0007-8506.
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11. Medida de rugosidade da superfície usinada
Figura 6: Rugosímetro com contato [Araujo, Mougo e Campos 2020]
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12. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Table 2: Tabela indicativa de valores cut-off de acordo com a distância entre sulcos gerados na
superfície usinada (norma ISO 4288-2008)
Perfis periódicos Perfis não periódicos Cut-off
Distância Rugosidade Rugosidade λc
entre os sulcos (mm) Ra (µm) Rz (µm) (mm)
de 0,013 até 0,04 até 0,02 até 0,1 0,08
de 0,04 até 0,13 de 0,02 até 0,1 de 0,1 até 0,5 0,25
de 0,13 até 0,4 de 0,1 até 2,0 de 0,5 até 10,0 0,80
de 0,4 até 1,3 de 2,0 até 10,0 de 10,0 até 50,0 2,50
de 1,3 até 4,0 acima de 10,0 acima de 50,0 8,00
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13. Outros tipos de medição em usinagem:
Tensão residual: métodos mecânico, de difração, ultrassom e magnético;
Morfologia do cavaco: relacionado com diversos fatores do processo de usinagem.
Figura 7: Imagens de cavaco de fresamento realizadas com MEV [Araujo, Mougo e Campos 2020]
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14. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Planejamento de experimentos (DOE)
Se refere a um conjunto de práticas e orientações estatísticas aplicadas na preparação,
organização e realização de testes experimentais, bem como na análise e interpretação dos
resultados.
Definições: Aleatoriedade, replicação e blocagem
Recomendações para a realização de testes: pergunta ser respondida; seleção dos
tratamentos e das variáveis de resposta; tipo de planejamento; condução e análise
Tipos de planejamentos: Método Taguchi, de um fator, fatorial completo, fatorial em
blocos, fatorial fracionário etc.
13 18

15. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Métodos de planejamento de experimentos
Planejamento de experimentos com um fator: número de níveis, número de réplicas
(nr), outliers, barra de erro e intervalo de confiança.
nr >
z.S
derro
2
(1)
Planejamento fatorial completo: Um planejamento fatorial completo permite a análise de
diversos fatores ao mesmo tempo e utiliza todas as combinações possíveis entre todos os
fatores.
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16. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Table 3: Planejamento da ordem dos testes no exemplo 13.3 (22
com 3 réplicas)
Aleatorização Tratamento fz Vc
(ordem de testes) (níveis) (mm/dente) (m/min)
testes 1, 3 e 7 1 (+ +) 0,1 (+) 50 (+)
testes 2, 8 e 9 2 (+ -) 0,1 (+) 30 (-)
testes 5, 10 e 12 3 (- +) 0,07 (-) 50 (+)
testes 4, 6 e 11 4 (- -) 0,07 (-) 30 (-)
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17. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Análise de variância (ANOVA)
Método de análise de resultados experimentais que visa avaliar o efeito de uma variável em
uma resposta determinada.
Pode ser realizada quando se tem um planejamento de experimentos com dois ou mais níveis.
O método de ANOVA realiza uma análise para testar basicamente duas hipóteses:
H0 - Hipótese cujas médias pra cada nível de um fator são estatisticamente iguais,
também chamada de hipótese nula;
H1 - Hipótese na qual pelo menos um par de médias são estatisticamente diferentes.
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18. Soma dos quadrados total:
SStotal =
na
X
a=1
nb
X
b=1
nr
X
i=1
(xabi − ¯
x̄)2
(2)
Soma dos quadrados do tratamento ( entre cada observação e a média do tratamento):
SSe =
na
X
a=1
nb
X
b=1
nr
X
i=1
(xabi − x̄ab)2
(3)
Soma dos quadrados de cada fator (A e B):
SSA = nb.nr.
na
X
a=1
(x̄a − ¯
x̄)2
(4)
SSB = na.nr.
nb
X
b=1
(x̄b − ¯
x̄)2
(5)
A variação total, a soma dos quadrados total, é igual a soma de todas as variâncias internas,
incluindo a variância da interação AB:
SSAB = SStotal − SSA − SSB − SSe (6)
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19. Cap. 13 - Monitoramento da Usinagem
Table 4: Tabela de análise de variância com 2 fatores com interação
Fonte de Soma Graus de Quadrados Fobs
variação Quadrática Liberdade Médios
Fator A SSA na − 1 MSA = SSA
na−1
MSA
MSe
Fator B SSB nb − 1 MSB = SSB
nb−1
MSB
MSe
Interação AB SSAB (na − 1)(nb − 1) MSAB = SSAB
(na−1)(nb−1)
MSAB
MSe
Erro SSe nanb(nr − 1) MSe = SSe
nanb(nr−1)
Total SStotal ntotal − 1
18 / 18