Há vários anos, as fundições procuram coletar os seus dados de processo do modo mais completo e integral possível. No entanto, os sistemas de coleta disponíveis acarretam em investimentos consideráveis, que só são justificados quando há uma garantia da qualidade e o aprimoramento do produto, com custos de produção inalterados ou mesmo reduzidos. E isso requer muito mais do que a coleta dos dados de produção.

A existência de uma sistemática que permita determinar os motivos dos defeitos a partir dos dados coletados de modo mais rápido e fácil é um pré-requisito indispensável.

Enquanto a localização e eliminação das fontes de defeitos são muitas vezes relativamente simples, a quantificação da influência dos parâmetros, que só resultam em defeitos em combinação com outros parâmetros, é mais problemática. Estas e outras prioridades foram tratadas de modo abrangente em um estudo trienal, realizado no âmbito do projeto Núcleo de Crescimento Precision Cast, do qual participaram empresas de diversas áreas. Neste artigo, é considerada em primeiro lugar a problemática da

Fig. 1 - A regulagem da máquina de vazamento oferece múltiplas possibilidades para o ajuste das propriedades do ferro

Fig. 2 – Objetivos do projeto

 

compilação dos registros de dados e o procedimento de avaliação subsequente. Os métodos de processamento existentes são apresentados como exemplo, com base nas experiências relatadas no projeto mencionado.

Os conhecimentos obtidos mostraram, entre outras coisas, que apenas a determinação das correlações entre um ou vários parâmetros tecnológicos, os defeitos de fundição e as oscilações da qualidade não garantem que os defeitos sejam eliminados de imediato, já que a adaptabilidade de muitos parâmetros de processo é impossível ou só é viável de modo limitado. Desta forma, é necessário antes de tudo escolher ou até desenvolver métodos apropriados para o controle e a regulagem do processo.

Na maioria das vezes, no entanto, os sistemas de comando e regulagem resultantes são muito complexos e ramificados, envolvendo a combinação de vários processos tecnológicos. Sobre este assunto, também serão apresentados alguns exemplos práticos, tendo como tema a preparação da areia e da operação de fusão.

Objetivos, procedimentos e resultados do projeto

O objetivo deste projeto era examinar as regularidades entre os parâmetros tecnológicos e materiais de diferentes áreas envolvidas na produção de peças fundidas. A correlação entre estes parâmetros, a qualidade e as propriedades dos fundidos era outra finalidade, com o objetivo de se aumentar o grau de liberdade do projeto de peças deste tipo. Afinal, a incorporação de outras geometrias, com tolerâncias de

Fig. 3 – Software para a detecção de defeitos com o uso de figuras

fabricação estreitas, pode tornar as peças mais leves, melhorando as suas propriedades e a reprodutibilidade da sua qualidade.

O alcance deste objetivo global, porém, requer a concepção e o desenvolvimento de um sistema de

comando e regulagem relacionado com a qualidade das peças fundidas. Este sistema deve, inclusive, abranger todas as áreas tecnológicas relevantes no processo de fabricação destas peças. A figura 2 apresenta os objetivos técnicos estabelecidos neste projeto.

Os sistemas de controle do processo a serem desenvolvidos devem ser capazes de introduzir os processos de comando e regulagem correspondentes, com base no estado real previamente conhecido, por meio do registro dos parâmetros tecnológicos e dos materiais. Isso deve acontecer de forma que as oscilações do material e do processo sejam compensadas com a adaptação dos seus parâmetros, visando à garantia de uma qualidade constante e elevada das peças fundidas.

Para que estas metas fossem atingidas, as variáveis de comando ou de regulagem foram determinadas com o auxílio de análises estatísticas, com base nos dados do processo e nas informações qualitativas recolhidas. Então, os sistemas de comando e regulagem dos processos de

Fig. 4 – Marcação do molde (a), do macho (b) e da peça fundida (c)

 

produção foram projetados, testados e, em seguida, introduzidos.

O resultado foi o desenvolvimento de um sistema de regulagem semi-automatizado destinado ao tratamento de magnésio (Mg), além de dois sistemas de comando e regulagem completamente automatizados,

Fig. 5 – Visualização da relação entre a rejeição e o tempo de vazamento. As linhas amarelas mostram as peças rejeitadas, com base nas juntas frias.

 

para a preparação da areia e para a liga à base de ferro.

Aquisição e alocação dos dados

A integridade e habilidade de alocação dos dados coletados são decisivas para a determinação das causas da ocorrência de defeitos.

O grau de automatização da coleta de dados de fato não tem importância para a avaliação subsequente. No entanto, quando se considera o número de possíveis causas da ocorrência de apenas um defeito de fundição, percebe-se que a coleta manual de todos os parâmetros efetivos é inviável, em decorrência da rápida evolução dos processos ou da necessidade da coleta de dados em várias cargas e dias alternados.

Portanto, o ideal é automatizar esta coleta na medida do possível. Porém, dois pontos essenciais não devem ser perdidos de vista. Em primeiro lugar, alguns estados do processo ou condições do ferramental não podem ser quantificados com facilidade. O melhor exemplo neste caso é o estado do modelo, que exerce grande influência sobre a tendência à quebra do molde de areia ou sobre a estabilidade

Fig. 6 – Diagrama com a probabilidade de produção de peças sem junta fria, antes e após a correção da caixa de macho

 

dimensional das peças, por exemplo. No entanto, é impossível realizar um controle efetivo antes da troca de cada placa modelo, razão pela qual a coleta de dados neste caso é limitada a determinados parâmetros do processo.

O segundo ponto que merece menção diz respeito ao estado atual de conhecimento dos vários parâmetros de processo, que presumivelmente influenciam com mais frequência na qualidade do produto. Para evitar a conclusão de que muitos parâmetros desnecessários foram registrados no controle do processo, os sistemas de coleta de dados não devem ser muito projetados. Com isso, evita-se a falta de alguns parâmetros decisivos na avaliação final dos dados.

Deste modo, é recomendável configurar a coleta de dados com o auxílio dos sistemas fieldpoint (de entrada e saída de dados). Outra dica é a análise inicial dos dados coletados durante um intervalo de tempo suficientemente grande, em combinação com outros parâmetros e defeitos de fundição, antes de terminar a coleta e transferir os registros para o banco de dados da empresa.

A integridade dos dados qualitativos tem pelo menos a mesma importância para a avaliação dos

dados. No estado atual da técnica, existem soluções diferentes para a aquisição destas informações.

O registro dos defeitos superficiais pode começar com a coleta de dados simples, que contenham apenas a data de fundição, o número do molde e da cavidade, assim como o código do defeito que resultou no refugo. Este procedimento foi, inclusive, utilizado dentro do contexto do projeto em questão (figura 3).

Um registro completo é muito mais demorado do que a variante normal e só pode ser utilizado na ocorrência de vários defeitos, em diferentes pontos. No que se refere ao registro das características mecânicas e aos resultados de testes ultrassônicos e de raios X, normalmente basta o registro dos dados coletados em forma de tabelas.

Independentemente da complexidade do registro dos dados qualitativos, a marcação da peça do lado do molde e do macho (figura 4) é um pré-requisito obrigatório para a alocação destas informações aos parâmetros de produção e às características do material. O ideal é que esta alocação seja realizada com um clique do mouse, indicando-se o intervalo de tempo e o número de

Fig. 7 – Resultado da análise por regressão para a quebra do molde de areia em um dos conjuntos de grandezas pesquisados

grandezas a serem considerados. Isso certamente seria mais fácil e rápido do que a combinação manual de várias tabelas (via Excel, por exemplo).

A figura 5 mostra a correlação entre a rejeição e o tempo de vazamento. Com estas avaliações rápidas e fáceis, foram feitas experiências muito positivas dentro do contexto deste projeto. Desta forma, foi possível tirar as primeiras conclusões sobre as causas dos defeitos e até determinar os limites de processo para os parâmetros individuais.

No caso apresentado, a correlação entre as juntas frias e o tempo de vazamento ficou clara. Como reação imediata, recomenda-se um tempo de vazamento inferior a 30 segundos, para evitar as juntas frias.

Quando se deseja quantificar as consequências dos parâmetros individuais neste ponto e determinar os limites de processo também em dependência de outros parâmetros de processo, é necessário realizar análises estatísticas adicionais.

Possibilidades e métodos para a avaliação de dados

A compilação dos dados é feita em um registro com mais de 200 colunas

Fig. 8 – Propriedades mecânicas do conjunto de grandezas pesquisado (análise ferrítica)

 

(parâmetros efetivos), incluindo os dados de fabricação do molde e dos machos, os resultados das análises químicas e térmicas e os dados de vazamento.

A análise de um registro desta grandeza também requer um número correspondente de linhas (peças fundidas com qualidade registrada), para garantir uma segurança estatística que somente é possível com grandes séries e um trabalho meticuloso de reunião das condições práticas.

Por outro lado, não é necessário analisar todo o registro de dados, mas somente a parte relacionada com o defeito examinado. Deste modo, a sequência de avaliação segue a ordem seguinte:

• seleção do defeito de fundição

• seleção dos parâmetros efetivos

• análise das correlações

• análise regressiva

A seleção dos parâmetros efetivos é feita a partir do conhecimento da técnica de fundição e detalhada pela análise das correlações. Deste modo, apenas os parâmetros com o maior efeito são adotados na análise regressiva.

Nesta análise, é determinada a relação matemática entre a probabilidade de se produzir peças com e sem defeitos, além dos parâmetros de fabricação escolhidos. A análise regressiva pode ser utilizada ainda para o cálculo da probabilidade da ocorrência de defeitos e para o comando ou a regulagem dos processos envolvidos.

No exemplo em questão, a probabilidade da produção de peças sem juntas frias foi calculada em função do tempo e da temperatura de vazamento, considerando-se o conjunto de grandezas examinado. Então, esta informação foi comparada com o refugo real da fundição (figura 6). Neste caso, foi possível constatar uma boa concordância entre o refugo calculado e o real, embora os valores calculados nem sempre correspondam à prática.

Entretanto, isso não significa que os resultados da análise estejam errados, mas sim que foi calculada uma probabilidade que nunca alcança 100% para a ocorrência do defeito. Deste modo, permanece a probabilidade residual de que este acontecimento não ocorre. Isso quer dizer que a probabilidade de ocorrência de defeitos aumenta no caso de uma combinação desfavorável dos parâmetros, mas estes defeitos não são inevitáveis.

Com o controle do processo, é possível chegar a uma probabilidade de refugo de praticamente zero. Estas análises podem ser realizadas rapidamente e com facilidade, com o auxílio de programas comerciais para o processamento de dados estatísticos.

No exemplo apresentado, a análise foi realizada com uma versão de teste do software Minitab 15, desenvolvido pela empresa alemã Additive GmbH .

Casos práticos

Os resultados das avaliações sempre devem ser analisados criticamente, já que eles ocasionalmente não indicam as causas reais dos defeitos.

No exemplo apresentado, as oscilações do tempo de vazamento, em combinação com a temperatura de vazamento, foram de fato responsáveis pela ocorrência do defeito. No entanto, o conjunto de grandezas não era propenso a estas oscilações anteriormente.

Desta forma, é possível elaborar as medidas imediatas a partir da análise realizada, embora o motivo real do defeito ainda não tivesse sido encontrado. A causa foi determinada em uma alteração relativamente pequena das dimensões do macho, em função do desgaste da sua caixa, o que resultou na redução das espessuras de parede e no aumento da tendência às juntas frias.

Na figura 6, é possível perceber que não ocorreu mais nenhum refugo após a correção da caixa de macho, apesar das oscilações ocasionalmente maiores dos dois parâmetros de vazamento.

A correlação inicialmente constatada entre a probabilidade de juntas frias e os parâmetros de produção não se manteve após a correção da caixa de macho, o que significa que na avaliação original faltou pelo menos um fator adicional, ou seja, a condição da caixa de macho. O estabelecimento do controle do processo para a manutenção de um tempo de vazamento inferior ao nível crítico, apesar das oscilações da produção, não é necessário neste caso.

Fig. 9 – Relação entre o alongamento à ruptura e a resistência à tração do conjunto de grandezas pesquisado na figura 8 (análise perlítica)

O exemplo a seguir relata outra situação típica do estabelecimento do controle do processo, com base na coleta de dados. Neste caso, trata-se do controle do processo preventivo do resfriamento e da preparação do material de moldagem para diminuir as rejeições do molde e das peças fundidas, devido à quebra do molde de areia.

A figura 7 mostra os resultados de uma análise de regressão, para a determinação das causas da quebra de um molde de areia em um dos conjuntos de grandezas notáveis. O resultado da moldagem é representado pela probabilidade de se produzir moldes sem descontinuidades.

Na análise de correlação anterior, a temperatura da areia e o teor de bentonita ativa foram determinados como sendo os fatores mais influentes.

Em temperaturas da areia acima de 50°C, é possível constatar uma queda abrupta da probabilidade de se produzir moldes sem descontinuidades. Neste caso, foi possível melhorar a situação com o aumento do teor de bentonita ativa, embora a temperatura da areia, assim como o teor de bentonita ativa, não sejam grandezas diretamente controláveis. Os valores destas grandezas são resultantes do efeito de fatores de desgaste e de eficiência do resfria mento, além da preparação da areia.

Os fatores de desgaste, ou seja, a quantidade de ferro e a alimentação de areia de macho por tonelada de material de moldagem são grandezas específicas, as quais só podem ser alteradas de modo limitado, quando muito.

Com mais de 20 trocas do conjunto de grandezas por dia, razões de areia/ferro de 4 a 23 e uma alimentação da areia de macho de 0 até 1.300 kg por caixa (com aproximadamente 6,5 toneladas de areia de moldagem), foi preciso tomar medidas adicionais para reduzir a ocorrência esporádica de quebras do molde de areia.

Neste sentido, foi necessária uma técnica nova mais potente, no caso um ventilador novo para o resfriador da areia usada e processos tecnológicos aprimorados, como:

 

• alimentação do resfriador com regulagem da temperatura

• controle da alimentação do silo e aumento dos tempos de inchamento

• controle preventivo da areia, com a regulagem fina em função da alimentação real da areia de macho

O controle preventivo da quantidade de aditivo acrescentada será descrito mais detalhadamente neste ponto, já que ele apresenta algumas particularidades.

Como se sabe, existem dois métodos para o controle preventivo da areia. A diferença principal entre os dois reside no ponto de alimentação dos aditivos. Na primeira técnica, este ponto equivale ao resfriador de areia usada, por ficar mais próximo da área de desmoldagem. Desta forma, a fase anterior da areia é mais conhecida.

Assim, é possível adaptar a quantidade de aditivos de modo exato ao desgaste da areia anterior. No caso apresentado, a areia foi ajustada para uma umidade maior ou igual a 2% (porcentagem volumétrica). A água restante foi acrescentada em seguida no misturador. Porém, um prérequisito fundamental é que o resfriador de areia usada seja do tipo batch, isto é, de resfriamento por batelada.

Um comando deste tipo no resfriador contínuo é mais complicado, uma vez que a mistura de água é mais difícil e os tempos de contato são mais curtos. Adicionalmente, existe o risco de uma grande parte dos materiais adicionados ser perdida, em razão da exaustão contínua. Portanto, os aditivos só são acrescentados no misturador.

Neste ponto, entretanto, só existe uma possibilidade muito limitada de se considerar a fase anterior da areia na determinação das quantidades de adição. Por este motivo, foi considerado o segundo método possível, ou seja, aquele em que os aditivos são dosados na preparação do material de moldagem, de acordo com o desgaste antecipado na instalação de moldagem.

Desta maneira, a preocupação é o ajuste da areia usada com as propriedades mais constantes possíveis. As oscilações das propriedades da areia pronta não são tão grandes neste método de controle, já que a bentonita acrescentada não desenvolve completamente as suas propriedades na primeira circulação.

Vários testes foram executados na prática e, em geral, com resultados positivos. Portanto, foi desenvolvido um controle preventivo da areia, de acordo com o princípio apresentado.

A particularidade desta técnica de controle é a consideração da quantidade real de areia de macho alimentada durante a desmoldagem, usando o conjunto de grandezas anterior no cálculo da adição.

Com este objetivo, foi necessário registrar as quantidades de areia de macho desmoldadas e as quantidades de areias separadas, para a regeneração no local de desmoldagem. Desta forma, foi realizada uma correção fina das receitas, para a alimentação real da areia de macho.

As medidas executadas resultaram na redução das interrupções da produção e das rejeições do molde e das peças fundidas, em função das quebras ocasionais dos moldes de areia. Conforme é possível perceber pelas explicações dos controles do processo de resfriamento e preparação da areia, um número maior de diferentes parâmetros do processo e do material foi considerado.

À primeira vista, os dois processos ocorreram de modo independente. O motivo foi a impossibilidade do ajuste do teor de bentonita ativa em dependência da temperatura da areia, uma vez que a bentonita acrescentada não desenvolve as suas propriedades completamente na primeira mistura. Adicionalmente, os dois processos representam uma parte de todo o sistema de preparação da areia, o qual é controlado e regulado com o auxílio de vários parâmetros. Eles são constantemente reajustados por meio de retroalimentações registradas na instalação de moldagem ou na estação de controle da qualidade.

Como resultado desta avaliação, tem-se a adaptação dos valores reais, de modo que a qualidade do material de moldagem é ajustada em dependência da qualidade do molde ou da peça fundida.

Neste sistema como um todo, os dois processos ficam estreitamente interligados entre si e também com outros processos, como por exemplo o ajuste da umidade e da compactabilidade da areia pronta.

As análises estatísticas foram utilizadas para determinar as causas de numerosos problemas de qualidade dentro do contexto do projeto aqui apresentado. Entre outras coisas, também foram examinados os mecanismos de ocorrência dos parâmetros mecânicos exigidos. As avaliações das análises ferríticas apresentaram excelentes resultados.

A figura 8 apresenta um exemplo típico do conjunto de grandezas examinado. A comparação entre a resistência à tração e o alongamento à ruptura apresenta uma dependência lógica, de modo que as oscilações dos valores mecânicos podem ser explicadas pelas oscilações dos teores de diferentes elementos de liga.

Deve-se levar em consideração que os teores individuais ficaram dentro dos limites de processo predeterminados; os desvios quase sempre foram causados por combinações desfavoráveis.

Para o ajuste da composição química, poderiam ser usados os coeficientes gerais, como por exemplo, o índice de perlita ou as relações entre os valores característicos mecânicos e as combinações de elementos de liga. No entanto, estas últimas só podem ser usadas para o conjunto de grandezas em dependência das respectivas espessuras de parede.

A situação muda claramente com o aumento do teor de perlita. A figura 9 mostra a correlação entre a resistência à tração e o alongamento à ruptura do conjunto de grandezas apresentado na figura 8, mas com uma análise totalmente perlítica.

Todas as tentativas realizadas no sentido de se associar as oscilações apresentadas com os resultados das análises químicas e térmicas, por meio das avaliações estatísticas, foram inúteis.

As oscilações dos valores de medição poderiam ser atribuídas a algumas inclusões. A formação de drosses e de carbonetos é a principal causa de oscilações. Conforme mencionado anteriormente, não foi possível associar a sua ocorrência com nenhum dos parâmetros de processo.

Apesar de não ter sido possível determinar as causas dos defeitos com o auxílio das análises estatísticas neste caso, conseguiu-se pelo menos determinar os parâmetros de processo adotados na análise da longa lista de possíveis grandezas de influência, o que resultou na detecção e eliminação dos defeitos por outros caminhos.

Conclusões

Em resumo, é possível afirmar que a integridade do registro dos dados e a escolha dos parâmetros efetivos determinam a qualidade da avaliação de modo efetivo. O registro completo dos defeitos de fundição também é muito importante.

A compilação dos dados qualitativos e de produção deve ser realizada de maneira simples e rápida, na medida do possível, já que uma visualização simples da comparação entre os parâmetros de processo e o refugo é um modo muito eficiente para se determinar as causas dos defeitos. Análises mais complexas são necessárias em poucos casos.

Os resultados da análise devem ser avaliados criticamente, já que eles nem sempre indicam as causas reais dos defeitos. Os resultados das análises podem ser bastante úteis para a determinação dos limites do processo e do ajuste dos parâmetros de fabricação. Quando as causas dos defeitos são determinadas, em alguns casos é necessário realizar um desenvolvimento abrangente do processo e da tecnologia, com o objetivo de melhorar a situação.

Geralmente, o motivo disso é que as possíveis variáveis de controle ou de regulagem não podem ser ajustadas diretamente ou sequer podem ser ajustadas. Mesmo quando é impossível determinar as causas dos defeitos por meio da avaliação dos dados existentes, a sua avaliação contribui para a determinação destas causas, graças à eliminação de muitas fontes de defeito presumidas.