OTIMIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE LASER CO 2 EM CHAPAS DE AÇO AO CARBONO ATRAVÉS DO MÉTODO TAGUCHI

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(1)OTIMIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE LASER CO2 EM CHAPAS DE AÇO AO CARBONO ATRAVÉS DO MÉTODO TAGUCHI. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. Marcelo Fabiano Jablonski, mj000530@fahor.com.br 1 Richard Thomas Lermen, richard@fahor.com.br 1 Anderson Dal Molin, anderson@fahor.com.br 1 1. Faculdade Horizontina (FAHOR), Avenida dos Ipês, 565, CEP: 98920-000, Horizontina, RS, Brasil.. Resumo: O principal objetivo do presente artigo foi determinar a influência das variáveis física (parâmetros) de corte sobre os critérios de qualidade (largura do rasgo, paralelismo, arraste de estrias e zona afetada pelo calor - ZAC). O projeto de experimentos foi elaborado utilizando a técnica de engenharia robusta (Método Taguchi), no qual três parâmetros de corte (pressão do gás, potência do LASER e velocidade de corte) foram empregados com três níveis cada. A influência dos parâmetros foi determinada através da análise de variância (ANOVA). Também, foi possível determinar a melhor combinação dos parâmetros para otimização do processo de corte quanto aos critérios de qualidade. Estas combinações foram testadas através de experimentos. Os resultados indicaram que os três parâmetros de corte tiveram influência significativa sobre a largura do rasgo, nenhum parâmetro influenciou significativamente a ZAC e, sobre o paralelismo e o arraste de estrias, apenas a velocidade de corte teve influência significativa. Palavras-chave: Corte LASER CO 2 , Taguchi, ANOVA, Critérios de Qualidade.. 1. INTRODUÇÃO. O corte LASER é atualmente bastante utilizado na indústria para o processamento de materiais, e vem substituindo em parte os processos mais tradicionais no que se refere ao corte de chapas metálicas, em virtude de sua versatilidade e precisão geométrica na fabricação do componente desejado. A tecnologia LASER permite cortar uma enorme gama de materiais e espessuras, e praticamente qualquer contorno, indiferente de sua complexidade. Os diferentes processos de fabricação utilizados no processamento de chapas metálicas conferem características peculiares ao componente produzido, de acordo com o tipo de tecnologia empregada. Assim, é importante determinar como e em que dimensão determinado processo de fabricação influencia nas características do material processado. Uma importante característica do corte LASER é o melhor acabamento superficial quando comparado a processos de estampagem. A correta seleção dos parâmetros de corte do equipamento possibilita a obtenção de itens com excelente acabamento de superfície. Pode-se ressaltar também, como aspecto relevante do corte LASER, a baixa influência térmica do processo no material cortado. As variáveis mais importantes a serem controladas no processo de corte LASER são: potência do feixe, velocidade de corte, vazão do gás de assistência e ponto focal (Stenn e Mazumder, 2010). Neste contexto, busca-se determinar qual a influência dos parâmetros operacionais de corte LASER sobre os critérios de qualidade. Os critérios de qualidade definidos para o corte LASER são influenciados pelos parâmetros utilizados no processo, os quais devem ser adequados a atender as especificações de qualidade dos itens produzidos. Estes parâmetros são normalmente ajustados de modo a se fabricar peças com bom acabamento e dentro das tolerâncias dimensionais e geométricas, atendendo aos critérios de qualidade especificados. O feixe de LASER utilizado no corte dos metais alcança elevadas temperaturas, necessárias para que se efetue o corte. Deste modo, certa porção do metal sofre a influência deste calor gerado. Sabe-se que quanto menor for o impacto causado pelas altas temperaturas no material, melhor a conservação das propriedades mecânicas apresentadas pelo metal antes de seu processamento. Estas características do material são muito importantes, sobretudo em componentes sujeitos a esforços elevados (Machado, 1996). Assim, torna-se importante avaliar como os parâmetros utilizados no corte LASER influenciam nas características da superfície que sofreu a ação de corte, bem como sua influência na zona termicamente afetada do metal. Portanto, este artigo tem como objetivo a otimização dos parâmetros de corte LASER CO 2 através da metodologia de engenharia robusta – Taguchi, determinando os melhores parâmetros e o efeito dos mesmos sobre os critérios de qualidade de corte..

(2) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. 2. PARÂMETROS DE CORTE LAZER. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. A potência do feixe determina a capacidade de influência do LASER no material a ser cortado. De modo geral, o aumento da potência possibilita o corte a maiores velocidades com a mesma qualidade, ou o corte de materiais mais espessos (Joaquim e Ramalho, 2006). Quando é necessário obter grande precisão em geometrias complexas ou em cortes de paredes muito estreitas, pode haver a necessidade de se reduzir a potência do LASER mediante uma operação por impulsos (TRUMPF, 1996). A velocidade de corte é determinada em conjunto com a potência e a pressão e vazão do gás auxiliar. Ao se utilizarem velocidades muito elevadas, surgem estrias na superfície cortada, rebarbas no lado oposto à entrada do LASER ou até mesmo a não efetivação do corte por uma penetração insuficiente. Para velocidades muito baixas, verifica-se o aumento da zona afetada pelo calor e a diminuição progressiva da qualidade do corte (Joaquim e Ramalho, 2006). A velocidade de corte deve estar adaptada ao tipo e espessura do material cortado; em geral, a velocidade de corte máxima possível diminui com a espessura do material (TRUMPF, 1996). A Figura 1 apresenta o gráfico das velocidades de corte possíveis de acordo com o tipo de material processado. O gás de assistência deve ter a vazão necessária para extrair o material fundido resultante do corte. Para o corte de materiais reativos como a madeira e plásticos não se deve usar oxigênio, e tampouco quando se deseja superfícies livres de óxidos. De maneira geral, no corte com oxigênio de materiais metálicos delgados a pressão do gás é maior do que em materiais mais espessos. Para o corte com nitrogênio, ocorre o inverso: a pressão do gás é aumentada com o aumento da espessura do material (TRUMPF, 1996). O foco é o ponto de maior concentração de energia do feixe de LASER. A posição focal é determinada de acordo com a espessura do material, variando de ligeiramente inferior ao lado oposto à penetração do LASER em chapas mais finas, até um ponto ligeiramente superior a superfície de entrada do LASER em materiais mais espessos (TRUMPF, 1996). 3. CRITÉRIOS DE QUALIDADE PARA CORTE LASER. As superfícies cortadas a LASER apresentam algumas características inerentes ao processo, cujos parâmetros influenciam diretamente nos critérios utilizados para validar a qualidade destas superfícies. Nesta seção serão apresentados os critérios avaliados pela efetivação dos experimentos propostos (Machado, 1996; Rajaram, N. et, al, 2003).. Figura 1. Desenhos esquemáticos dos critérios de qualidade de corte LASER. (a) Aspecto da ranhura de corte; (b) representação da tolerância de paralelismo (u); (c) Arraste de estrias (n) no corte LASER; e (d) Zona afetada pelo calor (Machado, 1996). Durante o corte LASER se produz uma ranhura de corte que geralmente vai estreitando-se a partir da borda superior até a borda inferior de corte, como mostra a Figura 1(a). A largura do rasgo de corte aumenta com a espessura do material e é influenciada também pelo tipo de matéria-prima. Para a maioria das chapas metálicas processadas na indústria, a largura do rasgo apresenta valores entre 0,15 e 0,4 mm (TRUMPF, 1996). A tolerância de paralelismo corresponde à distância entre duas retas paralelas em que o perfil da superfície de corte deve ter um ângulo teoricamente correto, o qual, no caso de cortes verticais, é de 90°, como representado na Figura 1(b). Na tolerância de paralelismo estão inclusas tanto a diferença de linearidade quanto a diferença de planeza. O paralelismo das superfícies cortadas por LASER pode ser influenciado pelos parâmetros operacionais posição do foco, pressão do gás e velocidade de corte (TRUMPF, 1996). Um típico desenho de estrias na superfície cortada é produzido durante o corte LASER. No caso de baixa velocidade de corte, estas estrias encontram-se quase paralelas ao feixe de LASER. Quanto maior a velocidade de corte maior a inclinação das estrias no sentido contrário a direção de corte. O arraste de estrias é definido como a distância.

(3) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. máxima entre duas estrias na direção do corte, como ilustra a Figura 1(c). A medição é realizada pela análise da imagem do corte com o auxílio de uma lupa ou microscópio, usando uma linha de referência auxiliar (TRUMPF, 1996). O feixe de LASER produz uma zona termicamente afetada no material em torno da ranhura de corte ou do orifício de penetração, conforme mostra a Figura 1(d). Esta influência térmica tem como consequência uma mudança da estrutura do material, cuja magnitude pode ser mais bem avaliada através de um microscópio em uma seção metalográfica fina. Juntamente com a alteração de estrutura pela influência térmica pode haver uma mudança de cor (coloração escura) da superfície da peça. Esta alteração de cor pode ser utilizada como um critério indireto para uma avaliação da magnitude da influência térmica. Além da mudança de coloração, uma influência térmica excessiva pode causar a queimadura das partes finas da geometria. Como fatores que influenciam na zona do material afetada pelo calor, cita-se a potência do LASER, a velocidade de corte e a pressão do gás (TRUMPF, 1996). 4. MÉTODO TAGUCHI. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. Em um projeto de experiências consideram-se os fatores envolvidos e seus respectivos níveis. Ao se aplicar o planejamento fatorial completo, o aumento do número de fatores e níveis resulta no aumento considerável do número de experimentos necessários para se estudarem todas as combinações possíveis, tornando por vezes inviável a sua aplicação devido ao tempo e custos associados à realização das experiências (DOMINGUES; OLIVEIRA; ESPERTO, 2009). Deste modo, em alguns casos torna-se importante minimizar o número de experimentos realizados. A metodologia Taguchi é um método de desenho de experiências de fatoriais fracionado, pois é efetuada apenas uma parte do total de combinações das variáveis de entrada, utilizando para isso matrizes compostas por vetores ortogonais para determinar os testes a serem realizados (MOITA, 2007). As matrizes ortogonais desenvolvidas por Taguchi para o planejamento de experiências são matrizes fracionadas. A seleção da matriz de Taguchi mais apropriada é realizada a partir do número de fatores a controlar e de seus respectivos níveis (DOMINGUES; OLIVEIRA; ESPERTO, 2009). Segundo Button (2005), a proposta do método Taguchi é analisar a resposta média para cada combinação de fatores, e avaliar a variabilidade através do que no método é denominado de razão sinal-ruído (S/N). Taguchi nomeia ruídos as causas que eventual ou sistematicamente interferem na variabilidade das funções do produto (FIOD NETO apud ALVES, 2009). A análise de variância aplicada aos resultados dos experimentos possibilita determinar os fatores que apresentam maior influência na redução da variação e ao mesmo tempo ajustar a média da variável a ser controlada; além disso, permite identificar os níveis mais apropriados às melhores características de qualidade do produto (DOMINGUES; OLIVEIRA; ESPERTO, 2009). 5. MATERIAIS E MÉTODOS. O estudo proposto consiste na avaliação de critérios de qualidade definidos para o corte LASER de chapas metálicas, analisando a sua relação com os parâmetros de processo utilizados, utilizando para isso o método Taguchi. Assim, em razão de sua relevância para a análise das características do corte LASER, definiram-se para avaliação os critérios de qualidade zona afetada pelo calor (ZAC), arraste de estrias, paralelismo e largura do rasgo de corte. Então, a partir das referências bibliográficas obtidas e do conhecimento prático acerca do corte LASER em chapas de aço, determinaram-se os parâmetros de processo com maior influência nos critérios citados, sendo utilizados os parâmetros pressão do gás de corte, potência do LASER e velocidade de corte. A partir disso, determinou-se que os parâmetros (pressão do gás, potência do LASER e velocidade de corte) seriam cada qual utilizados em três níveis diferentes nos experimentos realizados, conforme Tabela 1. Os níveis foram determinados em torno de um ponto central, correspondente aos valores utilizados como padrões para o corte LASER do material objeto de análise. Tabela 1. Parâmetros do processo e respectivos níveis utilizados no experimento.. Nº. Fator. Unidade. Notação. 1. Pressão do gás. Bar. p. 2. Potência do LASER. W. P. 3. Velocidade de corte. m/min. v. Nível 1 2 3 1 2 3 1 2 3. Valor 3,4 4 4,6 1275 1500 1725 3,4 4 4,6.

(4) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. O material escolhido para a produção das amostras é do tipo aço carbono plano, obtido através de laminação, especificação NBR5906EM, com espessura de 3 mm. A fabricação das amostras foi realizada em um centro de corte LASER CO 2 modelo TRUMATIC L3030 com 3000 W de potência. Para efetuar o corte foi utilizado um cabeçote de corte provido de uma lente com distância focal de 5” empregandose o oxigênio como gás de assistência. O bico de corte utilizado possui diâmetro 0,8 mm e a posição do foco especificada é igual a -0,8 mm para todas as amostras fabricadas. O método proposto para avaliar os critérios de qualidade do corte LASER consiste na captura de imagens ampliada da região de análise do material com o auxílio de um microscópio. A medição dos critérios de qualidade (largura do rasgo, arraste e paralelismo e ZAC) foi efetuada com o auxílio do software “ImageJ”. Com o auxílio deste software foi criada uma escala de referência, de modo a converter as medidas em pixels da imagem para as dimensões reais em milímetros. Após realização das medições de todos os critérios a serem avaliados, os resultados receberam um tratamento estatístico baseado no Método Taguchi, sendo realizada a análise de variância que permitiu a determinação dos níveis otimizados dos parâmetros avaliados para cada critério de qualidade analisado. Além disso, o teste estatístico determinou quais parâmetros tiveram impacto mais significativo sobre a qualidade do corte LASER. 6. RESULTADOS. Os resultados obtidos para cada critério de qualidade analisado foram tabulados, apresentando-se na Tabela 2 os valores finais, resultantes das medições e cálculo da média, quando realizadas várias medidas em cada amostra para o mesmo critério. Tabela 2. Valores médios, em mm, encontrados para os critérios de qualidade analisados.. Número do experimento. Largura do rasgo. Arraste de estrias. Paralelismo. Zona afetada pelo calor. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27. 0,251 0,255 0,247 0,253 0,251 0,253 0,256 0,255 0,257 0,259 0,257 0,259 0,258 0,263 0,259 0,282 0,282 0,272 0,241 0,244 0,248 0,266 0,276 0,270 0,272 0,267 0,266. 0,207 0,211 0,195 0,485 0,465 0,462 0,647 0,786 0,720 0,395 0,330 0,303 0,500 0,470 0,545 0,297 0,119 0,212 0,619 0,666 0,679 0,226 0,175 0,181 0,429 0,163 0,402. 0,027 0,026 0,041 0,021 0,025 0,018 0,028 0,016 0,023 0,018 0,027 0,020 0,031 0,019 0,019 0,037 0,023 0,037 0,014 0,024 0,021 0,033 0,022 0,026 0,026 0,025 0,021. 0,088 0,101 0,070 0,068 0,071 0,089 0,078 0,073 0,093 0,065 0,079 0,073 0,082 0,079 0,078 0,078 0,093 0,079 0,070 0,079 0,077 0,079 0,066 0,078 0,075 0,075 0,084. No que se refere à inspeção visual das peças fabricadas, o acabamento da superfície cortada ficou dentro de um padrão aceitável para todas as amostras fabricadas. Não houve a formação de rebarbas fortemente aderidas à superfície de corte, apenas rebarbas de fácil remoção em algumas regiões de certas amostras..

(5) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. 6.1 Largura do Rasgo do Corte LASER. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. A largura do rasgo de corte LASER (Figura 2(a)) não sofreu grandes variações, apresentando valores entre 0,24 e 0,28 mm, valores que condizem com o padrão para o corte LASER do material em questão. Figura 2(b) apresenta a razão sinal-ruído (S/N) da largura do rasgo para os fatores pressão do gás (PG), potência do LASER (PL) e velocidade de corte (VC). Os níveis de parâmetros que aparecem na parte superior do gráfico são considerados os melhores para a condição menor é melhor, referente à largura do rasgo. A influência dos fatores e a confiabilidade dos resultados são representadas pela posição dos níveis em relação à linha central e às linhas tracejadas; quanto maior o afastamento em relação a estas linhas, maior a influência dos fatores e a confiabilidade dos resultados. A Figura 2(c) mostra o gráfico da largura do rasgo em função da velocidade corte, onde se observa que a largura do rasgo decresce com o aumento da velocidade, isto pode ser explicado devido ao menor tempo de ação do feixe LASER sobre a região de corte. A Figura 2(d) apresenta um gráfico dos valores para a largura do rasgo em função da pressão do gás. Constata-se que a pressão do gás nível 1 (3,4 bar) corresponde à menor largura, havendo um aumento no nível 2 (4,0 bar) e um leve decréscimo quando utilizada a pressão de nível 3 (4,6 bar). A largura do rasgo em função da potência do LASER é apresentada através do gráfico da Figura 2(e), onde se percebe que o aumento da potência acarreta no aumento da largura da ranhura.. Figura 2. (a) Largura do resgo de corte; (b) Razão S/N da largura do rasgo para os fatores analisados; (c) Largura do rasgo em função da velocidade de corte; (d) Largura do rasgo em função da pressão do gás; (e) Largura do rasgo em função da potência do LASER.. De acordo com a análise de variância apresentada na Tabela 3, percebe-se que os resultados para a largura do rasgo apresentam um alto índice de confiabilidade, o qual é representado pelo “valor de P”; sendo o valor de P inferior a 0,05, os resultados apresentam confiabilidade superior a 95%. Tabela 3. Análise de variância para a largura do rasgo. Fonte Pressão do Gás. Soma dos Quadrados. Grau de Liberdade. Médias dos Quadrados. Valor de F. Valor de P. 0,786542. 2. 0,393271. 26,24707. 0,000003. Potência do LASER. 1,373863. 2. 0,686931. 45,84607. 0,000000. Velocidade de corte. 0,851707. 2. 0,425853. 28,42162. 0,000001. Resíduo. 0,299669. 20. 0,014983. ****. ****.

(6) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. A influência de cada fator é representada pelo “valor de F”; quanto maior este valor, maior é a influência do fator sobre o critério analisado. Pode-se dizer então que, dentre os parâmetros analisados, a potência do LASER é o fator de maior influência na largura da ranhura do corte LASER. 6.2 Arraste de Estrias. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. De acordo com os resultados houve significativa variabilidade nas medidas encontradas para o arraste de estrias (Figura 3(a)). Através da razão sinal-ruído (S/N) para o arraste de estrias (Figura 3(b)), pode-se afirmar com confiabilidade de 95% que a velocidade de corte é o fator de maior influência sobre o arraste, sendo que na condição menor é melhor, a qualidade é otimizada utilizando a menor velocidade (3,4 m/min). Percebe-se que os outros fatores, sobretudo a potência do LASER, têm influência reduzida no arraste de estrias. Relacionando estes valores com os parâmetros utilizados nos testes, há uma perceptível influência da velocidade de corte nos resultados encontrados para o arraste, o qual é diretamente proporcional à velocidade de corte utilizada. Ao relacionar a pressão do gás com o arraste de estrias, nota-se que a pressão intermediária (4,0 bar) é a que minimiza as medidas do arraste; tanto para o valor inferior quanto superior há um aumento do arraste de estrias. A Figura 3(d) relaciona o arraste com a potência do LASER, onde se observa a baixa influência deste parâmetro no arraste, ainda que o nível intermediário apresente os menores valores. Quando o arraste é relacionado com a velocidade de corte, percebe-se que este fator é determinante para o resultado, pois o aumento da velocidade de corte resulta num significativo aumento do arraste (Figura 3(e)). Valores muito elevados de arraste podem apontar uma excessiva velocidade de corte, podendo resultar na má qualidade do corte LASER.. Figura 3. (a) Imagem ampliada mostrando o arraste de estrias no corte LASER; (b) Razão S/N do arraste de estrias para os fatores analisados; (c) Arraste de estrias em função da pressão do gás; (d) Arraste de estrias em função da potência do LASER; e (e) Arraste de estrias em função da velocidade de corte.. Conforme especificado na Tabela 4, apenas o fator velocidade de corte apresentou confiabilidade superior a 95%, e é claramente o fator determinante para os resultados de arraste, o que é indicado pelo maior “valor de F”..

(7) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. Tabela 4. Análise de variância para o arraste de estrias. Soma dos Quadrados. Grau de Liberdade. Médias dos Quadrados. Valor de F. Valor de P. 22,0075. 2. 11,0038. 2,15403. 0,142167. Potência do LASER. 0,2518. 2. 0,1259. 0,02464. 0,975688. Velocidade de corte. 443,0959. 2. 221,5479. 43,36881. 0,000000. Resíduo. 102,1692. 20. 5,1085. ****. ****. Fonte Pressão do Gás. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. 6.3 Paralelismo A análise do paralelismo (Figura 4(a)) revelou valores entre 0,02 e 0,04 mm.. A razão sinal-ruído do paralelismo em função dos fatores analisados (Figura 4(b)), na condição menor é melhor, mostra que a velocidade de corte é o único fator com influência destacada neste critério, de acordo com a amplitude dos pontos a partir da linha central do gráfico. A pressão do gás e a velocidade de corte têm pouca influência no paralelismo. Conforme expresso na Figura 4(c), percebe-se que os diferentes níveis de pressão do gás resultaram em uma pequena variação da medida de paralelismo, ainda que o maior nível (4,6 bar) apresentou melhor resultado. A potência do LASER também não teve grande influência no paralelismo, contudo, a melhor condição ocorre com o nível intermediário de potência do LASER (Figura 4(d)). Ao relacionar ao paralelismo com a velocidade de corte (Figura 4(e)), nota-se que o aumento de velocidade resultou no menor paralelismo da superfície de corte, diminuindo as irregularidades da aresta cortada.. Figura 4. (a) Ilustração do paralelismo na imagem ampliada da aresta de corte; (b) Razão S/N do paralelismo para os fatores analisados; (c) Paralelismo em função da pressão do gás; (d) Paralelismo em função da potência do LASER; (e) Paralelismo em função da velocidade de corte. No que diz respeito à significância dos fatores e à confiabilidade dos resultados (Tabela 5), apenas a velocidade de corte apresentou influência significativa no paralelismo, com credibilidade superior a 95%. Observa-se, pelos baixos valores de F e valor de p maior que 0,05, que não é possível afirmar a influência, com confiança de 95% da pressão do gás e a potência do LASER..

(8) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. Tabela 5. Análise de variância para o paralelismo. Soma dos Quadrados. Grau de Liberdade. Médias dos Quadrados. Valor de F. Valor de P. Pressão do Gás. 1,75669. 2. 0,87835. 0,220603. 0,803961. Potência do LASER. 3,59894. 2. 1,79947. 0,451949. 0,642728. Velocidade de corte. 45,52517. 2. 22,76259. 5,716986. 0,010872. Resíduo. 79,63142. 20. 3,98157. ****. ****. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. Fonte. 6.4 Zona Afetada Pelo Calor (ZAC). Analisando a zona afetada pelo calor, percebe-se que a influência térmica do processo de corte LASER no material é muito pequena, com largura da ZAC da ordem de centésimo de milímetros. Esta influência pode ser percebida, ao redor da aresta de corte, pela mudança na microestrutura do material, que se torna menos homogênea (Figura 5(a)). Convém ressaltar que, em virtude dessa mudança não ser muito destacada para o aço de baixo carbono, a medição deste critério esteve mais sujeita a pequenos erros de avaliação. Na condição de que a menor largura da ZAC é melhor, a razão sinal-ruído para este critério apresentou os resultados expressos na Figura 5(b). A representação gráfica indica que a maior pressão do gás, o valor intermediário da potência do LASER e o valor intermediário da velocidade de corte minimizam a largura da ZAC. Quanto a relação entre a ZAC e os fatores operacionais (pressão do gás, potência do LASER e velocidade de corte), mostrada nas Figuras 5(c), Figura 5(d) e Figura 5(e), a largura da ZAC, praticamente, manteve-se constante para todos os corpos de prova.. Figura 5. (a) Região do material afetada pelo calor (ZAC); (b) Razão S/N da largura da ZAC para os fatores analisados; (c) Largura da ZAC em função da pressão do gás; (d) Largura da ZAC em função da potência do LASER; e (e) Largura da ZAC em função da velocidade de corte Os resultados das medições mostraram também a pouca variabilidade dos valores em função dos parâmetros utilizados. Aplicando-se a análise de variância (Tabela 6) verificou-se que nenhum dos três fatores apresentou influência significativa, com confiabilidade de 95%..

(9) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. Tabela 6. Análise de variância para a zona afetada pelo calor. Soma dos Quadrados. Grau de Liberdade. Médias dos Quadrados. Valor de F. Valor de P. Pressão do Gás. 1,24241. 0,621204. 0,679782. 0,518055. Potência do LASER. 1,10799. 2 2. 0,553997. 0,606237. 0,555120. Velocidade de corte. 1,83877. 2. 0,919385. 1,006081. 0,383419. Resíduo. 18,27658. 20. 0,913829. ****. ****. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. Fonte. 6.5 Otimização dos Parâmetros. Foram realizados outros quatro experimentos utilizando os valores dos fatores que minimizam os critérios de qualidade (largura do rasgo, arraste de estrias, paralelismo e largura da ZAC), isto é, de acordo com os gráficos de sinal/ruído, a largura do rasgo é minimizada utilizando pressão do gás de 3,4 bar, potência do LASER de 1275 W e velocidade de corte de 4,6 m/min; o arraste de estrias é minimizado utilizando pressão do gás de 4,0 bar, potência do LASER de 1500 W e velocidade de corte de 3,4 m/min; o paralelismo é minimizado utilizando pressão do gás de 4,6 bar, potência do LASER de 1500 W e velocidade de corte de 4,6 m/min; e a ZAC é minimizada utilizando pressão do gás de 4,6 bar, potência do LASER de 1500 W e velocidade de corte de 4,0 m/min. Os resultados destes quatro experimentos confirmaram a otimização do corte realizado com LASER CO 2 , pois os valores encontrados para largura do rasgo, arraste de estria, paralelismo e ZAC foram de 0,240 mm, 0,18 mm, 0,017 mm e 0,070 mm, respectivamente.. 7.. CONSIDERAÇÕES FINAIS. A utilização da Metodologia Taguchi mostrou ser uma importante ferramenta para o projeto de experimentos e a análise estatística voltada à melhoria de um processo produtivo, principalmente quando o número de variáveis envolvidas é grande e qualquer pequena modificação nos fatores de entrada geram significativas alterações no resultado final do processo. Dentre os critérios de qualidade analisados, a largura do rasgo de corte LASER foi um dos critérios com menor variabilidade percentual em função dos parâmetros utilizados. Contudo, a análise estatística sobre as medições revelou a importância de todos os fatores avaliados sobre o resultado final, apesar do efeito reduzido. O arraste de estrias foi o critério com maior amplitude entre os menores e maiores valores obtidos, basicamente em função da velocidade de corte utilizada. Este resultado confirma as informações obtidas na literatura, ressaltando que um arraste excessivo indica também velocidades de corte muito elevadas, o que pode acarretar num acabamento defeituoso da superfície de corte. A análise do paralelismo apresentou resultados dispersos, apesar de não haver grande variação entre os valores mínimos e máximos, sendo a velocidade de corte o único fator com influência considerável neste critério. Contudo, ao contrário do arraste, as maiores velocidades resultaram em melhores resultados para o critério de paralelismo. Quanto à zona afetada pelo calor, percebeu-se que os diferentes níveis de parâmetros utilizados no experimento não resultaram em alterações significativas na largura da ZAC. Cabe destacar que esta análise dos critérios de qualidade do corte LASER foi baseada nos parâmetros determinados como de grande influência para os critérios analisados. Em virtude da elevada complexidade do corte LASER, existem ainda outros fatores que podem ter grande influência no processo. Contudo, a efetivação deste trabalho contribuiu para compreender como os fatores analisados afetam os critérios de qualidade tomados para análise. Também, foi minimizado os critérios de qualidade através do método Taguchi..

(10) VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 10 a 15 de agosto de 2014, Uberlândia - Minas Gerais. 8.. REFERÊNCIAS. VE SE R R SÃ ÃO O PU PR BL ELI IC MI AD NA O R. S O AP S Ó AN S O AIS EV D EN EF TO INI . TIV O S. Alves, L. H. D., 2009, “Utilização do Método De Taguchi na Modelagem e Otimização de Vazios Relacionados a Solidificação em Processo de Fundição de Aço ABNT 1030”, Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá. Button, S. T.,2005, “Metodologia Para Planejamento Experimental e Análise de Resultados”, Programa De PósGraduação em Engenharia Mecânica – Universidade Estadual de Campinas, Campinas. Domingues, R., Oliveira, F. A. C. e Esperto, L., 2009, “Desenho de Experiências – Estratégias”, Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação. Joaquim, R. e Ramalho, J.,2006, “Laser”, Apostila Técnica. Moita, N. F. V. C., 2007, “Implementação do Método Taguchi e Análise de Experiências na Fase de Testes de Moldes para Injecção de Plásticos”, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Instituto Superior Técnico, Lisboa. Trumpf,1996, “ La Tecnología del Corte por Laser”, Manual De Operación TCL 3030. Steen, W. M. e Mazumder, J., 2010, “Laser Material Processing”, 4th ed., XVIII, 558p. 374 illus.. Springer, Germany. Machado, I. G., 1996, “Soldagem & Técnicas Conexas: Processos”, Editado pelo Autor, Distribuído pela Associação Brasileira de Soldagem, Porto Alegre. Edição esgotada: disponível gratuitamente no formato “.pdf” em www.ct.ufrgs.br/lstc/. RAJARAM, N., SHEIKH-AHMAD, J. and CHERAGHI, S.H. 2003, “CO 2 laser cut quality of 4130 steel”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 43, pp. 351–358.. 9. RESPONSABILIDADE AUTORAL. Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.. OPTIMIZATION OF LASER CO 2 CUTTING PARAMETERS IN CARBON STEEL SHEET USING TAGUCHI METHOD. Marcelo Fabiano Jablonski, mj000530@fahor.com.br1 Richard Thomas Lermen, richard@fahor.com.br1 Anderson Dal Molin, anderson@fahor.com.br1 1. Horizontina College (FAHOR), Avenida dos Ipês, 565, CEP: 98920-000, Horizontina, RS, Brasil.. Abstract. The main aim of this paper was to determine the physical variables (parameters) influence on the cutting quality concept (top kerf width, parallelism, drag lines and heat affected zone - HAZ). The experimental design was developed using robust engineering technique (Taguchi method), in which three cutting parameters (gas pressure, LASER power and cutting speed) were used with three levels each. The parameters influence was determined by analysis of variance (ANOVA). Also, it was possible to determine the best parameters combination to optimize the cutting process as to quality criteria. These combinations were tested by experiments. The results showed that the three cutting parameters had significant influence on the kerf width, no parameters significantly influenced the HAZ and on parallelism and drag lines, only the cutting speed had a significant influence. Keywords: CO 2 LASER Cutting, Taguchi, ANOVA, Quality Concept..

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