XVII CONGRESSO NACIONAL DE
ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL
ELABORAÇÃO DE UMA FMEA DO PROCESSO DE USINAGEM EM UM TORNO CONVENCIONAL PARA REDUÇÃO DE DIÂMETRO DE UM EIXO
Matheus Vinícius Linhares Barbosa (1) (matheusvini.eng.mec@gmail.com), Rafael Sena de Andrade (1) (raafaelseena@gmail.com), Jaqueline Dias Altidis (1) (jaquelinealtidis@yahoo.com.br), Ana Cristina Ribeiro
Veloso (1) (anacrisveloso@yahoo.com.br), André Luiz de Morais Costa (1) (andre.costa@ufs.br) (1)
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Sergipe.
RESUMO: A FMEA, análise dos modos de falha e seus efeitos, é uma das ferramentas amplamente utilizadas por empresas dos mais diversos segmentos com o intuito de eliminar ou reduzir a ocorrência de falhas em seus produtos ou processos, o que permite ganhos como redução de custos de retrabalho e melhoria da qualidade do produto final. O presente trabalho busca desenvolver uma FMEA do processo de usinagem em um torno mecânico da Universidade Federal de Sergipe para redução do diâmetro de um eixo comum, de forma a avaliar possíveis falhas que poderiam ocorrer durante a operação de tal máquina, bem como as causas e consequências a elas atreladas. Como forma metodológica para o diagnóstico de todas as possíveis falhas, foram utilizados Diagramas de Causa e Efeito. Os resultados demonstram os dados levantados para o processo por meio de tabelas de ocorrência, detecção e severidade, bem como uma classificação da prioridade dos problemas levantados em termos de criticidade e o desenvolvimento de possíveis ações que permitam reduzir a probabilidade de falhas.
PALAVRAS-CHAVE: FMEA, torno, usinagem, modo de falha.
ELABORATION OF A FMEA OF THE MACHINING PROCESS IN A CONVENCIONAL LATHE FOR DIAMETER REDUCTION OF AN AXIS
ABSTRACT: FMEA, Failure Mode and Effect Analysis, is one of the tools which are widely used by companies of the most diverse segments with the intention of eliminate or reduce failure occurrence in their products or processes, which allows earnings such as reduction of rework costs and improvement of final product quality. This paper intends to develop a FMEA of a machining process in a mechanical lathe inside Federal University of Sergipe for the reduction of a common axis diameter, in order to evaluate possible failures that could occur during machine operation, as well as the causes and consequences of those failures. As a methodological way to the diagnosis of all possible failure, Cause and Effect Diagrams were used. Results show the data collected from the process by tables of occurrence, detection and severity, as well as a priority classification of the raised problems in terms of criticality and the development of possible actions that could allow the reduction of the occurrence probability of failures.
1. INTRODUÇÃO
1.1 Manutenção centrada na confiabilidade e a FMEA
Nas últimas décadas, os segmentos industriais tem apresentado uma alta demanda pelo desenvolvimento de novos modelos associados à melhoria da qualidade e confiabilidade de seus produtos ou processos. Com origem ainda na década de 60 na indústria aeronáutica norte-americana, a chamada Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC) tem o objetivo de direcionar os esforços da manutenção para componentes e sistemas onde a confiabilidade é fundamental e identificar as tarefas que devem ser executadas para preservar os ativos físicos. Entre os resultados esperados por conta da implementação da MCC estão a maior segurança humana e ambiental, a melhoria do desempenho operacional em termos de quantidade e qualidade, aumento da vida útil dos componentes de um sistema, organização dos planos de manutenção da empresa e redução do nível de falhas e de retrabalho na linha de produção (MOUBRAY, 2000).
Para implementar a MCC em uma empresa, deve-se ter um bom conhecimento dos processos ou produtos que envolvem a organização. Ao longo dos anos, foram criadas diversas ferramentas que têm o objetivo de dar um suporte ao desenvolvimento da MCC. A principal e mais famosa delas é conhecida como FMEA, do inglês Failure Mode and Effects Analysis . Basicamente, a FMEA é uma sequência de passos lógicos que se inicia com a análise de elementos de menor nível (subsistemas ou componentes), identificando os modos de falhas potenciais e mecanismos de falha, traçando possíveis efeitos e consequências de tais falhas nos vários níveis do sistema. Caracteriza-se, portanto, por ser uma ferramenta voltada para o aumento da confiabilidade e redução a níveis mínimos das falhas para os procedimentos no ambiente industrial. Em sentido amplo, a FMEA consiste em sistematizar um grupo de atividades para detectar possíveis problemas e avaliar os efeitos dos mesmos para o produto ou processo. A partir daí, pode-se decidir as ações a serem tomadas a fim de reduzir a probabilidade de que tais falhas ocorram. Normalmente, tais ações podem atuar tanto na melhoria dos mecanismos de detecção dessas falhas ou na diminuição da sua gravidade ou severidade (MOBLEY et al., 2008; MCDERMOTT et al., 2008).
Atualmente, a FMEA é utilizada por uma ampla gama de empresas com o intuito de eliminar ou reduzir a ocorrência de problemas, erros ou falhas. Isso permite que a empresa reduza seus custos de produção, além de melhorar a qualidade do produto entregue ao cliente. Em sua essência, a FMEA foi desenvolvida para ser usada tanto durante a fase de projeto do produto ou processo quanto durante o ciclo de vida do produto, mas é importante ressaltar que ela deve ser constantemente revista e atualizada à medida que novos dados, informações ou ideias surgem acerca de um produto ou processo. Existem basicamente dois tipos de FMEA: a de produto e a de processo. Na primeira, são consideradas as falhas que o produto, dentro de suas especificações, pode vim a apresentar. Na segunda, deseja-se evitar falhas no planejamento e/ou execução de um processo, tendo como base a não conformidade do produto final em relação àquele inicialmente projetado (CARPINETTI, 2016; MCDERMOTT et al., 2008)
1.2 Desenvolvimento de uma FMEA de processo
FMEA de processos vem sendo cada vez mais utilizada nas mais variadas empresas como forma de entender as causas e consequências dos problemas enfrentados na produção, bem como facilitar o brainstorm entre os gestores acerca das suas possíveis soluções. O desenvolvimento e implementação de uma FMEA de determinado processo envolve algumas etapas básicas. Em primeiro lugar, define-se minunciosamente as etapas constituintes do processo em questão, normalmente por meio de ferramentas visuais como fluxogramas. A partir disso, identifica-se a função de cada etapa do processo em termos de seu objetivo, bem como os modos de falhas associados. Conforme Moubray (2000) e Siqueira (2009), modo de falha é qualquer evento que faz com que ocorra uma falha funcional, isto é, que faça com que um item (ou etapa) deixe de desempenhar sua função dentro dos limites desejados de performance. Em seguida, inicia-se a etapa de busca pelas causas e efeitos relacionados a cada modo de falha específico. É comum a utilização de Diagramas de Causa e Efeito (Diagramas de Ishikawa) como forma de contribuir para a consideração do maior número de causas e efeitos possíveis para determinado modo de falha.
Em geral, são utilizadas tabelas padronizadas com os índices de severidade, ocorrência e de detecção de associados à determinada causa de um modo de falha. O índice de severidade avalia subjetivamente a gravidade das consequências que uma falha pode acarretar em termos de clientes e funcionários e custos, por exemplo. O índice de ocorrência é uma estimativa da probabilidade de ocorrer a causa de uma falha e dessa resultar a falha propriamente dita. Por usa vez, o índice de detecção estima a probabilidade de que, ocorrendo uma falha, esta possa ser rapidamente observada e corrigida antes que cause impactos na qualidade do produto ou processo. O produto entre esses três índices é conhecido como Índice de Risco ou Número de Prioridade de Risco (NPR), o qual fornece uma boa ideia de quais os pontos mais críticos do processo considerado. Enfim, de posse dos NPRs de todas as causas do processo, deve-se tomar decisões acerca de quais ações ou medidas devem ser realizadas para reduzi-los ao mínimo possível. Quanto mais elevado for o NPR de uma causa, mais urgente é a necessidade de ação sobre ela, isto é, mais crítica ela é. (MOBLEY et al., 2008; PALADY, 2004; DOS SANTOS, 2015). 1.3 Objetivo
O presente trabalho tem o objetivo de desenvolver uma FMEA do processo de usinagem em um torno mecânico convencional do Departamento de Engenharia Mecânica da UFS, a fim de
levantar todos os possíveis problemas e falhas que possam vir a ocorrer durante sua operação e como solucioná-los.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Em primeiro lugar, foi realizado o fluxograma das etapas constituintes do processo de desbaste de diâmetro de um eixo em um torno mecânico convencional. Como ponto de partida, foi considerado o torno do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Sergipe, embora a FMEA descrita pelo presente trabalho passo ser utilizada para qualquer torno mecânico convencional com mínimas modificações. A Figura 1 apresenta o fluxograma que funcionará como base para a elaboração da FMEA.
FIGURA 1. Fluxograma do processo de usinagem para redução de diâmetro de um eixo em torno mecânico convencional. Fonte: Elaborada pelo autor.
Para cada uma das etapas descritas na Figura 1, foram identificadas a sua função e o modo de falha potencial. Com os modos de falhas devidamente detectados, foram avaliados os efeitos potenciais decorrentes de tais falhas, bem como a severidade ou gravidade de tais efeitos. O Quadro 1 apresenta a padronização adotada pelo presente trabalho para o cálculo dos índices de severidade.
QUADRO 1. Critério para o cálculo dos índices de severidade dos efeitos no processo. Fonte: BEM-DAYA e RAOUF, 1996.
Depois disso, foram avaliadas as causas potenciais de cada modo de falha. Para a identificação precisa e coerente das causas, foram utilizados Diagramas de Ishikawa (Causa e Efeito), as quais são poderosas ferramentas da qualidade para o estudo das relações entre causa e efeito. Neste trabalho, utilizou-se o padrão 6M para os diagramas, isto é, buscou-se as causas relacionadas à máquina, mão de obra, meio ambiente, método, matéria-prima e medição. Cada causa foi então pontuada de acordo com seu índice de ocorrência, o qual foi baseado na padronização definida pelo Quadro 2.
QUADRO 2. Critério para o cálculo do índice de ocorrência das causas. Fonte: BEM-DAYA e RAOUF, 1996.
No entanto, diante da grande dificuldade para se chegar a valores precisos em relação ao número de incidentes, os índices de ocorrência foram baseados na experiência dos técnicos operadores do torno, buscando a maior coerência possível para a pontuação descrita no Quadro 2.
Em seguida, foram identificados os controles de detecção de falhas atuais, bem como índices de detecção de falhas associados. Quanto maior o índice de detecção, mais difícil será a identificação de uma falha. O Quadro 3 foi utilizado para a padronização de tais índices.
QUADRO 3. Critério para o cálculo dos índices de detecção de falhas. Fonte: BEM-DAYA e RAOUF, 1996.
Com os índices de severidade, ocorrência e detecção obtidos, calculou-se o Número de Prioridade de Risco (NPR), que é o produto entre esses três índices. O NPR indica as prioridades para a tomada de ações de melhoria. Algumas dessas ações foram propostas, buscando reduzir os índices de ocorrência e de detecção e, consequentemente, reduzir o NPR de cada causa.
3. RESULTADOS
O Quadro 4 apresenta a identificação da função e do modo de falha funcional associados a cada uma das etapas do processo considerado, apresentadas no fluxograma da Figura 1. Além disso, também são elencados os efeitos potenciais de tais falhas e seu índice de severidade.
Etapa do Processo Função Modo de Falha
Funcional
Efeito potencial da falha (Índice de Severidade)
Abrir castanhas Liberar espaço para
posicionar o eixo
Espaço insuficiente para
posicionar o eixo Não conseguir fixar o eixo (2)
Posicionar o eixo e fechar castanhas Fixar uma das
extremidades do eixo Extremidade mal fixada Eixo se soltar das castanhas (10)
Travar broca no cabeçote móvel e fazer furo de centro
Marcar o centro da extremidade não fixa do
eixo
Centro marcado no lugar errado
Acabamento superficial ruim (4)
Eixo com variações de diâmetro ao longo do comprimento (8)
Travar cabeçote móvel com a contra-ponta posicionada no furo de centro
Fixar a outra
extremidade do eixo Extremidade mal fixada
Acabamento superficial ruim (4)
Eixo com variações de diâmetro ao longo do comprimento (8)
Eixo se soltar das castanhas (10) Posicionar bite no marco zero da peça Definir o ponto de início
da usinagem
Definição errada o ponto de início de usinagem
Diâmetro final maior que o esperado (4)
Diâmetro final menor que o esperado (8)
Secionar parâmetros de usinagem na árvore
Definir os parâmetros do processo
Parâmetros definidos de forma errada
Acabamento superficial ruim (4)
Desgaste excessivo do bite (8)
Diâmetro final diferente do esperado (4)
Baixar a proteção e ligar o torno Iniciar a rotação do eixo Rotação do eixo não iniciada Não há usinagem de material (2)
Avançar o carro transversal até a profundidade de corte desejada a partir
do marco zero
Definir a profundidade de corte
Profundidade de corte incorreta
Diâmetro final maior que o esperado (4)
Diâmetro final menor que o esperado (8)
Ativar o avanço automático do carro longitudinal
Homogeneizar o diâmetro em todo o comprimento do eixo
Usinagem não homogênea ao longo do eixo
Eixo com variações de diâmetro ao longo do comprimento (8)
Desligar avanço automático e desligar torno
Encerrar a rotação do
eixo Rotação não encerrada Acidente na operação da máquina (10)
QUADRO 4. Função e modo de falha de cada etapa do processo abordado. Fonte: Elaborado pelo autor.
A atribuição dos índices de severidade de cada efeito foi feita de maneira coerente utilizando-se o Quadro 1. Efeitos como não conseguir fixar o eixo ao torno ou não haver usinagem de material por conta de a rotação não ter iniciado são considerados de severidade 2, levando
apenas a uma pequena inconveniência no processo. No entanto, o fato do eixo se soltar das castanhas durante o funcionamento do torno, por exemplo, pode causar sérios dados e portanto recebeu índice de severidade 10. Um ponto que vale comentar é em relação às diferentes severidades quanto ao diâmetro final do eixo ser maior ou menor do que o desejado ou esperado. Caso seja maior, a implicação no processo é que operador deverá apenas reiniciar o procedimento para retirar mais cavaco do eixo, o que recebeu índice de gravidade 4. Porém, caso o diâmetro final seja menor que o desejado, o eixo é perdido, o que gera retrabalho e desperdício de matéria-prima, ganhando uma severidade maior para o processo (8).
Para as avaliações das possíveis causas relacionadas a cada modo de falha, foram utilizados diagramas de Ishikawa. Essa ferramenta permitiu englobar uma ampla gama de causas que podem estar relacionadas à falha potencial analisada. A título de exemplificação, as Figuras 2 e 3 apresentam os diagramas de Ishikawa para dois modos de falha dentre os avaliados no Quadro 4.
FIGURA 2. Diagrama de Ishikawa para o modo de falha “definição errada do ponto de início da usinagem” da etapa de posicionar o bite no marco zero da peça. Fonte: Elaborada pelo autor.
FIGURA 3. Diagrama de Ishikawa para o modo de falha “profundidade de corre incorreta” da etapa de avançar o carro transversal até a profundidade de corte desejada a partir do marco zero. Fonte:
Elaborada pelo autor.
Após a obtenção das causas de cada modo de falha, foram observados os controles de prevenção atuais contra o surgimento de cada uma dessas causas, bem como os controles de detecção atuais da ocorrência de uma falha. Além disso, os índices de ocorrência e detecção também foram calculados, dando origem ao NPR de cada causa. O Quadro 5 é um excerto daquela que é considerada a tabela final resultado da FMEA realizada pelo presente trabalho, englobando desde o nome da etapa do processo até as possíveis ações que são recomendadas para reduzir a criticidade de determinada causa. Nessa tabela-excerto, são apresentadas as informações relativas a duas das etapas consideradas para o processo de torneamento avaliado.
Eta p a Fu n çã o M od o de fa lh a Efeito (sev er id ade) Ca us as Oc orrê n ci a Co ntrol e de prev en çã o atu al Co ntrol e de detec çã o atu al D ete cç ão N PR A ções prop ost as Posicionar bite no marco zero da peça Definir o ponto de início da usinagem Definição errada o ponto de início de usinagem Diâmetro final maior que o desejado (4) Bite desgastado 7 Inexistente Inspeção Visual 6 168 Treinamento do operador Falta de conhecimento do operador 6 Acompanhamento do técnico habilitado 9 216 Treinamento do operador Desleixo ou
pressa 6 Inexistente 9 216 Treinamento do operador
Ruído
excessivo 6 Inexistente 8 192
Fiscalização frequente do uso de abafadores
Calor excessivo 5 Inexistente 8 160 Uso de ventiladores no ambiente de trabalho Iluminação
deficitária 3
Lâmpada acoplada
ao torno 8 96
Substituição periódica das lâmpadas Diâmetro final menor que o desejado (8) Bite desgastado 7 Inexistente Inspeção Visual ou instrumen tos de medição 6 336 Treinamento do operador Falta de conhecimento do operador 6 Acompanhamento do técnico habilitado 9 432 Treinamento do operador Desleixo ou
pressa 6 Inexistente 9 432 Treinamento do operador
Ruído
excessivo 6 Inexistente 8 384
Fiscalização frequente do uso de abafadores Calor excessivo
5 Inexistente 8 320 Uso de ventiladores no ambiente de trabalho Iluminação
deficitária 3
Lâmpada acoplada
ao torno 8 192
Substituição periódica das lâmpadas Avançar o carro transversal até a profundidade de corte desejada a partir do marco zero Definir a profundidade de corte Profundi-dade de corte incorreta Diâmetro final maior que o desejado (4) Bite desgastado 7 Inexistente Inspeção Visual ou instrumen tos de medição 6 168 Treinamento do operador Equipamento descalibrado 5 Inexistente 6 120 Calibração constante do equipamento. Manutenção periódica do torno. Falta de conhecimento do operador 6 Acompanhamento do técnico habilitado 9 216 Treinamento do operador Desleixo ou
pressa 6 Inexistente 9 216 Treinamento do operador
Cálculo errado da velocidade de corte 2 Uso de velocidades baixas 6 48 Treinamento do operador. Sistema de verificação de erros de cálculos de velocidade Iluminação
deficitária 3 Lâmpada acoplada ao torno 8 96
Substituição periódica das lâmpadas Diâmetro final menor que o desejado (8) Bite desgastado 7 Inexistente Inspeção Visual ou instrumen tos de medição 6 336 Treinamento do operador Equipamento descalibrado 5 Inexistente 6 240 Calibração constante do equipamento. Manutenção periódica do torno. Falta de conhecimento do operador 6 Acompanhamento do técnico habilitado 9 432 Treinamento do operador Desleixo ou
pressa 6 Inexistente 9 432 Treinamento do operador
Cálculo errado da velocidade de corte 2 Uso de velocidades baixas 6 96 Treinamento do operador. Sistema de verificação de erros de cálculos de velocidade Iluminação deficitária 3 Lâmpada acoplada ao torno 8 192
Substituição periódica das lâmpadas QUADRO 5. Excerto da tabela-resumo da FMEA desenvolvida. Fonte: Elaborada pelo autor.
Analisando o Quadro 5, é possível perceber que o mais valor de NPR apresentado é 432. Assim, afirma-se que as causas mais críticas entre as duas etapas avaliadas na tabela são a falta de conhecimento e a pressa e desleixo do operador do torno, gerando como efeito eixo com diâmetro menor que o desejado e que, portanto, será descartado. Além disso, é possível verificar que entre algumas ações das propostas para reduzir o NPR estão a programação de treinamentos para os operadores, a manutenção periódica do torno, a substituição periódica das lâmpadas, entre outros.
O maior NPR verificado entre todas as etapas do processo foi 540, para a causa “desleixo ou pressa do operador”, gerando o efeito de acidente na operação na máquina (severidade 10). Nesse caso, além do treinamento dos operadores, foi proposta a execução de programas de conscientização dos riscos da atividade de torneamento para tentar reduzir a ocorrência de tal causa. Naturalmente, as ações propostas observadas no Quadro 5 não são as únicas possíveis; na verdade, deve haver um constante brainstorm entre os funcionários de uma organização acerca de novas propostas e recomendações de ações que reduzam a possibilidade de falhas.
4. CONCLUSÕES
Este trabalho desenvolveu um FMEA do processo de usinagem em um torno convencional. As inúmeras etapas do processo foram devidamente identificadas. Cada modo de falha, suas causas e efeitos para o procedimento de desbaste de um eixo no torno foram avaliados, utilizando-se de Diagramas de Causa e Efeito. Como resultado, foram obtidos mecanismos de prevenção e detecção de falhas que atualmente funcionam no processo considerado, bem como os números de prioridade de risco (NPR) para cada causa, o que permitiu a identificação das causas mais críticas do processo (e os modos de falha a elas associadas). Em suma, a FMEA permitiu um verdadeiro mapeamento de cada etapa do processo e suas características e criticidade. Seguindo tal FMEA, pode-se chegar a uma redução da ocorrência de erros ou problemas durante a operação do torno. Ficou bastante evidente a complexidade que uma FMEA de processo pode atingir, já que é necessário levantar todas as possíveis causas e efeitos para todos os possíveis modos de falha, o que presume um amplo conhecimento acerca do processo. Naturalmente, a formação de uma equipe multidisciplinar para a elaboração dessa ferramenta se torna imprescindível dentro de uma empresa ou organização.
REFERÊNCIAS
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CARPINETTI, L. C. R. Gestão da Qualidade. 3ª Ed. Atlas. 258 p., 2016. ISBN-13: 978-8597003918. DOS SANTOS, W. F. M. Elaboração de um plano de manutenção para os munck das wire line móveis aplicando a metodologia da manutenção centrada em confiabilidade. Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Sergipe, 2015.
MCDERMOTT, R.; MIKULAK, R.; BEAUREGARD, M. The Basics of FMEA. 2ª Ed. Productivity Press, 90 p., 2008. ISBN-13: 978-1563273773.
MOBLEY, K.; HIGGINS, L; WIKOFF, R. Maintenance Engineering Handbook. 7ª Ed. McGraw-Hill, New York, 2008.
MOUBRAY, J. Manutenção Centrada em Confiabilidade. Trad. Kleber Siqueira. Aladon, São Paulo, 2000.
PALADY, P. FMEA: Prevendo e prevenindo problemas antes que ocorram. IMAM, 270 p., 2004. ISBN-13: 978-8589824316.
SIQUEIRA, Y. P. D. S. Manutenção centrada na confiabilidade: manual de implantação. 1ª Reimpressão. Qualitymark, Rio de Janeiro, 2009.
