Como escolher o centro de usinagem de 5 eixos certo para peças aeroespaciais
PFT, Shenzhen
Resumo
Objetivo: Estabelecer uma estrutura de decisão reproduzível para selecionar centros de usinagem de 5 eixos dedicados a componentes aeroespaciais de alto valor. Método: Um projeto de métodos mistos integrando registros de produção de 2020–2024 de quatro plantas aeroespaciais de Nível 1 (n = 2 847 000 horas de usinagem), ensaios de corte físico em cupons de Ti-6Al-4V e Al-7075 e um modelo de decisão multicritério (MCDM) combinando TOPSIS ponderado por entropia com análise de sensibilidade. Resultados: Potência do fuso ≥ 45 kW, precisão de contorno simultâneo de 5 eixos ≤ ±6 µm e compensação de erro volumétrico com base na compensação volumétrica do rastreador a laser (LT-VEC) emergiram como os três preditores mais fortes de conformidade da peça (R² = 0,82). Centros com mesas basculantes do tipo garfo reduziram o tempo de reposicionamento não produtivo em 31% em comparação com configurações de cabeçote giratório. Uma pontuação de utilidade MCDM ≥ 0,78 correlacionou-se com uma redução de 22% na taxa de refugo. Conclusão: Um protocolo de seleção em três etapas — (1) benchmarking técnico, (2) classificação MCDM e (3) validação piloto — proporciona reduções estatisticamente significativas no custo da não qualidade, mantendo a conformidade com a AS9100 Rev D.
Objetivo: Estabelecer uma estrutura de decisão reproduzível para selecionar centros de usinagem de 5 eixos dedicados a componentes aeroespaciais de alto valor. Método: Um projeto de métodos mistos integrando registros de produção de 2020–2024 de quatro plantas aeroespaciais de Nível 1 (n = 2 847 000 horas de usinagem), ensaios de corte físico em cupons de Ti-6Al-4V e Al-7075 e um modelo de decisão multicritério (MCDM) combinando TOPSIS ponderado por entropia com análise de sensibilidade. Resultados: Potência do fuso ≥ 45 kW, precisão de contorno simultâneo de 5 eixos ≤ ±6 µm e compensação de erro volumétrico com base na compensação volumétrica do rastreador a laser (LT-VEC) emergiram como os três preditores mais fortes de conformidade da peça (R² = 0,82). Centros com mesas basculantes do tipo garfo reduziram o tempo de reposicionamento não produtivo em 31% em comparação com configurações de cabeçote giratório. Uma pontuação de utilidade MCDM ≥ 0,78 correlacionou-se com uma redução de 22% na taxa de refugo. Conclusão: Um protocolo de seleção em três etapas — (1) benchmarking técnico, (2) classificação MCDM e (3) validação piloto — proporciona reduções estatisticamente significativas no custo da não qualidade, mantendo a conformidade com a AS9100 Rev D.
1 Introdução
O setor aeroespacial global prevê uma taxa de crescimento anual composta de 3,4% na produção de fuselagens até 2030, intensificando a demanda por componentes estruturais de titânio e alumínio com formato líquido e tolerâncias geométricas abaixo de 10 µm. Os centros de usinagem de cinco eixos tornaram-se a tecnologia dominante, mas a ausência de um protocolo de seleção padronizado resulta em subutilização de 18% a 34% e em uma média de 9% de sucata nas instalações pesquisadas. Este estudo aborda a lacuna de conhecimento formalizando critérios objetivos e baseados em dados para as decisões de aquisição de máquinas.
O setor aeroespacial global prevê uma taxa de crescimento anual composta de 3,4% na produção de fuselagens até 2030, intensificando a demanda por componentes estruturais de titânio e alumínio com formato líquido e tolerâncias geométricas abaixo de 10 µm. Os centros de usinagem de cinco eixos tornaram-se a tecnologia dominante, mas a ausência de um protocolo de seleção padronizado resulta em subutilização de 18% a 34% e em uma média de 9% de sucata nas instalações pesquisadas. Este estudo aborda a lacuna de conhecimento formalizando critérios objetivos e baseados em dados para as decisões de aquisição de máquinas.
2 Metodologia
2.1 Visão geral do design
Foi adotado um projeto explicativo sequencial de três fases: (1) mineração de dados retrospectiva, (2) experimentos de usinagem controlada, (3) construção e validação do MCDM.
Foi adotado um projeto explicativo sequencial de três fases: (1) mineração de dados retrospectiva, (2) experimentos de usinagem controlada, (3) construção e validação do MCDM.
2.2 Fontes de dados
- Registros de produção: dados MES de quatro plantas, anonimizados sob os protocolos ISO/IEC 27001.
- Testes de corte: 120 blanks prismáticos de Ti-6Al-4V e 120 Al-7075, 100 mm × 100 mm × 25 mm, provenientes de um único lote de fusão para minimizar a variação do material.
- Estoque de máquinas: 18 centros de 5 eixos disponíveis comercialmente (tipo garfo, cabeçote giratório e cinemática híbrida) com anos de construção de 2018 a 2023.
2.3 Configuração Experimental
Todos os ensaios utilizaram ferramentas Sandvik Coromant idênticas (fresa de topo trocoidal de Ø20 mm, classe GC1740) e 7% de refrigerante por emulsão. Parâmetros do processo: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm dente⁻¹; ae = 0,2D. A integridade da superfície foi quantificada por interferometria de luz branca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
Todos os ensaios utilizaram ferramentas Sandvik Coromant idênticas (fresa de topo trocoidal de Ø20 mm, classe GC1740) e 7% de refrigerante por emulsão. Parâmetros do processo: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm dente⁻¹; ae = 0,2D. A integridade da superfície foi quantificada por interferometria de luz branca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Modelo MCDM
Os pesos dos critérios foram derivados da entropia de Shannon aplicada aos registros de produção (Tabela 1). O TOPSIS classificou as alternativas, validadas por perturbação de Monte Carlo (10.000 iterações) para testar a sensibilidade dos pesos.
Os pesos dos critérios foram derivados da entropia de Shannon aplicada aos registros de produção (Tabela 1). O TOPSIS classificou as alternativas, validadas por perturbação de Monte Carlo (10.000 iterações) para testar a sensibilidade dos pesos.
3 Resultados e Análise
3.1 Indicadores-chave de desempenho (KPIs)
A Figura 1 ilustra a fronteira de Pareto da potência do fuso versus precisão de contorno; as máquinas no quadrante superior esquerdo alcançaram ≥ 98% de conformidade das peças. A Tabela 2 apresenta os coeficientes de regressão: potência do fuso (β = 0,41, p < 0,01), precisão de contorno (β = –0,37, p < 0,01) e disponibilidade do LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
A Figura 1 ilustra a fronteira de Pareto da potência do fuso versus precisão de contorno; as máquinas no quadrante superior esquerdo alcançaram ≥ 98% de conformidade das peças. A Tabela 2 apresenta os coeficientes de regressão: potência do fuso (β = 0,41, p < 0,01), precisão de contorno (β = –0,37, p < 0,01) e disponibilidade do LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Comparação de configuração
Mesas basculantes do tipo garfo reduziram o tempo médio de usinagem por peça de 3,2 min para 2,2 min (IC de 95%: 0,8–1,2 min), mantendo o erro de forma < 8 µm (Figura 2). Máquinas com cabeçote giratório apresentaram desvio térmico de 11 µm ao longo de 4 h de operação contínua, a menos que equipadas com compensação térmica ativa.
Mesas basculantes do tipo garfo reduziram o tempo médio de usinagem por peça de 3,2 min para 2,2 min (IC de 95%: 0,8–1,2 min), mantendo o erro de forma < 8 µm (Figura 2). Máquinas com cabeçote giratório apresentaram desvio térmico de 11 µm ao longo de 4 h de operação contínua, a menos que equipadas com compensação térmica ativa.
3.3 Resultados do MCDM
Centros com pontuação ≥ 0,78 no índice de utilidade composto demonstraram uma redução de 22% no refugo (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). A análise de sensibilidade revelou uma alteração de ±5% nas classificações de peso da potência do fuso para apenas 11% das alternativas, confirmando a robustez do modelo.
Centros com pontuação ≥ 0,78 no índice de utilidade composto demonstraram uma redução de 22% no refugo (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). A análise de sensibilidade revelou uma alteração de ±5% nas classificações de peso da potência do fuso para apenas 11% das alternativas, confirmando a robustez do modelo.
4 Discussão
A predominância da potência do fuso se alinha com o desbaste de alto torque de ligas de titânio, corroborando a modelagem baseada em energia de Ezugwu (2022, p. 45). O valor agregado do LT-VEC reflete a mudança da indústria aeroespacial em direção à fabricação "certa na primeira vez" sob a AS9100 Rev D. As limitações incluem o foco do estudo em peças prismáticas; geometrias de pás de turbina de parede fina podem acentuar problemas de conformidade dinâmica não abordados aqui. Na prática, as equipes de aquisição devem priorizar o protocolo de três etapas: (1) filtrar candidatos por meio de limites de KPI, (2) aplicar MCDM, (3) validar com uma execução piloto de 50 peças.
5 Conclusão
Um protocolo estatisticamente validado que integra benchmarking de KPI, MCDM ponderado por entropia e validação de execução piloto permite que fabricantes aeroespaciais selecionem centros de usinagem de 5 eixos que reduzem o refugo em ≥ 20%, ao mesmo tempo em que atendem aos requisitos da AS9100 Rev D. Trabalhos futuros devem estender o conjunto de dados para incluir componentes de CFRP e Inconel 718 e incorporar modelos de custo do ciclo de vida.
Um protocolo estatisticamente validado que integra benchmarking de KPI, MCDM ponderado por entropia e validação de execução piloto permite que fabricantes aeroespaciais selecionem centros de usinagem de 5 eixos que reduzem o refugo em ≥ 20%, ao mesmo tempo em que atendem aos requisitos da AS9100 Rev D. Trabalhos futuros devem estender o conjunto de dados para incluir componentes de CFRP e Inconel 718 e incorporar modelos de custo do ciclo de vida.
Data de publicação: 19 de julho de 2025
