Penggilingan Batang: Proses Pemesinan Presisi untuk Fabrikasi Komponen Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Penggilingan batang adalah proses pemesinan di mana alat pemotong menghilangkan material dari benda kerja silindris yang berputar untuk membuat bagian dengan fitur silindris utama. Proses penghilangan logam ini sangat mendasar untuk produksi komponen presisi di industri baja, memungkinkan pembuatan bagian dengan dimensi yang akurat, permukaan halus, dan fitur geometris yang kompleks.

Penggilingan batang merupakan salah satu metode manufaktur yang paling banyak digunakan dalam pengerjaan logam, berfungsi sebagai dasar untuk memproduksi poros, pin, baut, dan berbagai komponen silindris lainnya yang penting untuk aplikasi industri. Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penggilingan batang berada di persimpangan ilmu material dan teknologi manufaktur, di mana kemampuan mesin baja secara langsung mempengaruhi efisiensi produksi, umur alat, dan kualitas komponen akhir.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penggilingan batang melibatkan deformasi plastis dan mekanisme patah saat alat pemotong berinteraksi dengan benda kerja baja. Proses ini menciptakan zona geser di depan tepi pemotong di mana deformasi lokal yang intens terjadi, menyebabkan material mengalir secara plastis di sepanjang bidang geser sebelum terpisah sebagai chip.

Proses deformasi ini dipengaruhi oleh struktur kristal baja, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat muka (FCC) menunjukkan respons yang berbeda terhadap gaya pemotongan. Pergerakan dislokasi dalam kisi kristal, terutama di batas butir, menentukan bagaimana material melunak dan terpisah selama operasi penggilingan.

Model Teoretis

Model gaya lingkaran Merchant mewakili kerangka teoretis utama untuk memahami mekanika penggilingan batang. Model ini, yang dikembangkan oleh Eugene Merchant pada tahun 1940-an, menyediakan analisis pemotongan ortogonal dua dimensi yang menghubungkan gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material.

Pemahaman sejarah tentang proses penggilingan berkembang dari pengetahuan empiris di lapangan menjadi analisis ilmiah yang dimulai dengan penelitian Time pada akhir abad ke-19. Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) yang dapat mensimulasikan proses pemotongan tiga dimensi yang kompleks, memperhitungkan efek termal dan perilaku material di bawah laju regangan tinggi.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk teori bidang slip-line untuk deformasi plastis dan model material Johnson-Cook yang memperhitungkan sensitivitas laju regangan dan pelunakan termal selama operasi penggilingan kecepatan tinggi.

Dasar Ilmu Material

Kinerja penggilingan batang secara langsung berkaitan dengan struktur kristal baja, dengan ukuran butir dan orientasi yang secara signifikan mempengaruhi gaya pemotongan dan kualitas permukaan akhir. Baja dengan butir halus biasanya menghasilkan permukaan yang lebih baik tetapi dapat meningkatkan keausan alat karena kekerasan yang lebih tinggi.

Mikrostruktur baja—apakah ferritik, pearlitik, martensitik, atau austenitik—secara dramatis mempengaruhi kemudahan pemesinan selama operasi penggilingan. Misalnya, baja pemotongan bebas mengandung aditif seperti sulfur yang membentuk inklusi mangan sulfida, yang bertindak sebagai konsentrator stres untuk mempromosikan pemecahan chip.

Prinsip dasar ilmu material dari pengerasan regangan memainkan peran penting dalam penggilingan batang, karena deformasi plastis yang parah di depan tepi pemotong meningkatkan kekerasan material, yang dapat mempengaruhi potongan berikutnya dan integritas permukaan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kecepatan penghilangan material (MRR) dalam penggilingan batang didefinisikan oleh:

$$MRR = \pi \times D \times f \times v_c$$

Di mana:
- $D$ adalah diameter benda kerja (mm)
- $f$ adalah laju umpan (mm/rev)
- $v_c$ adalah kecepatan pemotongan (m/menit)

Formula Perhitungan Terkait

Gaya pemotongan dalam penggilingan dapat diperkirakan menggunakan:

$$F_c = k_c \times A_c$$

Di mana:
- $F_c$ adalah gaya pemotongan (N)
- $k_c$ adalah gaya pemotongan spesifik (N/mm²)
- $A_c$ adalah luas penampang chip (mm²), dihitung sebagai $A_c = f \times a_p$
- $a_p$ adalah kedalaman potong (mm)

Kekasaran permukaan dapat diprediksi secara teoretis dengan:

$$R_a = \frac{f^2}{32 \times r_\varepsilon}$$

Di mana:
- $R_a$ adalah kekasaran rata-rata aritmetika (μm)
- $f$ adalah laju umpan (mm/rev)
- $r_\varepsilon$ adalah jari-jari hidung alat (mm)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi pemotongan keadaan tetap tanpa keausan alat atau getaran yang signifikan. Mereka paling akurat untuk operasi penggilingan kontinu dengan pengaturan yang kaku dan material benda kerja yang homogen.

Formula kekasaran permukaan terbatas pada kondisi geometris ideal dan tidak memperhitungkan aliran samping material, pembentukan tepi yang terbentuk, atau getaran mesin. Pada laju umpan yang sangat rendah, kekasaran aktual dapat menyimpang secara signifikan dari prediksi teoretis.

Model ini mengasumsikan kondisi pemotongan ortogonal dan mungkin memerlukan modifikasi untuk skenario pemotongan miring atau saat menggergaji baja paduan yang sulit diproses di mana efek termal menjadi dominan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E3 mencakup persiapan standar spesimen metalografi, yang penting untuk memeriksa mikrostruktur setelah operasi penggilingan.

ISO 3685 menetapkan pengujian umur alat untuk alat pemotong titik tunggal, menyediakan metode standar untuk mengevaluasi kinerja alat selama penggilingan batang.

ASTM B946 merinci metode untuk menentukan kemudahan pemesinan material, termasuk prosedur yang relevan untuk operasi penggilingan batang.

ISO 4287/4288 menstandarkan parameter dan prosedur pengukuran kekasaran permukaan, yang penting untuk mengevaluasi kualitas permukaan yang diputar.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer umumnya digunakan untuk mengukur gaya pemotongan selama operasi penggilingan, biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi gaya dalam tiga arah ortogonal.

Penguji kekasaran permukaan menggunakan profilometri stylus, di mana stylus yang dilengkapi dengan intan melintasi permukaan yang diputar untuk membuat profil tinggi yang kemudian diproses untuk menghitung parameter kekasaran.

Peralatan canggih termasuk kamera kecepatan tinggi untuk analisis pembentukan chip dan sistem termografi inframerah untuk mengukur distribusi suhu di zona pemotongan.

Persyaratan Sampel

Batang uji standar untuk pengujian kemudahan pemesinan biasanya berkisar dari 25mm hingga 100mm dalam diameter, dengan panjang yang cukup untuk memastikan kondisi pemotongan yang stabil (biasanya 3-5 kali diameter).

Persyaratan persiapan permukaan termasuk pembersihan dengan pelarut yang sesuai untuk menghilangkan residu pendingin dan kontaminan sebelum pengukuran, tanpa mengubah karakteristik permukaan yang diputar.

Spesimen metalografi memerlukan pemotongan yang hati-hati tegak lurus terhadap permukaan yang diputar, diikuti dengan pemasangan, penggilingan, pemolesan, dan penggoresan untuk mengungkap mikrostruktur yang terpengaruh.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) dengan kelembapan terkontrol untuk memastikan hasil yang konsisten, meskipun pengujian khusus dapat mengevaluasi kinerja pada suhu tinggi.

Kecepatan pemotongan untuk pengujian berkisar dari 60-300 m/menit untuk baja karbon, dengan laju umpan antara 0.05-0.5 mm/rev dan kedalaman potong dari 0.5-5 mm, tergantung pada tujuan peng