Blanking: Proses Pemotongan Lembaran Logam Presisi dalam Fabrikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Blanking adalah proses pembentukan logam yang melibatkan pemotongan sebuah benda kerja datar untuk menciptakan bentuk atau kontur yang telah ditentukan menggunakan mekanisme die dan punch. Proses ini memisahkan bentuk yang diinginkan (blank) dari material sekitarnya (limbah) melalui gaya geser yang diterapkan tegak lurus terhadap permukaan material. Blanking merupakan salah satu operasi pemotongan logam lembaran yang mendasar dalam manufaktur.

Proses ini berfungsi sebagai langkah pertama yang kritis dalam berbagai urutan fabrikasi logam, terutama di industri yang memerlukan produksi komponen logam yang presisi dalam volume tinggi. Kualitas bagian yang dibentuk secara blanking secara langsung mempengaruhi proses hilir seperti pembentukan, penarikan, dan operasi perakitan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, blanking menempati posisi di persimpangan metalurgi mekanik dan proses manufaktur. Ini bergantung pada sifat geser logam dan perilaku deformasinya di bawah laju regangan tinggi, menjadikannya aplikasi praktis dari prinsip-prinsip plastisitas logam teoritis.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, blanking melibatkan deformasi plastis lokal diikuti oleh propagasi patahan melalui ketebalan material. Ketika punch bersentuhan dengan logam lembaran, ia menciptakan zona kompresi yang bertransisi menjadi deformasi geser saat punch menembus lebih dalam. Aksi geser ini menyebabkan dislokasi bergerak sepanjang bidang slip dalam struktur kristal.

Material mengalami empat fase yang berbeda selama blanking: deformasi elastis, deformasi plastis, inisiasi patahan, dan propagasi patahan. Patahan dimulai di tepi pemotongan punch dan die, menciptakan profil tepi yang terpotong dengan zona-zona yang berbeda.

Respon mikrostruktur bervariasi dengan sifat material, terutama ukuran butir, orientasi, dan distribusi. Material dengan butir halus biasanya menghasilkan tepi potongan yang lebih bersih, sementara struktur dengan butir kasar mungkin menunjukkan permukaan patahan yang lebih tidak teratur.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk blanking adalah teori lokalisasi pita geser, yang menggambarkan bagaimana deformasi terfokus dalam pita sempit selama proses dengan laju regangan tinggi. Model ini dikembangkan pada pertengahan abad ke-20 dan disempurnakan melalui analisis elemen hingga dalam beberapa dekade terakhir.

Secara historis, pemahaman tentang blanking berkembang dari pengamatan empiris menjadi model analitis. Pekerjaan awal oleh peneliti seperti Sachs dan Keller pada tahun 1940-an menetapkan hubungan antara sifat material dan gaya blanking. Kemudian, peneliti seperti Atkins mengembangkan model yang lebih canggih yang menggabungkan mekanika patahan.

Pendekatan modern mencakup model elemen hingga elastis-plastis yang mensimulasikan seluruh proses blanking, model plastisitas gradien regangan yang memperhitungkan efek ukuran, dan model plastisitas kristal yang menggabungkan mekanisme deformasi tingkat butir.

Dasar Ilmu Material

Perilaku blanking berkaitan langsung dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat badan (BCC) dan logam kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan karakteristik geser yang berbeda. Logam BCC seperti baja karbon rendah biasanya menunjukkan zona geser yang lebih jelas dibandingkan logam FCC seperti aluminium.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi proses blanking dengan bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Mereka dapat memperkuat material (efek Hall-Petch) atau berfungsi sebagai situs inisiasi patahan tergantung pada karakter dan distribusinya.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur blanking mencakup pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan mekanisme patahan duktile. Prinsip-prinsip ini menjelaskan mengapa material dengan mikrostruktur yang berbeda menunjukkan karakteristik blanking yang bervariasi meskipun memiliki komposisi kimia yang identik.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk menghitung gaya blanking adalah:

$$F = L \times t \times \tau_s$$

Di mana:
- $F$ = gaya blanking (N)
- $L$ = panjang perimeter blank (mm)
- $t$ = ketebalan material (mm)
- $\tau_s$ = kekuatan geser maksimum material (MPa)

Formula Perhitungan Terkait

Kekuatan geser maksimum dapat diperkirakan dari kekuatan tarik menggunakan:

$$\tau_s = 0.8 \times \sigma_{UTS}$$

Di mana:
- $\tau_s$ = kekuatan geser maksimum (MPa)
- $\sigma_{UTS}$ = kekuatan tarik maksimum (MPa)

Jarak antara punch dan die dapat dihitung sebagai:

$$c = k \times t \times \sqrt{\frac{\tau_s}{100}}$$

Di mana:
- $c$ = jarak per sisi (mm)
- $k$ = faktor material (biasanya 0.005-0.035)
- $t$ = ketebalan material (mm)
- $\tau_s$ = kekuatan geser maksimum (MPa)

Formula ini diterapkan dalam desain die, pemilihan press, dan optimasi parameter proses untuk operasi blanking industri.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan material yang homogen, isotropik dengan ketebalan yang seragam dan sifat mekanik yang konsisten. Mereka menjadi kurang akurat untuk material anisotropik atau yang memiliki variasi ketebalan yang signifikan.

Model memiliki kondisi batas terkait rasio ketebalan material terhadap diameter, dengan sebagian besar berlaku untuk rasio antara 0.3 dan 3.0. Di luar batas ini, faktor tambahan harus dipertimbangkan.

Perhitungan ini mengasumsikan kondisi suhu ruangan dan laju beban kuasi-statis. Untuk blanking kecepatan tinggi atau operasi suhu tinggi, sensitivitas laju regangan dan efek pelunakan termal harus dimasukkan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E643: Metode Uji Standar untuk Deformasi Punch Bola Material Lembaran Logam, mencakup evaluasi karakteristik blanking melalui pengujian punch yang disimulasikan.

ISO 12004: Material Logam - Lembaran dan Strip - Penentuan Kurva Batas Pembentukan, menyediakan metode untuk menilai kemampuan pembentukan material yang relevan dengan operasi blanking.

DIN 50606: Pengujian Material Logam - Uji Geser, merinci prosedur untuk mengukur sifat geser yang kritis untuk kinerja blanking.

JISZ2241: Metode Pengujian Geser untuk Material Logam, menetapkan standar Jepang untuk pengujian geser yang berlaku untuk evaluasi proses blanking.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan fixture geser khusus umumnya digunakan untuk mengukur sifat geser material. Mesin ini menerapkan perpindahan yang terkontrol sambil mengukur respons gaya.

Mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) digunakan untuk memeriksa kualitas tepi potongan dan mengukur zona-zona yang berbeda yang dibuat selama blanking. Teknik ini beroperasi berdasarkan prinsip refleksi cahaya dan interaksi elektron dengan permukaan.

Kamera kecepatan tinggi yang dipasangkan dengan sistem korelasi citra digital memungkinkan pengamatan waktu nyata dari proses deformasi dan patahan selama blanking, berdasarkan prinsip pelacakan pola permukaan selama deformasi.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya mencakup sampel lembaran persegi panjang dengan dimensi 100mm × 100mm, meskipun ukuran bervariasi berdasarkan metode pengujian spesifik dan ketebalan material.

Persyaratan persiapan permukaan mencakup penghilangan minyak, penghilangan lapisan skala atau oksida, dan kadang-kadang penghalusan untuk memastikan kondisi kontak yang konsisten antara material dan alat.

Spesimen harus bebas dari cacat tepi, memiliki ketebalan yang seragam (biasanya toleransi ±2%), dan mewakili material produksi aktual dalam hal komposisi, mikrostruktur, dan riway