Broaching: Proses Pemotongan Logam Presisi untuk Profil Baja Kompleks

Definisi dan Konsep Dasar

Broaching adalah proses pemesinan presisi yang menggunakan alat potong khusus (broach) dengan beberapa gigi yang ukurannya meningkat secara bertahap untuk menghilangkan material dalam satu lintasan linier. Teknik manufaktur ini menghasilkan permukaan internal atau eksternal yang akurat dengan akurasi dimensi dan penyelesaian permukaan yang sangat baik.

Broaching berdiri sebagai proses penghilangan logam yang kritis dalam industri baja, terutama dihargai karena kemampuannya untuk menciptakan bentuk kompleks dengan presisi tinggi yang sulit atau tidak mungkin dicapai dengan metode pemesinan lainnya. Proses ini sangat penting untuk lingkungan produksi massal di mana kualitas yang konsisten dan tingkat produksi yang tinggi diperlukan.

Dalam bidang metalurgi dan manufaktur yang lebih luas, broaching mewakili persimpangan antara prinsip ilmu material dan rekayasa presisi. Proses ini memanfaatkan sifat mekanik baja sambil secara bersamaan menguji batas machinability-nya, menjadikannya aplikasi yang canggih dari pengetahuan metalurgi dalam praktik industri.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, broaching melibatkan deformasi plastis yang terkontrol dan pemotongan material benda kerja. Proses ini menciptakan konsentrasi stres lokal di tepi pemotongan yang melebihi kekuatan luluh material, menghasilkan pembentukan chip.

Setiap gigi dari broach berinteraksi dengan material benda kerja, menyebabkan dislokasi bergerak sepanjang bidang slip dalam struktur kristal. Dislokasi ini terakumulasi dan berinteraksi, yang mengarah pada pengerasan kerja di lapisan permukaan yang diproses dari baja.

Mekanisme pembentukan chip selama broaching melibatkan interaksi kompleks antara alat dan benda kerja, termasuk zona deformasi elastis dan plastis, bidang geser, dan fenomena tepi yang terbentuk yang secara langsung mempengaruhi integritas permukaan akhir dari komponen yang diproses.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk broaching didasarkan pada mekanika pemotongan ortogonal, di mana penghilangan material terjadi melalui deformasi geser sepanjang bidang geser utama. Model ini awalnya dikembangkan oleh Merchant pada tahun 1940-an dan kemudian disempurnakan untuk alat potong multi-gigi.

Pemahaman sejarah tentang broaching berkembang dari pengetahuan empiris di lapangan menjadi analisis ilmiah selama pertengahan abad ke-20, ketika para peneliti mulai menerapkan teori pemotongan logam untuk menjelaskan pembentukan chip dan gaya pemotongan dalam operasi broaching.

Teori broaching modern menggabungkan baik model pemotongan ortogonal tradisional maupun pendekatan analisis elemen hingga (FEA) yang lebih canggih. Yang terakhir memperhitungkan keadaan stres kompleks, efek termal, dan perilaku material yang tidak dapat sepenuhnya ditangkap oleh model ortogonal sederhana, terutama untuk baja berkekuatan tinggi yang canggih.

Dasar Ilmu Material

Kinerja broaching secara langsung berkaitan dengan struktur kristal dari baja yang diproses. Struktur kubik berpusat tubuh (BCC) dalam baja feritik berperilaku berbeda di bawah gaya broaching dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) dalam baja austenitik, mempengaruhi pembentukan chip dan keausan alat.

Batas butir memainkan peran penting dalam operasi broaching karena dapat bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Struktur butir yang lebih halus umumnya menghasilkan penyelesaian permukaan yang lebih baik selama broaching, sementara butir kasar dapat menyebabkan karakteristik pemesinan yang tidak konsisten.

Prinsip dasar ilmu material dari pengerasan regangan secara signifikan mempengaruhi operasi broaching. Ketika setiap gigi berturut-turut menghilangkan material, permukaan benda kerja yang tersisa mengalami pengerasan kerja, yang meningkatkan gaya pemotongan untuk gigi berikutnya dan mempengaruhi sifat mekanik akhir dari permukaan yang diproses.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Gaya pemotongan dasar dalam broaching dapat dinyatakan sebagai:

$$F_c = k_s \cdot A_c$$

Di mana $F_c$ adalah gaya pemotongan (N), $k_s$ adalah gaya pemotongan spesifik (N/mm²) yang bergantung pada sifat material, dan $A_c$ adalah luas penampang chip (mm²).

Formula Perhitungan Terkait

Luas penampang chip per gigi dapat dihitung sebagai:

$$A_c = p \cdot w$$

Di mana $p$ adalah pitch (kenaikan per gigi dalam mm) dan $w$ adalah lebar potongan (mm).

Gaya broaching total dapat diperkirakan menggunakan:

$$F_{total} = F_c \cdot n_e$$

Di mana $n_e$ adalah jumlah gigi yang terlibat secara bersamaan dengan benda kerja.

Persyaratan daya untuk broaching dapat dihitung sebagai:

$$P = \frac{F_c \cdot v}{60,000} \text{ (kW)}$$

Di mana $v$ adalah kecepatan pemotongan dalam m/menit.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh benda kerja dan kondisi pemotongan yang konstan, yang mungkin tidak berlaku untuk material heterogen atau ketika efek termal menjadi signifikan.

Model memiliki batasan ketika diterapkan pada material yang mengalami pengerasan kerja di mana gaya pemotongan spesifik ($k_s$) meningkat secara bertahap selama pemotongan, memerlukan faktor penyesuaian untuk prediksi yang akurat.

Perhitungan ini mengasumsikan tepi pemotongan yang tajam; keausan alat secara bertahap membatalkan asumsi dasar, memerlukan faktor kompensasi untuk lingkungan produksi di mana kondisi alat berubah seiring waktu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM B962: Metode Uji Standar untuk Kepadatan Produk Metalurgi Bubuk yang Dipadatkan atau Disinter menggunakan Prinsip Archimedes - digunakan untuk mengevaluasi komponen PM yang dibroaching.

ISO 6104: Broaching - Kosakata - menyediakan terminologi standar untuk operasi broaching dan spesifikasi peralatan.

DIN 1415: Broaches - Spesifikasi teknis untuk alat broaching, termasuk toleransi dimensi dan persyaratan material.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer umumnya digunakan untuk mengukur gaya pemotongan selama operasi broaching. Instrumen ini biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mengubah gaya mekanik menjadi sinyal listrik untuk analisis.

Profilometer permukaan mengukur kekasaran permukaan komponen yang dibroaching, beroperasi berdasarkan prinsip perpindahan stylus di atas permukaan yang diproses untuk mengkuantifikasi fitur topografi.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) untuk memeriksa mikrostruktur permukaan yang dibroaching, mengungkapkan efek pengerasan kerja, mikroretakan, atau fitur integritas permukaan lainnya yang tidak terlihat melalui metode inspeksi konvensional.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar untuk evaluasi kinerja broaching biasanya memerlukan geometri datar atau silindris dengan dimensi yang sesuai untuk kapasitas mesin broaching, biasanya berkisar antara 25-300mm dalam panjang.

Persiapan permukaan sebelum pengujian broaching umumnya memerlukan penghilangan material yang seragam dengan penggilingan atau pemotongan untuk memastikan kondisi awal yang konsisten dan menghilangkan ketidakteraturan permukaan yang dapat mempengaruhi hasil uji.

Spesimen harus memiliki kekerasan dan mikrostruktur yang konsisten di seluruh bagian uji untuk memastikan pengumpulan data yang dapat diandalkan, sering kali memerlukan protokol perlakuan panas khusus sebelum pengujian.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) kecuali secara khusus mengevaluasi efek suhu pada kinerja broaching.

Kecepatan broaching untuk pengujian berkisar antara 3-30 m/menit tergantung pada material yang diuji, dengan kecepatan lebih rendah digunakan untuk baja berkekuatan tinggi dan kecepatan lebih tinggi untuk kelas yang lebih mudah diproses.

Aplikasi cairan pemotongan harus distandarisasi selama pengujian, dengan konsentrasi, laju aliran, dan metode aplikasi