Kecepatan Pemotongan: Mengoptimalkan Tingkat Penghilangan Logam dalam Pemesinan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kecepatan pemotongan mengacu pada laju di mana tepi pemotong alat bergerak relatif terhadap benda kerja dalam arah gerakan pemotongan. Ini biasanya diukur dalam meter per menit (m/menit) atau kaki permukaan per menit (sfpm). Parameter ini mewakili kecepatan di mana material dihilangkan dari permukaan benda kerja.

Kecepatan pemotongan adalah parameter dasar dalam operasi pemesinan yang secara langsung mempengaruhi umur alat, kualitas hasil akhir permukaan, dan produktivitas secara keseluruhan. Ini menentukan laju penghilangan material dan berdampak signifikan pada ekonomi proses manufaktur.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, kecepatan pemotongan mewakili antarmuka antara sifat material dan proses manufaktur. Ini menghubungkan karakteristik intrinsik baja (kekerasan, mikrostruktur, konduktivitas termal) dengan aspek praktis dari mengubah bahan mentah menjadi produk jadi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikroskopis, kecepatan pemotongan mempengaruhi mekanisme deformasi yang terjadi di antarmuka alat-benda kerja. Kecepatan pemotongan yang lebih tinggi meningkatkan laju regangan di zona geser, mempengaruhi bagaimana material mengalir di sekitar tepi pemotong.

Proses fisik melibatkan deformasi plastis lokal, di mana material benda kerja mengalami laju regangan ekstrem (10³-10⁶ s⁻¹) dan suhu. Ini menciptakan kondisi di mana perilaku material normal diubah, dengan pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi secara bersamaan dengan deformasi.

Tepi pemotong mengalami interaksi tribologis yang kompleks termasuk adhesi, abrasi, dan mekanisme difusi yang secara langsung dipengaruhi oleh kecepatan relatif antara alat dan benda kerja.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan efek kecepatan pemotongan adalah Persamaan Umur Alat Taylor, yang dikembangkan oleh F.W. Taylor pada tahun 1907. Karya perintis ini menetapkan hubungan invers antara kecepatan pemotongan dan umur alat.

Pemahaman tentang kecepatan pemotongan berkembang dari pengamatan empiris menjadi model analitis yang menggabungkan termodinamika dan ilmu material. Teori pemesinan awal memperlakukan proses ini sebagai murni mekanis, sementara pendekatan modern menggabungkan efek termal dan pertimbangan mikrostruktur.

Pendekatan teoretis saat ini termasuk pemodelan elemen hingga (FEM), yang mensimulasikan proses pemotongan dengan mempertimbangkan perilaku konstitutif material, sementara simulasi dinamika molekuler memeriksa interaksi tingkat atom pada kecepatan pemotongan ekstrem.

Dasar Ilmu Material

Kecepatan pemotongan secara langsung berinteraksi dengan struktur kristal baja, karena kecepatan yang lebih tinggi menciptakan distorsi kisi yang lebih besar dan pergerakan dislokasi. Laju pembangkitan dan pergerakan dislokasi sebanding dengan kecepatan pemotongan.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi kecepatan pemotongan optimal. Material dengan struktur butir yang halus dan seragam umumnya memungkinkan kecepatan pemotongan yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang memiliki mikrostruktur kasar atau heterogen.

Prinsip dasar ilmu material seperti pengerasan regangan, pelunakan termal, dan transformasi fase semuanya diaktifkan selama operasi pemotongan, dengan dominasi relatif mereka ditentukan oleh kecepatan pemotongan yang dipilih.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk kecepatan pemotongan ($V_c$) dalam operasi pembubutan adalah:

$$V_c = \frac{\pi \times D \times N}{1000}$$

Di mana:
- $V_c$ adalah kecepatan pemotongan dalam meter per menit (m/menit)
- $D$ adalah diameter benda kerja dalam milimeter (mm)
- $N$ adalah kecepatan spindle dalam putaran per menit (rpm)

Formula Perhitungan Terkait

Untuk operasi freis, rumus kecepatan pemotongan menjadi:

$$V_c = \frac{\pi \times D_c \times N}{1000}$$

Di mana $D_c$ adalah diameter pemotong dalam milimeter.

Hubungan antara kecepatan pemotongan dan umur alat dinyatakan oleh persamaan umur alat Taylor:

$$V_c \times T^n = C$$

Di mana:
- $T$ adalah umur alat dalam menit
- $n$ adalah konstanta yang bergantung pada material alat (biasanya 0.1-0.2 untuk alat karbida)
- $C$ adalah konstanta yang ditentukan oleh material benda kerja dan alat

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang seragam dan kondisi pemotongan keadaan mantap. Mereka menjadi kurang akurat saat memproses material heterogen atau selama pemotongan terputus.

Persamaan Taylor memiliki batasan pada kecepatan pemotongan yang sangat tinggi atau rendah di mana mekanisme keausan yang berbeda mendominasi. Ini juga tidak memperhitungkan pembentukan tepi yang terbentuk pada kecepatan rendah atau pelunakan termal pada kecepatan tinggi.

Model-model ini mengasumsikan kedalaman potong dan laju umpan yang konstan. Variasi signifikan dalam parameter ini memerlukan model yang lebih kompleks yang memperhitungkan saling ketergantungan mereka dengan kecepatan pemotongan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ISO 3685: Pengujian umur alat dengan alat pembubutan titik tunggal - Menetapkan prosedur standar untuk menentukan hubungan antara kecepatan pemotongan dan umur alat.

ASTM E3125: Metode Uji Standar untuk Mengevaluasi Efektivitas Cairan Pemotongan - Termasuk protokol untuk menilai efek kecepatan pemotongan dengan berbagai pendingin.

ISO 8688: Pengujian umur alat dalam freis - Menyediakan metode standar untuk mengevaluasi efek kecepatan pemotongan dalam operasi pemotongan multi-titik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer mengukur gaya pemotongan selama pemesinan, memungkinkan peneliti untuk menghubungkan kecepatan pemotongan dengan kebutuhan energi mekanis. Instrumen ini biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi gaya dalam tiga dimensi.

Kamera pencitraan termal dan termokopel yang tertanam mengukur distribusi suhu di zona pemotongan, memberikan data penting tentang bagaimana kecepatan pemotongan mempengaruhi beban termal.

Kamera berkecepatan tinggi dengan laju bingkai melebihi 10.000 fps memungkinkan pengamatan langsung terhadap mekanisme pembentukan chip pada berbagai kecepatan pemotongan.

Persyaratan Sampel

Material benda kerja harus memiliki sifat yang seragam di seluruh volume uji, dengan dimensi standar yang sesuai untuk mesin alat yang digunakan.

Persiapan permukaan biasanya memerlukan penghilangan skala, lapisan oksida, atau cacat permukaan yang dapat memperkenalkan variabilitas dalam proses pemotongan.

Sertifikasi material termasuk komposisi kimia, kondisi perlakuan panas, dan nilai kekerasan sangat penting untuk pengujian yang dapat direproduksi.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) kecuali secara khusus menyelidiki pemesinan suhu tinggi.

Kecepatan pemotongan biasanya bervariasi secara sistematis sambil mempertahankan laju umpan dan kedalaman potong yang konstan untuk mengisolasi efek kecepatan.

Metode aplikasi pendingin, tekanan, dan komposisi harus distandarisasi dan didokumentasikan karena mereka berinteraksi secara signifikan dengan efek kecepatan pemotongan.

Pengolahan Data

Pengumpulan data utama mencakup pengukuran keausan alat pada interval yang telah ditentukan, pembacaan gaya pemotongan, pengukuran suhu, dan nilai kekasaran permukaan.

Metode statistik termasuk analisis regresi diterapkan untuk menetapkan hubungan antara kecepatan pemotongan dan variabel dependen seperti umur alat atau kualitas permukaan.

Nilai akhir biasanya dis