Die Sinking: Proses Pembentukan Cavity Presisi dalam Pembuatan Alat & Cetakan
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Die sinking adalah proses pemesinan khusus yang digunakan untuk membuat rongga dalam blok logam (dies) yang selanjutnya akan digunakan untuk membentuk atau membentuk bahan lain melalui proses seperti penempaan, pencetakan, atau pengecoran die. Proses ini melibatkan penghilangan material dari blok logam untuk menciptakan kesan negatif dari bentuk bagian yang diinginkan.
Die sinking merupakan teknologi dasar yang kritis dalam industri manufaktur, terutama dalam pembuatan alat untuk produksi massal. Presisi dan kualitas die secara langsung mempengaruhi akurasi dimensi dan hasil permukaan dari semua bagian yang selanjutnya diproduksi dengan die tersebut.
Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, die sinking berada di persimpangan metalurgi baja alat, pemesinan presisi, dan desain proses manufaktur. Sifat metalurgi dari material die harus dipilih dan dikendalikan dengan hati-hati untuk menahan stres mekanis dan termal yang ekstrem yang dihadapi selama operasi produksi.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, die sinking melibatkan penghilangan material yang terkontrol melalui proses mekanis, listrik, atau kimia yang mengganggu ikatan atom dalam benda kerja. Proses ini menciptakan topografi permukaan baru dengan secara selektif menghilangkan atom dari material induk sesuai dengan bentuk rongga yang diinginkan.
Mekanisme penghilangan material bervariasi berdasarkan metode die sinking spesifik yang digunakan. Dalam pemesinan konvensional, alat pemotong secara fisik memotong material. Dalam pemesinan pemancaran listrik (EDM), material dihilangkan melalui pelelehan dan penguapan lokal yang disebabkan oleh pelepasan listrik antara elektroda dan benda kerja.
Permukaan rongga yang dihasilkan menunjukkan perubahan mikrostruktur yang khas, termasuk struktur butir yang berubah, lapisan rekristalisasi, atau zona yang terpengaruh panas tergantung pada metode die sinking yang digunakan. Fitur mikrostruktur ini dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja dan umur die yang selesai.
Model Teoretis
Model teoretis utama untuk proses die sinking adalah model laju penghilangan material (MRR), yang menggambarkan volume material yang dihilangkan per unit waktu sebagai fungsi dari parameter proses. Model ini bervariasi secara signifikan antara pemesinan konvensional dan proses non-tradisional seperti EDM.
Secara historis, die sinking bergantung pada pengetahuan empiris hingga pertengahan abad ke-20 ketika pemahaman ilmiah tentang mekanisme penghilangan material mulai berkembang. Munculnya kontrol numerik pada tahun 1950-an dan kontrol numerik komputer (CNC) pada tahun 1970-an merevolusi presisi dan pengulangan operasi die sinking.
Berbagai pendekatan teoretis ada untuk memodelkan berbagai metode die sinking. Pemesinan konvensional menggunakan model mekanika pemotongan berdasarkan deformasi geser, sementara proses EDM menggunakan model termal yang memperhitungkan pembentukan saluran plasma, pelelehan material, dan dinamika evakuasi puing.
Dasar Ilmu Material
Kinerja die sinking berkaitan langsung dengan struktur kristal dari material alat dan benda kerja. Dalam baja alat, distribusi dan morfologi karbida dalam matriks secara signifikan mempengaruhi karakteristik pemesinan dan kualitas hasil permukaan yang dihasilkan.
Mikrostruktur material die menentukan kemudahan pemesinan, ketahanan aus, dan stabilitas termal. Baja alat yang diperlakukan panas dengan distribusi karbida yang seragam biasanya memberikan kinerja optimal untuk aplikasi die, menyeimbangkan kekerasan dengan ketangguhan yang cukup.
Prinsip dasar ilmu material tentang transformasi fase, pengerasan presipitasi, dan pengerasan regangan dimanfaatkan untuk mengembangkan material die yang dapat menahan kondisi ekstrem dari lingkungan produksi sambil mempertahankan stabilitas dimensi dan integritas permukaan.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Untuk pemesinan die sinking konvensional, laju penghilangan material (MRR) didefinisikan sebagai:
$$MRR = v_f \cdot a_p \cdot a_e$$
Di mana $v_f$ adalah laju umpan (mm/menit), $a_p$ adalah kedalaman potong aksial (mm), dan $a_e$ adalah kedalaman potong radial (mm).
Formula Perhitungan Terkait
Untuk die sinking EDM, laju penghilangan material mengikuti hubungan yang berbeda:
$$MRR_{EDM} = K \cdot I^a \cdot T_{on}^b \cdot T_{off}^c$$
Di mana $I$ adalah arus pelepasan (amper), $T_{on}$ adalah waktu pulsa-on (μs), $T_{off}$ adalah waktu pulsa-off (μs), dan $K$, $a$, $b$, dan $c$ adalah konstanta yang ditentukan secara empiris yang spesifik untuk kombinasi material benda kerja-elektroda.
Roughness permukaan (Ra) dalam die sinking EDM dapat diperkirakan dengan:
$$Ra = C \cdot I^m \cdot T_{on}^n$$
Di mana $C$, $m$, dan $n$ adalah konstanta empiris yang ditentukan melalui eksperimen.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Formula ini berlaku di bawah kondisi pemesinan yang stabil dengan pendinginan dan pembilasan yang tepat. Mereka mengasumsikan sifat material benda kerja yang homogen dan kinerja alat yang konsisten.
Formula EDM memiliki batasan ketika diterapkan pada geometri kompleks di mana kondisi pembilasan bervariasi di seluruh rongga. Mereka juga menjadi kurang akurat saat bekerja dengan material canggih yang memiliki sifat listrik atau termal yang sangat bervariasi.
Model matematis ini mengasumsikan kondisi ideal dan tidak memperhitungkan keausan alat, getaran mesin, atau distorsi termal, yang dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja aktual di lingkungan produksi.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM B946: Metode Uji Standar untuk Hasil Permukaan Produk Metalurgi Bubuk
- ISO 1302: Spesifikasi Produk Geometris (GPS) - Indikasi tekstur permukaan
- DIN 8580: Proses manufaktur - Istilah dan definisi, pembagian
- JIS B 0031: Gambar teknis - Simbol tekstur permukaan
Setiap standar memberikan pedoman untuk mengukur dan mengevaluasi karakteristik permukaan rongga yang diproses, termasuk parameter kekasaran, gelombang, dan pola lapisan.
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Peralatan umum untuk pengukuran rongga die termasuk mesin pengukur koordinat (CMM) yang menggunakan probe sentuh atau sistem optik untuk memetakan geometri tiga dimensi rongga dengan presisi tinggi.
Profilometer permukaan menggunakan metode berbasis stylus atau optik untuk mengkuantifikasi parameter kekasaran permukaan dengan melacak puncak dan lembah mikroskopis dari permukaan yang diproses. Pengukuran ini memberikan data kritis tentang kinerja fungsional die.
Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindai (SEM) untuk memeriksa fitur mikrostruktur dari permukaan rongga, yang sangat penting untuk proses EDM di mana lapisan rekristalisasi dan zona yang terpengaruh panas dapat mempengaruhi kinerja die.
Persyaratan Sampel
Pemeriksaan standar memerlukan die untuk dibersihkan secara menyeluruh dari semua cairan pemotongan, dielektrik EDM, atau puing-puing. Kontaminan permukaan dapat secara signifikan mempengaruhi hasil pengukuran.
Persiapan permukaan biasanya melibatkan pembersihan ultrasonik dalam pelarut yang sesuai diikuti dengan pengeringan dengan udara terkompresi yang disaring untuk menghindari pengenalan artefak ke dalam pengukuran.
Untuk pemeriksaan mikroskopis, sampel kecil dapat dipotong dari potongan uji yang diproses dalam kondisi identik untuk mengevaluasi karakteristik subsurface tanpa merusak die yang sebenarnya.
Parameter Uji
Pengukuran biasanya dilakukan pada kondisi laboratorium standar 20°C ± 2°C dan kelembapan relatif 50% ± 10% untuk meminimalkan efek ekspansi termal pada pengukuran dimensi.
Untuk evaluasi kekasaran