Penggilingan: Proses Penyelesaian Permukaan yang Penting dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Penggilingan adalah proses pemesinan abrasif yang menggunakan roda penggiling sebagai alat pemotong untuk menghilangkan material dari benda kerja melalui deformasi geser. Proses ini ditandai dengan penggunaan banyak partikel abrasif yang bertindak sebagai titik pemotongan, yang secara bersamaan terlibat dalam penghilangan material pada skala mikroskopis.

Dalam ilmu dan teknik material, penggilingan merupakan operasi penyelesaian yang kritis yang mencapai akurasi dimensi, kualitas permukaan, dan presisi geometris yang tidak dapat dicapai oleh proses manufaktur lainnya. Ini memungkinkan produksi komponen dengan toleransi yang sangat ketat dan karakteristik permukaan yang superior.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penggilingan menempati posisi penting sebagai proses manufaktur primer dan sekunder. Ini menjembatani kesenjangan antara operasi pembentukan awal dan persyaratan permukaan akhir, terutama untuk baja yang dikeraskan dan material lainnya di mana metode pemesinan konvensional terbukti tidak efektif atau tidak ekonomis.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat mikroskopis, penggilingan melibatkan interaksi kompleks antara butiran abrasif dan material benda kerja. Setiap partikel abrasif bertindak sebagai alat pemotong miniatur dengan geometri acak, terlibat dengan permukaan material pada kedalaman dan sudut yang bervariasi.

Mekanisme penghilangan material terutama terjadi melalui tiga proses: pemotongan (mirip dengan pemesinan konvensional tetapi pada skala mikroskopis), membajak (deformasi plastik tanpa penghilangan material), dan menggosok (interaksi berbasis gesekan). Proporsi dari mekanisme ini tergantung pada parameter penggilingan, karakteristik abrasif, dan sifat material benda kerja.

Zona penggilingan mengalami kondisi ekstrem, dengan suhu lokal yang dapat mencapai 1000-1500°C akibat gesekan dan konversi energi deformasi plastik. Efek termal ini dapat menyebabkan perubahan mikrostruktur pada lapisan permukaan baja, termasuk transformasi fase, pengembangan tegangan sisa, dan potensi kerusakan termal.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk penggilingan adalah model ketebalan chip yang tidak terdeformasi, yang menghubungkan laju penghilangan material dengan parameter penggilingan. Model ini, yang dikembangkan oleh Eugene Merchant dan kemudian disempurnakan oleh Shaw dan lainnya, menggambarkan hubungan antara kecepatan roda, kecepatan benda kerja, dan kedalaman potong.

Pemahaman sejarah tentang penggilingan berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi analisis ilmiah yang dimulai pada awal abad ke-20. Karya Frederick Taylor tentang pemotongan logam memberikan kerangka awal, sementara peneliti seperti Malkin, Tönshoff, dan Inasaki mengembangkan teori penggilingan yang komprehensif pada paruh kedua abad tersebut.

Teori penggilingan modern mencakup berbagai pendekatan: model berbasis energi yang fokus pada konsumsi energi spesifik, model geometris yang menganalisis interaksi butiran abrasif, dan model termo-mekanis yang membahas pembangkitan dan penghilangan panas. Setiap pendekatan menawarkan wawasan pelengkap ke dalam proses kompleks ini.

Dasar Ilmu Material

Kinerja penggilingan secara langsung berkaitan dengan struktur kristal baik dari material abrasif maupun benda kerja. Perbedaan kekerasan antara butiran abrasif dan butiran benda kerja menentukan efisiensi pemotongan, sementara orientasi kristalografi mempengaruhi mekanisme pembentukan chip.

Batas butir dalam baja secara signifikan mempengaruhi kemampuan penggilingan. Struktur butir yang lebih halus biasanya menghasilkan penghilangan material yang lebih seragam, sementara butir kasar dapat menyebabkan hasil permukaan yang tidak konsisten. Batas fase menghadirkan tantangan tertentu, karena fase yang berbeda merespons secara berbeda terhadap gaya penggilingan.

Prinsip dasar ilmu material dari pengerasan regangan muncul dengan jelas selama penggilingan. Ketika butiran abrasif menyebabkan deformasi plastik, lapisan permukaan mengeras, meningkatkan ketahanan terhadap deformasi lebih lanjut dan berpotensi mengubah mekanisme penggilingan dari pemotongan menjadi membajak atau menggosok.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Energi penggilingan spesifik ($e_c$), parameter fundamental dalam teori penggilingan, dinyatakan sebagai:

$$e_c = \frac{P}{Q_w}$$

Di mana $P$ adalah daya penggilingan (W) dan $Q_w$ adalah laju penghilangan material (mm³/s). Ini mewakili energi yang diperlukan untuk menghilangkan satu unit volume material.

Formula Perhitungan Terkait

Laju penghilangan material ($Q_w$) untuk penggilingan permukaan dihitung sebagai:

$$Q_w = a_p \cdot v_w \cdot b$$

Di mana $a_p$ adalah kedalaman potong (mm), $v_w$ adalah kecepatan benda kerja (mm/s), dan $b$ adalah lebar potong (mm).

Ketebalan chip maksimum yang tidak terdeformasi ($h_{max}$), yang berkaitan dengan hasil permukaan dan gaya, diberikan oleh:

$$h_{max} = \sqrt{\frac{4 \cdot a_p}{C \cdot r}} \cdot \sqrt{\frac{v_w}{v_s}}$$

Di mana $C$ adalah kepadatan tepi pemotongan aktif, $r$ adalah jari-jari roda penggiling, dan $v_s$ adalah kecepatan perifer roda. Formula ini membantu memprediksi kekasaran permukaan dan gaya penggilingan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk penggilingan abrasif konvensional di bawah kondisi keadaan mantap. Mereka mengasumsikan distribusi butiran abrasif yang seragam, topografi roda yang konsisten, dan material benda kerja yang homogen.

Batasan termasuk ketidakmampuan untuk memperhitungkan pemuatan roda, penggilingan, atau perilaku pengasahan diri yang terjadi selama operasi penggilingan yang sebenarnya. Model-model ini juga menyederhanakan interaksi termo-mekanis yang kompleks di antarmuka penggilingan.

Model matematis ini mengasumsikan sistem alat mesin yang kaku tanpa defleksi atau getaran yang signifikan. Dalam praktiknya, kepatuhan sistem dan efek dinamis dapat secara signifikan mengubah kinerja penggilingan dari prediksi teoretis.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E3 mencakup metode persiapan standar untuk pemeriksaan metalografi permukaan yang digiling, penting untuk mengevaluasi kerusakan di bawah permukaan.

ISO 8503 menetapkan metode untuk mengkarakterisasi kekasaran permukaan dari permukaan baja yang digiling menggunakan komparator dan instrumen lainnya.

ASTM B946 merinci prosedur untuk menentukan rasio penggilingan (G-ratio), yang mengkuantifikasi kinerja roda penggiling sebagai rasio material yang dihilangkan terhadap keausan roda.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Perangkat pengukuran kekasaran permukaan, termasuk profilometer stylus dan sistem optik, mengukur karakteristik topografi dari permukaan yang digiling. Instrumen ini melacak profil permukaan untuk menghitung parameter seperti Ra (rata-rata kekasaran aritmatika) dan Rz (tinggi maksimum).

Mikroskop metalografi dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) memeriksa kerusakan di bawah permukaan, mengungkapkan perubahan mikrostruktur, retakan, atau kerusakan termal yang diinduksi oleh penggilingan. Persiapan penampang memungkinkan visualisasi kedalaman lapisan yang terpengaruh.

Dinamometer khusus mengukur gaya penggilingan dalam tiga dimensi, memberikan data penting untuk optimasi proses dan validasi model teoretis. Instrumen ini biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi variasi gaya yang sangat kecil selama operasi.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan pemotongan yang hati-hati untuk menghindari deformasi tambahan, diikuti dengan pemasangan dalam resin untuk mempertahankan tepi. Dimensi sampel biasanya berkisar antara 10-30mm persegi dengan ketebalan yang sesuai untuk metode pemeriksaan.

Persiapan permukaan untuk pengukuran kekasaran memerlukan pembersihan menyeluruh untuk menghilangkan residu pendingin, debris, dan kontaminan yang dapat mempengaruhi pembacaan. Metode non-kontak mungkin