Setrika: Proses Pengurangan Logam dalam Pembentukan Lembaran & Penyelesaian Permukaan

Definisi dan Konsep Dasar

Penghalusan adalah proses pembentukan logam di mana lembaran logam ditarik melalui cetakan dengan celah yang lebih kecil dari ketebalan lembaran asli, menghasilkan pengurangan ketebalan yang terkontrol dan peningkatan panjang. Proses ini menciptakan bagian dengan ketebalan dinding yang seragam dan penyelesaian permukaan yang lebih baik, yang umum digunakan dalam pembuatan komponen silindris seperti kaleng minuman, selongsong peluru, dan wadah yang ditarik dalam-dalam.

Penghalusan merupakan subset khusus dari operasi pembentukan lembaran logam yang menggabungkan penarikan dan kompresi untuk mencapai presisi dimensi. Ini merupakan proses penting dalam industri baja di mana komponen dinding tipis dengan ketebalan yang konsisten diperlukan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penghalusan menempati posisi penting antara operasi penarikan tradisional dan proses ekstrusi. Ini memanfaatkan prinsip deformasi plastik sambil mempertahankan kontrol dimensi yang ketat, menjadikannya penting untuk produksi volume tinggi komponen presisi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penghalusan melibatkan deformasi plastik yang parah dari logam saat melewati geometri yang terbatasi. Material mengalami stres kompresif yang tegak lurus terhadap permukaan lembaran sambil secara bersamaan mengalami stres tarik dalam arah penarikan.

Deformasi ini menyebabkan butir memanjang dalam arah aliran material, menciptakan mikrostruktur berserat. Dislokasi dalam struktur kristal berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, memungkinkan material mengalir melalui cetakan sambil mempertahankan integritas struktural.

Proses ini menyebabkan pengerasan kerja saat dislokasi berinteraksi dan terjerat, meningkatkan kekuatan hasil material. Efek pengerasan regangan ini sangat terlihat di dekat daerah permukaan di mana deformasi paling parah.

Model Teoretis

Analisis metode slab berfungsi sebagai model teoretis utama untuk operasi penghalusan. Dikembangkan pada pertengahan abad ke-20, pendekatan ini memperlakukan material yang terdeformasi sebagai serangkaian elemen diferensial yang tunduk pada kondisi keseimbangan.

Pemahaman sejarah tentang penghalusan berkembang dari pengetahuan empiris di lapangan menjadi model analitis pada tahun 1950-an dan 1960-an. Pekerjaan awal oleh peneliti seperti Swift dan Sachs membangun dasar untuk teori penghalusan modern.

Pendekatan alternatif termasuk analisis batas atas, yang memberikan prediksi gaya maksimum, dan pemodelan elemen hingga, yang menawarkan wawasan perilaku deformasi yang lebih rinci. Setiap metode memiliki keuntungan yang berbeda dalam akurasi dibandingkan dengan kompleksitas komputasi.

Dasar Ilmu Material

Kinerja penghalusan secara langsung terkait dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat muka (FCC) seperti aluminium dan baja tahan karat austenitik umumnya menunjukkan ironability yang lebih baik dibandingkan dengan baja kubik berpusat badan (BCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempengaruhi respons material terhadap gaya penghalusan.

Mikrostruktur material awal secara signifikan mempengaruhi ironability, dengan struktur homogen berbutir halus biasanya memberikan hasil yang lebih baik. Anisotropi dari pemrosesan sebelumnya dapat menyebabkan aliran material yang tidak merata dan potensi cacat.

Eksponen pengerasan regangan (nilai-n) dan anisotropi normal (nilai-r) mewakili prinsip dasar ilmu material yang mengatur perilaku penghalusan. Material dengan nilai-n yang lebih tinggi dapat mengalami pengurangan ketebalan yang lebih substansial sebelum kegagalan, sementara nilai-r yang menguntungkan membantu mempertahankan keseragaman ketebalan dinding.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Rasio penghalusan (IR) didefinisikan sebagai:

$IR = \frac{t_0}{t_1}$

Di mana:
- $t_0$ = ketebalan lembaran awal
- $t_1$ = ketebalan dinding akhir setelah penghalusan

Rasio ini mengukur derajat pengurangan ketebalan yang dicapai selama proses penghalusan.

Rumus Perhitungan Terkait

Gaya penghalusan ($F_i$) dapat dihitung menggunakan:

$F_i = \pi \cdot d_m \cdot t_0 \cdot \sigma_y \cdot \ln\left(\frac{t_0}{t_1}\right) \cdot (1 + \frac{\mu}{\tan\alpha})$

Di mana:
- $d_m$ = diameter rata-rata benda kerja
- $\sigma_y$ = kekuatan hasil material
- $\mu$ = koefisien gesekan
- $\alpha$ = sudut cetakan

Rumus ini membantu insinyur memprediksi kapasitas tekan yang diperlukan untuk operasi penghalusan.

Regangan sejati ($\varepsilon$) yang dialami selama penghalusan dapat dinyatakan sebagai:

$\varepsilon = \ln\left(\frac{t_0}{t_1}\right)$

Perhitungan ini penting untuk memprediksi pengerasan kerja dan sifat mekanis akhir.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan kondisi isotermal selama proses penghalusan. Mereka menjadi kurang akurat saat berhadapan dengan material yang sangat anisotropik atau geometri yang kompleks.

Kondisi batas mencakup persyaratan bahwa sudut cetakan harus cukup kecil (biasanya 5-15°) untuk mencegah patahnya material. Model juga mengasumsikan pelumasan yang memadai untuk mempertahankan koefisien gesekan yang diprediksi.

Perhitungan mengasumsikan bahwa aliran material terjadi terutama melalui pengurangan ketebalan daripada ekspansi lateral. Pada rasio pengurangan yang sangat tinggi (biasanya di atas 50%), model ini mungkin memerlukan faktor koreksi untuk memperhitungkan perilaku material non-linear.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E643: Metode Uji Standar untuk Deformasi Punch Bola Material Lembaran Logam, yang mengevaluasi kemampuan pembentukan material yang relevan dengan operasi penghalusan.

ISO 20482: Material Logam - Lembaran dan Strip - Uji Cupping Erichsen, memberikan pengujian standar untuk karakteristik kemampuan pembentukan lembaran logam.

JIS Z 2247: Material Logam - Lembaran dan Strip - Penentuan Diagram Batas Pembentukan, yang membantu memprediksi perilaku material di bawah kondisi deformasi kompleks seperti penghalusan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Simulator penghalusan skala laboratorium biasanya terdiri dari punch, cetakan, dan rakitan pemegang kosong yang dipasang pada mesin tekan hidrolik atau mesin uji tarik. Perangkat ini meniru kondisi penghalusan industri sambil memungkinkan pengukuran gaya dan perpindahan yang tepat.

Prinsipnya melibatkan penarikan spesimen berbentuk cangkir melalui cetakan yang meruncing sambil mengukur gaya yang diperlukan. Gauge regangan dan sel beban menangkap data gaya, sementara transduser perpindahan memantau pergerakan material.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan sistem korelasi citra digital in-situ untuk memetakan distribusi regangan di seluruh spesimen yang terdeformasi. Kamera termal berkecepatan tinggi juga dapat mendeteksi perubahan suhu selama operasi penghalusan berkecepatan tinggi.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya dimulai sebagai blanko bulat dengan diameter berkisar antara 50-100mm dan ketebalan yang mewakili material produksi (biasanya 0.1-3mm).

Persiapan permukaan mencakup pembersihan dengan aseton atau pelarut serupa untuk menghilangkan minyak dan kontaminan. Aplikasi pelumasan yang konsisten sangat penting, sering menggunakan pelumas standar seperti minyak mineral dengan viskositas yang diketahui.

Spesimen harus bebas dari cacat tepi dan memiliki sifat material yang terdokumentasi dengan baik termasuk kekuatan hasil, kekuatan tarik, dan nilai anisotropi.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) kecuali