Punch: Alat Penting untuk Pembentukan Logam dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah punch adalah alat pembentuk logam yang digunakan untuk membuat lubang di lembaran logam atau bahan lainnya melalui penerapan gaya geser. Ini terdiri dari poros baja yang diperkeras dengan ujung berbentuk yang, ketika ditekan terhadap bahan dengan kekuatan yang cukup, memotong atau menggeser melalui bahan tersebut. Punch bekerja bersama dengan die, yang mendukung bahan dan memungkinkan slug yang dipunch keluar.

Punching adalah operasi dasar dalam fabrikasi lembaran logam, memungkinkan pembuatan lubang, slot, dan fitur lainnya yang presisi tanpa perlu operasi pemesinan. Proses ini sangat penting dalam industri manufaktur di mana produksi komponen berlubang dalam volume tinggi diperlukan.

Dari segi metalurgi, punching mewakili proses deformasi geser yang terkontrol di mana pemisahan material terjadi melalui deformasi plastik lokal diikuti oleh patahan. Hubungan punch-die menggambarkan penerapan praktis prinsip kekuatan geser material dan mekanika pemisahan material.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, punching melibatkan mekanisme deformasi yang kompleks saat punch bersentuhan dengan material. Awalnya, material mengalami deformasi elastis, diikuti oleh deformasi plastik saat tekanan punch melebihi kekuatan luluh material. Saat punch terus menembus, tegangan geser yang intens berkembang di zona sempit antara punch dan tepi die.

Pemisahan material terjadi melalui kombinasi mekanisme penggeseran dan patahan. Di zona geser, butir-butir menjadi sangat memanjang dan terdeformasi, menciptakan pengerasan kerja lokal. Akhirnya, mikroretakan terbentuk di batas butir atau inklusi, menyebar dengan cepat untuk menyelesaikan pemisahan material.

Patah akhir biasanya menunjukkan karakteristik geser dan tarik, dengan proporsi tergantung pada sifat material, celah antara punch dan die, serta geometri punch.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk operasi punching adalah model tegangan geser, yang menghubungkan gaya yang diperlukan untuk punching dengan kekuatan geser material dan area yang terpotong. Model ini dikembangkan pada awal abad ke-20 dan telah disempurnakan melalui pengujian empiris yang luas.

Secara historis, pemahaman tentang mekanika punching berkembang dari perhitungan gaya sederhana menjadi model yang lebih canggih yang menggabungkan perilaku material di bawah keadaan tegangan yang kompleks. Model awal memperlakukan punching sebagai geser murni, sementara pendekatan modern mengakui distribusi tegangan yang kompleks dan mekanika patahan yang terlibat.

Pendekatan teoretis kontemporer termasuk model analisis elemen hingga (FEA) yang dapat mensimulasikan seluruh proses punching, termasuk fase deformasi elastis dan plastik, inisiasi retakan, dan propagasi. Model analitis berdasarkan teori bidang slip-line memberikan pendekatan alternatif untuk memprediksi kebutuhan gaya punch.

Dasar Ilmu Material

Kinerja punching sangat dipengaruhi oleh struktur kristal dan batas butir dari material yang dipunch. Logam kubik berpusat wajah (FCC) seperti aluminium dan baja tahan karat austenitik biasanya menunjukkan duktilitas yang lebih tinggi dan memerlukan lebih banyak energi untuk dipunch dibandingkan dengan logam kubik berpusat badan (BCC) seperti baja ferritik.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi kualitas punching dan kebutuhan gaya. Material dengan butir halus umumnya menghasilkan tepi yang lebih bersih dengan burr yang lebih kecil, sementara material dengan butir kasar mungkin menunjukkan permukaan patahan yang lebih tidak teratur. Distribusi fase dalam baja multi-fase mempengaruhi perilaku deformasi lokal selama punching.

Punching secara langsung berkaitan dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan mekanika patahan. Keseimbangan antara duktilitas dan kekuatan menentukan apakah pemisahan material didominasi oleh pemotongan bersih atau robekan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk menghitung gaya punching adalah:

$$F = L \times t \times \tau_s$$

Di mana:
- $F$ = gaya punching (N)
- $L$ = perimeter punch (mm)
- $t$ = ketebalan material (mm)
- $\tau_s$ = kekuatan geser material (MPa)

Formula Perhitungan Terkait

Kekuatan geser dapat diperkirakan dari kekuatan tarik menggunakan:

$$\tau_s \approx 0.8 \times \sigma_{UTS}$$

Di mana:
- $\tau_s$ = kekuatan geser (MPa)
- $\sigma_{UTS}$ = kekuatan tarik maksimum (MPa)

Untuk menghitung gaya stripping (gaya yang diperlukan untuk mengeluarkan punch dari material):

$$F_{strip} = k \times F$$

Di mana:
- $F_{strip}$ = gaya stripping (N)
- $F$ = gaya punching (N)
- $k$ = koefisien stripping (biasanya 0.05-0.15)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang seragam dan penyelarasan punch-die yang ideal. Mereka paling akurat untuk material yang duktil dengan ketebalan kurang dari diameter punch.

Model menjadi kurang akurat untuk material yang sangat tipis (di mana efek pembengkokan mendominasi) atau material yang sangat tebal (di mana efek gesekan meningkat). Mereka juga tidak memperhitungkan anisotropi material atau efek laju regangan pada kecepatan punching tinggi.

Perhitungan ini mengasumsikan tepi punch dan die yang tajam; keausan pada tepi ini dapat secara signifikan meningkatkan gaya punching yang diperlukan dan mempengaruhi kualitas lubang.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E643: Metode Uji Standar untuk Deformasi Punch Bola dari Material Lembaran Logam
• ISO 16630: Material logam - Lembaran dan strip - Uji perluasan lubang
• DIN 50102: Pengujian material logam; uji impresi pada lembaran dan strip dengan ketebalan antara 0.2 dan 2 mm

Setiap standar memberikan metodologi spesifik untuk mengevaluasi perilaku material selama operasi punching, dengan ASTM E643 berfokus pada penilaian formabilitas, ISO 16630 pada kemampuan perluasan tepi, dan DIN 50102 pada karakteristik impresi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk press mekanik atau hidrolik yang dilengkapi dengan sel beban dan transduser perpindahan. Sistem ini mengukur kurva gaya-perpindahan sepanjang proses punching, menangkap deformasi elastis, deformasi plastik, dan tahap patahan.

Prinsip dasar melibatkan penerapan gaya terkontrol pada punch sambil mengukur perpindahan dan gaya tahanan yang dihasilkan. Sistem modern sering kali mencakup akuisisi data kecepatan tinggi untuk menangkap perubahan gaya yang cepat selama patahan material.

Peralatan canggih mungkin menggabungkan sistem pengukuran optik untuk menganalisis zona deformasi secara real-time, atau sensor emisi akustik untuk mendeteksi inisiasi retakan sebelum pemisahan material yang terlihat terjadi.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya terdiri dari material lembaran datar dengan dimensi setidaknya tiga kali diameter punch di semua arah untuk menghindari efek tepi. Keseragaman ketebalan harus dipertahankan dalam ±2% di seluruh area uji.

Persiapan permukaan umumnya memerlukan penghilangan minyak dan pembersihan tanpa mengubah sifat permukaan secara mekanis. Setiap pelapis pelindung harus dicatat karena dapat mempengaruhi kondisi gesekan dan hasil pengukuran.

Spesimen harus bebas dari cacat yang sudah ada sebelumnya dan harus representatif dari material produksi dalam hal komposisi, mikrostruktur, dan riwayat pemrosesan.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20±5°C) dengan kelembaban relatif di bawah 70%. Untuk aplikasi khusus, pengujian pada suhu tinggi atau kriogenik dapat dilakukan menggunakan ruang lingkungan.

Kecepatan punch berkisar dari kondisi quasi-statis (0.1-1 mm/menit) untuk pengukuran presisi hingga