Meninju: Proses Pembentukan Logam Lembut yang Penting dalam Fabrikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemotongan adalah operasi pembentukan logam yang menggunakan punch dan die untuk memotong material, menciptakan lubang di benda kerja sambil secara bersamaan menghasilkan slug sebagai limbah. Proses manufaktur ini diklasifikasikan sebagai operasi pemotongan logam lembaran yang menciptakan lubang dengan geometri tertentu dengan menerapkan gaya yang cukup untuk memecahkan material di sepanjang perimeter bentuk yang diinginkan.

Pemotongan sangat mendasar dalam fabrikasi baja, memungkinkan penciptaan lubang, slot, dan fitur lainnya yang presisi dalam komponen logam lembaran tanpa perlu operasi pemesinan. Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pemotongan merupakan proses kerja dingin yang penting yang bergantung pada deformasi plastik dan pemotongan akhir material logam di bawah stres yang diterapkan.

Proses ini berdiri sebagai landasan dari manufaktur produksi massal, memungkinkan penciptaan fitur dengan cepat dan ekonomis dalam komponen logam lembaran di berbagai industri termasuk otomotif, konstruksi, elektronik, dan manufaktur peralatan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemotongan melibatkan deformasi plastik lokal diikuti oleh pemecahan. Ketika punch bersentuhan dengan logam lembaran, awalnya menyebabkan deformasi elastis, diikuti oleh deformasi plastik saat kekuatan hasil material terlampaui. Saat punch terus menembus, stres geser yang intens berkembang di zona sempit antara tepi punch dan die.

Material mengalami pengerasan regangan yang parah di zona geser ini, dengan dislokasi berlipat ganda dan berinteraksi dalam struktur kristal. Akhirnya, mikrovoid terbentuk di batas butir dan di sekitar inklusi, bergabung menjadi mikroretakan yang menyebar dengan cepat, menghasilkan pemisahan lengkap material di sepanjang bidang geser.

Kualitas tepi yang dipotong mencerminkan urutan deformasi-pemecahan ini, biasanya menunjukkan zona yang halus diikuti oleh zona yang lebih kasar, dengan proporsi relatif tergantung pada sifat material dan kondisi alat.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk operasi pemotongan didasarkan pada mekanika stres geser. Model klasik, yang dikembangkan pada awal abad ke-20, menggambarkan pemotongan sebagai proses pemotongan di mana gaya yang diperlukan sebanding dengan kekuatan geser akhir material, perimeter lubang, dan ketebalan lembaran.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris menjadi model yang lebih canggih yang menggabungkan pengerasan kerja, sensitivitas laju regangan, dan mekanika pemecahan. Model awal memperlakukan pemotongan sebagai pemotongan murni, sementara pendekatan modern mengakui keadaan stres kompleks yang terlibat.

Pendekatan teoretis kontemporer termasuk model analisis elemen hingga (FEA) yang dapat mensimulasikan seluruh proses pemotongan, termasuk deformasi elastis-plastik, inisiasi kerusakan, dan propagasi retakan. Model analitis berdasarkan teorema batas atas dan teori bidang slip-line memberikan kerangka alternatif untuk memprediksi gaya pemotongan dan pola deformasi.

Dasar Ilmu Material

Proses pemotongan sangat terkait dengan struktur kristal logam. Dalam baja kubik berpusat tubuh (BCC), slip terjadi terutama pada bidang {110}, sementara logam kubik berpusat wajah (FCC) mengalami deformasi pada bidang {111}. Preferensi kristalografi ini mempengaruhi bagaimana material merespons terhadap stres geser selama pemotongan.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi kinerja pemotongan, karena dapat menghambat pergerakan dislokasi (memperkuat material) atau berfungsi sebagai situs inisiasi untuk mikrovoid dan retakan. Material dengan butir halus umumnya menunjukkan karakteristik pemotongan yang lebih baik dengan tepi potong yang lebih bersih.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur pemotongan termasuk pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan mekanisme pemecahan yang ulet. Keseimbangan antara kekuatan dan keuletan material menentukan kemampuannya untuk dipotong, dengan material optimal menunjukkan kekuatan yang cukup untuk mempertahankan kualitas tepi sambil memiliki keuletan yang memadai untuk mencegah pemecahan rapuh di luar zona geser yang dimaksud.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk menghitung gaya pemotongan adalah:

$$F = \tau_{ult} \times L \times t$$

Di mana:
- $F$ = gaya pemotongan (N)
- $\tau_{ult}$ = kekuatan geser akhir material (MPa)
- $L$ = panjang perimeter punch (mm)
- $t$ = ketebalan lembaran (mm)

Formula Perhitungan Terkait

Untuk lubang melingkar, gaya pemotongan dapat dihitung sebagai:

$$F = \pi \times d \times t \times \tau_{ult}$$

Di mana $d$ adalah diameter lubang.

Jarak antara punch dan die biasanya dihitung sebagai:

$$c = k \times t \times \sqrt{\frac{\tau_{ult}}{100}}$$

Di mana:
- $c$ = jarak per sisi (mm)
- $k$ = faktor material (biasanya 0.005-0.025)
- $t$ = ketebalan lembaran (mm)
- $\tau_{ult}$ = kekuatan geser akhir (MPa)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh ketebalan lembaran dan perilaku material isotropik. Mereka paling akurat untuk material ulet dengan rasio ketebalan terhadap diameter kurang dari 1.0.

Model menjadi kurang dapat diandalkan untuk lembaran yang sangat tipis (di mana efek pembengkokan mendominasi) atau pelat yang sangat tebal (di mana keadaan stres 3D yang kompleks berkembang). Mereka juga tidak memperhitungkan efek laju regangan, yang menjadi signifikan pada operasi pemotongan kecepatan tinggi.

Persamaan ini mengasumsikan alat yang tajam; keausan alat secara progresif meningkatkan gaya pemotongan yang diperlukan hingga 30%. Efek suhu juga tidak dimasukkan, membatasi penerapan dalam operasi pemotongan hangat atau panas.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E643: Metode Uji Standar untuk Deformasi Punch Bola Material Lembaran Logam
• ISO 16630: Material logam - Lembaran dan strip - Uji perluasan lubang
• DIN 50101: Pengujian material logam; uji pemotongan pada lembaran dan strip
• JIS Z 2254: Material logam - Lembaran dan strip - Uji perluasan lubang

Setiap standar memberikan metodologi spesifik untuk mengevaluasi perilaku material selama operasi pemotongan, dengan ASTM E643 berfokus pada penilaian formabilitas, ISO 16630 pada kemampuan peregangan tepi, dan DIN 50101 pada parameter kualitas pemotongan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Uji pemotongan biasanya menggunakan press hidrolik atau mekanik yang dilengkapi dengan sel beban dan transduser perpindahan. Sistem modern termasuk mesin pengujian servo-hidrolik presisi tinggi yang mampu mengontrol kecepatan punch dan mengukur hubungan gaya-perpindahan dengan akurasi tinggi.

Prinsip dasar melibatkan penerapan gaya terkontrol melalui punch sambil mengukur perpindahan yang dihasilkan dan gaya yang diperlukan. Sistem canggih menggabungkan kamera kecepatan tinggi atau korelasi citra digital untuk mengamati pola deformasi material selama proses.

Peralatan khusus termasuk sensor emisi akustik untuk mendeteksi inisiasi dan propagasi retakan, serta sistem pencitraan termal untuk memantau perubahan suhu selama operasi pemotongan kecepatan tinggi.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar adalah lembaran datar dengan dimensi biasanya 100-200mm persegi, dengan ketebalan yang sesuai dengan aplikasi yang dimaksud (umumnya 0.5-6mm untuk lembaran baja). Tepi spesimen harus bebas dari burr atau cacat lain yang dapat mempengaruhi hasil uji.

Persiapan perm