Proses Pembentukan Gulungan: Proses Pembentukan Logam Berkelanjutan untuk Profil Presisi

Definisi dan Konsep Dasar

Roll forming adalah proses pembentukan logam kontinu yang secara progresif membengkokkan strip panjang lembaran logam melalui serangkaian rol yang terkontur untuk mencapai profil penampang yang diinginkan. Teknik pembentukan dingin ini mengubah lembaran logam datar menjadi bentuk linier yang kompleks dengan penampang yang konsisten sepanjang panjangnya.

Roll forming merupakan metode fabrikasi yang krusial dalam pengolahan baja modern, menawarkan tingkat produksi yang tinggi dan konsistensi dimensi yang sangat baik untuk komponen panjang. Proses ini menjembatani pekerjaan lembaran logam tradisional dan pembuatan profil, memungkinkan produksi komponen yang akan sulit dibentuk menggunakan metode lain.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, roll forming menempati posisi khusus di antara operasi pembentukan logam, berbeda dari pabrik penggilingan (yang mengurangi ketebalan) dan pembentukan tekan (yang menciptakan bagian diskrit). Ini menunjukkan bagaimana deformasi plastik yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk menciptakan produk bernilai tambah dari baja yang digulung datar tanpa memerlukan peleburan atau redistribusi material yang signifikan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Roll forming menyebabkan deformasi plastik lokal saat lembaran logam melewati stasiun rol yang berturut-turut. Pada tingkat mikrostruktur, proses ini menyebabkan pergerakan dislokasi dalam kisi kristal, menghasilkan perubahan bentuk permanen tanpa penghilangan atau penambahan material.

Deformasi terjadi secara bertahap, dengan setiap set rol membengkokkan material sedikit lebih dari yang sebelumnya. Pendekatan pembentukan yang bertahap ini meminimalkan stres sisa dibandingkan dengan operasi pembengkokan satu tahap. Struktur butir logam memanjang ke arah pembengkokan, terutama di radius luar di mana stres tarik paling tinggi.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk roll forming didasarkan pada perhitungan allowance pembengkokan dan prinsip deformasi sumbu netral. Model-model ini memprediksi bagaimana logam meregang di luar pembengkokan dan terkompresi di dalamnya sambil mempertahankan sumbu netral di mana panjang tetap tidak berubah.

Pemahaman historis berkembang dari rumus allowance pembengkokan sederhana pada tahun 1940-an hingga model analisis elemen hingga (FEA) yang canggih saat ini. Praktisi awal sangat bergantung pada metode empiris dan desain berbasis pengalaman.

Pendekatan modern mencakup model regangan-pergeseran yang memperhitungkan pemulihan elastis, pengerasan kerja, dan pengembangan stres sisa. Metode komputasi kini menggabungkan anisotropi material dan efek sejarah regangan yang diabaikan oleh model-model yang lebih sederhana sebelumnya.

Dasar Ilmu Material

Perilaku roll forming secara langsung berkaitan dengan struktur kristal logam, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) pada baja karbon menawarkan karakteristik formabilitas yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) pada baja tahan karat austenitik. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempengaruhi ketahanan material terhadap deformasi.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi formabilitas, dengan material berbutir halus umumnya menunjukkan karakteristik pembentukan yang lebih baik dibandingkan dengan alternatif berbutir kasar. Tekstur (orientasi kristalografi yang diutamakan) yang berkembang selama pemrosesan sebelumnya mempengaruhi perilaku anisotropik selama pembentukan.

Proses ini terhubung dengan prinsip-prinsip dasar deformasi plastik, termasuk kriteria hasil (von Mises atau Tresca), pengerasan kerja, dan sensitivitas laju regangan. Prinsip-prinsip ini mengatur bagaimana material mengalir selama pembentukan dan menentukan batas deformasi sebelum kegagalan terjadi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Rumus allowance pembengkokan dasar untuk perhitungan roll forming adalah:

$BA = \alpha \times R$

Di mana:
- $BA$ adalah allowance pembengkokan (panjang busur sumbu netral di dalam pembengkokan)
- $\alpha$ adalah sudut pembengkokan dalam radian
- $R$ adalah radius ke sumbu netral

Rumus Perhitungan Terkait

Panjang material yang diperlukan untuk sebuah profil dapat dihitung sebagai:

$L_{developed} = L_{flat} - \sum_{i=1}^{n} (t \times \tan(\frac{\theta_i}{2}))$

Di mana:
- $L_{developed}$ adalah total panjang datar yang dibutuhkan
- $L_{flat}$ adalah jumlah dari semua bagian datar
- $t$ adalah ketebalan material
- $\theta_i$ adalah setiap sudut pembengkokan dalam derajat
- $n$ adalah jumlah pembengkokan

Regangan longitudinal selama pembentukan dapat diperkirakan dengan:

$\varepsilon_L = \frac{y}{R} \times \sin^2(\frac{\theta}{2})$

Di mana:
- $\varepsilon_L$ adalah regangan longitudinal
- $y$ adalah jarak dari sumbu netral
- $R$ adalah radius pembengkokan
- $\theta$ adalah sudut pembengkokan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan perilaku material elastis-sempurna plastik dan paling akurat untuk sudut pembengkokan di bawah 90 derajat. Mereka menjadi kurang dapat diandalkan untuk radius pembengkokan yang sangat ketat (R/t < 2) di mana penipisan material yang signifikan terjadi.

Perhitungan mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh lembaran, yang mungkin tidak berlaku untuk material dengan anisotropi signifikan atau pengerasan kerja sebelumnya. Efek suhu tidak diperhitungkan dalam rumus standar.

Kebanyakan model mengasumsikan lokasi sumbu netral pada sekitar 0.33-0.5 kali ketebalan material dari radius dalam, meskipun ini bervariasi dengan sifat material dan rasio R/t.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1008/A1008M: Spesifikasi standar untuk lembaran baja, digulung dingin, karbon, struktural, paduan rendah kekuatan tinggi dengan formabilitas yang ditingkatkan
• ISO 7438: Material logam - Uji pembengkokan
• EN 10152: Produk datar baja yang dilapisi seng secara elektrolitik untuk pembentukan dingin
• JIS G 3141: Lembaran dan strip baja karbon yang dikurangi dingin

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Gauge profil roll form menggunakan template yang diproduksi dengan presisi untuk memverifikasi dimensi penampang terhadap spesifikasi desain. Komparator optik digital memproyeksikan siluet yang diperbesar dari bagian yang dibentuk untuk analisis dimensi.

Mesin pengukur koordinat (CMM) memberikan verifikasi tiga dimensi dari profil kompleks dengan presisi tinggi. Sistem ini menggunakan probe sentuh atau pemindaian laser untuk memetakan geometri aktual terhadap model CAD.

Sistem canggih mencakup sistem pengukuran laser dalam garis yang terus-menerus memantau dimensi kritis selama produksi, memungkinkan penyesuaian proses secara real-time.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya mencakup bagian sepanjang 300-1000mm yang dipotong dari hasil produksi. Tepi harus bebas dari burr atau kerusakan yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran.

Persiapan permukaan umumnya hanya memerlukan pembersihan untuk menghilangkan minyak atau residu pemrosesan kecuali pemeriksaan mikrostruktur direncanakan. Untuk analisis metalografi, sampel harus dipotong dengan hati-hati untuk menghindari distorsi pola deformasi.

Sampel harus distabilkan pada suhu lingkungan (biasanya 23±2°C) selama setidaknya 24 jam sebelum pengukuran presisi untuk menghilangkan efek ekspansi termal.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu ruangan (18-25°C) dengan kelembapan relatif di bawah 65% untuk mencegah kondensasi pada peralatan pengukur presisi. Pengukuran harus dilakukan di lingkungan yang bebas dari getaran yang dapat mem