Pemesinan Kasar: Proses Penghilangan Logam Utama dalam Fabrikasi Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Penggilingan kasar mengacu pada proses penghilangan material awal dalam pembuatan logam di mana material berlebih dihilangkan dengan cepat dari benda kerja untuk mendekati dimensi yang diinginkan, meninggalkan cukup material untuk operasi penyelesaian berikutnya. Tahap penggilingan awal ini memprioritaskan laju penghilangan material dibandingkan dengan hasil permukaan atau presisi dimensi, biasanya meninggalkan 0,5-3mm material untuk operasi penyelesaian.
Dalam ilmu dan teknik material, penggilingan kasar mewakili keseimbangan kritis antara efisiensi manufaktur dan pertimbangan metalurgi. Proses ini harus memaksimalkan penghilangan material sambil mengelola stres termal dan mekanis yang diperkenalkan ke dalam mikrostruktur benda kerja.
Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penggilingan kasar berada di persimpangan pemrosesan mekanis dan evolusi mikrostruktur. Ini memulai transformasi dari bahan mentah menjadi komponen jadi sambil membangun fondasi untuk operasi berikutnya yang akan menentukan sifat material akhir dan karakteristik kinerja.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, penggilingan kasar menyebabkan deformasi plastis yang signifikan di lapisan permukaan dan subpermukaan baja. Aksi pemotongan menciptakan zona geser lokal di mana suhu dapat melebihi 600°C, menyebabkan rekristalisasi dinamis dan potensi transformasi fase pada material yang terpengaruh.
Mekanisme pemotongan melibatkan tiga zona deformasi utama: zona geser primer (di mana chip terbentuk), zona deformasi sekunder (antarmuka alat-chip), dan zona deformasi tersier (di mana permukaan yang baru dipotong berinteraksi dengan flank alat). Zona-zona ini mengalami laju regangan, suhu, dan keadaan stres yang berbeda yang secara kolektif mengubah mikrostruktur.
Model Teoretis
Model Lingkaran Merchant mewakili kerangka teoretis utama untuk memahami mekanika penggilingan kasar. Model pemotongan ortogonal ini menghubungkan gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material melalui analisis vektor dari gaya yang bekerja di antarmuka alat-benda kerja.
Pemahaman historis berkembang dari karya Ernst dan Merchant pada tahun 1940-an hingga model elemen hingga modern. Model awal memperlakukan baja sebagai kontinum homogen, sementara pendekatan kontemporer menggabungkan pertimbangan mikrostruktur.
Pendekatan teoretis yang berbeda termasuk teori bidang slip-line untuk deformasi plastis, model konstitutif Johnson-Cook untuk deformasi dengan laju regangan tinggi, dan model plastisitas kristal yang lebih baru yang memperhitungkan mekanisme deformasi pada tingkat butir.
Dasar Ilmu Material
Penggilingan kasar secara langsung berinteraksi dengan struktur kristal baja, menciptakan dislokasi dan berpotensi mengubah batas butir. Laju regangan yang tinggi dapat menyebabkan pemurnian butir di dekat permukaan yang dipotong atau, sebaliknya, pertumbuhan butir jika efek termal mendominasi.
Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi kemampuan mesin. Struktur ferritik umumnya lebih mudah diproses dibandingkan dengan struktur martensitik, sementara keberadaan dan morfologi karbida mempengaruhi keausan alat dan pembentukan permukaan.
Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, pelunakan termal, dan sensitivitas laju regangan. Mekanisme yang bersaing ini menentukan integritas permukaan yang dihasilkan dan perubahan mikrostruktur subpermukaan selama penggilingan kasar.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Rumus Definisi Dasar
Laju penghilangan material (MRR) dalam penggilingan kasar didefinisikan sebagai:
$$MRR = a_p \times f \times v_c$$
Di mana $a_p$ adalah kedalaman potong (mm), $f$ adalah laju umpan (mm/rev), dan $v_c$ adalah kecepatan pemotongan (m/menit).
Rumus Perhitungan Terkait
Gaya pemotongan dalam penggilingan kasar dapat diperkirakan menggunakan:
$$F_c = k_c \times a_p \times f$$
Di mana $F_c$ adalah gaya pemotongan (N) dan $k_c$ adalah gaya pemotongan spesifik (N/mm²), yang bervariasi berdasarkan material.
Kebutuhan daya untuk penggilingan kasar dihitung sebagai:
$$P = \frac{F_c \times v_c}{60 \times 1000} \text{ (kW)}$$
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Rumus ini mengasumsikan kondisi pemotongan keadaan tetap tanpa memperhitungkan efek masuk/keluar alat atau variasi yang disebabkan oleh getaran.
Model memiliki batasan ketika kecepatan pemotongan melebihi ambang tertentu di mana pelunakan termal mendominasi dibandingkan dengan pengerasan regangan, biasanya di atas 200-300 m/menit untuk baja karbon.
Perhitungan ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan tidak memperhitungkan variasi mikrostruktur, inklusi, atau riwayat pemrosesan sebelumnya yang dapat menciptakan perbedaan sifat lokal.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
ASTM E3-11: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Mencakup evaluasi permukaan yang dipotong dan efek subpermukaan.
ISO 8688-1: Pengujian Umur Alat dalam Penggilingan - Menyediakan metode standar untuk mengevaluasi operasi penggilingan kasar.
ASME B5.54: Metode untuk Evaluasi Kinerja Pusat Pemotongan yang Dikendalikan Secara Numerik - Termasuk protokol untuk mengukur kemampuan penggilingan kasar.
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Profilometer kekasaran permukaan mengukur topografi permukaan yang dipotong kasar, biasanya menggunakan metode berbasis stylus atau optik untuk mengkuantifikasi Ra, Rz, dan parameter tekstur lainnya.
Dinamometer yang dipasang pada alat mesin mengukur gaya pemotongan selama penggilingan kasar, memberikan data waktu nyata tentang stabilitas proses dan kondisi alat.
Mikroskop metalografi dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) memeriksa perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh penggilingan kasar, terutama dalam penilaian pembentukan lapisan putih dan deformasi subpermukaan.
Persyaratan Sampel
Spesimen metalografi standar memerlukan pemotongan tegak lurus terhadap permukaan yang dipotong, diikuti dengan pemasangan, penggilingan, penghalusan, dan etsa untuk mengungkap fitur mikrostruktur.
Persiapan permukaan harus menghindari deformasi tambahan yang dapat menutupi efek yang diinduksi oleh pemotongan, biasanya menggunakan teknik penghalusan elektrolitik yang hati-hati.
Sampel harus representatif dari kondisi produksi aktual, termasuk riwayat termal dan parameter pemotongan yang digunakan dalam proses manufaktur.
Parameter Uji
Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) kecuali secara khusus mengevaluasi efek pemotongan suhu tinggi.
Rentang kecepatan pemotongan untuk pengujian penggilingan kasar biasanya berkisar antara 50-300 m/menit untuk baja karbon dan paduan, dengan laju umpan antara 0,1-1,0 mm/rev.
Parameter kritis termasuk geometri alat (sudut rake, sudut clearance), metode aplikasi cairan pemotongan, dan karakteristik kekakuan alat mesin.
Pengolahan Data
Pengumpulan data utama melibatkan pengukuran gaya yang diambil pada frekuensi 1-10 kHz untuk menangkap fenomena pemotongan transien.
Pendekatan statistik termasuk analisis varians (ANOVA) untuk menentukan faktor signifikan yang mempengaruhi kinerja penggilingan kasar dan analisis regresi untuk mengembangkan model prediktif.
Nilai akhir untuk kekasaran permukaan biasanya rata-rata dari beberapa pengukuran di seluruh permukaan yang dipotong untuk memperhitungkan variasi arah dan ketidakteraturan lokal.
Rentang Nilai Tipikal
| Klasifikasi Baja | Rentang Kekasaran Permukaan Tipikal (Ra) |
|---|