Pemotongan dalam Produksi Baja: Metode Pemotongan Presisi & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Memotong adalah proses penghilangan material yang menggunakan alat pemotong multi-gigi (mata gergaji) untuk memisahkan material melalui serangkaian potongan kecil yang terpisah yang membentuk kerf yang sempit. Dalam industri baja, pemotongan merupakan salah satu operasi pemotongan dasar yang digunakan untuk penyesuaian ukuran, pemotongan bagian, dan penyelesaian produk baja. Proses ini melibatkan gerakan relatif antara mata gergaji yang bergigi dan benda kerja, dengan setiap gigi menghilangkan serpihan kecil material.

Memotong menempati posisi penting dalam pengolahan baja karena memungkinkan kontrol dimensi yang tepat sambil meminimalkan limbah material dibandingkan dengan metode pemisahan lainnya. Proses ini menjembatani produksi baja primer dan operasi manufaktur berikutnya, berfungsi sebagai langkah penyelesaian di pabrik baja dan langkah persiapan di fasilitas fabrikasi.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pemotongan merupakan teknik pemisahan mekanis yang terkontrol yang harus mempertimbangkan sifat material termasuk kekerasan, duktilitas, dan mikrostruktur. Berbeda dengan metode pemotongan termal, pemotongan mempertahankan integritas metalurgi dari tepi potongan, menjaga sifat material di seluruh antarmuka potongan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikroskopis, pemotongan melibatkan deformasi plastik lokal yang diikuti oleh patahan saat setiap gigi berinteraksi dengan benda kerja baja. Ujung pemotong setiap gigi menciptakan konsentrasi tegangan yang melebihi kekuatan luluh material, membentuk serpihan melalui kombinasi mekanisme geser dan bajak.

Geometri gigi menciptakan tiga zona deformasi yang berbeda: zona geser primer (di mana serpihan terbentuk), zona geser sekunder (di antarmuka alat-serpihan), dan zona tersier (di mana permukaan yang baru dipotong berinteraksi dengan sisi alat). Zona-zona ini mengalami laju regangan dan suhu yang berbeda, mempengaruhi mekanika pemotongan dan kualitas permukaan.

Proses pembentukan serpihan dalam pemotongan baja melibatkan pengerasan kerja di depan ujung pemotong, dengan struktur kristal material mengalami distorsi signifikan sebelum pemisahan terjadi. Mekanisme ini berbeda secara substansial antara baja duktil dan rapuh, dengan kelas duktil membentuk serpihan kontinu dan kelas rapuh menghasilkan serpihan tersegmentasi atau tidak kontinu.

Model Teoretis

Model pemotongan ortogonal berfungsi sebagai kerangka teoretis utama untuk memahami mekanika pemotongan. Model ini, yang dipelopori oleh Merchant pada tahun 1940-an, menggambarkan hubungan antara gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material dalam representasi dua dimensi yang disederhanakan.

Perkembangan sejarah teori pemotongan berkembang dari pengamatan empiris menjadi model analitis yang menggabungkan prinsip-prinsip ilmu material. Penelitian awal oleh Taylor menetapkan hubungan antara kecepatan pemotongan dan umur alat, sementara penelitian selanjutnya oleh Oxley menggabungkan efek laju regangan dan suhu ke dalam model prediktif.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) yang mensimulasikan interaksi kompleks antara gigi gergaji dan material benda kerja, serta simulasi dinamika molekuler yang mengeksplorasi fenomena pemotongan pada skala nano. Metode komputasi ini melengkapi model analitis tradisional dengan mempertimbangkan perilaku material non-linear dan geometri gigi yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Kinerja pemotongan secara langsung berkaitan dengan struktur kristal baja, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat muka (FCC) menunjukkan respons pemotongan yang berbeda. Batas butir bertindak sebagai hambatan terhadap pergerakan dislokasi selama pemotongan, mempengaruhi pembentukan serpihan dan kualitas permukaan.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi perilaku pemotongan, dengan faktor-faktor seperti distribusi fase, ukuran butir, dan kandungan inklusi menentukan gaya pemotongan dan laju aus alat. Baja ferritik-perlitik biasanya menunjukkan karakteristik pemotongan yang berbeda dibandingkan dengan kelas martensitik atau austenitik karena mekanisme deformasi mereka yang berbeda.

Pemotongan terhubung dengan prinsip-prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan pelunakan termal. Mekanisme yang bersaing ini menentukan respons material terhadap laju regangan tinggi dan pemanasan lokal yang terjadi selama proses pemotongan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Gaya pemotongan dasar dalam pemotongan dapat dinyatakan sebagai:

$$F_c = k_s \cdot A_c$$

Di mana $F_c$ adalah gaya pemotongan (N), $k_s$ adalah gaya pemotongan spesifik (N/mm²), dan $A_c$ adalah luas penampang serpihan (mm²).

Rumus Perhitungan Terkait

Laju penghilangan material (MRR) dalam operasi pemotongan dihitung sebagai:

$$MRR = w \cdot d \cdot v_f$$

Di mana $w$ adalah lebar kerf (mm), $d$ adalah kedalaman potong (mm), dan $v_f$ adalah laju umpan (mm/menit).

Persyaratan daya pemotongan dapat ditentukan menggunakan:

$$P = \frac{F_c \cdot v_c}{60,000}$$

Di mana $P$ adalah daya (kW), $F_c$ adalah gaya pemotongan (N), dan $v_c$ adalah kecepatan pemotongan (m/menit).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan kondisi pemotongan keadaan tetap tanpa memperhitungkan efek masuk dan keluar yang terjadi pada awal dan akhir potongan. Mereka paling valid untuk operasi pemotongan kontinu dengan sifat material yang seragam.

Model-model ini memiliki batasan ketika diterapkan pada baja yang mengeras kerja di mana gaya pemotongan spesifik meningkat selama proses pemotongan. Selain itu, rumus-rumus ini tidak memperhitungkan efek termal yang menjadi signifikan pada kecepatan pemotongan yang lebih tinggi.

Asumsi dasar termasuk sifat material yang seragam di seluruh benda kerja, sistem alat yang kaku tanpa defleksi, dan geometri alat yang sempurna tanpa kemajuan aus. Aplikasi praktis memerlukan faktor penyesuaian untuk memperhitungkan kondisi dunia nyata ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E3-11: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Mencakup teknik persiapan sampel untuk memeriksa permukaan yang dipotong gergaji.

ISO 8688: Pengujian Umur Alat dalam Penggilingan - Menyediakan metodologi yang dapat disesuaikan dengan operasi pemotongan untuk mengevaluasi kinerja alat dan kualitas potongan.

ASTM B912: Metode Uji Standar untuk Pasivitas dan Keruntuhan Titanium - Termasuk prosedur yang relevan untuk mengevaluasi material dan pelapis mata gergaji.

ISO 9001: Sistem Manajemen Mutu - Menetapkan persyaratan untuk kontrol proses pemotongan yang konsisten dalam lingkungan manufaktur.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer mengukur gaya pemotongan selama operasi pemotongan, biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk menangkap komponen gaya dalam beberapa arah. Instrumen ini memberikan data waktu nyata tentang mekanika pemotongan dan kinerja alat.

Profilometer permukaan mengukur kekasaran permukaan yang dipotong gergaji menggunakan prinsip pengukuran berbasis stylus atau optik. Perangkat ini menggambarkan topografi mikroskopis yang dihasilkan dari proses pemotongan.

Kamera berkecepatan tinggi dengan sistem pencahayaan khusus memungkinkan visualisasi pembentukan serpihan dan interaksi alat-benda kerja selama pemotongan. Peralatan ini membantu memvalidasi model teoretis dan mengidentifikasi anomali proses.

Peralatan canggih termasuk sensor emisi akustik yang mendeteksi gelombang stres yang dihasilkan selama pemotongan, memberikan indikasi awal aus alat atau ketidakkonsistenan material.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya memerlukan permukaan datar dan paralel dengan dimensi yang sesuai