Pemotongan: Teknologi Pemotongan Presisi dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemotongan adalah proses manufaktur yang memotong bahan stok dengan menerapkan tegangan geser melebihi kekuatan geser maksimum bahan, yang mengakibatkan pemisahan material. Ini merupakan operasi pembentukan logam yang mendasar di mana material dipisahkan tanpa pembentukan chip atau penggunaan pembakaran atau peleburan.

Dalam ilmu dan teknik material, pemotongan sangat penting untuk mempersiapkan bahan stok ke dimensi yang diinginkan sebelum operasi pemrosesan selanjutnya. Proses ini melibatkan limbah material yang minimal dan dapat dilakukan pada suhu kamar (pemotongan dingin) atau pada suhu tinggi (pemotongan panas).

Dalam metalurgi, pemotongan menempati posisi penting sebagai metode fabrikasi utama dan pertimbangan sifat mekanik. Memahami perilaku geser sangat penting untuk memprediksi kinerja material di bawah kondisi beban yang kompleks dan untuk merancang operasi pemotongan yang efisien dalam proses manufaktur.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemotongan melibatkan perpindahan bidang atom relatif satu sama lain ketika gaya yang cukup diterapkan. Perpindahan ini terjadi sepanjang bidang slip, yang merupakan bidang kristalografi dengan densitas atom tertinggi dan jarak antar bidang terbesar.

Proses pemotongan menyebabkan deformasi plastis yang parah di zona lokal, menciptakan dislokasi yang bergerak melalui kisi kristal. Ketika dislokasi ini berlipat ganda dan berinteraksi, mereka menyebabkan pengerasan kerja di zona yang terpengaruh geser, yang akhirnya mengarah pada inisiasi dan propagasi retakan.

Model Teoretis

Teori klasik pemotongan logam dikembangkan oleh Tresca dan von Mises, yang menetapkan kriteria hasil untuk memprediksi kapan material mulai mengalami deformasi plastis di bawah tegangan geser. Teori tegangan geser maksimum (kriteria Tresca) menyatakan bahwa hasil mulai terjadi ketika tegangan geser maksimum mencapai nilai kritis.

Secara historis, pemahaman tentang pemotongan berkembang dari pengamatan empiris menjadi model yang canggih yang menggabungkan plastisitas kristal. Pekerja logam awal mengandalkan pengalaman, sementara pendekatan modern mengintegrasikan teori dislokasi dan analisis elemen hingga.

Model kontemporer mencakup persamaan konstitutif yang bergantung pada laju yang memperhitungkan efek laju regangan, yang sangat penting dalam operasi pemotongan kecepatan tinggi. Model Johnson-Cook dan Zerilli-Armstrong sering digunakan untuk memprediksi perilaku material di bawah kondisi pemotongan dinamis.

Dasar Ilmu Material

Perilaku pemotongan sangat terkait dengan struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan respons geser yang berbeda karena sistem slip mereka yang berbeda. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempengaruhi kekuatan geser keseluruhan.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi kinerja pemotongan, dengan material berbutir halus biasanya memerlukan gaya geser yang lebih tinggi dibandingkan dengan rekan-rekan berbutir kasar. Distribusi fase dalam baja multi-fase menciptakan jalur geser yang kompleks, dengan fase yang lebih keras menahan deformasi sementara fase yang lebih lunak mengakomodasi regangan.

Pemotongan terhubung dengan prinsip dasar deformasi plastis, pengerasan regangan, dan mekanika retak. Keseimbangan antara perilaku duktil dan rapuh selama pemotongan tergantung pada suhu, laju regangan, dan fitur mikrostruktur yang mengontrol mobilitas dislokasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Persamaan tegangan geser dasar dinyatakan sebagai:

$$\tau = \frac{F}{A}$$

Di mana:
- $\tau$ = tegangan geser (MPa atau psi)
- $F$ = gaya yang diterapkan sejajar dengan area penampang (N atau lbf)
- $A$ = area penampang yang menahan gaya geser (mm² atau in²)

Rumus Perhitungan Terkait

Gaya yang diperlukan untuk memotong material dapat dihitung menggunakan:

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

Di mana:
- $F$ = gaya pemotongan (N atau lbf)
- $L$ = panjang potongan (mm atau in)
- $t$ = ketebalan material (mm atau in)
- $\tau_{max}$ = kekuatan geser maksimum material (MPa atau psi)

Untuk operasi pemotongan sudut, gaya dapat dikurangi dengan:

$$F_{angular} = F \times \frac{t}{\tan(\theta)}$$

Di mana:
- $F_{angular}$ = gaya yang diperlukan dengan bilah miring
- $\theta$ = sudut bilah pemotongan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh penampang dan paling akurat untuk operasi pemotongan dingin pada laju regangan sedang. Mereka berlaku terutama untuk material duktil yang mengalami deformasi plastis sebelum retak.

Model menjadi kurang akurat untuk material yang sangat tipis di mana efek pembengkokan mendominasi, atau untuk bagian yang sangat tebal di mana gesekan di sepanjang permukaan potong secara signifikan mempengaruhi kebutuhan gaya. Efek suhu tidak diperhitungkan dalam rumus dasar ini.

Asumsi termasuk tepi pemotongan yang tajam, celah yang tepat antara bilah, dan efek dari laju regangan yang dapat diabaikan. Untuk operasi kecepatan tinggi atau pemotongan panas, faktor tambahan harus dimasukkan untuk memperhitungkan perubahan perilaku material.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM B831: Metode Uji Standar untuk Pengujian Geser Produk Paduan Aluminium Tipis - Menyediakan prosedur untuk menentukan sifat geser lembaran dan pelat aluminium.

ISO 12996: Penyambungan mekanis - Pengujian destruktif sambungan - Dimensi spesimen dan prosedur uji untuk pengujian geser tarik sambungan tunggal - Menyediakan metode standar untuk mengevaluasi kekuatan geser sambungan mekanis.

ASTM A370: Metode Uji dan Definisi Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja - Termasuk prosedur pengujian geser untuk berbagai produk baja.

ASTM D732: Metode Uji Standar untuk Kekuatan Geser Plastik dengan Alat Punch - Meskipun terutama untuk plastik, metodologi ini kadang-kadang diadaptasi untuk lembaran logam tipis.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian geser biasanya dilengkapi dengan dua bilah atau punch yang saling berlawanan yang menerapkan gaya pada spesimen. Mesin pengujian universal dapat dilengkapi dengan fixture uji geser khusus untuk melakukan pengujian standar.

Prinsipnya melibatkan penerapan gaya sejajar dengan bidang geser yang dimaksud sambil membatasi material untuk mencegah pembengkokan atau beban tarik. Sel beban mengukur gaya yang diterapkan, sementara transduser perpindahan melacak pergerakan elemen pemotongan.

Peralatan canggih dapat mencakup kamera kecepatan tinggi untuk pengujian geser dinamis atau penguji dampak terinstrumentasi untuk karakterisasi laju regangan tinggi. Sistem pencitraan termal dapat memantau perubahan suhu selama proses pemotongan.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji geser standar biasanya memiliki penampang persegi panjang dengan dimensi yang diproses dengan tepat. Untuk material lembaran, lebar tipikal berkisar antara 25-50mm dengan panjang yang cukup untuk memungkinkan pegangan yang tepat.

Persyaratan persiapan permukaan mencakup penghilangan burr di tepi dan memastikan datar untuk mencegah kegagalan prematur akibat konsentrasi stres. Kekasaran permukaan harus dikendalikan dan konsisten di seluruh spesimen uji.

Spesimen harus bebas dari deformasi sebelumnya atau zona yang terpengaruh panas yang dapat mengubah sifat material lokal. Untuk material anisotropik, orientasi spesimen relatif terhadap arah penggulungan harus didokumentasikan.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu kamar