Penggilingan Kulit: Teknik Persiapan Permukaan untuk Kontrol Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemotongan kulit adalah proses pemesinan presisi yang digunakan dalam industri baja untuk menghilangkan lapisan permukaan (kulit) produk baja, terutama slab, billet, bloom, atau pelat. Proses ini secara selektif menghilangkan lapisan paling luar dari material yang biasanya mengandung cacat permukaan, dekarbonisasi, skala, atau ketidaksempurnaan lain yang terbentuk selama proses pengecoran, penggulungan, atau perlakuan panas.

Tujuan utama dari pemotongan kulit adalah untuk meningkatkan kualitas permukaan dan akurasi dimensi produk baja sebelum pemrosesan selanjutnya atau pengiriman akhir. Dengan menghilangkan lapisan luar yang cacat, produsen dapat menghilangkan ketidakteraturan permukaan yang mungkin sebaliknya akan berkembang menjadi cacat pada produk jadi.

Dalam konteks yang lebih luas dari pemrosesan metalurgi, pemotongan kulit merupakan langkah kontrol kualitas yang kritis yang menghubungkan produksi baja primer dan manufaktur hilir. Ini berfungsi sebagai proses remedial untuk memperbaiki ketidaksempurnaan permukaan dan langkah persiapan untuk memastikan kondisi optimal untuk operasi selanjutnya seperti penggulungan, penempaan, atau pengelasan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemotongan kulit menghilangkan lapisan permukaan heterogen dari baja yang berbeda secara signifikan dari material inti. Lapisan permukaan ini sering mengandung inklusi non-logam, partikel oksida, dan daerah dengan komposisi kimia yang berubah akibat interaksi dengan atmosfer selama pemrosesan.

Kulit luar produk baja biasanya menunjukkan struktur butir yang berbeda dibandingkan dengan material inti. Dekarbonisasi permukaan, di mana kandungan karbon berkurang dekat permukaan akibat paparan suhu tinggi terhadap oksigen, menciptakan gradien sifat mekanik dari permukaan ke inti. Pemotongan kulit menghilangkan lapisan yang terkompromi ini untuk mengekspos material dengan sifat yang konsisten.

Proses ini secara fisik memotong logam pada tingkat mikroskopis, menciptakan permukaan baru dengan memutus ikatan atom di sepanjang bidang kristalografi tertentu. Mekanika pemotongan melibatkan deformasi plastis di depan tepi pemotong, diikuti oleh pembentukan chip dan pemisahan dari benda kerja.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemotongan kulit adalah model pemotongan ortogonal, yang menganalisis mekanika penghilangan material sebagai proses dua dimensi. Model ini, yang dipelopori oleh Merchant pada tahun 1940-an, menggambarkan hubungan antara gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material.

Pemahaman sejarah tentang pemotongan kulit berkembang dari praktik empiris di lapangan menjadi analisis ilmiah tentang mekanika pemotongan logam. Pekerjaan awal abad ke-20 oleh Taylor menetapkan hubungan dasar antara parameter pemotongan dan umur alat, sementara penelitian selanjutnya oleh Ernst, Merchant, dan lainnya mengembangkan model komprehensif tentang pembentukan chip.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) yang mensimulasikan interaksi termo-mekanis kompleks selama pemotongan, dan simulasi dinamika molekuler yang memeriksa proses pada skala atom. Pendekatan ini berbeda dari model klasik dengan mempertimbangkan sensitivitas laju regangan, efek termal, dan evolusi mikrostruktur selama pemesinan.

Dasar Ilmu Material

Pemotongan kulit berinteraksi langsung dengan struktur kristal baja, di mana gaya pemotongan menyebabkan pergerakan dislokasi dan deformasi plastis. Efektivitas proses bervariasi dengan orientasi kristalografi, karena sistem slip tertentu lebih mudah diaktifkan selama pemotongan.

Batas butir dalam baja secara signifikan mempengaruhi proses pemotongan. Struktur butir yang lebih halus biasanya menghasilkan penyelesaian permukaan yang lebih baik, sementara butir kasar dapat menyebabkan permukaan yang tidak teratur atau robekan selama pemesinan. Kehadiran fase yang berbeda (ferrit, perlit, martensit) mempengaruhi gaya pemotongan dan pola keausan alat.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, di mana deformasi plastis meningkatkan kekuatan material, dan pelunakan termal, di mana panas yang dihasilkan oleh pemotongan mengurangi ketahanan material. Keseimbangan antara mekanisme yang bersaing ini menentukan karakteristik pembentukan chip dan kualitas permukaan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Kecepatan penghilangan material (MRR) dalam pemotongan kulit didefinisikan sebagai:

$$MRR = a_p \times a_e \times v_f$$

Di mana:
- $a_p$ = kedalaman potong aksial (mm)
- $a_e$ = lebar potong radial (mm)
- $v_f$ = laju umpan (mm/menit)

Rumus Perhitungan Terkait

Daya pemotongan yang diperlukan untuk pemotongan kulit dapat dihitung sebagai:

$$P_c = \frac{k_c \times MRR}{60,000}$$

Di mana:
- $P_c$ = daya pemotongan (kW)
- $k_c$ = gaya pemotongan spesifik (N/mm²)
- $MRR$ = kecepatan penghilangan material (mm³/menit)

Kekasaran permukaan dapat diperkirakan menggunakan:

$$R_a \approx \frac{f_z^2}{8 \times r_\varepsilon}$$

Di mana:
- $R_a$ = rata-rata kekasaran aritmetika (μm)
- $f_z$ = umpan per gigi (mm)
- $r_\varepsilon$ = jari-jari hidung alat (mm)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan kondisi pemotongan keadaan tetap tanpa keausan alat atau getaran yang signifikan. Mereka berlaku untuk operasi pemotongan konvensional dengan pengaturan yang kaku dan keterlibatan alat yang tepat.

Model-model ini memiliki batasan ketika kecepatan pemotongan melebihi ambang tertentu di mana efek termal mendominasi, biasanya di atas 300-400 m/menit untuk baja karbon. Pada kedalaman potong yang sangat rendah (di bawah 0,1 mm), efek ukuran menjadi signifikan dan model kehilangan akurasi.

Persamaan ini mengasumsikan sifat material benda kerja yang homogen, yang mungkin tidak berlaku untuk material terpisah atau komposit. Mereka juga mengabaikan efek dinamis seperti getaran chatter yang dapat secara signifikan mengubah proses penghilangan material yang sebenarnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E3-11: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Menyediakan persiapan sampel untuk memeriksa kualitas permukaan yang dipotong kulit.

ISO 4287: Spesifikasi Produk Geometris (GPS) - Tekstur permukaan - Menyediakan parameter untuk mengukur kekasaran permukaan setelah pemotongan kulit.

ASTM B46.1: Tekstur Permukaan - Menetapkan metode untuk mengukur dan melaporkan karakteristik permukaan produk yang diproses.

ISO 8688-2: Pengujian Umur Alat dalam Pemotongan - Menguraikan prosedur untuk mengevaluasi kinerja alat selama operasi pemotongan wajah seperti pemotongan kulit.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Profilometer permukaan mengukur topografi permukaan yang dipotong kulit menggunakan metode stylus kontak atau teknik optik non-kontak. Instrumen ini mengukur parameter seperti rata-rata kekasaran (Ra) dan tinggi profil maksimum (Rz).

Mesin pengukur koordinat (CMM) menilai akurasi dimensi dan datar permukaan yang dipotong kulit. Mereka beroperasi dengan menyentuh benda kerja di titik-titik yang ditentukan dan membandingkan koordinat yang diukur dengan nilai nominal.

Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) untuk memeriksa mikrostruktur permukaan pada pembesaran tinggi, mengungkapkan fitur seperti robekan, pengaburan, atau mikroretak yang mungkin tidak terlihat melalui inspeksi konvensional.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar harus memiliki dimensi yang sesuai untuk peralatan pengujian,