Memutar: Proses Pembentukan Logam untuk Komponen Silindris Berongga

Definisi dan Konsep Dasar

Spinning dalam industri baja mengacu pada proses pembentukan logam di mana cakram atau tabung logam yang berputar secara bertahap dibentuk di atas mandrel atau bentuk menggunakan tekanan lokal dari rol atau alat. Teknik deformasi bertahap ini menciptakan komponen berongga yang simetris sumbu dengan dimensi yang tepat dan sifat mekanik yang ditingkatkan. Proses ini mengubah pelat logam datar atau pra-bentuk tubular menjadi komponen berongga tanpa sambungan melalui deformasi plastik yang terkontrol.

Spinning menempati posisi penting dalam pengolahan baja karena memungkinkan produksi geometri kompleks dengan limbah material yang minimal dibandingkan dengan pemesinan tradisional. Ini menjembatani metode pembentukan konvensional dan teknik pembentukan khusus, memungkinkan produsen untuk menciptakan komponen dengan rasio kekuatan-terhadap-berat yang lebih baik.

Dalam pengolahan metalurgi, spinning merupakan teknik kerja dingin atau panas yang penting yang menyebabkan perubahan mikrostruktur yang menguntungkan. Deformasi yang terkontrol menciptakan pengerasan regangan dan pemurnian butir yang dapat secara signifikan meningkatkan sifat mekanik sambil mempertahankan presisi dimensi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, spinning menyebabkan deformasi plastik melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Saat alat pembentuk menerapkan tekanan lokal pada benda kerja yang berputar, dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, menyebabkan deformasi permanen. Proses deformasi yang terkontrol ini menciptakan pengerasan regangan saat dislokasi saling berinteraksi dan menghalangi pergerakan satu sama lain.

Mekanisme deformasi bervariasi dengan suhu, dengan spinning dingin terutama melibatkan keterikatan dislokasi dan pengerasan regangan. Spinning panas, yang dilakukan di atas suhu rekristalisasi, melibatkan proses pemulihan dinamis dan rekristalisasi yang mempertahankan kemampuan kerja sambil mencegah pengerasan yang berlebihan.

Perkembangan mikrostruktur selama spinning mencakup pemanjangan butir searah aliran material, pengembangan tekstur, dan potensi transformasi fase tergantung pada komposisi baja dan parameter pemrosesan. Perubahan ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik dari komponen akhir.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan spinning logam adalah teori deformasi bertahap, yang memperlakukan proses ini sebagai serangkaian peristiwa deformasi plastik lokal. Model ini menggabungkan prinsip-prinsip teori plastisitas, mempertimbangkan kriteria hasil, aturan aliran, dan hukum pengerasan untuk memprediksi perilaku material selama pembentukan.

Pemahaman sejarah tentang spinning berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi analisis ilmiah pada pertengahan abad ke-20. Model awal menggunakan pendekatan teori membran, sementara pendekatan modern menggabungkan analisis elemen hingga (FEA) dengan model material elasto-plastik.

Pendekatan teoretis yang berbeda termasuk metode batas atas, yang memberikan estimasi gaya berdasarkan pertimbangan energi, dan teori bidang slip-line untuk kondisi regangan datar. Model yang lebih komprehensif menggabungkan plastisitas anisotropik untuk memperhitungkan pengembangan tekstur selama deformasi.

Dasar Ilmu Material

Spinning secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan memperpanjang butir searah aliran material dan memperkenalkan tekstur kristal. Proses ini menciptakan orientasi preferensial dari bidang kristal, yang mengarah pada sifat mekanik anisotropik pada komponen yang selesai.

Batas butir mengalami perubahan signifikan selama spinning, dengan pemurnian butir terjadi melalui subdivisi butir yang ada. Peningkatan area batas butir berkontribusi pada penguatan melalui hubungan Hall-Petch, sambil juga mempengaruhi sifat lain seperti ketahanan korosi.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur spinning mencakup pengerasan kerja, pemulihan, rekristalisasi, dan pengembangan tekstur. Prinsip-prinsip ini menjelaskan bagaimana deformasi yang terkontrol dapat digunakan untuk merancang mikrostruktur dan sifat tertentu dalam komponen baja.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Gaya spinning dasar dapat dinyatakan sebagai:

$$F = k \cdot t_0 \cdot t_f \cdot \sigma_y$$

Di mana:
- $F$ = gaya pembentukan (N)
- $k$ = koefisien proses (tanpa dimensi)
- $t_0$ = ketebalan awal (mm)
- $t_f$ = ketebalan akhir (mm)
- $\sigma_y$ = kekuatan hasil material (MPa)

Formula Perhitungan Terkait

Pengurangan ketebalan selama spinning dapat dihitung menggunakan:

$$\varepsilon_t = \frac{t_0 - t_f}{t_0} \times 100\%$$

Di mana:
- $\varepsilon_t$ = pengurangan ketebalan (%)
- $t_0$ = ketebalan awal (mm)
- $t_f$ = ketebalan akhir (mm)

Persyaratan daya untuk operasi spinning dapat diperkirakan dengan:

$$P = \frac{F \cdot v}{1000 \cdot \eta}$$

Di mana:
- $P$ = daya (kW)
- $F$ = gaya pembentukan (N)
- $v$ = laju umpan alat (m/s)
- $\eta$ = faktor efisiensi (tanpa dimensi)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku untuk proses spinning konvensional dengan pengurangan ketebalan di bawah 50% per lintasan. Mereka mengasumsikan kondisi isotermal dan sifat material yang homogen di seluruh benda kerja.

Model matematis memiliki batasan saat berhadapan dengan geometri kompleks, material anisotropik, atau operasi spinning multi-tahap. Mereka biasanya tidak memperhitungkan efek dinamis seperti springback atau pengembangan stres residu.

Kebanyakan perhitungan spinning mengasumsikan perilaku material kaku-plastik, mengabaikan efek elastis yang menjadi signifikan dalam aplikasi presisi. Variasi suhu selama pemrosesan juga dapat memperkenalkan deviasi dari nilai yang diprediksi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Digunakan untuk mengevaluasi sifat mekanik komponen yang diputar
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode uji pada suhu kamar
• ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Untuk analisis mikrostruktur bagian yang diputar
• ISO 4516: Pelapisan logam dan anorganik lainnya — Uji mikrokeras Vickers dan Knoop - Untuk profil kekerasan di seluruh bagian yang diputar

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum untuk mengevaluasi komponen yang diputar termasuk mesin pengukur koordinat (CMM) untuk penilaian akurasi dimensi. Sistem ini menggunakan probe sentuh atau sensor optik untuk memetakan koordinat permukaan dan membandingkannya dengan spesifikasi desain.

Evaluasi sifat mekanik biasanya menggunakan mesin uji universal dengan perlengkapan khusus untuk pengujian tarik, kompresi, dan kekerasan. Mesin ini mengukur hubungan gaya-pergeseran untuk menentukan kekuatan, duktilitas, dan profil kekerasan.

Karakterisasi lanjutan sering melibatkan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk analisis tekstur dan pengukuran stres residu menggunakan teknik difraksi sinar-X. Metode ini memberikan wawasan tentang perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh proses spinning.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk pengujian mekanik memerlukan ekstraksi yang hati-hati dari komponen yang diputar, biasanya diorientasikan dalam arah sirkumferensial dan aksial. Spesimen tarik umumnya mengikuti dimensi ASTM E8 dengan panjang gauge 50mm untuk sampel yang berasal dari lembaran.

Persiapan permukaan untuk analisis metalografi memerlukan penggilingan dan pemolesan bertahap untuk mencapai permukaan bebas goresan. Pemolesan akhir biasanya