Penggilingan: Proses Penghilangan Logam Presisi dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Turning adalah proses pemesinan di mana alat pemotong menghilangkan material dari benda kerja yang berputar untuk membuat bagian silindris dengan dimensi dan penyelesaian permukaan tertentu. Ini adalah salah satu operasi penghilangan logam yang paling mendasar dalam manufaktur, terutama di industri baja. Proses ini melibatkan pemutaran benda kerja di sekitar porosnya sementara alat pemotong titik tunggal bergerak sejajar dengan poros putaran, menghilangkan material untuk menciptakan bentuk yang diinginkan.

Dalam ilmu material dan rekayasa, turning mewakili antarmuka kritis antara sifat material dan kemampuan manufaktur. Proses ini secara langsung mempengaruhi mikrostruktur akhir, integritas permukaan, dan sifat mekanik komponen baja.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, turning menempati posisi signifikan karena menunjukkan bagaimana sifat material teoritis diterjemahkan menjadi pertimbangan manufaktur praktis. Kemudahan pemesinan baja—kemampuannya untuk dipotong secara efektif—merupakan indikator kinerja kunci yang harus dipertimbangkan oleh metalurgis saat mengembangkan komposisi baja baru.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, turning melibatkan deformasi plastis dan mekanisme patah. Saat tepi pemotong terlibat dengan benda kerja baja, ia menciptakan tiga zona deformasi: zona geser primer (di mana chip terbentuk), zona deformasi sekunder (di antarmuka alat-chip), dan zona deformasi tersier (antara alat dan permukaan yang baru terbentuk).

Proses pemotongan menghasilkan panas dan stres lokal yang signifikan, menyebabkan perubahan mikrostruktur pada baja. Dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, sementara batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan ini. Respons baja terhadap gaya-gaya ini tergantung pada struktur kristalnya, ukuran butir, dan komposisi fase.

Mekanisme pembentukan chip bervariasi dengan jenis baja—baja ulet biasanya membentuk chip kontinu melalui deformasi plastis, sementara baja rapuh menghasilkan chip tersegmentasi atau tidak kontinu melalui proses patah.

Model Teoritis

Model Lingkaran Merchant mewakili kerangka teoritis utama untuk memahami operasi turning. Dikembangkan oleh Eugene Merchant pada tahun 1940-an, model pemotongan ortogonal ini menghubungkan gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris ke model analitis. Para pemesin awal mengandalkan pengalaman, sementara pendekatan ilmiah dimulai dengan studi Waktu dan Gerakan pada awal abad ke-20, diikuti oleh model matematis pada pertengahan abad.

Pendekatan modern mencakup analisis elemen hingga (FEA) untuk memprediksi pembentukan chip dan gaya pemotongan, simulasi dinamika molekuler untuk interaksi skala nano, dan model material konstitutif yang menggabungkan efek regangan, laju regangan, dan suhu.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal baja secara signifikan mempengaruhi kemudahan pemesinannya. Struktur kubik berpusat badan (BCC) pada baja feritik umumnya diproses berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) pada baja austenitik karena perbedaan dalam sistem slip dan perilaku pengerasan kerja.

Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi selama pemotongan, mempengaruhi pembentukan chip. Baja dengan butir halus biasanya menghasilkan penyelesaian permukaan yang lebih baik tetapi dapat meningkatkan keausan alat karena kekuatan yang lebih tinggi.

Prinsip dasar pengerasan regangan, pelunakan termal, dan transformasi fase semuanya memainkan peran penting selama operasi turning. Keseimbangan antara mekanisme yang bersaing ini menentukan morfologi chip, gaya pemotongan, dan integritas permukaan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Kecepatan penghilangan material (MRR) dalam operasi turning didefinisikan sebagai:

$$MRR = \pi \times D \times f \times d$$

Di mana:
- $D$ adalah diameter benda kerja (mm)
- $f$ adalah laju umpan (mm/rev)
- $d$ adalah kedalaman potong (mm)

Rumus Perhitungan Terkait

Kecepatan pemotongan dalam turning dihitung sebagai:

$$v_c = \frac{\pi \times D \times N}{1000}$$

Di mana:
- $v_c$ adalah kecepatan pemotongan (m/menit)
- $D$ adalah diameter benda kerja (mm)
- $N$ adalah kecepatan spindle (rpm)

Waktu pemesinan untuk operasi turning dapat dihitung sebagai:

$$t_m = \frac{L}{f \times N}$$

Di mana:
- $t_m$ adalah waktu pemesinan (menit)
- $L$ adalah panjang potong (mm)
- $f$ adalah laju umpan (mm/rev)
- $N$ adalah kecepatan spindle (rpm)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan kondisi pemotongan keadaan tetap dengan sifat material yang seragam dan sistem mesin-alat-benda kerja yang kaku. Mereka tidak memperhitungkan kemajuan keausan alat atau ketidakstabilan dinamis.

Model ini umumnya berlaku untuk operasi turning konvensional tetapi mungkin memerlukan modifikasi untuk pemesinan kecepatan tinggi atau aplikasi micro-turning. Efek suhu menjadi semakin signifikan pada kecepatan pemotongan yang lebih tinggi.

Persamaan ini mengasumsikan sifat material yang homogen, yang mungkin tidak berlaku untuk mikrostruktur heterogen atau material komposit. Faktor tambahan harus dipertimbangkan untuk benda kerja yang tidak seragam.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ISO 3685: Pengujian masa pakai alat dengan alat pemotong titik tunggal—menetapkan prosedur standar untuk mengevaluasi kinerja alat selama operasi turning.

ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikroindentasi Material—sering digunakan untuk mengevaluasi perubahan kekerasan subsurface setelah turning.

ISO 4287/4288: Parameter tekstur permukaan dan prosedur evaluasi—mendefinisikan pengukuran dan karakterisasi kekasaran permukaan setelah pemesinan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer mengukur gaya pemotongan selama operasi turning, biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi gaya dalam tiga arah ortogonal. Pengukuran ini membantu mengevaluasi kemudahan pemesinan dan memvalidasi model teoritis.

Profilometer permukaan mengukur parameter kekasaran permukaan menggunakan metode kontak (stylus) atau non-kontak (optik). Instrumen ini melacak topografi permukaan untuk menghitung parameter seperti Ra (rata-rata kekasaran aritmatika) dan Rz (tinggi maksimum).

Peralatan canggih mencakup kamera termal berkecepatan tinggi untuk analisis distribusi suhu, sensor emisi akustik untuk pemantauan kondisi alat, dan mikroskop elektron pemindaian untuk pemeriksaan mikrostruktur.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji turning standar biasanya berupa batang silindris dengan diameter berkisar antara 25-100mm dan panjang yang sesuai untuk protokol uji tertentu. Diameter yang lebih besar memberikan kondisi pemotongan yang lebih stabil tetapi mengkonsumsi lebih banyak material.

Persiapan permukaan sebelum pengujian umumnya memerlukan pemesinan awal yang konsisten untuk memastikan kondisi awal yang seragam. Setiap skala, dekarburisasi, atau cacat permukaan harus dihilangkan.

Spesimen harus memiliki kekerasan dan mikrostruktur yang seragam di seluruh volume uji. Sertifikasi material yang mendokumentasikan komposisi kimia dan sifat mekanik biasanya diperlukan.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) kecuali secara khusus mengevaluasi kinerja suhu tinggi. Kontrol lingkungan mungkin diperlukan untuk pengukuran presisi.

Kecepatan pemotongan bervariasi berdasarkan material tetapi biasanya berkisar antara 30-300 m/menit untuk baja karbon dan paduan. Laju umpan umumnya berkisar antara 0.05-0.5 mm/re