Penggilingan Kembar: Pemesinan Presisi Dual-Head dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemotongan kembar mengacu pada proses pemesinan khusus dalam industri baja di mana dua pemotong milling beroperasi secara bersamaan pada benda kerja yang sama, biasanya dari sisi yang berlawanan atau pada sudut yang saling melengkapi. Teknik pemesinan canggih ini memungkinkan penghilangan material secara bersamaan dari beberapa permukaan komponen baja, secara signifikan meningkatkan efisiensi produksi dan akurasi dimensi.

Pemotongan kembar merupakan kemajuan penting dalam teknologi pengolahan baja, memungkinkan produsen mencapai presisi yang lebih tinggi sambil mengurangi waktu produksi dibandingkan dengan operasi pemotongan tunggal konvensional. Proses ini sangat berharga untuk produksi volume tinggi komponen baja kompleks yang memerlukan beberapa permukaan yang diproses.

Dalam konteks yang lebih luas dari manufaktur metalurgi, pemotongan kembar menjembatani kesenjangan antara metode pemesinan tradisional dan sistem produksi otomatis canggih. Ini mencerminkan evolusi industri menuju proses penghilangan material yang lebih efisien sambil mempertahankan toleransi ketat yang diperlukan untuk aplikasi baja modern.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pemotongan kembar beroperasi melalui penghilangan material yang disinkronkan pada tingkat mikrostruktur, di mana beberapa tepi pemotong terlibat dengan benda kerja baja secara bersamaan. Proses ini menciptakan zona deformasi geser yang terkontrol di setiap antarmuka pemotong, menghasilkan chip melalui deformasi plastik dari mikrostruktur baja.

Mechanika pemotongan melibatkan distribusi stres yang kompleks di seluruh beberapa bidang geser, dengan zona deformasi primer dan sekunder terbentuk di setiap antarmuka pemotong. Tindakan pemotongan simultan ini menciptakan efek interaksi unik antara bidang deformasi, mempengaruhi pembentukan chip dan integritas permukaan.

Respon material selama pemotongan kembar tergantung pada struktur butir baja, komposisi fase, dan distribusi kekerasan. Proses ini menyebabkan pengerasan kerja lokal dan potensi transformasi mikrostruktur di lapisan permukaan yang diproses.

Model Teoretis

Model gaya lingkaran Merchant, yang disesuaikan untuk beberapa antarmuka pemotongan, berfungsi sebagai kerangka teoretis utama untuk operasi pemotongan kembar. Model ini menggambarkan hubungan antara gaya pemotongan, geometri alat, dan sifat material di seluruh beberapa zona pemotongan.

Pemahaman tentang pemotongan kembar berkembang dari teori pemotongan titik tunggal pada tahun 1950-an menjadi model yang lebih canggih pada tahun 1980-an yang memperhitungkan interaksi pemotong yang lebih dari satu. Pendekatan komputasi modern menggabungkan analisis elemen hingga untuk memprediksi perilaku material di bawah keadaan stres yang kompleks.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk teori bidang slip-line untuk deformasi plastik dan model material Johnson-Cook untuk deformasi dengan laju regangan tinggi. Model-model ini menawarkan perspektif komplementer tentang perilaku material yang kompleks selama pemotongan multi-titik secara simultan.

Dasar Ilmu Material

Kinerja pemotongan kembar berkaitan langsung dengan struktur kristal dan karakteristik batas butir dari baja yang diproses. Struktur kubik berpusat muka biasanya menunjukkan mekanisme pembentukan chip yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat badan ketika dikenakan gaya pemotongan secara bersamaan.

Heterogenitas mikrostruktur baja, termasuk distribusi ukuran butir, proporsi fase, dan kandungan inklusi, secara signifikan mempengaruhi respon material terhadap pemotongan kembar. Struktur butir yang lebih halus umumnya menghasilkan penyelesaian permukaan yang lebih konsisten di seluruh beberapa permukaan yang diproses.

Proses ini secara fundamental bergantung pada prinsip deformasi plastik, pengerasan regangan, dan pelunakan termal yang mengatur penghilangan material pada material logam. Mekanisme ini menentukan morfologi chip, gaya pemotongan, dan integritas permukaan yang dihasilkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kecepatan penghilangan material dasar (MRR) dalam pemotongan kembar dapat dinyatakan sebagai:

$MRR = MRR_1 + MRR_2 = (a_p \times a_e \times v_f)_1 + (a_p \times a_e \times v_f)_2$

Di mana $a_p$ mewakili kedalaman pemotongan aksial (mm), $a_e$ adalah kedalaman pemotongan radial (mm), dan $v_f$ adalah laju umpan (mm/menit) untuk setiap pemotong (ditunjukkan dengan subskrip 1 dan 2).

Formula Perhitungan Terkait

Persyaratan daya pemotongan untuk operasi pemotongan kembar dapat dihitung sebagai:

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

Di mana $P_c$ adalah daya pemotongan (kW), $k_c$ adalah gaya pemotongan spesifik (N/mm²), dan MRR adalah laju penghilangan material (mm³/menit).

Prediksi kekasaran permukaan dalam pemotongan kembar mengikuti:

$R_a = \frac{f^2}{32 \times r} \times \frac{1}{\sin\kappa_r}$

Di mana $R_a$ adalah kekasaran rata-rata aritmatika (μm), $f$ adalah umpan per gigi (mm), $r$ adalah jari-jari hidung alat (mm), dan $\kappa_r$ adalah sudut masuk (derajat).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku di bawah kondisi pemotongan keadaan mantap dengan sistem mesin-alat-benda kerja yang kaku dan material benda kerja yang homogen. Mereka mengasumsikan keausan alat yang dapat diabaikan selama periode pemotongan yang dievaluasi.

Model memiliki batasan ketika diterapkan pada baja yang sangat heterogen atau ketika terjadi getaran signifikan antara pemotong kembar. Efek suhu menjadi semakin signifikan pada kecepatan pemotongan yang lebih tinggi, yang dapat membatalkan model dasar.

Asumsi dasar termasuk sifat material yang seragam di seluruh benda kerja, geometri alat yang konsisten, dan deviasi benda kerja yang dapat diabaikan antara gaya pemotongan yang berlawanan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ISO 8688-2 menyediakan metode standar untuk mengevaluasi kinerja umur alat pemotongan, yang berlaku untuk evaluasi dan perbandingan pemotong milling kembar.

ASTM E3 mencakup metode persiapan standar untuk spesimen metalografi, yang penting untuk menganalisis efek mikrostruktur dari pemotongan kembar pada permukaan yang diproses.

ISO 4287/4288 menstandarkan parameter dan prosedur pengukuran kekasaran permukaan, yang kritis untuk mengkuantifikasi kualitas permukaan yang dicapai melalui operasi pemotongan kembar.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dynamometer dengan beberapa saluran gaya umumnya digunakan untuk mengukur gaya pemotongan dalam operasi pemotongan kembar. Instrumen ini biasanya menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi gaya dalam tiga arah ortogonal untuk setiap pemotong.

Profilometer permukaan, yang menggunakan metode stylus kontak atau optik, mengukur karakteristik topografi dari permukaan yang dipotong kembar. Instrumen ini mengkuantifikasi parameter seperti rata-rata kekasaran (Ra) dan tinggi profil maksimum (Rz).

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) untuk memeriksa perubahan mikrostruktur dan analisis stres residu menggunakan difraksi sinar-X untuk mengkuantifikasi efek subpermukaan dari pemotongan kembar.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya memerlukan permukaan datar dengan dimensi minimum 100mm × 100mm × 25mm untuk mengakomodasi operasi pemotongan kembar dengan stabilitas dan volume material yang cukup.

Persiapan permukaan mencakup pemotongan wajah awal untuk memastikan paralelisme dan datar dalam 0.02mm di seluruh permukaan uji sebelum operasi pemotongan kembar eksperimental.

Homogenitas material harus diverifikasi melalui pengujian kekerasan di beberapa lokasi, dengan variasi dibatasi hingga ±5% di seluruh spesimen untuk memastikan kondisi pemotongan yang konsisten.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu