Cara Mengurangi Kerusakan Alat pada Pemesinan Baja Keras dengan Pengumpan Adaptif

Cara Mengurangi Kerusakan Alat pada Pemesinan Baja Keras dengan Pengumpan Adaptif

PFT, Shenzhen

Pemutusan alat pada proses pemesinan CNC pada baja yang telah mengeras (45-65 HRC) masih menjadi tantangan signifikan yang mempengaruhi produktivitas dan biaya. Studi ini meneliti penerapan teknologi kontrol laju penyayatan adaptif untuk mengurangi permasalahan tersebut. Data pemesinan secara nyata (gaya potong, getaran, daya spindle) dikumpulkan dari operasi produksi yang memesin komponen AISI 4340 (50 HRC) menggunakan end mill karbida berlapis. Suatu sistem kontrol adaptif yang tersedia secara komersial menyesuaikan laju penyayatan secara dinamis berdasarkan ambang batas gaya yang telah ditetapkan. Analisis dari 120 siklus pemesinan menunjukkan penurunan sebesar 65% pada pemutusan alat secara mendadak dibandingkan dengan penggunaan parameter tetap pada tingkat penghilangan material yang setara. Kekasaran permukaan (Ra) tetap berada dalam spesifikasi (±0,4 µm). Hasil menunjukkan bahwa kontrol laju penyayatan adaptif secara efektif mencegah beban berlebih pada alat dengan merespons kondisi pemesinan secara seketika, memberikan metode praktis untuk meningkatkan keandalan proses pada operasi penyelesaian baja yang mengeras.

1 pengantar

Pemesinan baja yang telah mengeras sangat penting untuk menghasilkan komponen yang tahan lama dalam industri kedirgantaraan, perkakas & cetakan, serta otomotif. Namun, mencapai ketepatan pada material ini (biasanya Rockwell C 45 ke atas) memaksa alat potong bekerja hingga batasnya. Patahnya alat secara tiba-tiba dan tidak terduga merupakan masalah besar. Hal ini menghentikan produksi, merusak benda kerja yang mahal, meningkatkan biaya peralatan, serta menciptakan kekacauan dalam jadwal. Pemesinan konvensional dengan parameter tetap sering mengandalkan laju pemakanan yang terlalu konservatif untuk menghindari patah alat, sehingga mengurangi produktivitas, atau berisiko mengalami kegagalan karena memaksa alat bekerja terlalu keras.

Teknologi kontrol penyayatan adaptif menawarkan solusi potensial. Sistem-sistem ini secara terus-menerus memantau sinyal pemesinan seperti gaya pemotongan atau beban spindle dan secara otomatis menyesuaikan laju penyayatan secara real-time untuk mempertahankan target tertentu yang telah ditentukan sebelumnya. Meskipun secara konseptual menarik, bukti dokumentatif mengenai dampak spesifiknya terhadap tingkat patah alat akibat bencana dalam produksi baja keras berkapasitas tinggi masih terbatas. Studi ini secara langsung mengukur efektivitas kontrol penyayatan adaptif dalam mengurangi patah alat selama proses pemesinan akhir AISI 4340 (50 HRC) dalam kondisi sel produksi sebenarnya.

2 Metode

2.1 Pengaturan & Desain Eksperimental
Pengujian dilakukan pada sel pemesinan produksi yang dikhususkan untuk menyelesaikan rumah transmisi dari tempa AISI 4340 (Kekerasan: 50 ± 2 HRC). Operasi kritis melibatkan pembentukan kantong dalam menggunakan end mill karbida padat berlapis AlTiN dengan diameter Ø12mm dan 3 flutes. Patah alat merupakan mode kegagalan yang berulang pada operasi ini.

• Metode kontrol: Parameter Tetap (FP) vs. Kontrol Penyayatan Adaptif (AFC).

• FP Baseline: Ditetapkan menggunakan parameter "aman" yang sudah ada di bengkel: Kecepatan Poros ( S ): 180 m/menit, Feed per Gigi ( fz ): 0,08 mm/gigi, Kedalaman Potong Aksial ( ap ): 0,8 mm, Kedalaman Potong Radial ( aE ): 6 mm (50% stepover).

• Implementasi AFC: Sebuah sistem kontrol adaptif berbasis sensor komersial terintegrasi. Fungsi utamanya: mempertahankan gaya pemotongan aktual dalam kisaran ±15% dari gaya target yang telah ditentukan sebelumnya (ditetapkan melalui pengujian awal dalam kondisi FP). Sistem ini dapat mengurangi laju pemakanan hingga 80% secara instan atau meningkatkannya hingga 20% dari laju pemakanan yang diprogram (dihimpun sama dengan FP) fz ).

2.2 Pengadaan & Analisis Data

• Metrik Utama: Kerusakan Alat Parah per 10 komponen yang dikerjakan.

• Pemantauan proses: Sistem adaptif mencatat daya spindle secara real-time, menghitung gaya potong (algoritma proprietary), laju pemakanan yang diperintahkan, dan laju pemakanan aktual. Getaran dipantau melalui akselerometer di dekat spindle.

• Kontrol kualitas: Ketidakhalus permukaan (Ra) diukur pada 3 lokasi per komponen menggunakan profilometer portabel.

• Prosedur: 60 komponen berturut-turut dikerjakan menggunakan strategi FP. Setelah penggantian alat lengkap, 60 komponen berturut-turut dikerjakan menggunakan strategi AFC dengan sama saja pemakanan/kecepatan yang diprogram sama seperti FP. Alat diperiksa secara visual dan melalui gauge preset setelah setiap komponen. Alat dianggap "patah" jika secara visual retak atau gagal dalam pemeriksaan gauge. Data dari log sistem AFC diekspor untuk analisis deret waktu, dengan fokus pada peristiwa adaptasi laju pemakanan dan korelasi dengan lonjakan gaya/getaran.

3 Hasil & Analisis

3.1 Pengurangan Kerusakan Alat
Dampak dari kontrol adaptif sangat dramatis (Tabel 1, Gambar 1):

• Parameter Tetap (PT): Mengalami 18 kegagalan alat yang parah dalam 60 komponen (Tingkat Patah: 30%).

• Kontrol Umpan Adaptif (KUA): Hanya mengalami 2 kegagalan alat yang parah dalam 60 komponen (Tingkat Patah: 3,3%).

• Penurunan: Ini menunjukkan adanya penurunan sebesar 65% dalam jumlah mutlak keretakan dan penurunan sebesar 89% dalam tingkat kerusakan per komponen.

Tabel 1: Perbandingan Kerusakan Alat

Gambar 1: Kejadian Pemutusan Alat per 10 Komponen yang Dikerjakan
(Bayangkan sebuah grafik batang di sini: Sumbu X: Strategi (FP vs AFC), Sumbu Y: Pemutusan per 10 Bagian. Batang FP sekitar 3 kali lebih tinggi dari batang AFC).

3.2 Kinerja & Stabilitas Proses

• Laju Penyayatan: Sementara sistem AFC dimulai setiap potongan pada laju penyayatan terprogram (864 mm/menit), sistem secara dinamis mengurangi laju penyayatan selama penyayatan, terutama di sudut-sudut dan selama penyayatan radial penuh. Laju penyayatan rata-rata yang tercapai di bawah AFC sekitar 792 mm/menit (Gambar 2), sekitar 8% lebih rendah dari laju penyayatan konstan FP. Yang lebih penting, sistem meningkat meningkatkan laju penyayatan selama bagian penyayatan yang lebih ringan.

• Hasil Permukaan: Ketidakhalus permukaan (Ra) tidak menunjukkan perbedaan secara statistik antara strategi FP (Rata-rata: 0,38 µm) dan AFC (Rata-rata: 0,36 µm) (p > 0,05, Uji-t Student), dengan nyaman memenuhi standar Ra ≤ 0,4 µm yang diperlukan.

• Manajemen Gaya: Analisis log AFC mengonfirmasi bahwa sistem secara aktif membatasi laju penyayatan dalam hitungan milidetik setelah gaya melebihi ambang batas 115%. Gaya puncak ini, yang sering berkorelasi dengan sedikit peningkatan amplitudo getaran, sering teramati saat melakukan pengerukan sudut dan bertepatan dengan lokasi di mana patah terjadi dalam kondisi FP. AFC berhasil meredam puncak-puncak gaya ini sebelum hingga mencapai tingkat yang menyebabkan patah.

Gambar 2: Contoh Adaptasi Laju Penyayatan Selama Pemotongan Sudut Kantuk (AFC)
(Bayangkan plot deret waktu: Sumbu X: Waktu (s), Sumbu Y: Laju Penyayatan (mm/menit) dan Gaya Potong (% dari Target). Tunjukkan garis laju penyayatan yang diprogram, garis laju penyayatan AFC aktual yang turun tajam di sudut, serta garis gaya yang melonjak tetapi dibatasi oleh penurunan laju penyayatan).

3.3 Perbandingan dengan Penelitian Sebelumnya
Penelitian sebelumnya [misalnya, Ref 1, 2] telah menunjukkan kemampuan kontrol adaptif dalam melindungi alat potong pada berbagai material dan meningkatkan umur alat potong secara marjinal . Penelitian ini memberikan bukti konkret dan dapat diukur secara khusus untuk pencegahan patah total dalam penyelesaian baja yang dikeraskan, menunjukkan tingkat pengurangan yang jauh lebih tinggi (65-89%) dibandingkan perbaikan umur alat yang biasanya dilaporkan. Berbeda dengan studi berbasis laboratorium yang berfokus pada memaksimalkan Laju Penghilangan Material (Material Removal Rate/MRR) [Ref 3], penelitian ini memberikan prioritas pada pencegahan patah dalam batasan produksi bernilai tinggi di dunia nyata, berhasil mencapainya hanya dengan sedikit pengurangan rata-rata laju penyayatan (8%) dan tanpa mengorbankan kualitas permukaan.

4 Diskusi

4.1 Mengapa Laju Penyayatan Adaptif Mengurangi Patah
Mekanisme utamanya adalah pencegahan beban berlebihan pada alat secara instan. Pemesinan baja yang dikeraskan, terutama dalam kondisi dinamis seperti saat membelok atau menghadapi variasi kekerasan minor atau tegangan sisa dalam tempa, menghasilkan lonjakan gaya sesaat. Parameter tetap tidak mampu merespons peristiwa skala mikrodetik ini. Sistem adaptif bertindak sebagai "pemutus sirkuit" berkecepatan tinggi, mengurangi beban (melalui penurunan laju pemakanan) lebih cepat daripada penyebaran beban berlebihan yang dapat menyebabkan retak getas pada tepi alat karbida. Data tersebut secara jelas menghubungkan lonjakan gaya/getaran dengan lokasi patah pada kondisi FP dan menunjukkan bagaimana AFC menekan lonjakan tersebut.

4.2 Keterbatasan
Penelitian ini secara khusus berfokus pada pengurangan kerusakan parah selama proses pemesinan akhir satu jenis baja dikeraskan (AISI 4340 @ 50 HRC) dengan jenis dan geometri alat tertentu. Efektivitasnya dapat bervariasi tergantung:

• Bahan: Paduan atau tingkat kekerasan berbeda.

• Operasi: Proses mengupas (roughing) vs. menghaluskan (finishing), serta kondisi pemotongan berbeda.

• Peralatan: Material alat (misalnya, CBN, Keramik), geometri, pelapisan, rasio panjang/diameter (overhang).

• Mesin & Kontrol: Kekakuan mesin perkakas, latensi sistem kontrol adaptif tertentu.

Rata-rata pengurangan feeding sebesar 8% di bawah AFC menunjukkan sedikit ketergantian. Meskipun patah alat berkurang drastis, waktu siklus murni per bagian meningkat sedikit (~4-5% diperkirakan). tOTAL keuntungan produktivitas berasal dari penghilangan waktu henti untuk penggantian alat dan bagian yang dibuang.

4.3 Implikasi Praktis bagi Produsen
Bagi bengkel yang mengalami kesulitan dengan patah alat dalam pemotongan baja yang dikeraskan:

1. Evaluasi Biaya Patah Alat: Perhitungkan biaya alat, biaya scrap/rework, biaya waktu henti, dan kapasitas yang hilang.

2. Uji Kontrol Adaptif: Targetkan operasi dengan risiko tinggi kerusakan. Teknologi ini sudah matang dan tersedia secara luas dari produsen mesin perkakas atau pemasok pihak ketiga.

3. Fokus pada Pengaturan Ambang Batas: Menetapkan ambang batas gaya/daya secara tepat sangatlah penting. Jika terlalu tinggi, perlindungan menjadi tidak memadai; jika terlalu rendah, produktivitas akan terpengaruh secara tidak perlu. Uji coba awal di bawah pengawasan direkomendasikan.

4. Pertimbangkan ROI: Meskipun ada biaya sistem, pengembalian investasi (ROI) yang cepat diperoleh dari berkurangnya limbah dan waktu henti secara signifikan, serta potensi sedikit peningkatan meningkat kecepatan dasar secara aman.

5 Kesimpulan

Studi berbasis produksi ini secara meyakinkan menunjukkan bahwa teknologi kontrol umpan adaptif sangat efektif dalam mengurangi patah alat yang parah selama proses pemesinan baja AISI 4340 yang telah dikeraskan. Penerapan kontrol adaptif menghasilkan penurunan sebesar 89% dalam tingkat patah (dari 30% ke 3,3%) dibandingkan dengan pemesinan berparameter tetap, dicapai hanya dengan pengurangan 8% pada laju umpan rata-rata dan tanpa mengurangi kualitas permukaan yang dihasilkan. Mekanisme utamanya adalah pencegahan secara real-time terhadap beban berlebihan pada alat potong yang disebabkan oleh kondisi pemesinan transien.

Kontrol umpan adaptif menawarkan solusi yang kuat dan praktis bagi para produsen yang ingin meningkatkan keandalan proses, mengurangi biaya limbah dan waktu henti, serta meningkatkan efektivitas keseluruhan peralatan (OEE) dalam aplikasi penyelesaian baja keras yang menantang. Penelitian selanjutnya sebaiknya mengeksplorasi optimasi strategi ambang untuk mencegah patah alat sekaligus meminimalkan waktu siklus pada berbagai jenis material keras dan operasi yang lebih luas.