Pemesinan CNC Titanium untuk Struktur Aerospace

Paduan titanium memberikan tantangan signifikan dalam pemesinan CNC untuk aplikasi struktural kedirgantaraan karena sifat inheren seperti konduktivitas termal rendah dan reaktivitas kimia tinggi. Karya ini menjelaskan metodologi terstruktur untuk mengoptimalkan pemesinan CNC pada Ti-6Al-4V, dengan fokus pada mitigasi keausan alat serta pencapaian toleransi geometris ketat. Uji pemesinan menggunakan mesin CNC multi-sumbu yang dilengkapi sistem pemantau kondisi alat potong (TCM) mutakhir. Parameter pemotongan (kecepatan, laju, kedalaman potong) dan strategi lintasan alat dipadukan secara sistematis. Hasil menunjukkan bahwa penerapan pendinginan kriogenik pulsed mengurangi rata-rata keausan sisi sebesar 42% dibandingkan cairan pendingin konvensional, sementara strategi frais trochoidal adaptif mengurangi waktu pemesinan sebesar 18% dan meningkatkan kekasaran permukaan (Ra) sebesar 15% untuk komponen dinding tipis. Analisis data mengonfirmasi adanya korelasi kuat antara energi pemotongan spesifik dengan progresivitas keausan alat. Temuan ini memberikan strategi praktis untuk meningkatkan efisiensi pemesinan dan kualitas komponen pada struktur kedirgantaraan kritis. Keterbatasan mencakup fokus pada Ti-6Al-4V; penerapan pada mutu titanium lainnya memerlukan validasi lebih lanjut.

1
Pengejaran terus-menerus terhadap performa dan efisiensi bahan bakar dalam desain kedirgantaraan modern membutuhkan penggunaan luas paduan titanium, terutama Ti-6Al-4V. Rasio kekuatan-terhadap-berat yang luar biasa dan ketahanan korosi membuatnya ideal untuk komponen struktural kritis seperti roda pendarat, dudukan mesin, dan bagian kerangka pesawat [1]. Namun, sifat-sifat tersebut – terutama konduktivitas termal yang rendah, kekuatan tinggi pada suhu tinggi, serta afinitas kimia kuat terhadap material alat potong – menjadikan titanium sangat sulit untuk diproses secara efisien dan presisi [2]. Tantangan ini muncul dalam bentuk keausan alat potong yang cepat, integritas permukaan buruk, distorsi potensial pada benda kerja (terutama pada bagian tipis), serta biaya produksi tinggi [3]. Akibatnya, mengoptimalkan proses pemesinan CNC untuk struktur kedirgantaraan berbahan titanium tetap menjadi tujuan industri yang krusial. Karya ini memaparkan metodologi praktis dan hasil eksperimental yang berfokus pada upaya mengatasi tantangan-tantangan tersebut melalui optimasi parameter dan strategi pendinginan inovatif, bertujuan menetapkan protokol produksi yang dapat diandalkan dan ekonomis.

2 Metode
2.1 Desain Eksperimental & Bahan Workpiece
Bahan inti yang diselidiki adalah lempeng Ti-6Al-4V (Kelas 5) yang dipanaskan, sesuai dengan spesifikasi AMS 4911L. Operasi pemesinan primer yang dipelajari adalah penggilingan perifer (berkelupas dan mengakhiri) dan pembungkus, mewakili fitur struktural umum di bidang kedirgantaraan. Bagian kerja dipasang dengan aman menggunakan pergelangan vakum khusus dan penjepit mekanis strategis untuk meminimalkan getaran dan defleksi, terutama penting untuk geometri dinding tipis.

2.2 Peralatan Mesin & Alat
Percobaan dilakukan pada 5-axis DMG MORI DMU 80 eVo linier CNC pusat pemesinan (40 kW spindle, 18.000 rpm max). Alat pemotong termasuk:

• Berbahan kasar: Pemanas ujung karbida padat (Ø10mm, 4-flute, ZrN-coated) dengan helix/pitch geometry variabel.

• Finishing: Pemanas akhir karbida padat (Ø8mm & Ø6mm, 4-flute, dilapisi AlTiN).
  Kondisi alat (keausan flank VBmax) dipantau secara proses dengan kombinasi analisis konsumsi daya spindle (Siemens Sinumerik 840D sl integrated monitoring) dan pengukuran berkala secara offline melalui mikroskop digital Keyence VHX-7000. Kekasaran permukaan (Ra, Rz) diukur menggunakan profilometer Mitutoyo Surftest SJ-410. Akurasi dimensi diverifikasi dengan mesin pengukur koordinat Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variabel Proses & Akuisisi Data
Variabel independen utama yang diuji secara sistematis termasuk:

• Kecepatan Potong (Vc): 40 m/menit - 80 m/menit

• Pakan per Gigi (fz): 0,04 mm/gigi - 0,12 mm/gigi

• Kedalaman Potong Aksial (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finishing), 5 mm - 15 mm (roughing)

• Kedalaman Potong Radial (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (strategi adaptif)

• Strategi Pendinginan: Emulsi banjir konvensional (6%), Nitrogen cair (LN2) berdenyut

• Strategi Toolpath: Jalur paralel konvensional, Frais trochoidal adaptif.
  Variabel dependen yang diukur adalah keausan sisi (VBmax), kekasaran permukaan (Ra, Rz), energi potong spesifik (SCE), waktu pemesinan per fitur, dan penyimpangan dimensi pada fitur kritis (ketebalan dinding, posisi lubang). Pencatatan data dilakukan secara langsung dari sistem kontrol CNC (daya, torsi, waktu) dan melalui metrologi offline. Minimum tiga replikasi per kondisi dilakukan.

3 Hasil dan Analisis
3.1 Kinerja Keausan Alat
Kemajuan keausan sisi sangat dipengaruhi oleh strategi pendinginan dan kecepatan pemotongan. Gambar 1 menunjukkan tren utama: penggunaan pendinginan LN2 kriogenik berdenyut secara signifikan mengurangi keausan alat pada semua kecepatan pemotongan yang diuji dibandingkan dengan emulsi konvensional. Pada kecepatan menengah (60 m/menit), rata-rata VBmax setelah memproses volume material standar berkurang sebesar 42% dengan menggunakan pendinginan kriogenik. Kecepatan pemotongan tinggi (80 m/menit) dengan pendinginan konvensional menyebabkan kegagalan alat yang parah (terkelupas/chipping) dalam waktu singkat, sedangkan pendinginan kriogenik memungkinkan proses pemotongan berkelanjutan, meskipun dengan laju keausan yang lebih cepat dibandingkan kecepatan lebih rendah. Analisis sinyal daya spindle menunjukkan korelasi yang kuat dengan pengukuran VBmax offline, membuktikan efektivitas sistem TCM untuk prediksi keausan (R² = 0,91).

3.2 Kualitas Permukaan dan Ketelitian Geometris
Ketidakhalus permukaan (Ra) terutama dipengaruhi oleh laju pemakanan dan strategi lintasan alat potong pada operasi penyelesaian. Mengurangi pemakanan per gigi (fz) dari 0,08 mm/gigi menjadi 0,05 mm/gigi meningkatkan rata-rata Ra sekitar 25%. Penting untuk dicatat, penerapan frais trochoidal adaptif untuk penyelesaian dinding tipis (ap = 8mm, ketebalan dinding 1,5mm) memberikan peningkatan Ra sebesar 15% (rata-rata 0,32 µm dibandingkan 0,38 µm dengan lintasan paralel) serta mengurangi distorsi bagian sebesar 30%, sebagaimana diukur dengan penyimpangan CMM dari ketebalan dinding nominal (Gambar 2). Strategi ini juga mengurangi waktu pemesinan untuk fitur-fitur ini sebesar 18% dengan mempertahankan laju penghilangan material rata-rata yang lebih tinggi melalui kontrol keterlibatan alat potong yang konstan.

3.3 Produktivitas dan Konsumsi Energi
Specific Cutting Energy (SCE), indikator utama efisiensi proses, menurun dengan meningkatnya laju penghilangan material (MRR) seperti yang diharapkan. Namun, penggunaan pendinginan kriogenik menghasilkan SCE yang 10-15% lebih tinggi dibandingkan pendinginan konvensional (flood cooling) pada tingkat MRR yang setara, yang disebabkan oleh biaya energi untuk pengiriman LN2. Meski demikian, perpanjangan umur alat potong secara signifikan dan pengurangan waktu non-potong (penggantian alat potong, penyetelan) menghasilkan peningkatan produktivitas bersih sekitar 20% per benda kerja untuk komponen struktural yang kompleks, sehingga mengimbangi peningkatan SCE tersebut.

4 Diskusi
Penurunan signifikan pada keausan alat potong yang teramati akibat penggunaan pendinginan kriogenik LN2 berdenyut selaras dengan mekanisme yang telah mapan: LN2 secara efektif menekan suhu tinggi pada zona pemotongan yang melekat pada proses pemesinan titanium, sehingga mengurangi mekanisme keausan difusi dan adhesi yang umum terjadi pada alat potong karbida [4, 5]. Pengiriman secara berdenyut kemungkinan meningkatkan penetrasi ke dalam antarmuka alat potong-serpih, sekaligus meminimalkan konsumsi yang tidak efisien. Keberhasilan frais trochoidal adaptif, terutama untuk dinding tipis, berasal dari pemeliharaan hampir konstan keterlibatan radial dan berkurangnya gaya pemotongan, yang meminimalkan lenturan alat potong dan getaran benda kerja [6]. Hal ini secara langsung memberikan hasil pada peningkatan ketelitian geometris dan kualitas permukaan.

Batasan utama studi ini adalah fokusnya pada Ti-6Al-4V. Meskipun dominan, paduan titanium lainnya (misalnya, Ti-5553, paduan near-beta) menunjukkan karakteristik machinability yang berbeda; temuan di sini memerlukan validasi untuk bahan tersebut. Selain itu, implikasi ekonomi dan lingkungan dari adopsi luas LN2 kriogenik memerlukan penilaian siklus hidup yang hati-hati, dengan menyeimbangkan penghematan peralatan dan peningkatan produktivitas terhadap biaya/jejak karbon produksi dan pengiriman LN2.

Bagi praktik manufaktur aerospace, hasil ini sangat mendukung:

1. Menerapkan Pemesinan Kriogenik Berdenyut: Untuk operasi frais titanium kritis berdurasi panjang, khususnya proses mengupas dan semi-finishing, demi memaksimalkan umur peralatan dan keandalan proses.

2. Mengadopsi Jalur Alat Adaptif: Terutama strategi trochoidal untuk finishing struktur aerospace berdinding tipis agar meningkatkan integritas permukaan, akurasi dimensi, dan throughput.

3. Mengintegrasikan Pemantauan Kondisi Alat: Pemanfaatan sinyal daya spindle memberikan metode yang praktis dan terintegrasi dengan mesin untuk memprediksi keausan alat potong dan menjadwalkan pergantian secara proaktif, sehingga mengurangi risiko scrap.

5 Kesimpulan
Studi ini menunjukkan strategi efektif untuk meningkatkan proses pemesinan CNC pada Ti-6Al-4V untuk aplikasi struktural di sektor kedirgantaraan yang menantang. Pendinginan dengan nitrogen cair cryogenik secara pulsa secara signifikan mengurangi keausan alat potong yang cepat, yaitu keterbatasan utama, sehingga memungkinkan kecepatan pemotongan yang lebih tinggi dan usia alat potong yang lebih panjang. Jalur alat fraisir trokoidal adaptif meningkatkan kualitas permukaan, ketepatan dimensi (terutama untuk dinding tipis), serta produktivitas secara keseluruhan dibandingkan jalur paralel konvensional. Hubungan antara pemantauan daya spindle dengan keausan alat potong menawarkan metode kontrol yang layak selama proses berlangsung. Temuan ini memberikan solusi yang langsung dapat diterapkan oleh produsen kedirgantaraan yang ingin meningkatkan efisiensi, keandalan, dan kualitas produksi komponen titanium. Penelitian lanjutan sebaiknya menyelidiki optimasi parameter pengiriman cryogenik (desain nosel, waktu pulsa), memperluas metodologi tersebut ke paduan titanium berkinerja tinggi lainnya, serta melakukan analisis komprehensif secara teknis-ekonomis maupun dampak lingkungan dari penerapan pemesinan cryogenik.