Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi: kekuatan transformatif dari pemesinan khusus CNC

Pada tahun 1931, Dr. Carl Salom dari Jerman pertama kali mengusulkan teori pemesinan jet kecepatan tinggi, dan sejak saat itu, teknologi pemotongan kecepatan tinggi telah mengalami sejarah perkembangan yang panjang. Dari tahap penelitian dan eksplorasi teoretis, ke tahap eksplorasi penelitian dasar terapan, dan kemudian ke tahap penelitian terapan, kini telah memasuki tahap pengembangan dan aplikasi.

Dalam proses pengembangan, teknologi-teknologi kunci terus dikembangkan. Misalnya, teknologi spindel kecepatan tinggi, sejak munculnya mesin perkakas pemotong kecepatan tinggi pada Pameran Mesin Perkakas Internasional Jepang ke-11 tahun 1982, jumlah mesin perkakas kecepatan tinggi telah meningkat secara signifikan dari tahun ke tahun. Kecepatan spindel telah dikembangkan dari lebih dari 10.000 r/min pada awalnya menjadi 100.000 r/min atau bahkan lebih tinggi saat ini. Teknologi kunci spindel kecepatan tinggi meliputi struktur bantalan keramik dan pelumasan kabut oli. Saat ini, sistem spindel mesin perkakas dengan nilai dn di atas 1,5 × 10⁶ hampir semuanya menggunakan bantalan keramik.

Kemajuan dalam hal kecepatan tinggi dan akselerasi tinggi pada sistem pengumpanan juga sangat luar biasa. Penerapan ulir besar dan munculnya mode penggerak langsung pada motor linier memenuhi kebutuhan kinerja sistem pengumpanan pada mesin perkakas penggerak nol, dengan akurasi pemosisian yang tinggi, akurasi pemosisian berulang, dan kecepatan respons dinamis.

Teknologi pemotongan kecepatan tinggi memiliki karakteristik pengembangan yang berbeda pada berbagai tahapan pemesinan kustom CNC. Pada tahap awal, teknologi ini terutama berupa eksplorasi teoretis, dan seiring dengan kemajuan teknologi, secara bertahap menunjukkan keunggulan dalam aplikasi praktis. Saat ini, teknologi pemotongan kecepatan tinggi telah banyak digunakan di industri kedirgantaraan, otomotif, pengolahan cetakan, dan industri lainnya, serta memainkan peran yang semakin penting di bidang pemesinan kustom CNC.

Spindel kecepatan tinggi telah mengalami terobosan teknologi yang berkelanjutan, menggunakan teknologi canggih seperti bantalan keramik dan bantalan hidrostatik. Bantalan keramik memiliki karakteristik kekerasan tinggi, kekuatan tekan tinggi, konduktivitas termal yang baik, dan ketahanan aus, yang secara efektif dapat meningkatkan umur dan kapasitas beban spindel kecepatan tinggi. Saat ini, sistem spindel mesin perkakas dengan nilai dn di atas 1,5×10⁶ hampir semuanya menggunakan bantalan keramik. Selain itu, pengembangan spindel aerostatik dan spindel pendukung bantalan maglev juga telah membawa terobosan baru pada spindel kecepatan tinggi. Misalnya, pusat permesinan ASV-40 yang diproduksi oleh Toshiba Machinery Company dari Jepang menggunakan spindel aerostatik dengan kecepatan spindel 80000r/min; pusat permesinan kecepatan tinggi yang diproduksi oleh Mori Seiki, Jepang, menggunakan spindel kecepatan tinggi yang didukung oleh bantalan maglev, dan kecepatannya dapat mencapai 40000r/min. Teknologi spindel canggih ini sangat meningkatkan kecepatan dan akurasi spindel, memberikan dukungan kuat untuk pemotongan kecepatan tinggi.

Sistem pengumpanan kecepatan tinggi dalam struktur inovasi berkelanjutan, penggunaan sekrup bola ulir kecepatan tinggi, motor linier, dan struktur canggih lainnya, sangat meningkatkan kecepatan dan akselerasi pengumpanan. Kecepatan pengumpanan sekrup bola ulir kecepatan tinggi mencapai 60 m/menit, dan yang lebih umum adalah 20 ~ 30 m/menit. Penerapan motor linier telah membawa perubahan revolusioner pada sistem pengumpanan kecepatan tinggi. Motor linier menghilangkan celah dan deformasi elastis sistem transmisi mekanis, mengurangi gesekan transmisi, dan hampir tidak memiliki celah balik. Motor linier memiliki karakteristik akselerasi dan deselerasi yang tinggi, dan akselerasinya dapat mencapai 2g, yang 10 hingga 20 kali lipat dari perangkat penggerak tradisional, dan kecepatan pengumpanannya 4 hingga 5 kali lipat dari yang tradisional. Digerakkan oleh motor linier, ia memiliki keunggulan yang jelas berupa daya dorong per satuan luas yang besar, mudah menghasilkan gerakan kecepatan tinggi, dan struktur mekanis tidak memerlukan perawatan. Penerapan teknologi ini memenuhi persyaratan pergerakan cepat dan pemosisian akurat mesin perkakas, dan memberikan jaminan yang andal untuk pemotongan kecepatan tinggi.

Alat potong memainkan peran penting dalam pemotongan kecepatan tinggi. Dengan meningkatnya kecepatan pemotongan, material, parameter geometris, dan struktur badan alat telah banyak berubah. Saat ini, material alat potong kecepatan tinggi yang umum digunakan adalah intan polikristalin (PCD), boron nitrida kubik (CBN), keramik, keramik berbasis Ti (C,N), alat berlapis (CVD), karbida butiran ultrahalus, dan sebagainya. Material alat ini memiliki ketahanan panas yang tinggi, ketahanan terhadap guncangan termal, sifat mekanik suhu tinggi yang baik, dan keandalan yang tinggi. Pada saat yang sama, sistem alat potong kecepatan tinggi harus memenuhi persyaratan akurasi geometris yang baik dan akurasi posisi berulang penjepitan yang tinggi, kekakuan penjepitan, kondisi keseimbangan yang baik, serta keamanan dan keandalan selama operasi kecepatan tinggi. Mengurangi massa badan alat semaksimal mungkin untuk mengurangi gaya sentrifugal yang dialami oleh rotasi kecepatan tinggi, memenuhi persyaratan keselamatan pemotongan kecepatan tinggi, dan meningkatkan mode penjepitan alat.

Optimalisasi parameter proses pemotongan kecepatan tinggi merupakan salah satu teknologi kunci yang membatasi penerapan pemotongan kecepatan tinggi. Karena pemotongan kecepatan tinggi adalah mode pemotongan baru, masih kurang contoh aplikasi referensi dan basis data parameter pemotongan dan pemesinan praktis. Oleh karena itu, perlu dipelajari dan diadopsi metode pemrograman baru untuk membuat data pemotongan sesuai dengan kurva karakteristik daya spindel kecepatan tinggi, dan memaksimalkan keunggulan pemotongan kecepatan tinggi CNC. Pengembangan dan penerapan teknologi pemotongan kecepatan tinggi bergantung pada pengembangan komprehensif teknologi unit kunci seperti spindel kecepatan tinggi, sistem umpan kecepatan tinggi, dan alat potong kecepatan tinggi. Hanya koordinasi berbagai teknologi yang dapat mencapai efisiensi tinggi, presisi tinggi, dan keandalan tinggi dalam pemotongan kecepatan tinggi.

Teknologi pemotongan kecepatan tinggi memiliki banyak keunggulan dalam penggilingan kecepatan tinggi CNC pada cangkang rongga paduan aluminium. Pertama, dapat meningkatkan efisiensi pemrosesan, pemotongan kecepatan tinggi CNC memungkinkan penggunaan laju umpan yang lebih besar, 5 hingga 10 kali lebih tinggi daripada pemotongan konvensional, laju penghilangan material per satuan waktu dapat meningkat 3 hingga 6 kali. Hal ini sangat penting untuk pemesinan CNC bagian rongga paduan aluminium dan dapat sangat mengurangi waktu pemrosesan. Kedua, dapat memastikan kualitas pemrosesan, dan dibandingkan dengan pemotongan konvensional, gaya pemotongan dapat dikurangi setidaknya 30% selama pemotongan kecepatan tinggi, mengurangi deformasi pemrosesan. Proses pemotongan kecepatan tinggi cepat, lebih dari 95% panas pemotongan sangat sedikit, bagian tidak akan mengalami pembengkokan atau deformasi ekspansi karena kenaikan suhu, terutama cocok untuk memproses bagian yang mudah mengalami deformasi panas. Dalam hal pemilihan alat pemesinan dan kecepatan umpan, kecepatan pemotongan seluruh end mill karbida untuk memproses bagian paduan aluminium umumnya dapat mencapai 1000 m/menit. Jika menggunakan mata bor D8, kecepatan spindel ditentukan sebesar 18000r/min, kecepatan pemakanan kasar ditetapkan sebesar 6000mm/min, dan kecepatan pemakanan akhir dapat dipilih sebesar 2000-3000mm/min dengan mempertimbangkan kekakuan benda kerja cangkang rongga dan persyaratan kualitas permukaan komponen. Jika kinerja mesin perkakas tinggi, kecepatan pemotongan dan kecepatan pemakanan dapat ditingkatkan secara tepat.

Dalam produksi sebenarnya, teknologi pemesinan kecepatan tinggi memiliki berbagai macam aplikasi. Sebagai contoh tipikal untuk pengerjaan kasar, pertama-tama digunakan mata pisau milling sisipan berlapis TiAIN 5 inci, kecepatan spindel 450 ~ 500 rpm, laju umpan 150 ~ 175 ipm, kedalaman pemotongan 0,050 inci, menghasilkan banyak serpihan yang beterbangan. Setelah pengerjaan kasar, sebagian besar benda kerja dikirim ke luar untuk perlakuan panas. Pengerjaan semi-finishing dimulai segera setelah benda kerja dikembalikan, biasanya dengan mata pisau milling ujung bola 2 inci pada 2000 rpm dan kecepatan umpan 125 hingga 150 ipm. Untuk pemotongan profil mengikuti pola milling bolak-balik, jarak antar jalur berada dalam 0,125 inci. Untuk pemotongan zigzag, kecepatan dan laju umpan yang serupa, kedalaman pemotongan 0,020 hingga 0,050 inci, dan kepala berdiameter kecil 2,5 inci dapat digunakan. Selain itu, alat yang lebih kecil juga dapat digunakan untuk menyambungkan bagian yang miring.

Pemotongan kecepatan tinggi memiliki persyaratan khusus untuk sistem CNC. Karena kecepatan spindel dan kecepatan umpan pemotong pada mesin perkakas pemotongan kecepatan tinggi meningkat secara signifikan, sistem CNC dituntut memiliki kecepatan komputasi dan kemampuan pengolahan data yang cukup cepat. Mekanisme servo umpan harus mampu melakukan penyesuaian sembarangan dalam rentang yang luas dari kecepatan rendah hingga kecepatan tinggi, dan mengatasi kontradiksi kesalahan pelacakan sistem yang besar ketika kecepatan servo umpan tinggi. Sistem CNC dituntut memiliki siklus servo yang lebih pendek dan resolusi yang lebih tinggi, sekaligus memiliki fungsi pemantauan lintasan yang akan diproses, serta kemampuan interpolasi kurva.

Saat ini, terdapat beberapa masalah pada sistem CNC pemotongan kecepatan tinggi. Pertama, arsitekturnya tertutup, yang membatasi skalabilitas dan kompatibilitas sistem. Kedua, integrasi dengan CAM masih kurang, sehingga pemrograman dan pemrosesan menjadi kurang lancar dan efisien. Selain itu, interpolator dan pengontrol umpan pada sistem CNC memiliki keterbatasan. Presisi interpolasi perlu ditingkatkan, dan fungsi umpan maju serta sejumlah besar segmen program tingkat lanjut perlu digunakan. Teknologi kontrol kontur seperti interpolasi NURBS, akselerasi mundur, interpolasi halus, akselerasi dan deselerasi lonceng juga dapat digunakan. Pengontrol umpan perlu lebih mampu mengatasi kebutuhan akselerasi tinggi dan respons cepat pada pemotongan kecepatan tinggi.

Komponen baja tahan karat menghadapi tren pengerasan kerja dalam proses pemotongan kecepatan tinggi, yang menimbulkan banyak masalah dalam pemrosesannya. Berbagai jenis baja tahan karat memiliki sifat mekanik dan komposisi kimia yang berbeda, sehingga tingkat kesulitan pemotongan CNC pun berbeda. Kekuatan termal dan ketangguhan yang tinggi sulit dihilangkan selama pemotongan kecepatan tinggi CNC, dan energi yang dikonsumsi selama deformasi pemotongan cukup besar. Kedalaman lapisan pengerasan kerja dapat berkisar dari puluhan mikron hingga ratusan mikron, dan fenomena pengerasan kerja yang dihasilkan oleh pemotongan sebelumnya berdampak buruk pada pemotongan selanjutnya, serta kekerasan lapisan pengerasan kerja yang tinggi menyebabkan pahat menjadi sangat mudah aus.

Untuk mengatasi masalah pengerasan benda kerja, Anda dapat memilih alat yang tepat, seperti bentuk mata pisau yang menekankan ketajaman. Ketajaman yang baik dapat mengurangi panas yang dihasilkan oleh gesekan dengan benda kerja, sehingga mencegah pengerasan benda kerja. Pada saat yang sama, perlu untuk menetapkan kondisi pemrosesan terbaik dan pengaturan pendingin yang optimal.

Penerapan teknologi pemotongan kecepatan tinggi juga menghadapi tantangan seperti adhesi serpihan yang kuat dan konduktivitas termal yang buruk. Dalam proses pemotongan CNC, serpihan hasil pemotongan mudah menempel atau meleleh pada ujung pahat dan mata pisau, membentuk tumor serpihan, menyebabkan kekasaran permukaan benda kerja yang diproses memburuk, sekaligus meningkatkan getaran selama proses pemotongan dan mempercepat keausan pahat. Selain itu, sejumlah besar panas hasil pemotongan tidak dapat dihantarkan tepat waktu, dan bahkan panas yang dihasilkan oleh pemotongan tidak dapat dihantarkan ke seluruh serpihan, sehingga total panas yang masuk ke pahat lebih tinggi daripada baja karbon biasa, sehingga mata pisau kehilangan kinerja pemotongan pada suhu tinggi.

Selain itu, pemotongan kecepatan tinggi, sebagai mode pemotongan baru, masih kekurangan contoh aplikasi referensi serta basis data parameter pemotongan dan parameter pemesinan yang praktis. Hal ini menyebabkan perlunya pengujian dan eksplorasi terus-menerus dalam aplikasi praktis, yang meningkatkan biaya dan waktu pemrosesan.

Teknologi pemotongan kecepatan tinggi memiliki potensi besar dalam meningkatkan efisiensi produksi karena kecepatannya yang tinggi, presisi yang tinggi, dan kualitas permukaan yang tinggi. Pertama, pemotongan kecepatan tinggi dapat secara signifikan mempersingkat siklus produksi. Misalnya, dalam industri manufaktur otomotif, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat dengan cepat memproses komponen-komponen kunci seperti blok mesin dan rumah transmisi, sehingga sangat mengurangi waktu pemrosesan dan meningkatkan efisiensi produksi. Menurut statistik yang relevan, setelah penerapan teknologi pemotongan kecepatan tinggi, waktu pemrosesan suku cadang otomotif dapat dikurangi sebesar 30% hingga 50%. Kedua, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat mengurangi biaya pemrosesan. Karena pemotongan kecepatan tinggi dapat mencapai proses pemesinan kasar, semi-finishing, dan finishing, penggunaan proses dan alat berkurang, sehingga mengurangi biaya produksi. Mengambil contoh pembuatan cetakan, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat mengurangi penggunaan EDM, mengurangi biaya pemrosesan, dan meningkatkan akurasi serta kualitas permukaan cetakan. Selain itu, teknologi pemotongan kecepatan tinggi juga dapat meningkatkan kualitas produk. Saat memotong dengan kecepatan tinggi, gaya potong dan getarannya kecil, sehingga dapat memproses komponen yang sangat presisi, dan kekasaran permukaan berkurang 1 hingga 2 tingkat, yang memenuhi kebutuhan industri manufaktur modern untuk produk presisi tinggi.

Pengembangan teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan mendorong perkembangan industri manufaktur mesin ke arah efisiensi tinggi, presisi tinggi, fleksibilitas tinggi, dan ramah lingkungan. Di satu sisi, penerapan teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan mendorong kemajuan teknologi industri manufaktur mesin. Teknologi pemotongan kecepatan tinggi membutuhkan dukungan dari sejumlah teknologi canggih seperti mesin perkakas pemotongan kecepatan tinggi, alat pemotongan kecepatan tinggi, sistem kontrol numerik berkinerja tinggi, dan pengembangan teknologi ini akan mendorong tingkat teknologi seluruh industri manufaktur mesin. Misalnya, penelitian dan pengembangan mesin perkakas pemotongan kecepatan tinggi membutuhkan teknologi spindel canggih, teknologi sistem pengumpanan, dan teknologi desain struktural, dan terobosan dalam teknologi ini akan menyediakan peralatan pengolahan yang lebih canggih untuk industri manufaktur mesin. Di sisi lain, peningkatan teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan meningkatkan daya saing industri manufaktur mesin. Di tengah persaingan yang semakin ketat di industri manufaktur global, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat meningkatkan kualitas produk, mengurangi biaya produksi, memperpendek siklus produksi, dan memenangkan keunggulan kompetitif pasar bagi perusahaan. Mengambil contoh industri manufaktur kedirgantaraan, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat memproses material ringan seperti paduan aluminium dan paduan titanium, meningkatkan kinerja dan keselamatan pesawat terbang, serta meningkatkan daya saing perusahaan di pasar internasional.

Di masa depan, penelitian teknologi kunci dalam teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan berkembang ke arah kecepatan yang lebih tinggi, presisi yang lebih tinggi, dan lebih cerdas. Dalam hal mesin perkakas pemotongan kecepatan tinggi, kecepatan spindel dan kecepatan umpan akan ditingkatkan lebih lanjut, dan sistem spindel serta sistem umpan yang lebih canggih akan dikembangkan untuk meningkatkan kekakuan dan stabilitas mesin perkakas. Misalnya, sistem spindel yang menggunakan teknologi levitasi magnetik dan teknologi tekanan aerostatik dapat mencapai lebih dari 100.000 RPM; sistem umpan yang menggunakan motor linier dan teknologi umpan balik skala kisi dapat berakselerasi hingga 5g dan akurasi pemosisian dapat mencapai tingkat mikron. Dalam hal perkakas pemotongan kecepatan tinggi, material perkakas dan teknologi pelapisan yang lebih canggih akan dikembangkan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, dan ketahanan panas perkakas. Misalnya, kekerasan perkakas yang menggunakan teknologi pelapisan nano dapat ditingkatkan 2 hingga 3 kali lipat, dan ketahanan aus dapat ditingkatkan 5 hingga 10 kali lipat. Dalam hal sistem kontrol numerik, teknologi pemrograman dan algoritma kontrol yang lebih canggih akan dikembangkan untuk meningkatkan kecepatan komputasi dan kapasitas pengolahan data sistem kontrol numerik. Sebagai contoh, sistem kontrol numerik yang menggunakan teknologi kecerdasan buatan dan teknologi analisis big data dapat secara otomatis mengoptimalkan parameter pemotongan sesuai dengan karakteristik material dan alat yang akan dikerjakan, sehingga meningkatkan efisiensi dan kualitas pemrosesan.

Pada tingkat aplikasi, teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan terus memperluas bidang aplikasinya dan mencapai jangkauan aplikasi yang lebih luas. Di satu sisi, teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan lebih banyak digunakan dalam industri manufaktur tradisional. Misalnya, di bidang manufaktur mesin, manufaktur otomotif, manufaktur kedirgantaraan, teknologi pemotongan kecepatan tinggi secara bertahap akan menggantikan teknologi pemotongan tradisional dan menjadi metode pemrosesan utama. Di sisi lain, teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan diterapkan di sektor manufaktur yang sedang berkembang. Misalnya, di bidang pencetakan 3D, manufaktur mikro dan nano, manufaktur biomedis, dan sebagainya, teknologi pemotongan kecepatan tinggi dapat dikombinasikan dengan teknologi manufaktur canggih lainnya untuk mencapai pemesinan presisi tinggi pada bagian-bagian berbentuk kompleks. Selain itu, teknologi pemotongan kecepatan tinggi akan berkembang ke arah manufaktur hijau. Misalnya, penggunaan teknologi pemotongan kering dan teknologi pelumasan mikro dapat mengurangi penggunaan cairan pemotong, mengurangi polusi lingkungan, dan mencapai manufaktur hijau.