Apa saja karakteristik dan persyaratan yang berbeda dari berbagai material selama pemesinan CNC?

Bagaimana keragaman material membentuk aturan pemesinan CNC?

Dalam bidang manufaktur presisi, sifat material secara langsung menentukan keberhasilan atau kegagalan pemrosesan. Menurut laporan International Academy of Production Engineering Sciences (CIRP) tahun 2023, kerugian skrap global akibat kesalahan penilaian sifat material dalam pemrosesan CNC mencapai 4,7 miliar dolar AS per tahun. Dari paduan aluminium yang sangat cair hingga keramik getas, dari paduan titanium dengan konduktivitas termal yang buruk hingga serat karbon yang mudah berlapis, pemrosesan setiap material merupakan permainan presisi dengan hukum fisika. Berdasarkan 15 tahun pengalaman pemrosesan lintas industri dan dipadukan dengan lebih dari 200 data kasus nyata, artikel ini menganalisis secara mendalam kode pemrosesan dari 8 jenis material utama.

Pengolahan material logam: tantangan ekstrem mulai dari keuletan hingga manajemen termal

1. Paduan aluminium - seni menyeimbangkan kecepatan dan kelengketan alat

Parameter karakteristik :

• Konduktivitas termal: 120-220 W/(m·K)
• Kisaran kekerasan: HB 60-120
• Nilai tipikal: 6061-T6, 7075-T651

Memproses titik nyeri :

• Penempelan alat: Ketika suhu pemotongan lebih besar dari 200℃, serpihan aluminium meleleh dan menempel di ujung alat
• Permukaan akhir: Paduan aluminium lunak rentan terhadap gerinda

Solusi :

• Pemilihan alat:
  • Penggilingan ujung berlapis berlian 2 sisi/3 sisi (sudut depan 15°-20°)
  • Radius busur ujung alat ≥ 0,2 mm untuk mengurangi akumulasi chip
• Parameter pemotongan:
  • Kecepatan 6000-15000 RPM
  • Umpan 0,1-0,3mm/gigi
  • Pendinginan udara terkompresi sebagai pengganti emulsi (untuk menghindari kerapuhan hidrogen)

Studi kasus :

Dalam pemrosesan rangka drone, paduan aluminium 7075-T651 menggunakan strategi pendinginan atomisasi + 8000 RPM:

• Umur alat meningkat dari 150 buah menjadi 620 buah
• Ketinggian permukaan burr berkurang dari 0,15 mm menjadi 0,02 mm

2. Baja tahan karat - pertempuran berkepanjangan melawan pengerasan kerja

Parameter karakteristik :

• Indeks pengerasan kerja: 0,3-0,5 (austenit 304 mencapai 0,52)
• Koefisien ekspansi termal: 17,3×10⁻⁶/℃ (baja tahan karat 304)

Kesulitan pemrosesan :

• Kekuatan pemotongan 25%-50% lebih tinggi dari baja karbon
• Lapisan yang mengeras (kedalaman 0,1-0,3mm) dihasilkan saat suhu pemotongan ＞800℃

Strategi terobosan :

• Optimasi geometri alat:
  • Sudut rake besar (20°-25°) mengurangi gaya pemotongan
  • Desain ujung alat yang diperkuat sudut R (≥0,4mm)
• Kontrol parameter:
  • Kecepatan linier 60-120m/menit (alat karbida)
  • Kedalaman pemotongan > 0,1 mm untuk menghindari pengerasan permukaan
• Solusi pendinginan:
  • Pendinginan internal bertekanan tinggi (tekanan ≥ 70bar) untuk menembus lapisan penghalang termal

Terobosan industri :

Sebuah perusahaan alat kesehatan memproses pelat tulang baja tahan karat 316L menggunakan alat berlapis titanium aluminium nitrida (TiAlN) + pendingin berbasis nitrat 12%:

• Ketebalan lapisan yang mengeras dikurangi dari 35μm menjadi 8μm
• Tingkat chipping alat berkurang sebesar 72%

3. Paduan titanium - risiko thermal runaway karena konduktivitas termal yang rendah

Parameter karakteristik :

• Konduktivitas termal: 7-16 W/(m·K) (hanya 1/15 dari aluminium)
• Modulus elastisitas: 110 GPa (cenderung menyebabkan deformasi pegas kembali)

Perangkap pemrosesan :

• Suhu di zona pemotongan bisa mencapai lebih dari 1000℃
• Keripiknya mudah terbakar (titik penyalaan ＞ 1200℃ tetapi risiko penyalaan gesekan tinggi)

Solusi manajemen termal :

• Inovasi alat:
  • Substrat karbida submikrokristalin (ukuran partikel 0,4-0,6μm)
  • Pelapis nanokomposit TiAlSiN berlapis PVD
• Parameter proses:
  • Batas kecepatan 50-150m/menit
  • Kedalaman pemotongan aksial ≥0,5mm (hindari perubahan fase permukaan)
• Revolusi pendinginan:
  • Pendinginan kriogenik nitrogen cair (-196℃) mengurangi suhu di zona pemotongan
  • Injeksi salju karbon dioksida mencegah serpihan titanium terbakar

Kasus kedirgantaraan :

Pemrosesan bilah paduan titanium TC4 pada mesin menggunakan pendinginan nitrogen cair + kedalaman pemotongan konstan 0,8 mm:

• Umur alat meningkat dari 3 buah menjadi 22 buah
• Tegangan tekan sisa permukaan dioptimalkan dari -350MPa hingga -850MPa

Pengolahan material non-logam: kontrol presisi terhadap kerapuhan dan delaminasi

1. Plastik rekayasa - uji utama sensitivitas suhu

Bahan khas : PEEK, nilon 66, PTFE

Tantangan utama :

• Suhu transisi gelas (Tg) menentukan jendela pemrosesan (seperti Tg PEEK = 143℃)
• Pemulihan elastis menyebabkan penyusutan ukuran pori (penyusutan nilon 66 dapat mencapai 0,5% -0,8%)

Aturan pemrosesan :

• Kontrol suhu:
  • Suhu zona pemotongan < Tg-20℃ (PEEK membutuhkan < 120℃)
  • Pendinginan udara terkompresi dengan heat sink
• Desain alat:
  • Sudut rake nol/sudut rake negatif mengurangi penarikan material
  • Mata potong yang dipoles mengurangi panas akibat gesekan
• Strategi parameter:
  • Kecepatan tinggi (10000-24000 RPM)
  • Umpan rendah (0,02-0,1 mm/gigi)

Bukti industri medis :

Saat memproses vertebra buatan PEEK, gunakan pemotong penggilingan sudut rake -5° + pendingin lokal nitrogen cair:

• Stabilitas dimensi ditingkatkan dari ±0,1 mm menjadi ±0,02 mm
• Ketebalan lapisan kristal permukaan <2μm

2. Bahan komposit serat karbon (CFRP) - pencegahan dan perbaikan delaminasi

Karakteristik struktural :

• Perbedaan kekuatan anisotropik > 40%
• Kekuatan geser interlaminar hanya 30-50MPa

Pemrosesan area terbatas :

• Gaya aksial > 100N menyebabkan delaminasi
• Keausan alat menyebabkan penarikan serat (ketinggian duri > 0,3 mm)

Teknologi canggih :

• Alat khusus:
  • Bor tepi spiral berlapis berlian (sudut heliks 35°-40°)
  • Desain kerucut terbalik (pengurangan diameter 0,02-0,05 mm per 100 mm)
• Parameter pemrosesan:
  • Kecepatan 3000-6000 RPM
  • Umpan 0,01-0,03mm/gigi
• Pemantauan proses:
  • Sensor emisi akustik mendeteksi sinyal delaminasi secara real time
  • Pengurangan kecepatan adaptif sebesar 50% untuk menghindari perluasan kerusakan

Kasus kendaraan energi baru :

Pengeboran dengan bantuan getaran ultrasonik digunakan dalam pemrosesan kotak baterai serat karbon:

• Area delaminasi pada lubang keluar berkurang dari 12mm² menjadi 0,8mm²
• Interval penggantian alat diperpanjang hingga 800 lubang

3. Bahan keramik - kontrol mikro fraktur getas

Bahan-bahan khas : alumina (Al₂O₃), silikon karbida (SiC)

Kesulitan pemrosesan :

• Ketangguhan patah rendah (Al₂O₃ hanya 3-4 MPa·m¹/²)
• Ukuran chip tepi > 0,1 mm dihapus

Strategi presisi :

• Pemilihan alat:
  • Roda gerinda berlian (ukuran butiran 2000# atau lebih)
  • Pemotongan berbantuan laser (pemanasan lokal hingga pelunakan 1200℃)
• Optimasi parameter:
  • Kedalaman pemotongan ≤ 0,005mm
  • Kecepatan umpan 0,5-2mm/menit
• Kontrol lingkungan:
  • Lokakarya suhu konstan (±0,5℃)
  • Sistem pengumpulan debu tekanan negatif (untuk menghindari percikan bubuk)

Terobosan dalam industri semikonduktor :

Pengolahan substrat keramik aluminium nitrida menggunakan laser femtodetik + proses pemolesan mekanis komposit:

• Lebar tepi yang rusak berkurang dari 25μm menjadi 3μm
• Kekasaran permukaan Ra 0,01μm

Strategi pemrosesan material khusus: memecahkan masalah industri

Paduan suhu tinggi - pertempuran berlarut-larut melawan kekerasan tinggi

Bahan representatif : Inconel 718, Hastelloy X

Karakteristik pemrosesan :

• Tingkat pengerasan kerja > 200% (kekerasan setelah pemotongan dapat mencapai HRC50)
• Kekuatan pemotongan 2-3 kali lebih tinggi dari baja biasa

Skema peningkatan efisiensi :

• Pendinginan tekanan tinggi (tekanan ≥ 100 bar) menembus zona pemotongan
• Pemrosesan parameter variabel (penyesuaian kecepatan ± 10% untuk setiap kedalaman pemotongan 0,5 mm)

Paduan magnesium - pengendalian risiko bahan yang mudah terbakar dan meledak

Peraturan keselamatan :

• Suhu zona pemotongan benar-benar <450 °C (titik penyalaan sekitar 500 °C)
• Gunakan sistem pengumpulan debu tahan api khusus (konsentrasi debu <20g/m³)

Kasus aktual: kebijaksanaan pemrosesan material lintas industri

Kasus 1 - Pemrosesan struktur laminasi titanium-aluminium dirgantara

Tantangan : Bagian mesin dengan lapisan paduan titanium + paduan aluminium bergantian (0,8 mm per lapisan)

Proses inovatif :

• Peralihan dinamis pelapisan alat (TiAlN untuk lapisan titanium, DLC untuk lapisan aluminium)
• Pengukuran suhu laser online untuk menyesuaikan strategi pendinginan secara real time

Hasil :

• Tingkat pengelupasan interlayer berkurang dari 18% menjadi 0,7%
• Efisiensi pemrosesan meningkat 3 kali lipat

Kasus 2 - Pemrosesan lubang mikro kaca ultra-tipis

Persyaratan : Memproses lubang tembus Φ0,05mm pada kaca setebal 0,1mm

Solusi teknis :

• Pra-pengeboran laser pikodetik + etsa kimia berbantuan ultrasonik
• Kompensasi waktu nyata setiap lubang dengan instrumen topografi 3D

Terobosan :

• Kemiringan lubang <1°
• Diameter tepi patah <2μm

Ringkasan dan Prospek: Revolusi Pengolahan yang Didorong oleh Ilmu Material

Dalam lima tahun ke depan, integrasi material dan teknologi pemrosesan akan menghadirkan tiga tren utama:

1. Material pintar : Penyesuaian parameter pemrosesan adaptif paduan memori bentuk
2. Manufaktur tingkat atom : Sinar ion terfokus (FIB) untuk mencapai pencetakan nanostruktur
3. Pemrosesan hijau : Pemotongan material komposit biodegradable tanpa polusi

Kesimpulan :

Ketika kita mengamati interaksi antara ujung tombak dan material di bawah mikroskop, kita tidak hanya melihat pengelupasan logam atau deformasi plastik, tetapi juga dialog mendalam antara kebijaksanaan manusia dan hakikat materi. Setiap putaran spindel menjawab pertanyaan abadi: bagaimana menjadikan batas fisik material sebagai batu loncatan untuk terobosan teknologi, alih-alih belenggu.
Dapatkan penawaran harga instan atau pelajari lebih lanjut