Baja berkekuatan tinggi 35CD4-banyak digunakan pada bagian silinder presisi di ruang angkasa karena kinerjanya yang sangat baik, namun memiliki kesulitan teknis seperti kekerasan tinggi, kesulitan pemotongan tinggi, mudahnya deformasi bagian-berdinding tipis, dan persyaratan toleransi yang ketat. Menanggapi kesulitan teknis ini, skema pemesinan ramping yang mencakup berbagai proses dirumuskan dengan menggabungkan karakteristik material dengan dimensi presisi dan persyaratan proses khusus pada suku cadang. Dengan mengoptimalkan parameter dan perkakas tautan utama seperti pemesinan pembubutan eksternal, pemboran internal, pemesinan lubang miring dan lubang bantalan dalam proses pemesinan, serta menyesuaikan urutan peening dan pengasahan tembakan, masalah seperti deformasi pemesinan dan deviasi dimensi dapat diselesaikan. Akhirnya, produksi massal suku cadang yang stabil tercapai, dan proses yang relevan dapat memberikan referensi untuk pemesinan suku cadang presisi pada material yang-untuk-dipotong.
BAGIAN 1
Perkenalan
Terobosan kinerja peralatan dirgantara sangat bergantung pada akurasi pemesinan dan keandalan komponen inti[1]. Baja-berkekuatan tinggi 35CD4 telah menjadi material yang ideal untuk bagian silinder presisi di ruang angkasa karena karakteristiknya yang sangat baik seperti kekuatan tinggi dan kemampuan pengerasan yang tinggi. Namun, gaya pemotongan yang tinggi dan kecenderungan pengerasan kerja yang signifikan dari material ini, dikombinasikan dengan bentuk yang tidak beraturan dan mudah berubah bentuk, serta toleransi dimensi presisi yang ketat pada bagian silinder, menimbulkan tantangan yang signifikan terhadap proses pemesinan tradisional.
Untuk mengatasi tantangan produksi ini, makalah ini berfokus pada sifat material 35CD4 dan persyaratan proses komponen silinder, serta melakukan penelitian tentang proses pemesinan ramping. Melalui serangkaian langkah, termasuk mengoptimalkan desain proses, meningkatkan pemilihan alat, dan menyesuaikan parameter pemesinan, permasalahan utama seperti deformasi pemesinan dan penyimpangan dimensi diselesaikan secara sistematis, sehingga menghasilkan solusi produksi massal yang stabil dan andal.
Makalah ini secara sistematis mengulas ide-ide penelitian dan pengembangan serta proses verifikasi teknologi ini, yang bertujuan untuk memberikan referensi teknis untuk pemesinan suku cadang presisi dirgantara serupa.
BAGIAN 2
Karakteristik Proses Bagian Silinder Presisi Dirgantara
Bagian silinder presisi dirgantara tertentu yang diproduksi oleh perusahaan kami terbuat dari 35CD4, dan bentuknya ditunjukkan pada Gambar 1. Bagian ini merupakan bagian yang bentuknya tidak beraturan, struktur khususnya rentan terhadap deformasi, dan ketebalan dindingnya relatif tipis. Toleransi untuk lubang dalam dan lingkaran luar sangat diperlukan, lubang bantalan pada lug adalah lubang presisi, dan bagian tersebut memiliki lubang miring di dalamnya, sehingga sulit untuk mengontrol toleransi dimensi terkait. Karakteristik teknologi bagian silinder ini terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut.
Gambar 1. Bentuk luar bagian silinder
2.1 Karakteristik bahan
(1) Karakteristik logam
Baja paduan berkekuatan tinggi-35CD4 adalah baja-nikel karbon-kromium-molibdenum medium yang umum digunakan dalam industri dirgantara. Komposisi kimianya ditunjukkan pada Tabel 1. Dibandingkan dengan logam lain, baja ini memiliki keunggulan unik dalam sifat kimia, fisik, dan mekanik.
Tabel 1. Elemen paduan dan parameter 35CD4 (komposisi kimia)
(2) Karakteristik material 35CD4
Terutama mencakup empat poin berikut:
① Kekuatan tinggi. Karena ini adalah baja-karbon, paduan-rendah, baja ini memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan baja non-paduan, oleh karena itu disebut "baja-paduan-kekuatan tinggi yang rendah".
② Kekuatan hasil tinggi. Titik luluhnya lebih tinggi dibandingkan-baja non-paduan. Di bawah beban yang sama, berat bagian yang terbuat dari bahan ini dapat dikurangi sebesar 20% hingga 30%.
③ Plastisitas dan ketangguhan yang baik. Proporsi elemen paduan relatif rendah, sehingga memberikan material plastisitas dan ketangguhan yang baik. ④ Kemampuan pengerasan yang tinggi. Komposisi paduannya mengandung unsur-unsur seperti nikel, kromium, dan molibdenum, yang dapat menjaga austenit baja superdingin tetap stabil. Struktur martensit dan bainit dapat diperoleh dengan pendinginan udara.
(3) Karakteristik pengolahan bahan. Bahan ini umumnya memiliki dua kondisi perlakuan panas: normalisasi + tempering dan pendinginan + tempering. Kekerasan yang berhubungan dengan kedua keadaan ini ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Kekerasan Bahan
Terlihat pada Tabel 2, kekerasan dan kekuatan tarik material ini sama-sama berada pada tingkat yang tinggi. Ia juga kaya akan unsur-unsur seperti kromium dan mangan. Faktor-faktor ini bersama-sama menjadikannya sulit untuk diproses, dan biasanya merupakan material yang sulit-untuk-dimesin. Kesulitan pemrosesan spesifiknya adalah sebagai berikut:
1) Kekuatan potong yang tinggi. Material ini memiliki kekerasan dan kekuatan yang tinggi, kepadatan atom dan kekuatan ikatan yang tinggi, serta ketangguhan patah yang sangat baik dan plastisitas jangka panjang. Pada saat proses pemotongan, tidak hanya gaya potongnya saja yang besar, namun gaya potongnya juga berfluktuasi secara signifikan [2].
2) Suhu pemotongan tinggi. Deformasi pemotongan menghabiskan banyak daya dan menghasilkan banyak panas. Sejumlah besar panas pemotongan terkonsentrasi di zona pemotongan, membentuk lingkungan bersuhu tinggi.
3) Kecenderungan pengerasan kerja yang tinggi. Bahan tersebut menunjukkan plastisitas dan ketangguhan yang baik, dengan koefisien penguatan yang tinggi. Di bawah pengaruh gabungan gaya pemotongan dan panas pemotongan, ia mengalami deformasi plastis yang parah, yang menyebabkan pengerasan kerja. Pada saat yang sama, panas pemotongan menyebabkan material menyerap atom hidrogen, oksigen, dan nitrogen dari medium di sekitarnya, membentuk lapisan permukaan yang keras dan rapuh, sehingga semakin meningkatkan kesulitan pemotongan.
4) Keausan alat yang parah. Gaya pemotongan dan suhu yang tinggi selama pemotongan meningkatkan gesekan antara pahat dan serpihan, dan material pahat rentan terhadap interaksi afinitas dengan material benda kerja. Dikombinasikan dengan adanya partikel keras pada material dan pengerasan kerja yang parah, perkakas ini sangat rentan terhadap keausan perekat, keausan difusi, keausan abrasif, keausan batas, dan keausan beralur selama pemotongan, yang pada akhirnya kehilangan kemampuan memotongnya.
5) Penanganan chip yang sulit. Kekuatan, plastisitas, dan ketangguhan material yang tinggi menyebabkan serpihan tersangkut seperti pita selama pemotongan, menimbulkan bahaya keselamatan, menghambat proses pemotongan, dan menyebabkan goresan pada permukaan bagian, sehingga sulit memenuhi persyaratan kekasaran permukaan.
6) Deformasi pemotongan besar. Temperatur pemotongan yang tinggi dan plastisitas material yang tinggi selama pemesinan dengan mudah menyebabkan deformasi termal, sehingga sulit untuk menjamin presisi dimensi dan bentuk.
(4) Skema Pemrosesan Bahan Untuk memastikan bahan mentah dapat sepenuhnya menyelesaikan perlakuan pendinginan dan temper, blanko tempa perlu dikerjakan secara kasar-sebelum perlakuan panas untuk memastikan bahwa ketebalan dinding setiap-penampang sesuai<30mm. Simultaneously, a datum is machined on the rough-machined blank to facilitate the connection between rough and finish machining processes. The blank and the rough-machined shape of the part are shown in Figures 2 and 3, respectively.
Gambar 2: Kosong
Gambar 3: Bentuk mesin-kasar
2.2 Karakteristik Proses Bagian ini memiliki beberapa-persyaratan dimensi presisi tinggi. Alur proses yang stabil dan andal harus dirancang dengan mempertimbangkan secara komprehensif semua parameter dimensi presisi untuk memastikan kualitas produk. Dimensi presisi utama bagian tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4: Dimensi Presisi Utama Bagian
(1) Diameter Luar Presisi Diameter luar presisi pada port adalah mm, dengan lebar zona toleransi hanya 0,022 mm; ukuran lubang bagian dalam adalah φ83.37mm, sesuai dengan ketebalan dinding 2.81mm. Persyaratan toleransi dimensi ini sangat ketat, dinding bagiannya tipis, dan kesulitan pemesinannya sangat tinggi. (2) Lubang Dalam Presisi: Lubang dalam presisi memiliki diameter φ mm dan toleransi 0,04 mm. Persyaratan koaksialitas lubang dalam relatif terhadap lingkaran luar adalah φ0,04 mm, persyaratan silindrisitas adalah φ0,02 mm, dan kedalaman lubang adalah 287,5 mm.
(3) Lubang Miring yang Diperluas: Seperti terlihat pada Gambar 5, lubang miring yang terletak pada posisi telinga bagian tersebut memiliki diameter mm dan sudut 45 derajat dengan sumbu bagian tersebut. Saat mengerjakan lubang ini, spindel perkakas mesin perlu disesuaikan dengan sudut 45 derajat dengan bagian tersebut. Untuk menghindari interferensi antara pahat dan perlengkapan, diperlukan struktur overhang yang panjang pada pahat pemesinan, yang merupakan tantangan besar dalam pemesinan bagian ini.
Gambar 5: Lubang Miring dan Lubang Bantalan yang Diperpanjang
(4) Lubang Bantalan: Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, lubang bantalan di telinga memiliki diameter mm. Lubang ini hanya dapat dikerjakan dari ujung kiri bagian tersebut. Overhang pahatnya besar, dan persyaratan toleransi diameternya ketat, sehingga sulit untuk menjamin keakuratan dimensi. 2.3 Proses Khusus
Selain persyaratan pengolahan di atas, bagian ini memerlukan beberapa langkah pengolahan khusus, sebagai berikut:
1) Tembakan peening. Area shot peening adalah diameter luar bagian tersebut, tetapi bagian diameter luar dengan diameter φmm harus dihindari. Dilarang keras melakukan shot peening pada lubang bagian dalam.
2) pelapisan kromium. Area pelapisan krom adalah lubang bagian dalam dengan diameter φmm. Ketebalan lapisan kromium harus dikontrol antara 20 dan 25 μm.
3) Pelapisan kadmium. Area pelapisan kadmium adalah seluruh permukaan kecuali area pelapisan kromium.
4) Lukisan. Area pengecatan adalah diameter luar bagian tersebut, namun bagian diameter luar dengan diameter φmm harus dihindari.
BAGIAN 3
Desain Proses Pemesinan Silinder Presisi Pesawat
Berdasarkan analisis sifat material, dimensi presisi, dan proses khusus bagian silinder ini, rencana prosesnya ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Rencana Proses
BAGIAN 4
Verifikasi Proses Pemesinan Silinder Presisi Pesawat
4.1 Finishing Diameter Luar Telinga
Bahan 35CD4 memiliki daya rekat yang kuat, sehingga menyulitkan kerusakan chip selama pemesinan. Saat menggunakan parameter pemesinan yang lebih rendah, tanda pemotongan yang dalam muncul di permukaan ujung komponen, sehingga permukaan material terlihat sobek. Untuk mengatasi masalah ini, parameter pemesinan pembubutan eksternal perlu disesuaikan. Parameter optimasi spesifik ditunjukkan pada Tabel 4. Melalui optimasi parameter, tanda pemotongan pada permukaan ujung bagian dihilangkan, permukaan ujung pemesinan menjadi halus, dan kualitas pemesinan tetap konsisten dari pusat hingga tepi. Keadaan permukaan akhir yang dioptimalkan ditunjukkan pada Gambar 6.
Tabel 4 Optimasi Parameter Pembubutan Muka Akhir
Gambar 6 Keadaan Part Setelah Muka Akhir Selesai Diputar
4.2 Pembubutan Diameter Eksternal Presisi
Operasi pembubutan CNC ke-14 adalah proses kunci dalam pemesinan bagian ini. Operasi ini menggunakan pencekam yang-berpusat sendiri dan sandaran tengah untuk menopang diameter luar. Persyaratan pemesinan khusus ditunjukkan pada Gambar 7. Toleransi diameter luar presisi suku cadang adalah 0,024 mm, dan pemesinan perlu dilakukan dalam tiga tahap. Parameter pemesinan spesifik ditunjukkan pada Tabel 5. Karena viskositas material yang tinggi, diperlukan sisipan putaran eksternal yang tajam. Jari-jari ujung sisipan yang disukai adalah R0,2 mm. Jika radius ujung sisipan terlalu besar, persyaratan kekasaran permukaan komponen tidak dapat dijamin.
Gambar 7 Persyaratan untuk proses pembubutan CNC Tabel 5 Optimalisasi parameter pembubutan eksternal Setelah penyelesaian, diameter luar bagian adalah 88,85~88,89mm, yang melebihi persyaratan gambar. Sebelum menemukan akar masalahnya, satu-satunya cara untuk menyesuaikan ukurannya adalah dengan menyisakan margin pada diameter luar lalu memolesnya secara manual. Setelah dilakukan analisa, kebulatan diameter luar yang ditopang oleh center rest pada saat penjepitan akan mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap runout putaran part tersebut [3]. Berdasarkan persyaratan toleransi presisi tinggi, dampak ini sangat menonjol. Diameter luar penjepit bagian yang-tidak-toleransi diukur, dan perubahan kebulatannya adalah 0,020~0,035mm, yang pada dasarnya konsisten dengan fluktuasi-yang tidak-toleransi pada diameter luar bagian tersebut. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, perlu dilakukan optimasi dan perbaikan persyaratan teknis proses referensi. Dalam proses pembubutan luar pada proses ke-11, kebulatan diameter luar harus dikontrol dalam 0,01 mm. Persyaratan peningkatan spesifik ditunjukkan pada Gambar 8. Setelah menambahkan persyaratan kontrol kebulatan pada proses ke-11, stabilitas dimensi pembubutan diameter luar pada proses ke-14 meningkat secara signifikan. Kisaran fluktuasi diameter luar dikurangi menjadi 88,865–88,875 mm, dan deformasi dapat dikontrol dalam 0,01 mm. Tidak diperlukan penyesuaian lokal oleh operator untuk memastikan toleransi diameter luar memenuhi persyaratan. Uji stabilitas memverifikasi bahwa satu ujung alat pemotong dapat mengerjakan empat bagian secara stabil; namun, keakuratan dimensi tidak dapat dijamin setelah alat dipakai.
Gambar 8: Persyaratan Peningkatan untuk Proses Baseline
4.3 Perbaikan Kemiringan Permukaan Bawah Lubang Dalam
Selama proses pembubutan CNC pada proses ke-14, cacat pemesinan muncul di bagian bawah bagian, diwujudkan sebagai bos sisa dengan diameter 1 mm dan tinggi 0,3 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Rencana pemesinan awal adalah menggunakan pabrik ujung datar untuk menghilangkan kelebihan bagian bawah, kemudian menggunakan alat bor berdiameter besar untuk membuat lubang, dan akhirnya menyelaraskan permukaan bawah. Saat melepas kelonggaran bawah menggunakan pemotong frais, runout pahat harus dikontrol dalam 0,01 mm. Namun, karena kemiringan kecil di bagian bawah pabrik ujung datar, bagian bawah komponen tidak dapat dikerjakan hingga menjadi datar. Pabrik ujung datar-ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 9: Cacat Bawah
Gambar 10: Pabrik-ujung datar
Untuk mengatasi masalah ini, skema pemesinan dioptimalkan dengan mengganti bagian bawah dengan pemotong bor berdiameter-kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11. Uji pemesinan membuktikan bahwa penggunaan pemotong bor untuk mengebor bagian bawah sepenuhnya menghilangkan cacat boss.
Gambar 11: Menambahkan Pemotong Membosankan
4.4 Optimasi Pembubutan Lubang Internal
Selama operasi pembubutan CNC ke-14, lubang internal menyisakan kelonggaran 0,05 mm di satu sisi untuk pengasahan berikutnya. Namun, setelah pengeboran, berbagai cacat kualitas muncul di lubang bagian dalam. Jenis cacat dan proporsinya ditunjukkan pada Tabel 6. Cacat ini menimbulkan risiko yang signifikan terhadap proses pengasahan selanjutnya.
Tabel 6. Jenis dan Persentase Cacat
Analisis mengungkapkan tiga penyebab utama dari cacat yang disebutkan di atas: Pertama, diameter pahat bor internal terlalu kecil, sehingga kekakuan pahat tidak mencukupi dan dimensi lubang setelah pengeboran tidak stabil. Kedua, material tersebut memiliki viskositas yang tinggi, menyebabkan pemotongan tidak stabil dan kerusakan chip yang buruk ketika menggunakan parameter penyelesaian tradisional, dengan chip berputar-putar dan menggores dinding lubang. Ketiga, kecepatan potong terlalu rendah, sehingga tidak memenuhi persyaratan akurasi dimensi dan kekasaran permukaan bagian tersebut.
Untuk mengatasi masalah ini, langkah-langkah optimalisasi berikut diterapkan: Pertama, mengganti pahat bor internal dengan yang berdiameter lebih besar untuk meningkatkan kekakuan pahat; alat bor yang dioptimalkan ditunjukkan pada Gambar 12. Kedua, meningkatkan kecepatan potong untuk meningkatkan kedalaman potong pada finishing. Ketiga, optimalkan sistem pendingin internal agar fluida pemotongan dapat langsung bekerja pada ujung pahat yang membosankan. Perbandingan optimasi alat ditunjukkan pada Tabel 7.
Gambar 12 Alat Membosankan yang Dioptimalkan
Tabel 7 Perbandingan Optimasi Alat
4.5 Optimalisasi Lubang Miring yang Diperpanjang
Pada operasi ke-13, penggilingan horizontal dari lubang miring yang diperpanjang, rencana awalnya adalah: menggunakan pemotong penggilingan yang diperpanjang φ6mm untuk memperbesar lubang menjadi φ7.3mm, diameter lubang sebenarnya setelah pemesinan adalah 7.1~7.2mm, dengan fluktuasi dimensi 0.1mm; setelah menyesuaikan program ke mill ke φ7.5mm, diameter lubang adalah 7.35~7.42mm, dan fluktuasi dikurangi menjadi 0.07mm; terakhir, alat untuk membesarkan lubang betis lurus digunakan untuk penyelesaian, diameter lubang 7,62~7,69mm, dan dimensinya sangat tidak stabil.
Pada optimasi pertama, alat untuk membesarkan lubang diganti dengan alat bor, dan diameter lubang setelah pemesinan adalah 7,60~7,72mm, melebihi persyaratan toleransi dan menyebabkan bagian tersebut dibuang. Rencana akhir yang dioptimalkan adalah: menggunakan pemotong penggilingan diameter variabel-diameter 7mm untuk penggilingan lubang miring, tingkat kelulusan komponen mesin mencapai 100%. Pahat untuk pemesinan lubang miring diperpanjang ditunjukkan pada Gambar 13.
a) Pabrik ujung betis lurus b) Alat untuk membesarkan lubang betis lurus c) Pemotong bor d) Pabrik akhir berdiameter variabel Gambar 13 Peralatan pemesinan lubang miring yang diperluas
4.6 Peningkatan pemesinan lubang bantalan
Pada proses pemesinan lubang bantalan ke-13, kebutuhan diameter lubang adalah mm. Rencana awalnya adalah: gunakan end mill φ20 mm untuk menggiling hingga φ34,4 mm, lalu gunakan pemotong bor untuk membuat lubang sesuai ukuran akhir. Namun, setelah pemesinan, tanda getaran muncul di dinding lubang, yang tidak dapat diatasi setelah beberapa kali penyesuaian parameter. Alat pemesinan ditunjukkan pada Gambar 14.
a) Pemotong bor b) End mill Gambar 14 Alat pemesinan lubang bantalan
4.7 Dampak shot peening pada bagian-bagiannya
Rencana pemesinan lubang presisi awal adalah: pengeboran presisi pembubutan CNC pada lubang bagian dalam dengan kelonggaran 0,05 mm di satu sisi, diasah untuk memastikan toleransi diameter lubang 0,02 mm dan silinder 0,02 mm, dan akhirnya peening shot pada diameter luar bagian. Namun, shot peening menyebabkan deformasi lubang bagian dalam, dengan diameter meningkat 0,015–0,025 mm pada posisi tengah aksial. Beberapa bagian melebihi batas toleransi atas dan dibuang.
Untuk mengatasi masalah ini, urutan proses disesuaikan setelah berkonsultasi dengan pelanggan, menempatkan honing setelah shot peening. Deformasi lubang bagian dalam setelah shot peening kira-kira 0,025 mm, yang seluruhnya tertutup oleh kelonggaran satu sisi sebesar 0,05 mm yang disediakan untuk mengasah. Setelah penyesuaian, toleransi diameter lubang bagian dalam setelah diasah dapat dikontrol dalam 0,010 mm, dan silinder dalam 0,015 mm, sehingga memenuhi persyaratan gambar. Dampak shot peening terhadap lubang bagian dalam ditunjukkan pada Tabel 8.
Tabel 8 Dampak Shot Peening pada Kontrol Lubang Internal (Satuan: mm)
BAGIAN 5
Kesimpulan
Melalui beberapa putaran optimasi dan peningkatan lean selama tahap verifikasi pemrosesan, bagian silinder presisi dirgantara ini akhirnya mencapai produksi massal yang stabil. Pengalaman pemrosesan tradisional tidak lagi dapat diterapkan pada kesulitan pemrosesan materi 35CD4. Berbagai tindakan, seperti pengoptimalan proses, pengoptimalan pemilihan alat, dan pengoptimalan parameter pemrosesan, diperlukan untuk mengatasi tantangan pemrosesan [4]. 35Baja berkekuatan tinggi CD4-memiliki kinerja yang sangat baik, namun juga menghadirkan tantangan pemrosesan yang lebih tinggi. Dalam produksi sebenarnya, perlu untuk memilih model alat secara spesifik dan merumuskan parameter pemrosesan yang masuk akal. Dengan berkembangnya teknologi pemrosesan yang sedang berkembang, kesulitan pemrosesan material-yang sulit-dimesinkan akan berkurang secara bertahap, dan pengalaman pemrosesan yang relevan perlu terus diringkas dan diakumulasikan. Selain itu, proses shot peening memiliki dampak yang tidak dapat diubah pada dimensi presisi bagian, yang menunjukkan bahwa desain proses adalah proyek yang sistematis. Pengaturan proses perlu mengikuti aturan logis dan sepenuhnya mempertimbangkan pengaruh timbal balik antara setiap proses untuk merumuskan rencana pemrosesan yang ilmiah dan masuk akal [5], dan mencapai produksi yang efisien sekaligus memastikan kualitas produk.
