Kiat Ahli untuk Pemilihan Alat CNC & Optimalisasi Pemotongan: Pemesinan CNC yang Unggul

Pemilihan tool dan penentuan parameter pemotongan dalam pemesinan CNC merupakan proses penting yang membedakannya dari metode pemesinan konvensional. Antarmuka manusia-mesin ini mengharuskan pemrogram untuk memiliki pemahaman yang komprehensif tentang prinsip-prinsip pemilihan pahat dan pengoptimalan parameter pemotongan. Untuk memastikan pemesinan CNC yang efisien, pemrogram harus mengintegrasikan pengetahuan mereka tentang nuansa manufaktur digital ke dalam strategi pemrograman mereka, sehingga mereka dapat membuat keputusan yang tepat dalam pemilihan alat dan parameter.

Perkakas mesin CNC direkayasa untuk melengkapi kecepatan tinggi, efisiensi tinggi, dan sifat otomatis dari perkakas mesin CNC. Sistem perkakas biasanya terdiri dari tiga komponen utama:

1. Perkakas potong: Perkakas yang direkayasa secara presisi yang dirancang untuk operasi pemesinan tertentu.
2. Penahan pahat standar: Antarmuka yang menghubungkan alat potong dengan aman ke spindel mesin.
3. Pemegang alat khusus: Penahan yang dirancang khusus untuk kebutuhan pemesinan yang unik atau geometri yang rumit.

Pendekatan modular pada tooling ini telah menghasilkan peningkatan standarisasi di seluruh industri, meningkatkan kemampuan pertukaran dan mengurangi waktu penyiapan. Antarmuka spindel dudukan pahat sangat penting untuk menjaga akurasi dan kekakuan selama operasi pemesinan berkecepatan tinggi.

Alat pemotong CNC dapat dikategorikan berdasarkan berbagai kriteria, termasuk:

1. Operasi pemesinan: Pembubutan, penggilingan, pengeboran, pengeboran, penggerindaan, dll.
2. Komposisi bahan: Baja kecepatan tinggi (HSS), karbida, keramik, boron nitrida kubik (CBN), berlian polikristalin (PCD), dll.
3. Geometri: Titik tunggal, multi-titik, putar, stasioner, dll.
4. Teknologi pelapisan: Tanpa lapisan, PVD (Deposisi Uap Fisik), CVD (Deposisi Uap Kimia), dll.
5. Aplikasi: Pengerjaan kasar, setengah jadi, finishing, pemesinan mikro, dll.

1. Struktur Alat Pemotong Mesin NC

Tipe Integral (Padat):
Perkakas ini dibuat sebagai satu kesatuan dari baja kecepatan tinggi (HSS) atau karbida. Alat ini menawarkan kekakuan dan presisi yang sangat baik untuk aplikasi tertentu, khususnya pada alat berdiameter lebih kecil. Contohnya adalah solid end mill, bor, dan reamer.

Jenis Sisipkan (Dapat Diindeks):
Alat-alat ini menggunakan sisipan pemotongan yang dapat diganti, biasanya terbuat dari bahan karbida atau keramik, yang dipasang pada badan alat. Alat ini dapat dikategorikan ke dalam dua subtipe utama:

a) Alat Sisipan Brazing: Sisipan dipasang secara permanen ke badan alat melalui proses mematri suhu tinggi.

b) Alat Sisipan yang Dijepit Secara Mekanis:

• Tidak dapat diindeks: Sisipan ditetapkan pada satu posisi.

• Dapat diindeks: Sisipan dapat diputar untuk mengekspos mata potong yang masih baru, sehingga memperpanjang usia pakai pahat.

Tipe Khusus:
a) Perkakas Pemotong Komposit: Kombinasikan material atau struktur yang berbeda untuk mengoptimalkan kinerja, seperti perkakas HSS berujung karbida.

b) Alat Peredam Getaran: Menggabungkan desain atau material khusus untuk mengurangi obrolan dan meningkatkan hasil akhir permukaan dalam kondisi pemesinan yang menantang.

c) Alat Pemotong Modular: Memungkinkan konfigurasi yang dapat disesuaikan dengan menggabungkan kepala pemotong yang berbeda dengan badan alat standar.

d) Alat yang Diumpankan Pendingin: Dilengkapi saluran internal untuk pengiriman cairan pendingin yang tepat langsung ke mata potong.

2. Bahan yang digunakan untuk membuat alat potong

1. Alat potong baja kecepatan tinggi (HSS):

• Komposisi: Paduan berbasis besi dengan kandungan karbon tinggi dan elemen paduan seperti tungsten, molibdenum, kromium, dan vanadium
• Properti: Retensi kekerasan yang sangat baik pada suhu tinggi, ketahanan aus yang baik, dan ketangguhan
• Aplikasi: Bor, tap, reamer, dan pemotong frais untuk pemesinan serba guna

2. Alat pemotong karbida yang disemen:

• Komposisi: Partikel tungsten karbida (WC) yang diikat dengan kobalt (Co) sebagai pengikat
• Properti: Kekerasan, ketahanan aus, dan konduktivitas termal yang unggul dibandingkan dengan HSS
• Aplikasi: Sisipan untuk operasi pembubutan, penggilingan, dan pengeboran, terutama pada pemesinan material keras berkecepatan tinggi

3. Alat pemotong berlian:

• Jenis: Berlian alami, berlian polikristalin (PCD), dan berlian deposisi uap kimia (CVD)
• Properti: Kekerasan yang tak tertandingi, ketahanan aus yang sangat baik, dan konduktivitas termal yang tinggi
• Aplikasi: Pemesinan presisi untuk logam non-besi, komposit, dan material abrasif; digunakan dalam pemotongan ultra-presisi dan pemesinan mikro

4. Alat pemotong material tingkat lanjut:

• Cubic Boron Nitrida (CBN):
  - Properti: Bahan terkeras kedua setelah berlian, stabilitas termal yang sangat baik
  - Aplikasi: Pemesinan baja yang dikeraskan, besi tuang, dan superalloy
• Alat pemotong keramik:
  - Jenis: Berbasis alumina (Al2O3) dan berbasis silikon nitrida (Si3N4)
  - Properti: Kekerasan panas yang tinggi, stabilitas kimiawi, dan ketahanan aus
  - Aplikasi: Penyelesaian kecepatan tinggi pada besi tuang dan paduan tahan panas
• Alat pemotong cermet:
  - Komposisi: Partikel keramik (biasanya TiC, TiN) dalam pengikat logam
  - Properti: Memadukan kekerasan keramik dengan ketangguhan logam
  - Aplikasi: Operasi finishing pada baja dan besi tuang

Setiap material menawarkan sifat yang unik dan dipilih berdasarkan kebutuhan pemesinan spesifik, material benda kerja, dan kondisi pemotongan untuk mengoptimalkan usia pakai pahat, permukaan akhir, dan efisiensi pemesinan secara keseluruhan.

3. Klasifikasi proses dan alat potong

Alat pemutar:

• Perkakas pembubutan eksternal untuk pemesinan diameter luar
• Batang bor untuk pemesinan berdiameter internal
• Alat bantu penguliran untuk ulir eksternal dan internal
• Alat-alat grooving dan perpisahan
• Alat bantu formulir untuk profil yang kompleks

Alat-alat pengeboran:

• Bor putar untuk membuat lubang
• Reamers untuk meningkatkan ukuran lubang dan hasil akhir permukaan
• Keran untuk membuat utas internal
• Alat-alat counterboring dan countersinking
• Bor pistol untuk pengeboran lubang dalam

Alat yang membosankan:

• Alat bor satu titik
• Kepala bor multi-titik
• Alat bor presisi dengan sisipan yang dapat disesuaikan secara mikro
• Kepala yang membosankan dan menghadap ke depan untuk operasi simultan

Alat penggilingan:

• Pabrik akhir untuk pemotongan dan pembuatan profil slot
• Pabrik wajah untuk pemesinan permukaan
• Pabrik hidung bola untuk kontur 3D
• Pabrik sisipan yang dapat diindeks untuk tingkat pembuangan material yang tinggi
• Pabrik benang untuk memproduksi benang internal dan eksternal

Alat-alat broaching:

• Bros internal dan eksternal
• Bros progresif untuk fitur berundak

Alat gerinda:

• Roda gerinda dari berbagai bahan dan ikatan abrasif
• Alat-alat superabrasif (CBN dan berlian) untuk material keras

Untuk memenuhi tuntutan pusat permesinan CNC modern, proporsi alat potong yang modular, dapat disesuaikan, dan tahan lama telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Sistem perkakas canggih ini sekarang terdiri dari 40% hingga 90% dari total inventaris perkakas di fasilitas pemesinan CNC, tergantung pada kompleksitas komponen yang diproduksi dan tingkat otomatisasi. Pergeseran ke arah solusi perkakas yang fleksibel ini meningkatkan produktivitas, mengurangi waktu penyiapan, dan meningkatkan efisiensi pemesinan secara keseluruhan.

4. Karakteristik Alat NC

Integrasi dengan sistem digital untuk pemantauan dan pengoptimalan waktu nyata. Banyak alat NC modern yang menggabungkan sensor atau tag RFID untuk pelacakan usia pakai alat, prediksi keausan, dan pengoptimalan proses.

Kekakuan dan presisi yang unggul, khususnya pada alat pengasaran, ditambah dengan peredam getaran yang ditingkatkan dan deformasi termal yang minimal. Hal ini memastikan kinerja pemotongan yang konsisten bahkan dalam kondisi pemesinan yang berat.

Kemampuan pertukaran yang sangat baik, memfasilitasi pergantian alat yang cepat. Fitur ini sering kali didukung oleh sistem penahan perkakas yang canggih seperti HSK (Hollow Shank Keyed) atau BT (Big-Plus Tooling), yang memberikan keakuratan dan kemampuan pergantian yang cepat.

Masa pakai yang lebih lama dengan kinerja pemotongan yang stabil dan andal. Hal ini sering kali dicapai melalui penggunaan teknologi pelapisan yang canggih (misalnya, PVD, CVD) dan geometri alat yang dioptimalkan yang mengurangi keausan dan menjaga integritas mata potong.

Penyesuaian ukuran yang mudah, meminimalkan waktu penyiapan penggantian alat. Banyak alat NC yang menggabungkan fitur penyetelan mikro atau desain modular yang memungkinkan penyetelan tanpa penggantian alat secara menyeluruh.

Kemampuan manajemen chip yang efisien, termasuk geometri pemecah chip dan sistem pengiriman cairan pendingin melalui alat. Fitur-fitur ini memastikan evakuasi chip yang andal, mencegah pemotongan ulang dan meningkatkan kualitas permukaan akhir.

Standardisasi dan serialisasi untuk merampingkan pemrograman dan manajemen alat. Hal ini mencakup kepatuhan terhadap standar ISO untuk dimensi alat dan data pemotongan, serta kompatibilitas dengan sistem manajemen alat yang umum dan perangkat lunak CAM.

5. Pemilihan Alat

Pemilihan alat dalam pemrograman NC merupakan proses penting yang dilakukan melalui interaksi manusia dan mesin. Pemilihan cutter dan shank harus dioptimalkan berdasarkan beberapa faktor, termasuk kemampuan pemrosesan alat mesin, sifat material benda kerja, urutan pemrosesan, parameter pemotongan, dan pertimbangan lain yang relevan.

Prinsip-prinsip dasar untuk pemilihan tool memprioritaskan kemudahan pemasangan dan penyesuaian, kekakuan yang unggul, daya tahan tinggi, dan presisi. Ketika memenuhi persyaratan pemrosesan, pemegang pahat yang lebih pendek lebih disukai untuk meningkatkan kekakuan pahat dan meminimalkan getaran selama pemesinan.

Pemilihan alat harus memastikan kompatibilitas dimensi antara alat dan permukaan benda kerja yang akan diproses. Dalam lingkungan produksi, end mill sering digunakan untuk pemesinan kontur periferal komponen datar. Untuk penggilingan permukaan planar, carbide-tipped face mill direkomendasikan karena ketahanan aus dan stabilitas termalnya yang unggul. Operasi milling berkecepatan tinggi sering kali membutuhkan geometri khusus seperti pemotong cembung atau alur untuk mengelola evakuasi chip dan pembuangan panas secara efektif.

Untuk pemesinan kasar pada permukaan atau lubang, penggilingan jagung yang dapat diindeks dengan sisipan semen karbida menawarkan tingkat penghilangan material yang tinggi dan efektivitas biaya. Profil tiga dimensi yang kompleks dan permukaan sudut yang bervariasi sering kali mengharuskan penggunaan ball nose end mill, torus cutter, tapered end mill, dan disc cutter, yang masing-masing dioptimalkan untuk fitur geometris tertentu.

Ketika melakukan pemesinan pada permukaan dengan bentuk bebas, seperti pada produksi cetakan, sangat penting untuk mempertimbangkan mekanika pemotongan dari berbagai geometri pahat yang berbeda. Ball end mill, meskipun serbaguna, memiliki kecepatan potong nol pada ujungnya, yang dapat mengganggu hasil akhir permukaan dan umur pahat. Untuk menjaga akurasi pemesinan, jarak step-over sering kali dikurangi, sehingga ball end mill lebih cocok untuk operasi finishing. Flat end mill umumnya menawarkan kualitas permukaan dan efisiensi pemotongan yang superior dibandingkan dengan ball end mill. Oleh karena itu, jika memungkinkan, flat end mill sebaiknya dipilih untuk pengasaran dan finishing permukaan lengkung, dengan strategi jalur pahat yang tepat untuk meminimalkan ketinggian kerang.

Daya tahan dan akurasi cutting tool secara signifikan berdampak pada ekonomi pemesinan secara keseluruhan. Meskipun cutting tool berkualitas tinggi dapat meningkatkan biaya perkakas awal, namun secara substansial dapat mengurangi total biaya pemrosesan dengan meningkatkan kualitas pemesinan, mengurangi waktu siklus, dan memperpanjang usia pakai tool. Pendekatan holistik terhadap pemilihan tool ini sering kali menghasilkan biaya per komponen yang lebih rendah dan keandalan proses yang lebih baik.

Di pusat permesinan, berbagai alat potong disimpan di dalam tool magazine, dengan pemilihan dan penggantian alat yang dilakukan secara otomatis sesuai dengan instruksi yang telah diprogram. Untuk memastikan pemasangan alat standar yang cepat dan tepat untuk operasi seperti pengeboran, pemboran, reaming, dan penggilingan, penting untuk menggunakan pemegang alat standar yang kompatibel dengan sistem penggantian alat otomatis alat berat.

Pemrogram harus menguasai dimensi struktural, metode penyetelan, dan rentang penyetelan dari pemegang pahat yang digunakan pada mesin perkakas tertentu. Pengetahuan ini sangat penting untuk menentukan secara akurat dimensi radial dan aksial alat potong selama fase pemrograman, memastikan kinerja alat yang optimal dan mencegah terjadinya tabrakan atau kesalahan pemesinan.

6. Prinsip pengaturan alat harus diikuti

Dalam proses pemesinan peralatan mesin CNC yang ekonomis, operasi penanganan perkakas manual seperti penggerindaan, pengukuran, dan penggantian sering kali menghabiskan waktu tambahan yang signifikan. Oleh karena itu, pengaturan alat yang efisien sangat penting untuk mengoptimalkan produktivitas. Prinsip-prinsip berikut ini harus dipatuhi:

Meminimalkan jumlah alat: Memanfaatkan alat multi-fungsi dan mengoptimalkan strategi pemotongan untuk mengurangi pergantian alat.

Memaksimalkan pemanfaatan alat: Setelah alat dipasang, selesaikan semua operasi pemesinan yang mungkin dilakukan sebelum berganti. Hal ini termasuk mempertimbangkan jalur pahat yang memungkinkan pemesinan beberapa fitur dalam satu pengaturan.

Pisahkan pahat kasar dan pahat finishing: Bahkan untuk geometri pahat yang sama, gunakan pahat khusus untuk operasi pengasaran dan finishing. Hal ini akan mempertahankan usia pakai alat dan memastikan kualitas permukaan yang konsisten.

Mengurutkan operasi secara logis:

• Lakukan operasi penggilingan sebelum pengeboran untuk menjaga kekakuan benda kerja.
• Permukaan mesin terlebih dahulu, diikuti dengan kontur 2D untuk meminimalkan defleksi dan memastikan akurasi dimensi.

Memprioritaskan manajemen usia pakai alat: Susunlah alat berdasarkan pola keausan yang diharapkan, dengan menempatkan alat yang berumur lebih panjang di awal urutan jika memungkinkan.

Memanfaatkan otomatisasi: Memanfaatkan kemampuan penggantian pahat otomatis (ATC) mesin CNC secara maksimal. Hal ini termasuk mengoptimalkan pengaturan tool magazine untuk pergantian yang efisien dan mengimplementasikan sistem pendeteksi kerusakan tool.

Pertimbangkan parameter pemotongan: Kelompokkan alat dengan kecepatan potong dan laju pemakanan yang serupa untuk meminimalkan siklus akselerasi/perlambatan alat berat.

Rencanakan pengukuran dalam proses: Jika memungkinkan, integrasikan probe sentuh atau alat ukur lainnya pada titik-titik strategis dalam urutan untuk memungkinkan pemesinan adaptif.

7. Prinsip pemilihan parameter pemotongan yang wajar

Selama pemesinan kasar, produktivitas biasanya ditingkatkan, tetapi pertimbangan juga harus diberikan pada ekonomi dan biaya pemrosesan. Pada pemesinan setengah jadi dan finishing, efisiensi pemotongan, ekonomi, dan biaya pemrosesan harus dipertimbangkan dengan tetap menjaga kualitas pemrosesan. Nilai-nilai spesifik harus ditentukan berdasarkan manual alat mesin, parameter pemotongan manual, dan pengalaman.

Faktor-faktor berikut harus dipertimbangkan:

Kedalaman pemotongan t: Jika alat mesin, benda kerja, dan kekakuan alat memungkinkan, t sama dengan jatah pemesinan, yang akan meningkatkan produktivitas. Kelonggaran pemesinan harus dicadangkan untuk memastikan akurasi pemesinan dan bagian kekasaran permukaan. Peralatan mesin NC mungkin memiliki kelonggaran finishing yang sedikit lebih rendah daripada peralatan mesin konvensional.

Lebar pemotongan L: L umumnya sebanding dengan diameter pahat D dan berbanding terbalik dengan kedalaman pemotongan. Dalam proses pemesinan peralatan mesin NC yang ekonomis, L umumnya dalam kisaran L = (0,6 ~ 0,9) D.

Kecepatan potong v: Meningkatkan v akan meningkatkan produktivitas, tetapi juga mempengaruhi daya tahan alat. Pilihan v terutama tergantung pada daya tahan alat, yang menurun seiring dengan meningkatnya v. Kecepatan potong juga bergantung pada material yang diproses. Sebagai contoh, ketika menggiling paduan 30CrNi2MoVA dengan end milling cutter, v bisa sekitar 8 m/menit, sementara menggiling paduan aluminium dengan end milling cutter yang sama, v bisa lebih dari 200 m/menit.

Kecepatan spindel n (R/menit): Kecepatan spindel umumnya dipilih berdasarkan kecepatan potong v. Rumus perhitungannya adalah: v = πnd/1000. Panel kontrol alat mesin NC biasanya memiliki sakelar penyesuaian kecepatan spindel (pembesaran), yang dapat menyesuaikan kecepatan spindel dengan kelipatan integral selama pemesinan.

Kecepatan umpan vF: vF harus dipilih berdasarkan akurasi pemesinan dan persyaratan kekasaran permukaan komponen, serta alat potong dan material benda kerja. Meningkatkan vF akan meningkatkan efisiensi produksi. Ketika persyaratan kekasaran permukaan rendah, vF bisa lebih besar. Selama pemrosesan, vF juga dapat disetel secara manual melalui sakelar penyetelan pada panel kontrol alat mesin, tetapi kecepatan pemakanan maksimum dibatasi oleh kekakuan peralatan dan kinerja sistem pemakanan.