Ultrasonic Machining (USM):Mekanika, Parameter Proses, Elemen, Alat &Karakteristik

Pada artikel ini kita akan membahas tentang pemesinan ultrasonik:- 1. Pemesinan Ultrasonik (USM) dan Alat Pemesinan Ultrasonik 2. Mekanisme USM 3. Parameter Proses USM dan Pengaruhnya 4. Komponen Pemesinan Ultrasonik 5. Karakteristik Pemesinan Ultrasonik Pemesinan Ultrasonik.

Isi:

1. Permesinan Ultrasonik (USM) dan Alat Permesinan Ultrasonik
2. Mekanika USM
3. Parameter Proses USM dan Efeknya
4. Komponen Pemesinan Ultrasonik
5. Karakteristik USM

---

1. Pemesinan Ultrasonik (USM) dan Alat Pemesinan Ultrasonik :

Penggunaan ultrasonik dalam permesinan pertama kali diusulkan oleh L. Balamuth pada tahun 1945. Laporan pertama tentang peralatan dan teknologi muncul pada tahun 1951-52. Pada tahun 1954, peralatan mesin, menggunakan prinsip ultrasonik, telah dirancang dan dibangun. Awalnya, USM digunakan untuk menjadi operasi finishing untuk komponen yang diproses oleh mesin percikan listrik. Namun, penggunaan ini menjadi kurang penting karena perkembangan pemesinan pelepasan listrik.

Tetapi, kemudian, dengan booming dalam elektronik solid state, pemesinan bahan non-konduktor, semi-konduktif, dan rapuh secara elektrik menjadi semakin penting dan, untuk alasan ini, pemesinan ultrasonik lagi memperoleh arti penting dan menonjol. Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai jenis peralatan mesin ultrasonik telah dikembangkan. Tentu saja teknik USM ini masih jauh dari sempurna.

Proses USM dasar melibatkan alat (terbuat dari bahan yang ulet dan keras) yang bergetar dengan frekuensi yang sangat tinggi dan aliran bubur abrasif yang terus menerus di celah kecil antara alat dan permukaan kerja . Alat ini secara bertahap diumpankan dengan gaya yang seragam. Dampak dari butiran abrasif yang keras mematahkan permukaan kerja yang keras dan getas, sehingga material kerja dalam bentuk partikel aus yang terbawa oleh bubur abrasif menjadi hilang. Material pahat, karena kuat dan ulet, aus dengan kecepatan yang jauh lebih lambat.

---

2. Mekanisme USM:

Fisika pemesinan ultrasonik tidak lengkap atau tidak kontroversial.

Alasan pemindahan material selama USM diyakini sebagai:

(i) Pemukulan partikel abrasif pada permukaan kerja oleh pahat,

(ii) Dampak partikel abrasif bebas pada permukaan kerja,

(iii) Erosi karena kavitasi, dan

(iv) Tindakan kimia yang terkait dengan cairan yang digunakan.

Sejumlah peneliti telah mencoba mengembangkan teori untuk memprediksi karakteristik pemesinan ultrasonik. Model yang diusulkan oleh M.C. Shaw umumnya diterima dengan baik dan, terlepas dari keterbatasannya, menjelaskan proses pemindahan material dengan cukup baik. Dalam model ini, dampak langsung pahat pada butiran yang bersentuhan dengan benda kerja (yang bertanggung jawab atas sebagian besar pemindahan material) dipertimbangkan.

Selain itu, asumsi yang dibuat adalah:

(i) Laju pemindahan material kerja sebanding dengan volume material kerja per tumbukan,

(ii) Laju pemindahan material kerja sebanding dengan jumlah partikel yang berdampak per siklus,

(iii) Laju pemindahan material kerja sebanding dengan frekuensi (jumlah siklus per satuan waktu),

(iv) Semua dampak identik,

(v) Semua butiran abrasif identik dan berbentuk bulat.

Sekarang mari kita pertimbangkan dampak butiran abrasif bulat yang kaku dengan diameter pada permukaan kerja. Gambar 6.9 menunjukkan lekukan yang disebabkan oleh benturan seperti itu dalam sekejap.

Jika D adalah diameter lekukan setiap saat dan h kedalaman penetrasi yang sesuai, kita dapatkan, dari Gambar 6.9,

Berbagai posisi pahat selama satu siklus ditunjukkan pada Gambar 6.11. Posisi A menunjukkan saat permukaan pahat menyentuh butiran abrasif, dan periode pergerakan dari A ke B menunjukkan tumbukan. Lekukan, yang disebabkan oleh butiran pada pahat dan permukaan kerja pada posisi paling bawah pahat ditunjukkan pada Gambar 6.12. Jika jarak yang ditempuh pahat dari posisi A ke posisi B adalah h (total lekukan), maka-

Karena tegangan aliran dan kekerasan Brinell H adalah sama, persamaan (6.6) dan (6.7) menghasilkan –

Tingkat pemindahan material ini melalui aksi palu langsung dari butiran karena alat getar. Beberapa butir, yang dipantulkan oleh permukaan pahat yang bergerak cepat, juga menimpa permukaan kerja, dan kita dapat memperkirakan lekukan yang disebabkan oleh butiran yang bergerak bebas tersebut. Gambar 6.13 menunjukkan butir yang dipantulkan oleh pahat. Selama getaran, kecepatan maksimum permukaan pahat adalah 2πvA.

Karena kecepatan asli butiran abrasif kecil, kecepatan maksimumnya jelas adalah 2πvA. Jadi, energi kinetik maksimum yang sesuai dari butiran abrasif diberikan oleh –

Di mana adalah densitas bahan abrasif. Jika kita berasumsi bahwa selama lekukan yang disebabkan oleh butiran yang menumbuk seperti itu, gaya kontak meningkat secara linier dengan lekukan, maka –

Membandingkan nilai h_w dan h'_w dalam kondisi normal, kita melihat bahwa h’_w sangat kecil dibandingkan dengan h_w , sehingga dapat disimpulkan bahwa sebagian besar material dihilangkan oleh butiran abrasif yang berdampak langsung.

Relasi (6.11) menunjukkan bahwa laju pemindahan material sebanding dengan d ^1/4 , tetapi sebenarnya sebanding dengan d. Perbedaan antara prediksi teoritis dan fakta yang diamati dijelaskan oleh Shaw sebagai berikut.

Bentuk sebenarnya dari butiran abrasif tidak bulat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.14. Alih-alih memiliki permukaan yang halus, ia memiliki proyeksi diameter rata-rata d₁ .

Diameter rata-rata proyeksi diamati sebanding dengan kuadrat diameter nominal butir (d). Jadi,

Relasi (6.18) menunjukkan bahwa mrr sebanding dengan d, fakta yang juga dikonfirmasi secara eksperimental.

Teori Shaw memiliki sejumlah keterbatasan. Misalnya, ia tidak memprediksi dengan tepat efek variasi A, F, dan v. Ketika F dinaikkan, mrr meningkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.15. Hal ini juga dikonfirmasi oleh relasi (6.18). Namun, dalam praktiknya, Q mulai menurun setelah beberapa nilai F karena butiran abrasif hancur di bawah beban berat.

---

3. Parameter Proses USM dan Pengaruhnya:

Parameter penting yang mempengaruhi proses adalah:

(i) Frekuensi:

Seperti dapat dilihat dari relasi (6.18), mrr meningkat secara linier dengan frekuensi. Dalam praktiknya juga, mrr meningkat dengan frekuensi (lihat Gambar 6.16a) tetapi karakteristik sebenarnya tidak sepenuhnya linier. mrr cenderung agak lebih rendah dari nilai yang diprediksi secara teoritis.

(ii) Amplitudo:

Bila amplitudo getaran dinaikkan, mrr diharapkan meningkat, seperti yang dapat dilihat dari hubungan (6.18). Sifat sebenarnya dari variasi adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.16b untuk nilai frekuensi yang berbeda. Sekali lagi, karakteristik sebenarnya agak berbeda dari yang diprediksi secara teoritis. Sumber utama perbedaan berasal dari fakta bahwa kami menghitung durasi penetrasi t dengan mempertimbangkan kecepatan rata-rata (=A/(T/4)). Karakteristik variasi t, diberikan oleh –

sangat berbeda dari yang diperoleh dari ekspresi perkiraan, yaitu, (h / A)(T / 4).

(iii) Pemuatan Statis (Kekuatan Umpan):

Dengan peningkatan pemuatan statis (yaitu, gaya umpan), mrr cenderung meningkat. Namun, dalam praktiknya, ia cenderung menurun melampaui nilai kritis tertentu dari gaya saat butiran mulai dihancurkan. Sifat variasi mrr dengan gaya umpan (untuk berbagai amplitudo) ditunjukkan pada Gambar 6.17a.

(iv) Rasio Kekerasan Alat dan Benda Kerja:

Perbandingan kekerasan benda kerja dan kekerasan pahat mempengaruhi mrr cukup signifikan, dan karakteristiknya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.17b. Selain kekerasan, kerapuhan bahan kerja memainkan peran yang sangat dominan. Tabel 6.2 menunjukkan tingkat pemindahan material relatif untuk material kerja yang berbeda, dengan menjaga parameter lainnya tetap sama. Jelas, bahan yang lebih rapuh dikerjakan lebih cepat.

(v) Ukuran Butir:

Hubungan (6.18) menunjukkan bahwa mrr harus naik secara proporsional dengan diameter butir rata-rata d. Namun, ketika d menjadi terlalu besar dan mendekati besarnya amplitudo A, kecenderungan penghancuran meningkat, menghasilkan penurunan mrr seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.18a.

(vi) Konsentrasi Abrasive dalam Bubur:

Karena konsentrasi secara langsung mengontrol jumlah butir yang menghasilkan tumbukan per siklus dan juga besarnya masing-masing tumbukan, mrr diharapkan bergantung pada C. Tetapi hubungan (6.18) menunjukkan bahwa mrr diharapkan sebanding dengan C ^1/4 . Variasi aktual ditunjukkan pada Gambar 6.18b untuk B₄ abrasif C dan SiC. Ini cukup sesuai dengan prediksi teoretis. Karena mrr meningkat seiring C ^1/4 , peningkatan mrr cukup rendah setelah C melewati 30%. Dengan demikian, peningkatan lebih lanjut dalam konsentrasi tidak membantu.

Beberapa sifat fisik (misalnya, viskositas) dari cairan yang digunakan untuk bubur juga mempengaruhi mrr. Eksperimen menunjukkan bahwa mrr turun dengan meningkatnya viskositas (Gbr. 6.19a).

Meskipun mrr merupakan pertimbangan yang sangat penting untuk menilai kinerja operasi USM, kualitas hasil akhir yang diperoleh juga harus dipertimbangkan untuk evaluasi yang tepat. Dalam operasi USM, permukaan akhir terutama tergantung pada ukuran butiran abrasif. Gambar 6.19b menunjukkan variasi khas dari nilai rata-rata ketidakrataan permukaan dengan ukuran butir rata-rata untuk kaca dan tungsten karbida sebagai bahan kerja.

Jelas bahwa permukaan akhir jauh lebih sensitif terhadap ukuran butir dalam kasus kaca. Hal ini karena fakta bahwa, untuk kekerasan yang tinggi, ukuran pecahan yang terlepas melalui patah getas tidak terlalu bergantung pada ukuran partikel tumbukan.

Efek USM pada Material:

Karena gaya potong yang terlibat sangat kecil, prosesnya tidak menghasilkan tekanan dan pemanasan yang berarti. Jadi, struktur material tetap tidak terpengaruh. Namun, selama pemotongan melalui lubang, chipping dapat terjadi di sisi keluar lubang. Untuk menghindari hal ini, benda kerja yang terbuat dari bahan rapuh diikat ke alas yang biasanya terbuat dari kaca.

---

4. Komponen Pemesinan Ultrasonik:

Komponen penting mesin adalah:

(i) Kepala Akustik :

Kepala akustik (Gbr. 6.22) mungkin merupakan bagian terpenting dari mesin. Fungsinya untuk menghasilkan getaran pada alat. Ini terdiri dari generator untuk memasok arus listrik frekuensi tinggi, transduser untuk mengubahnya menjadi gerakan mekanis dalam bentuk getaran frekuensi tinggi, pemegang untuk menahan kepala, dan konsentrator untuk memperkuat getaran secara mekanis saat mentransmisikannya ke alat.

Sebagian besar transduser bekerja berdasarkan prinsip magnetostriksi karena efisiensi tinggi, keandalan tinggi dalam rentang 15-30 kHz, tegangan suplai rendah, dan pengaturan pendinginan sederhana. Stamping digunakan untuk mengurangi kerugian seperti pada transformator. Dimensi dipilih sedemikian rupa sehingga frekuensi alami bertepatan dengan frekuensi suplai listrik. Hampir semua mesin modern menggunakan transduser magnetostriksi yang terbuat dari nikel (stempel dengan ketebalan 0,1-0,2 mm).

Tujuan utama konsentrator adalah untuk meningkatkan amplitudo ke tingkat yang diperlukan untuk pemotongan. Berbagai jenis konsentrator digunakan (Gbr. 6.23a). Gambar 6.23b menunjukkan bagaimana amplitudo getaran longitudinal dari rakitan transduser-konsentrator diperkuat. Perlu dicatat bahwa sistem harus dipegang ke badan utama pada titik nodal, seperti yang ditunjukkan.

(ii) Mekanisme Umpan :

Tujuan mekanisme umpan adalah untuk menerapkan gaya kerja selama operasi pemesinan. Instrumen yang menunjukkan pergerakan pahat menunjukkan kedalaman pemesinan.

Tipe dasar mekanisme umpan adalah:

(a) Jenis penyeimbang,

(b) Jenis pegas,

(c) Jenis pneumatik dan hidrolik,

(d) Jenis motor.

(iii) Alat:

Alat ini terbuat dari logam yang kuat, tetapi sekaligus ulet. Umumnya, baja tahan karat dan baja karbon rendah digunakan untuk membuat alat. Perkakas aluminium dan kuningan masing-masing aus sepuluh dan lima kali lebih cepat daripada perkakas baja. Fitur geometris ditentukan oleh proses. Diameter lingkaran yang dibatasi sekitar pahat tidak boleh lebih dari 1,5 hingga 2 kali diameter ujung konsentrator, dan pahat harus sesingkat dan sekaku mungkin.

Bila pahat dibuat berlubang, kontur internal harus sejajar dengan kontur eksternal untuk memastikan keausan seragam. Ketebalan dinding atau proyeksi harus setidaknya lima kali ukuran butir abrasif. Pada alat berlubang, dinding tidak boleh dibuat lebih tipis dari 0,5 mm sampai 0,8 mm. Saat merancang pahat, pertimbangan harus diberikan pada jarak bebas sisi yang biasanya berkisar antara 0,06 mm hingga 0,36 mm, tergantung pada ukuran butir abrasif.

(iv) Bubur Abrasive:

Abrasive yang paling umum adalah – (i) boron karbida (B₄ C), (ii) silikon karbida (SiC), (iii) korundum (Al₂ O₃ ), (iv) intan, dan (v) boron silikarbida (sangat efisien) yang daya abrasifnya sekitar 10% lebih besar dari B₄ C. B₄ C adalah yang terbaik dan paling efisien di antara yang lain tetapi mahal. SiC digunakan pada kaca, germanium, dan beberapa keramik. Waktu pemotongan dengan SiC sekitar 20-40% lebih lama dibandingkan dengan B₄ C. Korundum jauh lebih tidak efisien dan waktu pemotongannya sekitar 3-4 kali lipat dengan B₄ C. Debu intan hanya digunakan untuk memotong intan dan rubi.

Meskipun air adalah cairan yang paling umum digunakan dalam bubur, cairan lain, seperti benzena, gliserol, dan minyak, juga digunakan. Telah ditemukan bahwa mrr cenderung menurun dengan meningkatnya viskositas.

---

5. Karakteristik USM:

---