Pengasinan Ultrasonik (USM): Dasar, Parameter Proses, Komponen, dan Manfaat Utama

Dalam artikel ini kita akan membahas tentang pengasinan ultrasonik:- 1. Pengasinan Ultrasonik (USM) dan Alat Pengasinan Ultrasonik 2. Mekanika USM 3. Parameter Proses USM dan Pengaruhnya 4. Komponen Pengasinan Ultrasonik 5. Karakteristik Pengasinan Ultrasonik.

Isi:

1. Pengasinan Ultrasonik (USM) dan Alat Pengasinan Ultrasonik
2. Mekanika USM
3. Parameter Proses USM dan Pengaruhnya
4. Komponen Pengasinan Ultrasonik
5. Karakteristik USM

1. Pengasinan Ultrasonik (USM) dan Alat Pengasinan Ultrasonik

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

Namun, kemudian, dengan kembalinya elektronik solid state, pemotongan bahan yang tidak menghantarkan listrik, setengah menghantarkan, dan rapuh menjadi semakin penting dan, karena alasan ini, pengasinan ultrasonik kembali mendapat penting dan prominensi. Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai jenis alat mesin ultrasonik telah dikembangkan. Tentu saja, teknik USM masih jauh dari sempurna.

Proses USM dasar melibatkan alat (dibuat dari bahan yang lentur dan tahan) yang bergetar dengan frekuensi sangat tinggi dan aliran kontinu pelerapan abrasif dalam celah kecil antara alat dan permukaan workpiece. Alat secara bertahap diberikan dengan gaya yang seragam. Impingement partikel abrasif keras menyebabkan retakan permukaan workpiece yang keras dan rapuh, resulting in penghapusan bahan workpiece dalam bentuk partikel aus kecil yang dibawa oleh pelerapan abrasif. Bahan alat, yang lentur dan tahan, aus dengan laju yang jauh lebih lambat.

2. Mekanika USM:

Fisika pengasinan ultrasonik tidak lengkap atau tidak menimbulkan perdebatan.

Alasan penghapusan bahan selama USM diyakini adalah:

(i) Pukulan partikel abrasif pada permukaan workpiece oleh alat,

(ii) Impingement partikel abrasif bebas pada permukaan workpiece,

(iii) Erosi karena kavitasi, dan

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

Sejumlah peneliti telah mencoba mengembangkan teori untuk memprediksi karakteristik pengasinan ultrasonik. Model yang diusulkan oleh M.C. Shaw secara umum diterima dan, meskipun memiliki keterbatasan, menjelaskan proses penghapusan bahan dengan cukup baik. Dalam model ini, impingement langsung alat pada partikel yang bersentuhan dengan workpiece (yang bertanggung jawab atas sebagian besar penghapusan bahan) dipertimbangkan.

Selain itu, asumsi yang dibuat adalah:

(i) Laju penghapusan bahan workpiece proporsional dengan volume bahan workpiece per impingement,

(ii) Laju penghapusan bahan workpiece proporsional dengan jumlah partikel yang membuat impingement per siklus,

(iii) Laju penghapusan bahan workpiece proporsional dengan frekuensi (jumlah siklus per satuan waktu),

(iv) Semua impingement identik,

(v) Semua partikel abrasif identik dan berbentuk bola.

Mari kita pertimbangkan impingement partikel abrasif bola keras dengan diameter d pada permukaan workpiece. Gambar 6.9 menunjukkan indensi yang disebabkan oleh impingement semacam itu pada suatu waktu.

Jika D adalah diameter indensi pada setiap waktu dan h adalah kedalaman penembusan yang sesuai, kita dapatkan, dari Gambar 6.9,

Posisi alat yang berbeda selama siklus seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.11. Posisi A menunjukkan saat permukaan alat menyentuh partikel abrasif, dan periode gerakan dari A hingga B mewakili impingement. Indensi yang disebabkan oleh partikel pada alat dan permukaan workpiece pada posisi terendah alat ditunjukkan dalam Gambar 6.12. Jika jarak yang ditempuh alat dari posisi A ke posisi B adalah h (indensi total), maka-

Karena tegangan aliran σ dan kekerasan Brinell H sama, persamaan (6.6) dan (6.7) menghasilkan-

Laju penghapusan bahan ini melalui tindakan pukulan langsung partikel karena alat yang bergetar. Beberapa partikel, yang dipantulkan oleh permukaan alat yang bergerak cepat, juga mengenai permukaan workpiece, dan kita dapat mengestimasi indensi yang disebabkan oleh partikel bebas bergerak semacam itu. Gambar 6.13 menunjukkan partikel yang dipantulkan oleh alat. Selama getaran, kecepatan maksimum permukaan alat adalah 2πvA.

Karena kecepatan awal partikel abrasif kecil, kecepatan maksimumnya, tentu saja, dalam urutan 2πvA. Jadi, energi kinetik maksimum partikel abrasif yang sesuai diberikan oleh –

Di mana ρ adalah densitas bahan abrasif. Jika kita asumsikan bahwa selama indensi yang disebabkan oleh partikel mengenai semacam itu gaya kontak meningkat secara linier dengan indensi, maka –

Membandingkan nilai h_w dan h’_w dalam kondisi normal, kita melihat bahwa h’_w sangat kecil dibandingkan dengan h_w, dan jadi dapat disimpulkan bahwa sebagian besar bahan dihapus oleh partikel abrasif yang mengenai langsung.

Hubungan (6.11) menunjukkan bahwa laju penghapusan bahan proporsional dengan d^1/4, tetapi sebenarnya proporsional dengan d. Ketidaksesuaian ini antara prediksi teoretis dan fakta yang diamati dijelaskan oleh Shaw sebagai berikut.

Bentuk sebenarnya partikel abrasif tidak berbentuk bola, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.14. Alih-alih memiliki permukaan halus, ia memiliki proyeksi dengan diameter rata-rata d₁.

Diameter rata-rata proyeksi diamati proporsional dengan kuadrat diameter nominal partikel (d). Jadi,

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

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

3. Parameter Proses USM dan Pengaruhnya:

Parameter penting yang mempengaruhi proses adalah:

(i) Frekuensi:

Seperti yang dapat dilihat dari hubungan (6.18), mrr meningkat linier dengan frekuensi. Dalam praktik juga, mrr meningkat dengan frekuensi (lihat Gambar 6.16a) tetapi karakteristik sebenarnya tidak persis linier. mrr cenderung sedikit lebih rendah dari nilai yang diprediksi secara teoretis.

(ii) Amplitudo:

Ketika amplitudo getaran ditingkatkan, mrr diharapkan meningkat, seperti yang dapat dilihat dari hubungan (6.18). Karakteristik sebenarnya dari variasi seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.16b untuk berbagai nilai frekuensi. Lagi, karakteristik sebenarnya sedikit berbeda dari yang diprediksi secara teoretis. Sumber utama ketidaksesuaian berasal dari fakta bahwa kita menghitung durasi penembusan Δt dengan mempertimbangkan kecepatan rata-rata (=A/(T/4)). Karakteristik variasi Δt, yang diberikan oleh –

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

(iii) Pemuatan Statis (Gaya Pemasukan):

Dengan peningkatan pemuatan statis (yaitu, gaya pemasukan), mrr cenderung meningkat. Namun, dalam praktiknya, cenderung menurun setelah beberapa nilai kritis gaya karena partikel mulai hancur. Karakteristik variasi mrr dengan gaya pemasukan (untuk berbagai amplitudo) ditunjukkan dalam Gambar 6.17a.

(iv) Rasio Kekerasan Alat dan Workpiece:

Rasio kekerasan workpiece dan kekerasan alat mempengaruhi mrr secara signifikan, dan karakteristiknya seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.17b. Selain kekerasan, kerapuhan bahan workpiece memainkan peran yang sangat dominan. Tabel 6.2 menunjukkan laju penghapusan bahan relatif untuk berbagai bahan workpiece, dengan parameter lain yang sama. Jelas, bahan yang lebih rapuh dipotong lebih cepat.

(v) Ukuran Partikel:

Hubungan (6.18) menunjukkan bahwa mrr seharusnya meningkat proporsional dengan diameter partikel rata-rata d. Namun, ketika d menjadi terlalu besar dan mendekati magnitudo amplitudo A, kecenderungan hancur meningkat, resulting in penurunan mrr seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.18a.

(vi) Konsentrasi Abrasif dalam Pelerapan:

Karena konsentrasi secara langsung mengontrol jumlah partikel yang membuat impingement per siklus dan juga magnitudo setiap impingement, mrr diharapkan bergantung pada C. Namun hubungan (6.18) menunjukkan bahwa mrr diharapkan proporsional dengan C^1/4. Variasi sebenarnya ditunjukkan dalam Gambar 6.18b untuk abrasif B₄C dan SiC. Ini dalam kesepakatan yang cukup baik dengan prediksi teoretis. Karena mrr meningkat sebagai C^1/4, peningkatan mrr cukup rendah setelah C melampaui 30%. Jadi, peningkatan konsentrasi lebih lanjut tidak membantu.

Beberapa properti fisik (misalnya, viskositas) cairan yang digunakan untuk pelerapan juga mempengaruhi mrr. Eksperimen menunjukkan bahwa mrr menurun seiring bertambahnya viskositas (Gambar 6.19a).

Meski mrr adalah pertimbangan yang sangat penting untuk menilai kinerja operasi USM, kualitas finishing yang diperoleh juga harus dipertimbangkan untuk evaluasi yang tepat. Dalam operasi USM, finishing permukaan bergantung terutama pada ukuran partikel abrasif. Gambar 6.19b menunjukkan variasi tipikal dari nilai rata-rata ketidakteraturan permukaan dengan ukuran partikel rata-rata untuk kaca dan karbida tungsten sebagai bahan workpiece.

Jelas bahwa finishing permukaan jauh lebih sensitif terhadap ukuran partikel dalam kasus kaca. Ini karena fakta bahwa, untuk kekerasan tinggi, ukuran fragmen yang terlepas melalui fraktur rapuh tidak terlalu bergantung pada ukuran partikel mengenai.

Efek USM pada Bahan:

Karena gaya pemotongan yang terlibat sangat kecil, proses tidak menghasilkan stres dan pemanasan yang signifikan. Jadi, struktur bahan tetap tidak terpengaruh. Namun, saat memotong melalui lubang, retakan mungkin terjadi di sisi keluar lubang. Untuk menghindari ini, workpiece yang terbuat dari bahan rapuh biasanya dipasang pada dasar yang biasanya terbuat dari kaca.

4. Komponen Pengasinan Ultrasonik:

Komponen penting dari mesin adalah:

(i) Kepala Akustik:

Kepala akustik (Gambar 6.22) mungkin bagian terpenting dari mesin. Fungsinya adalah menghasilkan getaran pada alat. Ini terdiri dari generator untuk menyediakan arus listrik frekuensi tinggi, transducer untuk mengonversi ini menjadi gerakan mekanis dalam bentuk getaran frekuensi tinggi, penahan untuk memegang kepala, dan konsentrator untuk memperkuat getaran secara mekanis saat mentransfernya ke alat.

Sebagian besar transducer bekerja pada prinsip magnetostriksi karena efisiensi tinggi, keandalan tinggi dalam rentang 15-30 kHz, tegangan pasokan rendah, dan sistem pendingin sederhana. Stempel digunakan untuk mengurangi kerugian seperti dalam trafo. Dimensi dipilih sedemikian rupa sehingga frekuensi alami coinciding dengan frekuensi pasokan listrik. Hampir semua mesin modern menggunakan transducer magnetostriksi yang terbuat dari nikel (stempel dengan ketebalan 0,1-0,2 mm).

Tujuan utama konsentrator adalah untuk meningkatkan amplitudo ke level yang dibutuhkan untuk pemotongan. Berbagai jenis konsentrator digunakan (Gambar 6.23a). Gambar 6.23b menunjukkan bagaimana amplitudo getaran longitudinal dari rangkaian transducer-konsentrator diperkuat. Perlu dicatat bahwa sistem harus dipegang pada badan utama di titik nod, seperti yang ditunjukkan.

(ii) Mekanisme Pemasukan:

Tujuan mekanisme pemasukan adalah untuk menerapkan gaya kerja selama operasi pemotongan. Instrumen yang menunjukkan gerakan alat menunjukkan kedalaman pemotongan.

Tipe dasar mekanisme pemasukan adalah:

(a) Tipe beban timbal,

(b) Tipe pegas,

(c) Tipe pneumatik dan hidraulik,

(d) Tipe motor.

(iii) Alat:

Alat terbuat dari logam yang kuat, tetapi pada saat yang sama lentur. Secara umum, stainless steel dan baja karbon rendah digunakan untuk membuat alat. Alat aluminium dan kuningan aus sepuluh dan lima kali lebih cepat dari alat baja, masing-masing. Fitur geometris diputuskan oleh proses. Diameter lingkaran yang melingkari alat tidak boleh lebih dari 1,5 hingga 2 kali diameter ujung konsentrator, dan alat harus sem pendek dan kaku mungkin.

Ketika alat dibuat berongga, kontur internal harus sejajar dengan kontur eksternal untuk memastikan aus yang seragam. Ketebalan dinding atau proyeksi apa pun harus setidaknya lima kali ukuran partikel abrasif. Dalam alat berongga, dinding tidak boleh dibuat lebih tipis dari 0,5 mm hingga 0,8 mm. Saat merancang alat, pertimbangan harus diberikan kepada ruang samping yang biasanya dalam urutan 0,06 mm hingga 0,36 mm, tergantung pada ukuran partikel abrasif.

(iv) Pelerapan Abrasif:

Abrasif yang paling umum adalah – (i) borida bor (B₄C), (ii) karbida silikon (SiC), (iii) korundum (Al₂O₃), (iv) diamond, dan (v) borida silika bor (sangat efisien) yang daya potongnya sekitar 10% lebih besar dari B₄C. B₄C adalah yang terbaik dan paling efisien di antara yang lain tetapi mahal. SiC digunakan pada kaca, geranium, dan beberapa keramik. Waktu pemotongan dengan SiC sekitar 20-40% lebih lama dari B₄C. Korundum jauh kurang efisien dan waktu pemotongan sekitar 3-4 kali dari B₄C. Debu diamond hanya digunakan untuk memotong diamond dan robek.

Meskipun air adalah cairan yang paling umum digunakan dalam pelerapan, cairan lain, seperti benzene, glycerol, dan minyak, juga digunakan. Telah ditemukan bahwa mrr cenderung menurun seiring bertambahnya viskositas.

5. Karakteristik USM: