Pembuatan Suku Cadang Logam Kustom dengan Pemesinan 5-Sumbu

Pembuatan Suku Cadang Logam Kustom dengan Pemesinan 5-Sumbu

Pengarang:PFT, Shenzhen

Abstrak:Manufaktur canggih menuntut komponen logam yang semakin kompleks dan presisi tinggi di seluruh sektor kedirgantaraan, medis, dan energi. Analisis ini mengevaluasi kemampuan pemesinan kontrol numerik komputer (CNC) 5-sumbu modern dalam memenuhi persyaratan ini. Dengan memanfaatkan geometri acuan yang mewakili impeller dan bilah turbin yang kompleks, uji coba pemesinan dilakukan dengan membandingkan metode 5-sumbu versus metode 3-sumbu tradisional pada titanium kelas kedirgantaraan (Ti-6Al-4V) dan baja tahan karat (316L). Hasil menunjukkan pengurangan waktu pemesinan sebesar 40-60% dan peningkatan kekasaran permukaan (Ra) hingga 35% dengan pemrosesan 5-sumbu, yang disebabkan oleh pengaturan yang berkurang dan orientasi pahat yang dioptimalkan. Akurasi geometri untuk fitur dalam toleransi ±0,025 mm meningkat rata-rata sebesar 28%. Meskipun membutuhkan keahlian pemrograman dan investasi awal yang signifikan, pemesinan 5-sumbu memungkinkan produksi yang andal dari geometri yang sebelumnya tidak layak dengan efisiensi dan hasil akhir yang unggul. Kemampuan ini menempatkan teknologi 5-sumbu sebagai hal penting untuk fabrikasi komponen logam khusus yang kompleks dan bernilai tinggi.

1. Pendahuluan
Dorongan tanpa henti untuk optimasi kinerja di berbagai industri seperti kedirgantaraan (menuntut komponen yang lebih ringan dan lebih kuat), medis (membutuhkan implan biokompatibel dan spesifik pasien), dan energi (membutuhkan komponen penanganan fluida yang kompleks) telah mendorong batas-batas kompleksitas komponen logam. Pemesinan CNC 3-sumbu tradisional, dibatasi oleh akses alat yang terbatas dan beberapa pengaturan yang diperlukan, berjuang dengan kontur yang rumit, rongga yang dalam, dan fitur yang memerlukan sudut majemuk. Keterbatasan ini mengakibatkan akurasi yang terganggu, waktu produksi yang lebih lama, biaya yang lebih tinggi, dan pembatasan desain. Pada tahun 2025, kemampuan untuk memproduksi komponen logam presisi yang sangat kompleks secara efisien bukan lagi sebuah kemewahan tetapi kebutuhan kompetitif. Pemesinan CNC 5-sumbu modern, yang menawarkan kontrol simultan dari tiga sumbu linier (X, Y, Z) dan dua sumbu putar (A, B atau C), menghadirkan solusi transformatif. Teknologi ini memungkinkan alat potong untuk mendekati benda kerja dari hampir semua arah dalam satu pengaturan, secara fundamental mengatasi keterbatasan akses yang melekat pada pemesinan 3-sumbu. Artikel ini mengkaji kemampuan spesifik, keuntungan terukur, dan pertimbangan implementasi praktis dari pemesinan 5 sumbu untuk produksi komponen logam khusus.

2. Metode
2.1 Desain & Benchmarking
Dua bagian patokan dirancang menggunakan perangkat lunak Siemens NX CAD, yang mewujudkan tantangan umum dalam manufaktur khusus:

Pendorong:Dilengkapi bilah yang rumit dan berpilin dengan rasio aspek tinggi dan jarak bebas yang sempit.

Bilah Turbin:Menggabungkan kelengkungan majemuk, dinding tipis, dan permukaan pemasangan yang presisi.
Desain ini sengaja menggabungkan undercut, deep pocket, dan fitur yang memerlukan akses alat non-ortogonal, khususnya menargetkan keterbatasan pemesinan 3-sumbu.

2.2 Bahan & Peralatan

Bahan:Titanium kelas kedirgantaraan (Ti-6Al-4V, kondisi anil) dan Baja Tahan Karat 316L dipilih karena relevansinya dalam aplikasi yang menuntut dan karakteristik permesinan yang berbeda.

Mesin:

5-Sumbu:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (kontrol Heidenhain TNC 640).

3-Sumbu:HAAS VF-4SS (kontrol HAAS NGC).

Perkakas:Mata potong karbida padat berlapis (berbagai diameter, ujung bulat, dan ujung datar) dari Kennametal dan Sandvik Coromant digunakan untuk proses roughing dan finishing. Parameter pemotongan (kecepatan, umpan, kedalaman potong) dioptimalkan berdasarkan material dan kemampuan mesin menggunakan rekomendasi produsen alat dan uji pemotongan yang terkontrol.

Penahan kerja:Perlengkapan modular yang dibuat khusus dan presisi memastikan penjepitan yang kaku dan lokasi yang dapat diulang untuk kedua jenis mesin. Untuk uji coba 3-sumbu, komponen yang memerlukan rotasi diposisikan ulang secara manual menggunakan pasak presisi, mensimulasikan praktik umum di lantai pabrik. Uji coba 5-sumbu memanfaatkan kemampuan rotasi penuh mesin dalam satu pengaturan perlengkapan.

2.3 Akuisisi & Analisis Data

Waktu Siklus:Diukur langsung dari pengatur waktu mesin.

Kekasaran Permukaan (Ra):Pengukuran dilakukan menggunakan profilometer Mitutoyo Surftest SJ-410 di lima lokasi kritis per komponen. Tiga komponen dikerjakan per kombinasi material/mesin.

Akurasi Geometris:Dipindai menggunakan mesin pengukur koordinat (CMM) Zeiss CONTURA G2. Dimensi kritis dan toleransi geometrik (kerataan, tegak lurus, profil) dibandingkan dengan model CAD.

Analisis Statistik:Nilai rata-rata dan deviasi standar dihitung untuk waktu siklus dan pengukuran Ra. Data CMM dianalisis untuk deviasi dari dimensi nominal dan tingkat kepatuhan toleransi.

Tabel 1: Ringkasan Pengaturan Eksperimen

3. Hasil & Analisis
3.1 Peningkatan Efisiensi
Pemesinan 5-sumbu menunjukkan penghematan waktu yang substansial. Untuk impeller titanium, pemrosesan 5-sumbu mengurangi waktu siklus sebesar 58% dibandingkan dengan pemesinan 3-sumbu (2,1 jam vs. 5,0 jam). Bilah turbin baja tahan karat menunjukkan pengurangan sebesar 42% (1,8 jam vs. 3,1 jam). Peningkatan ini terutama dihasilkan dari penghapusan beberapa pengaturan dan waktu penanganan/perbaikan manual yang terkait, serta memungkinkan lintasan pahat yang lebih efisien dengan pemotongan yang lebih panjang dan kontinu berkat orientasi pahat yang dioptimalkan.

3.2 Peningkatan Kualitas Permukaan
Kekasaran permukaan (Ra) secara konsisten meningkat dengan pemesinan 5-sumbu. Pada permukaan sudu kompleks impeller titanium, nilai rata-rata Ra menurun sebesar 32% (0,8 µm vs. 1,18 µm). Peningkatan serupa terlihat pada sudu turbin baja tahan karat (Ra berkurang sebesar 35%, dengan rata-rata 0,65 µm vs. 1,0 µm). Peningkatan ini berkat kemampuan mempertahankan sudut kontak pemotongan yang konstan dan optimal serta berkurangnya getaran pahat melalui kekakuan pahat yang lebih baik pada ekstensi pahat yang lebih pendek.

3.3 Peningkatan Akurasi Geometris
Analisis CMM mengonfirmasi akurasi geometri superior dengan pemrosesan 5-sumbu. Persentase fitur kritis yang berada dalam toleransi ketat ±0,025 mm meningkat secara signifikan: sebesar 30% untuk impeller titanium (mencapai tingkat kepatuhan 92% vs. 62%) dan sebesar 26% untuk blade baja tahan karat (mencapai tingkat kepatuhan 89% vs. 63%). Peningkatan ini berasal langsung dari penghapusan kesalahan kumulatif yang disebabkan oleh beberapa pengaturan dan reposisi manual yang diperlukan dalam proses 3-sumbu. Fitur yang menuntut sudut majemuk menunjukkan peningkatan akurasi yang paling dramatis.

*Gambar 1: Metrik Kinerja Komparatif (5-Sumbu vs. 3-Sumbu)*

4. Diskusi
Hasilnya dengan jelas menunjukkan keunggulan teknis pemesinan 5-sumbu untuk komponen logam kustom yang kompleks. Pengurangan waktu siklus yang signifikan berdampak langsung pada biaya per komponen yang lebih rendah dan peningkatan kapasitas produksi. Permukaan akhir yang lebih baik mengurangi atau menghilangkan operasi penyelesaian sekunder seperti pemolesan tangan, yang selanjutnya menurunkan biaya dan waktu tunggu sekaligus meningkatkan konsistensi komponen. Peningkatan akurasi geometrik ini sangat penting untuk aplikasi berkinerja tinggi seperti mesin kedirgantaraan atau implan medis, yang mengutamakan fungsi dan keselamatan komponen.

Keunggulan ini terutama berasal dari kemampuan inti pemesinan 5-sumbu: pergerakan multi-sumbu simultan yang memungkinkan pemrosesan dalam satu pengaturan. Hal ini menghilangkan kesalahan akibat pengaturan dan waktu penanganan. Lebih lanjut, orientasi pahat optimal yang berkelanjutan (mempertahankan beban serpihan dan gaya potong yang ideal) meningkatkan penyelesaian permukaan dan memungkinkan strategi pemesinan yang lebih agresif di mana kekakuan pahat memungkinkan, yang berkontribusi pada peningkatan kecepatan.

Namun, adopsi praktis membutuhkan pengakuan atas keterbatasannya. Investasi modal untuk mesin 5-sumbu yang mumpuni dan perkakas yang sesuai jauh lebih tinggi daripada untuk peralatan 3-sumbu. Kompleksitas pemrograman meningkat secara eksponensial; menghasilkan lintasan pahat 5-sumbu yang efisien dan bebas benturan membutuhkan programmer CAM yang sangat terampil dan perangkat lunak yang canggih. Simulasi dan verifikasi menjadi langkah wajib sebelum pemesinan. Fixturing harus memberikan kekakuan dan jarak bebas yang cukup untuk pergerakan rotasi penuh. Faktor-faktor ini meningkatkan tingkat keterampilan yang dibutuhkan oleh operator dan programmer.

Implikasi praktisnya jelas: pemesinan 5-sumbu unggul untuk komponen bernilai tinggi dan kompleks, di mana keunggulannya dalam kecepatan, kualitas, dan kapabilitas membenarkan biaya operasional dan investasi yang lebih tinggi. Untuk komponen yang lebih sederhana, pemesinan 3-sumbu tetap lebih ekonomis. Keberhasilan bergantung pada investasi dalam teknologi dan tenaga terampil, serta CAM dan alat simulasi yang tangguh. Kolaborasi awal antara desain, rekayasa manufaktur, dan bengkel mesin sangat penting untuk memaksimalkan kapabilitas 5-sumbu saat merancang komponen untuk manufakturabilitas (DFM).

5. Kesimpulan
Pemesinan CNC 5-sumbu modern memberikan solusi yang terbukti lebih unggul untuk pembuatan komponen logam kustom yang kompleks dan presisi tinggi dibandingkan dengan metode 3-sumbu tradisional. Temuan utama menunjukkan:

Efisiensi yang Signifikan:Pengurangan waktu siklus sebesar 40-60% melalui pemesinan pengaturan tunggal dan lintasan alat yang dioptimalkan.

Kualitas yang Ditingkatkan:Peningkatan kekasaran permukaan (Ra) hingga 35% karena orientasi dan kontak alat yang optimal.

Akurasi Unggul:Rata-rata peningkatan 28% dalam mempertahankan toleransi geometri kritis dalam ±0,025 mm, menghilangkan kesalahan dari beberapa pengaturan.
Teknologi ini memungkinkan produksi geometri rumit (rongga dalam, undercut, kurva majemuk) yang tidak praktis atau tidak mungkin dilakukan dengan pemesinan 3 sumbu, yang secara langsung menjawab tuntutan sektor kedirgantaraan, medis, dan energi yang terus berkembang.

Untuk memaksimalkan laba atas investasi dalam kapabilitas 5-sumbu, produsen harus berfokus pada komponen bernilai tinggi dan berkompleksitas tinggi di mana presisi dan waktu tunggu merupakan faktor kompetitif yang krusial. Penelitian selanjutnya sebaiknya mengeksplorasi integrasi pemesinan 5-sumbu dengan metrologi dalam proses untuk kontrol kualitas waktu nyata dan pemesinan loop tertutup, yang selanjutnya akan meningkatkan presisi dan mengurangi skrap. Penelitian lanjutan mengenai strategi pemesinan adaptif yang memanfaatkan fleksibilitas 5-sumbu untuk material yang sulit dimesin seperti Inconel atau baja yang dikeraskan juga menghadirkan arah yang berharga.