Rekayasa Balik Mendalam: Rekonstruksi Total dan Optimalisasi Proses Manufaktur Ball Screw Ultra Presisi untuk Mesin Bubut CNC Mori Seiki SL Series

Abstrak

1. Analisis Mode Kerusakan dan Pengukuran Baseline

Setelah beroperasi 15–20 tahun, ball screw OEM (biasanya THK BNFN atau NSK W series) pada mesin Mori Seiki SL menunjukkan mode kerusakan dominan sebagai berikut:

• Flaking/Peeling pada Raceway: Fatigue spalling akibat beban bolak-balik berulang.
• Keausan Korosif: Penetrasi coolant dan degradasi pelumas menyebabkan pitting dan karat pada raceway — penyebab utama peningkatan cepat lead error dan backlash.
• Nut Seizure: Kehilangan pelumasan atau degradasi/overload preload menyebabkan gesekan berat antara bola dan raceway.

1.1 Penetapan Baseline Performa Baseline Digital

Sebelum pembongkaran, harus direkam baseline dinamis secara komprehensif — ini menjadi target spesifikasi pemulihan:

• Pengujian Akurasi: Renishaw QC20-W wireless ballbar untuk akurasi geometri dan posisi. Data tipikal mesin SL berusia 15–20 tahun pada travel 800 mm: cumulative lead error 0,038–0,085 mm; backlash aksial 0,045–0,120 mm.
• Dokumentasi Perakitan: Catat marking part THK/NSK asli, torsi preload set bearing (biasanya paired angular-contact thrust bearings), serta hubungan geometri antara housing nut dan dudukan bearing.

2. Pengukuran Geometri Presisi Tinggi dan Pemodelan

Tantangan inti pembuatan ball screw custom terletak pada rekonstruksi akurat geometri raceway Gothic arch dan toleransi journal bearing.

2.1 Pemindaian 3D Structured-Light dan Pengolahan Point Cloud

• Alat utama: Scanner structured-light biru Zeiss ATOS Triple Scan III (akurasi volumetrik ±0,008 mm) untuk pemindaian full-field tanpa kontak.
• Pengukuran tambahan: Hexagon Absolute Arm RS6 laser scanner untuk journal bearing dan fitur yang sulit dijangkau.

2.2 Ekstraksi Parameter Geometri Kritis

Pemodelan solid parametrik dilakukan di Geomagic Design X. Bagian tersulit dari reverse engineering adalah menyimpulkan parameter kunci yang tidak terlihat:

• Geometri Raceway Gothic Arch: Seri SL umumnya menggunakan raceway Gothic arch sejati atau ogival. Radius kelengkungan raceway dan sudut kontak (biasanya 45° atau 50°) adalah faktor penentu kekakuan preload dan kapasitas beban — harus difitting dengan presisi dari penampang point cloud.
• Lead dan Grade Akurasi: Lead umum 10 mm atau 12 mm. Target akurasi ditetapkan setara C3 (lead error E ≤ 0,006 mm/300 mm untuk mengembalikan repeatability bidirectional level mikron.
• Toleransi Journal Bearing: Diameter journal dan runout shoulder harus dijaga dalam ±0,002 mm agar interferensi pas dengan inner ring bearing dan menjaga konsentrisitas putaran.

3. Optimalisasi Material, Perlakuan Panas, dan Desain Preload

3.1 Peningkatan Material dan Perlakuan Panas

Ball screw THK/NSK asli umumnya menggunakan baja paduan SCM415 atau setara yang diinduksi hardening.

• Material: 60CrMoV14-6 (DIN 1.7931) atau 9Cr18MoV domestik.
• Perlakuan Panas: Induction hardening frekuensi ganda hingga kekerasan permukaan 60–63 HRC dengan kedalaman case efektif ≥ 1,2 mm.
• Perlakuan Kriogenik: Pendinginan sub-zero –120 °C pasca-quench untuk stabilitas dimensi jangka panjang di bawah beban dan siklus termal.

3.2 Rekalkulasi Preload dan Kekakuan

Preload adalah mekanisme utama menghilangkan backlash dan memaksimalkan kekakuan sistem.

• Konfigurasi: Sumbu X biasanya menggunakan dual-nut fixed-fixed mounting.
• Perhitungan: Script Python + ANSYS Mechanical internal untuk menentukan preload optimal berdasarkan gaya potong maksimum (SL-250 beban aksial tipikal ~8.500 N) dan target kekakuan (≥ 450 N/µm).
• Implementasi: Metode preload shim-offset menggunakan shim presisi 0,03–0,05 mm untuk menciptakan offset aksial offset terkontrol antara dua nut, menghasilkan backlash nol dan kekakuan 420–480 N/µm.

3.3 Verifikasi Elemen Hingga (FEA)

Simulasi rakitan penuh di ANSYS Mechanical:

• Analisis Statik: Beban crash/stop darurat 12 kN → tegangan von Mises maksimum < 680 MPa (faktor aman > 2,1).
• Analisis Modal: Frekuensi natural pertama > 165 Hz (jauh di atas bandwidth servo).

4. Manufaktur dan Rute Proses Ultra Presisi

Manufaktur ball screw presisi tinggi mengikuti urutan yang sangat ketat:

1. Persiapan Blank: Pembubutan kasar → anil pelepas tegangan.
2. Pembuatan Ulir Semi-Finish: Whirlwind milling kecepatan tinggi Leistritz Polymat 100.
3. Operasi Inti Presisi:
   • Induction hardening + perlakuan kriogenik untuk kekerasan dan stabilitas.
   • Thread grinding pada Matrix 70 CNC thread grinder dengan continuous diamond-roll dressing.
   • Centerless grinding atau hard turning journal bearing hingga runout ≤ 0,002 mm terhadap raceway.
4. Superfinishing: Raceway disuperfinish hingga Ra 0,08–0,12 µm.

5. Validasi Performa Akhir dan Manfaat Teknik

5.1 Pengendalian Kualitas dan Metrologi

Setiap ball screw custom menjalani inspeksi 100 %:

• CMM Dimensi Penuh: Zeiss PRISMO dengan 500+ titik pengukuran per lead pada raceway.
• Sertifikasi Akurasi: Lead error ≤ 0,006 mm/300 mm (setara C3).
• Toleransi Profil: Form error raceway ≤ ±0,002 mm.
• Pengujian Dinamis: 100 % dynamic balancing + pengujian getaran dan kebisingan.

5.2 Hasil Nyata (SL-250MC tahun 2002, sumbu X 40 mm × 12 mm × 1050 mm)

Kesimpulan: Melalui rekayasa balik yang sistematis dipadukan dengan manufaktur paling mutakhir, kami tidak sekadar “mengganti” suku cadang yang sudah dihentikan produksinya — kami merekonstruksi dan meningkatkan seluruh sistem transmisi. Ball screw custom kami secara konsisten melampaui spesifikasi OEM akhir 1990-an/awal 2000-an dalam hal kekakuan, akurasi, dan umur pakai.