ANALISIS KEKUATAN MEKANIK SUPPORT MOTOR SERVO PADA MESIN MILLING DEBER US 140

Transkripsi

1 ANALISIS KEKUATAN MEKANIK SUPPORT MOTOR SERVO PADA MESIN MILLING DEBER US 140 Dedy Haryanto, Riwan Djambiar, Sagino, Kussigit Santosa Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang, ABSTRAK ANALISIS KEKUATAN MEKANIK SUPPORT MOTOR SERVO PADA MESIN MILLING DEBER US 140. Analisis kekuatan mekanik desain support motor servo merupakan kegiatan awal untuk modifikasi sistem pengoperasian mesin milling konvensional menjadi mesin dengan sistem pengoperasian CNC (Computer Numerical Controller). Pada kegiatan modifikasi tersebut dibutuhkan motor servo beserta support-nya yang berfungsi sebagai penggerak poros mesin milling. Makalah ini menyajikan hasil analisis kekuatan mekanik support motor servo dengan software CATIA versi 5 Release 19. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besar von mises stress dan translational displacement yang terjadi pada desain support motor servo pada ketiga poros mesin milling. Hasil perhitungan software menunjukkan bahwa von mises stress terbesar yaitu 3,04x10 7 N/m 2 dan translational displacement terbesar 0,5 mm terjadi pada support poros-y. Hasil penelitian menunjukkan bahwa stress yang dihasilkan tersebut tidak memberikan pengaruh yang berarti pada support karena masih lebih kecil dari yield strength material yang digunakan. Akan tetapi translational displacement yang terjadi relatif cukup besar sehingga dapat mempengaruhi kinerja motor servo. Untuk mengatasi hal tersebut maka digunakan kopling fleksibel. Mengacu dari hasil yang telah diperoleh maka desain support motor servo untuk dipabrikasi dan diaplikasikan. Kata kunci : mesin milling, support motor servo, von mises stress, translational displacement ABSTRACT STRENGTH MECHANIC ANALYSIS OF THE SUPPORT SERVO MOTOR AT THE MILLING MACHINE DEBER US 140. The strength mechanic analysis of the servo motor support is the first step before making a modification of conventional milling machine become a machine with CNC (Computer Numerical Controller) system. In the modification, the servo motor are needed including its support, as an actuator for the shaft of machine. These paper describe the mechanical analysis using the CATIA software, version 5 release 19. The objective of the research is to determine the von misses stress and translational displacement in the designed supporting motor servo for three machine shafts. The calculated result show that the maximum von misses stress and translational displacement are 3.04x10 7 N/m 2 and 0.5 mm, respectively, at shaft-y. The calculated results shows that there is no significant influene on the support because the value is lower than the yield strength of material. However, the translational displacement is quite high, so can give an effect on the performence of the servo motor. Therefore the flexible coupling should be applied for solving the problem. As aconclusion, the designed support servo motor can be fabricated and then ready to apply. keyword : Milling machine, servo motor support, von misses stress, translational displacement. Buku I hal 290

2 PENDAHULUAN M esin milling bermerk DEBER US 140 yang berada di laboratorium elektromekanik merupakan mesin milling universal tahun Mesin tersebut telah dioperasikan sesuai dengan fungsinya untuk pembuatan specimen untuk pengujian tarik, pembuatan komponen-komponen pendukung pada peralatan peneltian serta mendukung pengerjaan di bidang mekanik lainnya. Dalam rangka meningkatkan kinerja mesin milling tersebut maka dilakukan modifikasi pada sistem pengoperasiannya menjadi sistem pengoperasian secara komputerisasi atau lebih dikenal dengan CNC (Computer Numerical Controller). Untuk mengoperasikannya programmer membuat program CNC sesuai produk yang akan dibuat dengan cara pengetikan langsung pada mesin CNC maupun dibuat pada komputer dengan software pemrograman CNC. Hasil pemrograman CNC seterusnya dikirim dan dieksekusi oleh prosesor pada mesin CNC menghasilkan pengaturan putaran motor servo pada mesin untuk menggerakan perkakas yang bergerak melakukan proses permesinan hingga menghasilkan produk sesuai program. Motor servo sebagai pengganti penggerak manual berfungsi untuk memutar poros-x (Handwheel for table longitudinal control) poros y (Crank for table cross control ) dan poros z (Crank for table vertical control) yang mengakibatkan meja kerja milling dapat bergeser ke arah sumbu-x dan y serta kearah sumbu-z untuk merubah ketinggian meja. Ketiga poros motor servo harus terpasang tepat pada poros-poros mesin milling, maka diperlukan support untuk mempertahankankan posisi ketiga motor. Support motor servo pada ketiga poros mesin milling harus mempunyai kekuatan mekanik sehingga mampu menahan gaya yang timbul dari torsi motor servo ketika motor dioperasikan serta gaya yang timbul dari berat motor tersebut. Untuk mengetahui kekuatan mekanik support motor servo dapat dilakukan pengujian secara simulasi menggunakan software CATIA Versi 5 realease 19. Oleh karena itu penelitian ini mendapatkan desain mekanik support motor servo untuk diaplikasikan pada mesin milling. Dalam desain hanya dapat ditentukan besar von mises stress dan translational displacement akibat dari gaya-gaya yang ditimbulkan oleh motor servo. Hasil analisis terhadap support diharapkan besar von mises stess yang timbul lebih kecil dari yield strength material yang digunakan dan translation displacement yang timbul kecil sehingga tidak merubah dimensi support. TINJAUAN PUSTAKA Mesin milling merk Debber US 140 buatan tahun 1988 adalah mesin milling konvensional dengan tiga poros arah x, y dan z seperti terlihat pada Gambar 1 digunakan untuk pengerjaan benda-benda kerja. Pengerjaan benda kerja meliputi perataan permukaan, mengebor, pembuatan alur dan pembuatan roda gigi. Keterangan : A. Poros-x (Handwheel for table longitudinal control) B. Poros y (Crank for table cross control ) C. Poros z (Crank for table vertical control) Gambar 1. Mesin milling Debber US 140 [1]. Buku I hal 291

3 Pemakaian motor servo sebagai penggerak ketiga poros dimaksudkan untuk meningkatkan kinerja mesin. Sehingga perlu diketahui besar torsi yang diperlukan untuk memutar ketiga poros tersebut. Berdasarkan hasil perhitungan torsi yang telah dilakukan dilakukan diperoleh bahwa untuk memutar poros x (Handwheel for table longitudinal control) dan poros y (Crank for table cross control ) diperlukan torsi sebesar 6,4 Nm, sedangkan untuk memutar poros z (Crank for table vertical control) diperlukan torsi sebesar 9,2 Nm [2]. Dengan menggunakan katalog motor jenis APM diperoleh jenis motor servo yang sesuai untuk poros-x dan y adalah APM SE16D dengan torsi 22,92 Nm, berat 8,7 kg, daya listrik rata-rata 1,6 kw dan untuk poros-z adalah APM-SE22D dengan torsi 31,51 Nm, berat 10,2 kg, daya listrik rata-rata 2,2 kw [3]. Ketiga motor servo yang digunakan terlihat pada Gambar Melakukan perhitungan gaya-gaya yang timbul akibat torsi maksimum motor dan berat motor, dimana gaya-gaya tersebut diuraikan terhadap arah x dan y. Gaya-gaya tersebut merupakan beban total yang ditanggung oleh support motor servo dan merupakan salah satu data masukan untuk dilakukan analisis seperti terlihat pada Gambar 3 Tabel 1. Sifat-sifat mekanik Carbon Steel DIN St 37.2 [4] Mechanical Minimum Maximum properties DIN ST37.2 Yield strength 2,35 x 108 N/m2 Tensile strength 3,40 x 108 N/m2 4,70 x 10 8 Density Young s modulus 7850 kg/m 210 MPa Thermal Expansion 1,17 x 10-5 /K Heat conductivity Poisson ratio 0, W/mK N/m 2 Elongation 21 % 26 %. Gambar 2. Motor servo jenis APM SE16D dan APM SE22D Dengan digunakannya motor servo pada mesin milling maka diperlukan support untuk meletakkan ketiga motor tepat pada ketiga poros mesin. Support ketiga motor servo didesain menggunakan material Carbon Steel DIN St 37.2 (baja karbon) yang mempunyai kekuatan tarik maksimum berkisar antara 340 N/mm 2 dan 470 N/mm 2. Carbon Steel mengandung sejumlah kecil elemen Carbon 17 %, Sulfur 5 %, Phospor 5 %, Nitrogen 0,9 % dan pengotor lainnya. Seperti diketahui kekuatan dan kekerasan meningkat dengan peningkatan unsur karbon tetapi menjadi lebih getas dan keuletannya berkurang. Data-data sifat mekanik Carbon Steel DIN St 37.2 seperti terlihat pada Tabel 1. TATA KERJA Tahapan yang dilakukan dalam melakukan analisis kekuatan mekanik pada support motor servo adalah sebagai berikut ; Gambar 3. Data masukan distribusi gaya 2. Pembuatan model 3-dimensi, dalam tahapan ini model support motor servo dibuat menggunakan software CATIA Versi 5 Release 19, dimana gambar yang dihasilkan dalam bentuk 3-dimensi seperti ditunjukan pada Gambar 4a dan 4b sehingga analisis dapat dilakukan terhadap kedua model tersebut. Model support motor servo dilengkapi dengan mechanical properties dan thermal properties dari material yang digunakan. Buku I hal 292

4 Gambar 4a. Support sumbu-x Gambar 4b. Support sumbu-y dan z Gambar 4. Model support motor servo 3. Analisis kekuatan mekanik. Berdasarkan kedua model 3-dimensi yang telah diperoleh pada tahap kedua dilanjutkan kegiatan analisis yang diawali dengan memberikan data masukkan tentang bahan dan karakterisasinya. Beban diberikan untuk mensimulasikan gaya-gaya yang ditanggung support motor servo sedangkan restrain diberikan untuk mensimulasikan posisi mur baut pemegang support pada mesin milling. Hasil perhitungan yang diperoleh dengan menggunakan software CATIA yaitu von mises stress dibandingkan dengan yield strength material yang digunakan dan translation displacement yang diperoleh sekecil mungkin sehingga tidak mengakibatkan perubahan dimensi yang sangat besar pada support tersebut. PERHITUNGAN DESAIN, ANALISIS DAN PEMBAHASAN 1. Perhitungan gaya-gaya pada support Desain support motor servo menggunakan material Carbon Steel DIN St 37.2 dengan young s modulus 2 x 1011 N/m2, Density 7860 kg/m3, yield strength 2,35 x 108 N/m2. Beban pada support poros-x, y dan z berasal dari berat dan torsi maksimum motor servo. Data beban tersebut digunakan sebagai masukan untuk menganalisis desain support motor servo pada mesin milling. Untuk lebih jelasnya tentang desain support dapat dilihat pada Gambar 5 dan 6 di bawah ini : Gambar 5. Desain support motor servo poros-x. Buku I hal 293

5 Torsi maksimum motor sebagai beban putar tersebar pada keempat lubang pada support motor servo. Torsi tersebut menimbulkan gaya pada keempat lubang support, sehingga dapat mempengaruhi kekuatan struktur desain support seperti terlihat pada Gambar 7 di bawah ini. Gambar 6. Desain support motor servo poros-y dan z Gaya pada poros-y Gaya pada poros-x Gaya pada poros-z Gambar 7. Gaya pada support motor servo Buku I hal 294

6 Untuk menentukan besar gaya yang ditimbulkan oleh torsi maksimum motor servo pada ketiga poros mesin milling digunakan persamaan [5] : T = F r (1) T F = r Dimana : T = Torsi (Nm) F = Gaya (N) r = Jarak gaya terhadap titik pusat torsi (m) Dari persamaan 1, besar gaya pada porosy yang ditimbulkan oleh torsi motor servo sebesar 22,92 Nm dengan jarak 0,0725 m dari pusat support adalah : 22,92 Nm F = = 316, 14 N (2) 0,0725 m Dengan asumsi bahwa gaya terdistribusi secara merata pada empat lubang support, maka besar gaya pada tiap-tiap lubang (F 1, F 2, F 3 dan F 4 ) adalah : F 316,14 F = F = F = F = = 79, 04 N (3) = 4 4 Gaya F 1, F 2, F 3 dan F 4 merupakan gayagaya yang tegak lurus dengan jarak pusat support seperti terlihat pada Gambar 7 di atas. Untuk menentukan besar gaya yang searah dengan sumbu-x dan sumbu-y sesuai dengan data masukan dapat menggunakan persamaan sebagai berikut : F x = F cos θ (4) F y = F sinθ (5) Berdasarkan persamaan 4 dan 5 besar gaya-gaya yang searah dengan sumbu-x dan sumbu-y pada support dengan sudut θ = 45 adalah sebagai berikut : Fx = Fx = Fx = Fx = Fx = 79,04 cos 45 55, 89 N = Fy = Fy = Fy = Fy = Fy = 79,04sin 45 55, 89 N = Dengan menggunakan cara dan persamaan yang sama, dapat ditentukan besar gaya-gaya yang timbul pada support poros-x dan poros-z, besar gaya-gaya yang timbul pada ketiga support adalah sebagai berikut : Tabel 2. Hasil perhitungan gaya-gaya pada support mesin milling Besaran Support poros-x Support poros-y Support poros-z Torsi maksimum motor 22,92 Nm 22,92 Nm 31,51 Nm Jarak gaya 0,0725 m 0,0725 m 0,07637 m Gaya motor 316,14 N 316,14 N 412,60 N servo Gaya arah sumbu-x : F1x 55,89 N 55,89 N 72,94 N F2x -55,89 N -55,89 N -72,94 N F3x -55,89 N -55,89 N -72,94 N F4x 55,89 N 55,89 N 72,94 N Gaya arah sumbu-y : F1y -55,89 N -55,89 N -72,94 N F2y -55,89 N -55,89 N -72,94 N F3y 55,89 N 55,89 N 72,94 N F4y 55,89 N 55,89 N 72,94 N Gaya berat -87 N -87 N -102 N motor Gaya total arah sumbu-y : F1ytot -142,89 N -142,89 N -174,94 N F2ytot -142,89 N -142,89 N -174,94 N F3ytot -31,11 N -31,11 N -29,06 N F4ytot -31,11 N -31,11 N -29,06 N Gaya total arah sumbu-y merupakan hasil penjumlahan gaya arah sumbu-y dan gaya berat motor 2. Perhitungan von mises stress dan translational displacement Perhitungan von mises stress dan translational displacement dilakukan menggunakan software CATIA versi 5 release 19, sebagai masukan software CATIA adalah gayagaya hasil perhitungan pada Tabel 2 meliputi gaya arah x dan gaya arah y total. Disamping itu data berupa young s modulus 2 x N/m 2, Density 7860 kg/m 3, Poisson ratio 0,3 dan Thermal expansion 1,17 x 10-5 /K dari material Carbon Steel DIN St 37.2 juga menjadi data masukan. Hasil dan analisis perhitungan yang dihasilkan adalah sebagai berikut : 1. Von mises stress pada support poros-x Distribusi stress disepanjang permukaan support diperlihatkan dalam Gambar 8 di bawah ini. Stress terbesar terjadi pada salah satu lubang support yang terikat dengan meja kerja mesin milling yaitu sebesar 4,08 x 10 6 N/m 2.. Buku I hal 295

7 3. Von mises stress pada support poros-y dan poros-z Distribusi stress disepanjang permukaan support seperti terlihat pada Gambar 10. Stress terbesar terjadi pada support poros-y dan z yaitu 3,04 x 10 7 N/m 2 Gambar 8. Analisis von mises stress pada support poros-x 2. Translational displacement pada support poros-x. Distribusi translational displacement disepanjang permukaan support diperlihatkan pada Gambar 9. Translational displacement terbesar terjadi pada ujung support yaitu sebesar 0,00514 mm. Gambar 10. Analisis von mises stress pada support poros-y dan poros-z Gambar 9. Analisis translational deplacement pada support poros-x. 4. Translational displacement pada support poros-y dan poros-z Distribusi translational displacement disepanjang permukaan support seperti terlihat pada Gambar 11 di bawah ini. Translational displacement terbesar yaitu sebesar 0,5 mm yang terjadi pada ujung support poros-y sedangkan pada support poros-z translational displacement terbesar adalah 0,0102 mm. Gambar 11. Analisis translational displacement pada support poros-y dan poros-z Buku I hal 296

8 PEMBAHASAN HASIL ANALISIS DESAIN Hasil analisis support poros-x Dari hasil yang diperoleh menunjukkan von mises stress terbesar pada support poros-x mesin milling adalah 4,08 x 10 6 N/m 2. Nilai ini masih lebih kecil dari pada yield strength dari bahan Carbon Steel DIN St 37.2 yang digunakan yaitu sebesar 2,35 x 10 8 N/m 2. Sedangkan untuk translational displacement, angka maksimum 0,00514 mm pada ujung support, nilai ini masih relatif kecil dan tidak mengganggu struktur lainnya. Besaran translational displacement tidak mempunyai batasan, selama akibat dari besaran tersebut tidak mengganggu struktur yang lain maka hasil analisis tersebut dapat diterima. Mengacu dari hasil analisis tersebut maka pengunaan support hasil desain ini dapat diterima dan layak untuk dipabrikasi dalam rangka otomatisasi mesin milling. Hasil analisis support poros-y dan porosz Hasil perhitungan software CATIA pada support poros-y dan z menunjukkan von mises stress terbesar pada support poros-y sebesar 3,04 x 10 7 N/m 2 sedangkan pada support-z von mises stress berkisar antara 1,11 x 10 5 N/m 2 sampai dengan 3,32 x 10 6 N/m 2. Besaran von mises stress tersebut masih relatif lebih kecil daripada yield strength dari bahan Carbon Steel DIN St 37.2 yang digunakan yaitu sebesar 2,35 x 10 8 N/m 2 dengan demikian dari segi stress desain support poros-y dan poros-z bisa digunakan dan layak untuk dipabrikasi. Sedangkan untuk translational displacement, angka maksimum 0,5 mm pada ujung support poros-y relatif besar sehingga dapat mengganggu unjuk kerja motor servo dalam memutar poros mesin milling, hal ini disebabkan karena desain support-y mempunyai dimensi panjang yang cukup besar yaitu 465 mm. Pada Gambar 11 terlihat translational displacement pada support-y semakin mengecil sebanding dengan jarak support dengan landasannya. Untuk mengatasi gangguan yang terjadi pada unjuk kerja motor servo akibat besarnya translational displacement pada support poros-y maka kopling yang digunakan untuk menghubungkan poros motor dan poros mesin milling arah-y menggunakan kopling fleksibel yang terbuat dari aluminium alloy. Kopling fleksibel ini mempunyai celah-celah pada permukaannya yang bertujuan untuk meredam getaran akibat ketidak sentrisan antara kedua poros-yang dihubungkan karena adanya translational displacement yang relatif besar pada support yang menopang motor seperti terlihat pada Gambar 12. Gambar 11. Kopling fleksibel Sedangkan pada support poros-z translational displacement yang terjadi relatif sangat kecil berkisar antara 0 mm sampai dengan 0,0102 mm sehingga tidak menimbulkan gangguan pada unjuk kerja motor servo. Dengan demikian desain support poros-y dan z pada mesin milling dapat digunakan dan dipabrikasi tetapi pada support poros-y harus dilengkapi dengan kopling fleksibel. Dengan demikian desain siap dipabrikasi dan digunakan. KESIMPULAN Analisis kekuatan mekanik pada desain support motor servo untuk otomasi mesin milling perlu dilakukan sebelum kegiatan pabrikasi. Analisis menggunakan software CATIA versi 5 release 19 menghasilkan stress terbesar terjadi pada support poros-y yaitu 3,04 x 10 7 N/m 2 dan translational displacement terbesar 0,5 mm. Stress yang terjadi tidak memberikan pengaruh pada support karena masih lebih kecil daripada yield strength dari bahan Carbon Steel DIN St 37.2 yang digunakan yaitu sebesar 2,35 x 10 8 N/m 2, sedangkan translational displacement yang terjadi relatif besar tetapi dapay diatasi dengan penggunaan kopling fleksibel. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Dipl. Ing Ari Satmoko, DEA, Ir. Abdul Hafid dan staff Subbid. Elektromekanik atas sumbang saran serta kerja samanya dalam pelaksanaan kegiatan analisis desain kekuatan mekanik support motor servo pada mesin milling Debber US Buku I hal 297

9 DAFTAR PUSTAKA 1. Anonim, Technological Hall-machine Shop Equipment, Instruction Manual for Milling Machine (MS4), ANSALDO Italia ABDUL HAFID, EDY KARYANTA, ARI SATMOKO, RISWAN DJAMBIAR, Numerisasi Sistem Gerak Potong Pada Mesin Frais Konvensional, Laporan Teknik Subbid Elektromekanik-BOFa tahun MECAPION, User manual (APD-VS Standard Series) Ver3.7, Dalseo Gu, Daegu, Korea , Properties of Carbon Steel DIN St 37.2, s.htm. 5. ACH. MUHIB ZAINURI, Kekuatan Bahan, CV ANDI OFFSET, Yogyakarta Buku I hal 298