OPTIMASI PEMBUBUTAN KERING BESI TUANG KELABU

Transkripsi

1 PROSIDING HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK OPTIMASI PEMBUBUTAN KERING BESI TUANG KELABU Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea Makassar, Telp./Fax: (0411) ; Abstrak Tantangan industri mesin modern terutama difokuskan pada pencapaian kualitas tinggi, maka diharapkan produk permesinan mempunyai dimensi yang akurasi, tingkat produksi yang tinggi, biaya produksi yang ekonomis dan meningkatkan kinerja produk dengan mengurangi dampak lingkungan. Benda kerja yang digunakan adalah Besi Tuang Kelabu, karena Besi Cor Kelabu telah digunakan dalam jumlah besar karena mempunyai sifat sebagai castability baik dan machinability baik serta biaya produk yang rendah. Tujuan penelitian adalah memperoleh kondisi permesinan yang optimal proses pembubutan. Variabel permesinan yang digunakan adalah laju pemakanan: 0,05; 0,09 dan 0,13 mm/putaran, putaran: 270, 500, 750 dan rpm, kedalaman potong 1,5 mm, pembubutan dilakukan tanpa menggunakan air pendingin (permesinan kering). Hasil yang diperoleh, gaya potong (Fz) yang terendah pada kecepatan potong 25 mm/m enit dengan laju pemakanan 0,05 mm/putaran sedang gaya potong (Fy) terbesar pada kecepat an potong 94,2 mm/menit demhgan laju pemakanan 0,13 mm/putaran. Kata Kunci: besi tuang kelabu, laju pemakanan, kecepatan potong, gaya potong PENDAHULUAN Produk hasil permesinan dengan menggunakan mesin bubut sangat ditentukan oleh ketahanan pahat, khususnya bila menggunakan mesin bubut CNC. Bila pahat kalah sebelum produk selesai dikerjakan, maka dimensi yang dihasilkan akan tidak sesuai dengan yang diharapkan dan permesinan akan bergerak dengan titik referensi yang berubah, akibatnya dapat merusak mesin dan mengancam keselamatan operator. Dengan demikian produk yang dihasilkan akan mengalami kegagalan (tidak bisa dipakai). Selama proses permesinan berlangsung terjadi interaksi antara pahat dengan benda kerja dimana benda kerja terpotong sedangkan pahat mengalami gesekan. Gesekan yang dialami pahat diakibatkan oleh permukaan geram yang mengalir pada permukaan benda kerja yang telah terpotong. Akibat gesekan ini pahat mengalami keausan. Keausan pahat ini akan makin membesar sampai batas tertentu sehingga pahat tidak dapat dipergunakan lagi atau pahat telah mengalami kerusakan. Lamanya waktu untuk mencapai batas keausan, didefinisikan sebagai umur pahat (Rochim, 1993). Umur Pahat secara pasti dapat diketahui secara empiris yaitu dari hasil pengujian permesinan dimana permesinan berlangsung pada pasangan material benda kerja dan pahat. Jenis material benda kerja yang berbeda akan memberikan umur pahat yang berbeda, demikian halnya pada jenis material pahat memberikan umur pahat yang berbeda. Jenis material pahat yang dapat digunakan antara lain: HSS (High Speed Steel), Cast Cobalt Iron, Carbide, Ceramic, Cobalt Boron Nitride (CBN), Diamond dan paduan Titanium. Umur pahat potong sangat dipengaruhi oleh berbagai macam variabel, yakni; jenis permesinan, material benda kerja dan pahat, geometri pahat, kondisi permesinan/pemotongan dan cairan pendingin. Saat proses permesinan berlangsung, bahwa pahat telah mencapai batas keausan (umur pahat) ditandai dengan kriteria berikut (Rochim, 1993); adanya kenaikan gaya potong, terjadinya getaran/chatter, penurunan kehalusan permukaan hasil permesinan, dan/atau perubahan dimensi/ geometri produk. Salah satu dari penelitian mengenai umur pahat adalah yang dilakukan oleh Pawlik (2002) dimana umur pahat dianalisa dengan menggunakan persamaan Rumus Pahat Taylor. Dalam penelitiannya variabel proses permesinan yakni putaran spindel divariasikan menjadi 3 tingkatan dengan gerak potong dan kedalaman potong Volume 7: Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN: TM8-1

2 Optimasi Pembubutan Kering Besi konstan. Hasil yang diperoleh berdasarkan persamaan Taylor adalah V.T = Penelitian lainnya tentang kerusakan pahat, dilakukan oleh Coromant, 2004, dan menyimpulkan bahwa penyebab keausan dan kerusakan pahat dapat merupakan suatu faktor yang dominan atau gabungan beberapa factor. Ginting, 2006 dalam penelitiannya yang menggunakan material paduan Titanium Ti6Al4V dan pahat Karbida menyimpulkan bahwa pahat karbida dengan sudut geram 30 o mengalami keausan setelah pemotongan sepanjang 1000 mm, sedangkan untuk sudut geram 0 o, pemotongan dapat berlangsung lebih panjang. Berdasarkan hasil penelitian mengenai keausan pahat dapat disimpulkan bahwa penyebab keausan dan kerusakan pahat dapat merupakan suatu faktor yang dominan atau gabungan dari beberapa faktor tertentu. Faktor-faktor penyebab tersebut antara lain proses; abrasif, kimiawi, adhesi, difusi, oksidasi, deformasi plastik, keretakan dan kelelahan. Untuk memotong material yang memiliki kekerasan yang besar diperlukan bahan pahat yang memiliki konduktivitas termal dan ketangguhan yang baik namun keras sehingga tidak mudah terdeformasi serta stabil. Namun sampai saat ini, bahan pahat yang mempunyai sifat yang kompleks belum ditemukan dalam satu kesatuan substansi. Beberapa penelitian sebelumnya tentang permesinan bahan keras antara lain yang dilakukan oleh Freeman, 1974 dan Dearnley, 1986 menyimpul-kan bahwa pahat paduan karbida tidak direkomendasikan, karena memiliki laju aus yang tinggi. Namun demikian, pahat paduan karbida memiliki sifat-sifat bahan yang dapat digunakan sebagai bahan dasar (substrate) pahat dan diper kuat dengan paduan Titanium Carbide (TiC). Paduan Titanium Carbide mempunyai kekerasan lebih besar dari Tungsten Carbide (WC). Paduan ini berguna untuk meningkatkan ketahanan aus, sedangkan Tantalum (Ta) dan Niobium (Nb). Carbide (Ta/Nb-C) berguna untuk meningkatkan ketangguhan menghadapi ubah bentuk plastis pada suhu tinggi. Bahan-bahan paduan tersebut dikemas dalam paduan pahat karbida (W -Ti/Ta/Nb) C-Co. Bahan pelapis yang menyelimuti pahat paduan karbida adalah TiN, TiC dan TiCN, dimana pelapisannya dilakukan dengan metode Chemical Vapour Deposition (CVD). Dengan melakukan pengukuran gaya potong, maka akan diperoleh kondisi optimal dari pembubutan Besi Tuang Kelabu.. TINJAUN PUSTAKA Proses bubut merupakan salah satu proses permesinan untuk menghasilkan produk berbentuk silindrik. Gerak potong pada proses bubut dilakukan oleh benda kerja dan gerak makan dilakukan oleh pahat. Parameter yang Dapat Diatur pada Mesin Bubut Tiga parameter utama pada setiap proses bubut adalah kecepatan putar spindle (speed), gerak makan (feed), dan kedalaman potong ( depth of cut). Faktor yang lain seperti bahan benda kerja dan jenis pahat sebenarnya juga memiliki pengaruh yang cukup besar, tetapi tiga parameter di atas adalah bagian yang bisa diatur oleh operator langsung pada mesin bubut. - Kecepatan putar, n (speed), selalu dihubungkan dengan sumbu utama (spindel) dan benda kerja. Kecepatan putar dinotasikan sebagai putaran per menit ( rotations per minute, rpm). Akan tetapi yang diutamakan dalam proses bubut adalah kecepatan potong (cutting speed atau v) atau kecepatan benda kerja dilalui oleh pahat/keliling benda kerja. Secara sederhana kecepatan potong dapat digambarkan sebagai keliling benda kerja dikalikan dengan kecepatan putar atau: v = π dn / (1) dengan: v = kecepatan potong (m/menit) d = diameter benda kerja (mm) n = putaran benda kerja (putaran/ menit) ISBN: Group Teknik Mesin Volume 7: Desember 2013 TM8-2

3 PROSIDING HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Gambar 1. Simbol Variabel Permesinan - Gerak makan, f n (feed), adalah jarak yang ditempuh oleh pahat setiap benda kerja berputar satu kali, sehingga satuan f adalah mm/putaran. Gerak makan di-tentukan berdasarkan kekuatan mesin, material benda kerja, material pahat, bentuk pahat, dan terutama kehalusan permukaan yang diinginkan. - Kedalaman potong a p (depth of cut), adalah tebal bagian benda kerja yang dibuang dari benda kerja, atau jarak antara permukaan yang dipotong ter-hadap permukaan yang belum terpotong. Ketika pahat memotong sedalam a, maka diameter benda kerja akan berkurang 2a, karena bagian permukaan benda kerja yang dipotong ada di dua sisi, akibat dari benda kerja yang berputar Elemen Dasar Proses Permesinan Berdasarkan gambar teknik, dimana dinyatakan spesifikasi geometric suatu produk komponen mesin harus dipilih sebagai suatu proses atau urutan proses yang digunakan untuk membuatnya. Bagi suatu tingkatan proses, ukuran objektif ditentukan dan pahat harus membuang sebagian material benda kerja sampai ukuran objektif itu dicapai. Hal ini dapat dilaksanakan dengan cara menentukan penampang geram (sebelum terpotong). Selain itu, setelah berbagai aspek teknologi ditinjau, kecepatan pembuangan geram dapat dipilih supaya waktu pemotongan sesuai dengan yang dikehendaki. Pekerjaan ini akan ditemui dalam setiap perencanaan proses permesinan. Untuk itu perlu dipahami lima elemen dasar proses permesinan yaitu: 1. Laju pemotongan (cutting speed): v (m/min) 2. Laju pemakanan (feeding speed): v f (mm/min) 3. Kedalaman potong (depth of cut): a (mm) 4. Waktu pemotongan (cutting time): tc (min) 5. Kadar pembuangan material(rate of metal removal): Z (dm3 /min) Elemen proses permesinan tersebut (v, vf, a, tc, Z) dihitung berdasarkan dimensi benda kerja dan/atau pahat serta besaran dari mesin perkakas. Oleh sebab itu rumus yang dipakai dalam setiap proses permesinan bisa berlainan. Karena dalam penelitian ini penulis menggunakan mesin bubut ( turning) maka yang akan dibahas dalam bab ini hanya mengenai elemen dasar proses permesinan dari mesin bubut (turning). Elemen dasar dari proses bubut (turning) dapat diketahui atau dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: Pahat: κr = sudut potong utama ; [ o ] Γ o = sudut geram ; [ o ] Mesin Bubut: a = kedalaman potong; mm f = gerak makan ; mm/(r) n = putaran poros utama; (r)/min Kecepatan Potong Kecepatan potong untuk proses bubut dapat didefinisikan sebagai kerja rata-rata pada sebuah titik lingkaran pada pahat potong dalam satu menit. Kecepatan makan didefinisikan sebagai jarak dari pergerakan pahat Volume 7: Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN: TM8-3

4 Optimasi Pembubutan Kering Besi potong sepanjang jarak kerja untuk setiap putaran dari spindel. Kedalaman potong didefinisikan sebagai kedalaman geram yang diambil oleh pahat potong. Waktu pemotongan adalah waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu produk. Geram adalah potongan dari material yang dipindahkan dari benda kerja oleh pahat potong (Krar, 1997). v = π.d.n/1000 ; m/min (2) dimana: v = Kecepatan potong ; m/min d = Diameter rata-rata, yaitu: d = (d 0 + d m ) /2 = d 0 ; mm, (3) n = Putaran poros utama ; rpm Kecepatan potong maksimal yang diijinkan tergantung pada: a. Bahan benda kerja: makin tinggi kekuatan bahan, makin rendah kecepatan potong. b. Bahan pahat: Pahat Karbida memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi daripada pahat HSS. c. Besaran asutan: Makin besar asutan, ma-kin kecil kecepatan potong. d. Dalamnya pemotongan: makin besar dalamnya pemotongan, makin kecil kecepatan potong. Laju Pemakanan Yang dimaksud dengan kecepatan pemakanan adalah jarak tempuh gerak maju pisau/benda kerja dalam satuan millimeter per menit atau feet per menit. Pada gerak putar, kecepatan pemakanan, f adalah gerak maju alat potong/benda kerja dalam n putaran benda kerja/pisau per menit. Besarnya kecepatan pemakanan dipengaruhi oleh: 1. Jenis bahan pahat yang digunakan. 2. Jenis pekerjaan yang dilakukan, misalnya membubut rata, mengulir, memotong atau mengkartel dan lainlain. 3. Menggunakan pendinginan atau tidak. 4. Jenis bahan yang akan dibubut, misalnya besi, baja, baja tahan karat (stainless steel), atau bahan-bahan non fero lainnya. 5. Kedalaman pemakanan. vf = f. n ; mm/min (4) dimana: vf = kecepatan makan ; mm/min f = gerak makan ; mm/(r) n = putaran poros utama (benda kerja) ; rpm Waktu Pemotongan tc = lt /vf ; min (5) dimana: tc = waktu pemotongan ; min lt = panjang permesinan ; mm vf = kecepatan makan; m/min ISBN: Group Teknik Mesin Volume 7: Desember 2013 TM8-4

5 PROSIDING HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Perancangan alat dilaksanakan pada bulan Oktober s/d Nopember 2013 bertempat di Laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Alat dan Bahan 1. Alat a. Mesin bubut untuk melakukan proses pembubutan b. Mistar geser, untuk mengukur diameter benda kerja. c. Dinamometer, untuk mengukur gaya potong d. Gergaji besi untuk memotong material e. Kikir untuk mertakan dan memperbesar lubang f. Mistar/meteran sebagai alat ukur g. Kunci Pas, ( satu set ) 2. Bahan a. Besi Tuang kelabu b. Mata Drill c. Pahat Carbida HASIL DAN BAHASAN Hasil penelitian yang diperoleh diperlihatkan pada tabel 1, sebagai berikut: Tabel 1. Data Penelitian Laju Pemakanan f[mm/put] 0,05 0,09 0,13 Kecepatan Potong Gaya Potong V[m/mnt] Fx Fy FZ , , , , , , , , , Selanjutnya dibuat dalam grafik sebagai berikut: Gaya Potong, F [N] Kecepatan Potong, V [m/menit] Gambar 2. Grafik Hubungan Kepatan potong terhadap Gaya Potong pada Laju Pemakanan f = 0,05 Volume 7: Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN: TM8-5

6 Optimasi Pembubutan Kering Besi Gaya Potong, F [N] Kecepatan Potong, V [m/menit] Gambar 3. Grafik hubungan Kepatan Potong terhadap Gaya Potong pada Laju Pemakanan f = 0,09 Gaya Potong, F [N] Kecepatan Potong, V [m/menit] Gambar 4. Grafik Hubungan Kepatan Potong terhadap Gaya Potong pada Laju Pemakanan f = 0,13 Dari grafik terlihat bahwa semakin besar laju pemakanan pada proses pembubutan, gaya potong juga cenderung semakin besar. Pada kecepatan potong yang rendah gaya potong Fx terbesar khususnya pada laju pemakanan 0,05 mm/putara dan 0,09 mm/putaran, sedangkan pada kecepatan potong yang besar gaya potong Fx diperoleh kecil. Pada laju pemakanan yang tetap, gaya-gaya potong (Fx, Fy dan Fz) cenderung naik pada kecepatan potong 47,1 m/mnt dan 94,2 m/mnt, sedangkan pada kecepatan potong 25 m/mnt dan 70,65 m/mnt, gaya-gaya potongnya rendah. Dari perlakuan yang diberikan pada proses pembubutan Besi Tuang Kelabu, gaya potong (Fz) yang terendah pada kecepatan potong 25 mm/menit dengan laju pemakanan 0,05 mm/putaran sedang gaya potong (Fy) terbesar pada kecepatan potong 94,2 mm/menit demhgan laju pemakanan 0,13 mm/putaran. Ini berarti kondisi optimum pembubutan diperoleh pada kecepatan potong 25 m/mnt dan 70,65 m/mnt ISBN: Group Teknik Mesin Volume 7: Desember 2013 TM8-6

7 PROSIDING HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK DAFTAR PUSTAKA Ferdinand, L, Singers, dan Andrew Pytel Sterngth Of Material. MGH Singapure. American National Standard Tool Life Testing With Single-Point Turning Tools ANSI/ASME B94.55M- 1985, ASME, New York, A. Koplev, AA. Lystrup, and T. Vorm, The cutting process, chips, and cutting forces in machining CFRP, Composites, vol. 14, no. 4, pp , Boothroyd, Geoffrey, Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools, International edition, Scripta Book Company, Washinton D.C., Battacharya, G.K., and Johnson, R.A., Statistical Concepts and Methodes, University of Wisconsin, Jhon Wiley & Sons, Inc., Castillo E. D., and Montgomery D.C., A Nonlinear Programming Solution to the Dual Response Problem, Journal of Quality Technology, Vol. 25, No. 3, pp , Chanana, Charanjit, Production Technology, First Edition, McGraw-Hill Publishing Company Limited, New-Delhi, Draper, N.R., Smith, H., Analisis Regresi Terapan, Edisi kedua, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, D.A. Stenphenson, J.S. Agapiou, Metal Cutting Theory and Practice, Marcel Dekker, D. C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons, New York, NY, USA, 2001 Ery Yulian T. Adesta, Tool Wear & Surface Finish Investigation in High Speed Turning Using Cermet insert by Applying Negative rake Angles, 2009 F.Y. Gorczyca, Application of Metal Cutting Theory, Industrial Press, New York, Ginting,Karakteristik Pemotongan Orto-gonal Kering Paduan Tinium Ti-6Al-4V Menggunakan Pahat Karbida, Jurnal Teknik Mesin UK Petra,2006. Haron, Performance of Alloyed Uncoated and CVD-Coated Carbide Tools in Dry Milling of Titanium Alloy Ti- 6242S, L.B. Oxley, Mechanics of Machining: An Analytical Approach to Assessing Machinability, John Wiley & Sons, New York, USA, Lenka Fusova, Pawel Rokicki, Tool Wear Mechanisms In Tools Used For High-Speed Cutting of Difficult to Machine Metals, Volume 7: Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN: TM8-7

8 Optimasi Pembubutan Kering Besi ISBN: Group Teknik Mesin Volume 7: Desember 2013 TM8-8