BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 13 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Teori Proses Pembubutan Proses bubut adalah proses permesinan untuk menghasilkan bagian-bagian mesin berbentuk silindris yang dikerjakan dengan menggunakan Mesin Bubut. Bentuk dasarnya dapat didefenisikan sebagai proses permesinan permukaan luar benda silindris atau bubut rata. Adapun proses bubut permukaan adalah proses bubut yang identik dengan proses bubut rata, tetapi arah gerakan peakanan tegak lurus terhadap sumbu benda kerja. Proses bubut tirus sebenarnya identik dengan proses bubut rata, hanya saja jalanya pahat dalam membentuk sudut tertentu terhadap sumbu benda kerja. Demikian juga proses bubut kontur, dilakukan dengan cara memvariasikan kedalaman potong sehingga menghasilkan bentuk yang sesuai dengan keinginan kita. Walaupun proses bubut secara khusus menggunakan pahat bermata potong tunggal, tetapi proses bubut bermata potong ganda tetap termasuk proses bubut juga, karena ada dasarnya setiap pahat bekerja sendiri-sendiri. Selain itu proses pengaturan pahatnya tetap dilakukan satu persatu. Dalam proses pembubutan, terdapat tiga parameter utama yaitu 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 selalu dihubungkan dengan spindle (sumbu utama) dan benda kerja. Karena percepatan putar diekspresikan sebagai putaran per menit (revolutions per minute rpm), hal ini menggambarkan kecepatan putarannya. Akan tetapi yang diutamakan dalam proses bubut adalah kecepatan potong (cutting speed) atau kecepatan benda kerja dilalui oleh pahat/keliling benda kerja. Secara sederhana kecepatan potong dapat digambarkan sebagai keliling benda kerja yang dikali dengan kecepatan dari putaran.

2 14...(2.1) Dimana : V = kecepatan potong ; m/menit d = diameter benda kerja ; mm n = putaran benda kerja; putaran/menit Dengan demikian kecepatan potong ditentukan oleh diameter benda kerja. Selain kecepatan potong ditentukan oleh diameter benda kerja, faktor bahan benda kerja dan bahan pahat sangat menentukan harga kecepatan potong. Pada dasarnya pada waktu proses bubut kecepatan potong ditentukan berdasarkan bahan benda kerja dan pahat. Harga kecepatan potong sudah tertentu, misalnya untuk benda kerja bahan Mild Steel dengan pahat dari HSS, kecepatan potongnya antara 20 sampai 30 m/menit. Gerak makan, f (feed) adalah jarak yang ditempuh oleh pahat setiap benda kerja berputar satu kali. Sehingga satuan dari gerak makan ini adalah mm/putaran. Gerak makan ditentukan berdasarkan kekuatan mesin, material benda kerja, material pahat, bentuk pahat, dan terutama kehalusan permukaan yang diinginkan. Gerak makan biasanya ditentukan dalam hubungannya dengan kedalaman potong a. gerak makan tersebut berharga sekitar 1/3 sampai 1/20 a, atau sesuai dengan kehalusan permukaan yang dikehendaki. Kedalaman potong, a (depth of cut), adalah tebal bagian benda kerja yang dibuang dari benda kerja, atau jarak antara permukaan yang dipotong terhadap 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, hal itu dikarenakan benda kerja yang berputar.

3 15 Gambar 2.1 Mesin Bubut 2.2. AISI 4340 Baja AISI 4340 merupakan 1.8% nikel- chromium- molybdenum yang bisa diperkeras. Baja ini merupakan baja kekuatan tarik yang tinggi yang biasa diperkeras pada kekuatan tensile sekitar Mpa (Rc 28 36). Biasanya baja ini digunakan untuk poros, gear, spindle, kopling, dll. Baja ini memiliki spesifikasi sebagai berikut: Tabel 2.1 Komposisi Kimia Baja AISI 4340 Elemen Kadar Karbon, C 0,410 % Silika, Si 0,220 % Cu 0,050 % Mangan, Mn 0,650 % Fosfor, P 0,015 % Sulfur, S 0,006 % Nickel, Ni 1,790 % Chromium, Cr 0,790 % Molibdenum, Mo 0,220 % V 0,020 % Aluminium, Al 0,021 % Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI

4 16 Tabel 2.2 Sifat Mekanis Baja AISI 4340 Sifat Mekanis Besaran Kekuatan Tarik, Maks 935 MPa Kekuatan Tarik, lulur 795 MPa Elongasi pada saat patah (dalam 22.0% ukuran 50mm) Reduksi Area 55,0 % Modulus Elastisitas 190GPa 210GPa Modulus Bulk 140GPa Modulus Geser 80Gpa Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI 2.3. Pahat Karbida Untuk memenuhi kecepatan potong yang tinggi, carbides ( juga dikenal cemented / sintered carbides) diperkenalkan pada tahun 1930an. Karena nilai kekerasan yang tinggi pada jangkaun termperatur yang besar, modulus elastisitas yang tinggi, konduktivitas thermal yang tinggi, ekspansi termal yang rendah, carbide merupakan pahat yang penting, serba guna, pahat yang cost effective, dan dapat digunakan pada banyak material. Dua grup utama karbida yang digunakan adalah tungsten carbide dan titanium carbide. Tungsten carbide memiliki kekhasan yang terdiri dari partikel tungsten dan karbida yang diikat bersamaan di cobalt matix.pahat ini biasanya diproduksi dengan teknik powder metallurgy. Pahat ini biasanya digunakan untuk memotong baja, besi cor, dan material selain besi dan banyak menggantikan fungsi pahat HSS karena peformanya. Titanium carbide terdiri dari matrix nikel-molybdenum. Pahat jenis ini memiliki ketahanan aus yang lebih tinggi daripada tungsten carbide tapi tidak sekuat tungsten carbide. Titanium carbide cocok untuk pemesinan material keras dan memotong pada kecepatan yang lebih tinggi dari tungsten carbide. Pelapisan pahat yang biasa digunakan adalah titanium nitride (TiN), titanium carbide (Tic), titanium carbonitride (TiCN), dan aluminium oxide

5 17 (Al 2 O 3 ). Pelapis ini, biasanya memiliki ketebalan dari 2 15 mikro meter, dan diaplikasi dengan dua teknik: Chemical-capor deposition (CVD) Pysical-vapor deposition (PVD) Proses CVD biasanya digunakan untuk pahat karbida dengan metode multiphase dan lapisan keramik, dan pahat karbida lapis PVD dengan lapisan TiN yang memiliki kekuatan sudut pemotongan yang lebih tinggi, rendah gesekan, dan kecenderungan yang lebih rendah untuk membentuk Built up edge dan memiliki ketebalan yang lebih beragam antara 2-4 mikrometer). Pelapis dari pahat harus mempunyai karakteristik sebagai berikut: Kekerasan yang tinggi saat kenaikan temperatut, tahan terhadap aus. Kestabilan kimiawi terhadap benda kerja. Rendah konduktivitas thermal. Cocok dan ikatan yang bagus. Sedikit / tidak ada porosity. Keefektivitas dari pelapis dapat ditingkatkan dengan kekerasa, ketahan dan konduktivitas thermal yang tinggi dari substrat( seperti HSS atau carbide). [5] Ketersediaan pahat dengan sudut pemotongan yang tajam sangat diperlukan untuk melakukan pemesinan benda kecil, jadi operasi yang mulus dan gaya pemotongan yang minimal mencegah deformasi dan kesalahan dimensi. Proses dengan menggunakan pahat PVD bisa mendapatkan sudut pemotongan ynag tajam dikarenakan lapisan yang tebalnya beberapa micron, yang mana dapat mempertahankan sudut tersebut. Lapisan PVD memberikan ketahanan terhadap aus dikarenakan tingkat kekerasannya. Lapisan PVD diperlukan ketika kekuatan dan sudut pemotongan yang tajam diperlukan. Lebih lanjut penggunaan WC dengan ukuran butir dibawah atu micron meningkatkan kekuatan sudut pahat PVD. [6] 2.4. Keausan Pahat Keausan pahat memiliki pengaruh ekonomis dalam operasi pemesinan dan hubungan kepada integritas permukaan. Dan keausan pahat mempengaruhi umur pahat dan kualitas produk yang dihasilkan. [7]

6 18 Pahat potong memiliki stess lokalisasi yang tinggi, temperature yang tinggi, pergesekan antara chip dengan sudut buang, dan pergesekan antara pahat dengan permukaan saat proses pemotongan. Kondisi ini mempengaruhi keausan pahat yang mana mempengaruhi umur pahat, kualitas hasil pemesinan dan akurasi dimensi dan nilai ekonomis dari pemesinan. Nilai dri keausan pahat dipengaruhi dari pahat, material benda kerja, bentuk pahat, cairan pemotongan, parameter pemesinan, dan karakteristik pahat.[8] Telah kita ketahui bahwa pada pahat terjadi stress pada ujung pahat, temperature yang tinggi pada gesekan antara permukaan pahat dengan benda kerja, gesekan antara cjip dengan sudut bebas pada pahat. Kondisi ini merupakan keausan pada pahat, yang merupakan pertimbangan utama pada proses pemesinan. Keausan pahat mempengaruhi pada umur pahat, hasil permukaan pada benda kerja, akurasi dimensi dan ongkos produksi pada pemesinan. Ketika pemesinan, pahat berada dalam lingkungan yang tejadi kontak stress yang tinggi dan temperature yang tinggi, maka dengan itu keausan pahat merupakan konsekuensi yang tidak dapat dihindarkan. Pada kecepatan dan temperature yang rendah, pahat biasanya tejadi keausan pada tepinya. Seharusnya eksperimen keausan pahat diulangi sebanyak 15 kali tanpa melakukan pergantian parameter.[9] Kriteria lain yang bisa digunakan untuk mendefinisikan kerusakan pahat sebagai tambahan dari keausan yaitu: - Ketika permukaan hasil benda kerja tidak dapat diterima - Ketika toleransi dimensi benda kerja tidak didapat. - Ketika konsumsi listrik atau gaya pemotongan meningkat hingga limit. - Waktu pemotongan atau kuantitas komponen Keausan adalah proses bertahap, kurang lebih seperti ujung pada pensil. Laju pada keausan pahat tergantung kepada pahat dan material benda kerja, geometri pahat, parameter proses, cairan pemotongan dan karakteristik dari pahat yang digunakan.keausan pahat dan perubahan pada geometry selama permesinan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu: keausan tepi (flank wear), keausan kawah (crater wear),keausan ujung (nose wear), Notching, deformasi

7 19 plastik dari ujung pahat (plastic deformation of tool tip), chipping dan gross fracture.[10] Keausan kawah terjadi pada permukaan beram pada pahat. Dapat terlihat bahwa keausan kawah mempengaruhi kotak pada geometry pahat dengan chip. Factor yang mempengaruhii keausan kawah adalah temperature antara chip dengan pahat, pengaruh kimia antara pahat dengfan benda kerja dan juga factor yang mempengaruhi keausan tepi juga mempengaruhi keausan kawah. Keausan kawah biasanya dikaitkan dengan mekanisme, yaitu perpindahan antara atomatom dari kontak antara pahat dengan geram benda kerja. Nilai difusi akan meningkat seiring dengan kenaikan temperatur. Mengaplikasikan lapisan pada pahat akan mengurangi proses difusi dan mengurangi keausan pahat. Lapisan yang umum digunakan adalah: titanium nitride, titanium carbide, titanium carbonitride,dan aluminium oxide. Nose wear yaitu pembulatan dari pahat yang tajam dikarenakan efek dari temperature dan mekanis. Nose wear ini membuat pahat tumpul, mempengaruhi formasi chip, menyebabkan gesekan berlebih antara pahat dengan benda kerja sehingga terjadi kenaikan temperature dan mungkin terjadi stress sisa pada permukaan benda kerja. Takik (Notches) atau alur (grooves) juga biasanya terlihat pada pahat bisanya terjadi ketika chip tidak lagi terjadi kontak dengan pahat. Chipping juga merupakan keausan pahat yang berart terjadi pecahan dari sudut potong pahat. Fenomena ini biasanya terjadi pada material pahat yang getas seperti ceramics, sama dengan terpecahnya ujung pensil jika terlalu tajam. Bagian pahat yang terpecah bisa menjadi sangat kecil (microchipping / macrochipping) ataupun bisa menjadi ukuran yang relative besar yang disebut gross chipping, gross fracture dan catastrophic failure. Chipping bisa juga terjadi pada bagian pahat yang retak ataupun cacat. Tidak seperti aus, yang mana adalah proses bertahap. Chipping terjadi kehilangan material dari pahat secara tiba tiba dan berubah sesuai dengan bentuknya. Chipping bisa menjadi efek kerugian utama dalam hasil permukaan benda kerja, integritas permukaan, dan akurasi dimensi dari benda kerja Dua penyebab utama chipping adalah:

8 20 Shock mekanis (mechanical shock) : akibat proses pemotongan yang terputus. Kelelahan thermal (thermal fatigue) : variasi dari temperature pahat pada saat pemotongan terputus. Retak thermal biasanya tegak lurus dari pada sudut pemotongan dari pahat. Variasi utama dari komposisi atau sturktur/material benda kerja juga bisa menyebabkan chipping. Chipping bisa dikurangi dengan memilih material yang memiliki nilai impact yang tinggi dan tahan terhadap shock temperature. [11] 2.5. Pembubutan Keras Pembubutan keras merupakan proses permesinan dari material besi yang dikeraskan dengan nilai kekerasan diatas 45 HRC dengan tujuan untuk menyelesaikan benda kerja langsung dari material benda yang dikeraskan. Pertumbuhan dari proses pembubutan keras didapatkan dari perkembangan jenis pahat yang lebih baru seperti Cubic Boron Nitride (CBN), Polycristalline Cubic Boron Nitride (PCBN), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD), dan pahat ceramic sejak Pengurangan biaya permesinan, penghilangan cairan pemotongan, peningkatan efisiensi dan flexibility, dan pengurangan waktu set up dibandingkan dengan proses penggerindaan. Keuntungan besar dari permesinan keras adalah lingkungan yang kering, dikarenakan hilangnya cairan pemotongan. [12] Kita telah ketahui, jika kekerasan dari benda kerja meningkat, maka semakin sulit dilakukan pemesinan, keausan pahat, hasil permukaan dan integritas permukaan akan menjadi masalah yang signifikan. Namun masih dimungkinkan untuk menggunakans pemesinan tradisional untuk logam dan campuran yang keras dengan menggunakan pahat yang sesuai dengan material benda keras dan menggunakan pahat dengan kekakuan yang tinggi, kekuatan dan kepresisian yang tinggi. Contoh yang umum adalah proses permesinan akhir terhadap baja perlakuan panas (45-65 HRC) poros, roda gigi dan berbagai macam komponen menggunkan polycrystalline cubic-boron nitride (PcBN), cermet, pahat ceramic. Cara ini disebut pemesinan keras atau pembubutan keras, proses ini

9 21 menghasilkan benda kerja dengan dimensi yang akurat, yaitu dengan permukaan akhir ( dibawah 0,25) dan intregritas permukaan yang baik Pembubutan kering Pembubutan kering merupakan proses pembubutan yang masih tren sejak pertengahan 1990 untuk mengurangi atau menghilangkan penggunaan daripada cairan pemotongan. Proses ini mengajak industry manufaktur untuk melakukan proses dari pemesinan kering. Berikut ini adalah keuntungan melakukan pemesian kering, yaitu : 1. Mengurangi dampak kerusakan lingkungan akibat dari pengunaan cairan pemotongan, meningkatkan kualitas udara dalam pabrik dan menguangi resiko pada kesehatan. 2. Mengurangi ongkos produksi, terutama ongkos pemeliharaan, daur ulang dan pembuangan cairan pemotongan. 3. Meningkatkan kualitas permukaan produk. Teknik yang biasa digunakan dalam pembubutan keras ini adalah dengan menggunakan pahat Chemical Vapor Deposition (CVD) dan Physical Vapor Deposition (PVD). Akan tetapi pahat PVD lebih diunggulkan daripada CVD karena temperature proses yang lebih rendah dan lebih ramah lingkungan Waktu Produksi Produksi dan produktivitas adalah dua buah kata yang memiliki arti yang berbeda. Produksi lebih kepada kuantitas dari produksi sedangkan produktivitas lebih kepada efisiensi penggunaan sumber daya dalam mencapai produksi. [13] produktivitas pabrik atau aktivitas manufaktur lainnya adalah konsep yang sangat penting. Seperti pertumbuhan yang baru di Jepang, dimana dikaitkan dengan tingkat produktivitas yang tinggi yang dicapai dengan kekhawatiran manufaktur mereka. Produktivitas saja akan membuat produk yang kompetitif sedangkan produksi saja tidak akan membantu bangsa menjadi besar. Waktu untuk menghasilkan produk untuk menyelesaikan suatu pekerjaan (memotong bagian tertentu produk) dengan cara yang tertentu (menggunakan

10 22 suatu jenis pahat) adalah merupakan variabel yang penting dalam rangka penentuan kondisi pemesinan optimum. [14] Secara garis besar dapat dikelompokkan 2 macam komponen waktu yaitu : - Komponen waktu yang dipengaruhi oleh variable proses - Komponen waktu yang bebas Untuk menghasilkan satu produk, maka diperlukan komponen komponen waktu sebagai berikut : 1. Komponen waktu yang dipengaruhi oleh variable proses a. ; min/produk...(2.2) dimana, = waktu pemotongan sesungguhnya = panjang pemesinan, mm = kecepatan makan, mm/min b....(2.3) Yaitu waktu penggantian pahat yang dibagi rata untuk sejumlah produk yang dihasilkan sejak pahat yang baru dipasang sampai pahat tersebut harus diganti karena aus. Bagi mesin perkakas NC dengan ATC, maka pahat dapat diganti sewaktu pahat tersebut tidak digunakan (tersimpan pada tempatnya), dengan demikian siklus proses tidak terganggu, akibatnya komponen waktu ini dapat dihilangkan. dimana, = waktu penggantian atau pemasangan pahat; min T = umur pahat; min

11 23 = bagian dari umur pahat yang digunakan untuk menyelesaikan satu produk 2. Komponen waktu bebas (non produktif) c. ; min/produk...(2.4) dimana, = waktu non produktif ; min/produk = waktu pemasangan benda kerja ; min/produk = waktu penyiapan;yaitu waktu yang diperlukan untuk menggerakkan pahat dari posisi mula sampai pada posisi siap untuk memotong ; min/produk = waktu pengakhiran; yaitu waktu yang diperlukan untuk membaca/menggerakkan pahat kembali ke posisi mula; min/produk = waktu pengambilan produk ; min/produk = bagian dari waktu penyiapan mesin beserta perlengkapannyayang dibagi rata untuk sejumlah produk yang direncanakan untuk dibuat saat itu Ongkos produksi Bagi suatu industry pemesinan adalah mutlak untuk mengetahui beberapa ongkos sebenarnya dalam pembuatan suatu produk/komponen mesin. Dengan mengetahui harga jual produk atau harga penawaran kontrak pembuatan sejumlah produk maka dapat dibayangkan keuntungan yang akan diperoleh. Dalam kenyataan, penghitungan ongkos pembuatan tersebut tidak selalu mudah, tergantung pada ukuran perusahaan, ragam dan kompleksitas produk yang ditanganinya dan struktur perhitungan ongkos yang dianut oleh perusahaan yang bersangkutan. Ongkos pembuatan dapat ditentukan dari beberapa komponen ongkos yang menbentuknya. Berikut ini rumus rumus yang digunakan untuk menghitung ongkos produksi suatu benda :

12 24 1. Rumus untuk menghitung total ongkos produksi...(2.5) dimana, = ongkos jual ; Rp/produk = ongkos material; Rp/produk = ongkos persiapan/perencanaan produksi = ongkos salah satu proses produksi; Rp/produk 2. Rumus untuk menghitung Ongkos Material...(2.6) Dimana, = ongkos material; Rp/produk = harga pembelian; Rp/produk = ongkos tidak langsung; Rp/produk 3. Rumus untuk menghitung ongkos produksi...(2.7) Dimana, = ongkos produksi; Rp/produk = ongkos penyiapan dan peralatan; Rp/produk = ongkos pemesinan; Rp/produk = ongkos pahat; Rp/produk 4. Rumus untuk menghitung ongkos pemesinan...(2.8) Dimana, = ongkos pemesinan; Rp/produk = ongkos operasi mesin/persatuan waktu; Rp/min = waktu pemesinan; min/produk

13 25 5. Rumus untuk menghitung ongkos pahat...(2.9) Dimana, = ongkos pahat; Rp/produk = ongkos pahat permata potong; Rp/mata potong = sebagian dari umur pahat yang berkurang akibat pemakaiannya setiap menghasilkan satu produk; mata potong/produk Ongkos operasi persatuan waktu (menit) bagi suatu kesatuan produksi (mesin yang bersangkutan, operator dan seluruh bagian/kegiatan pabrik yang mendukungnya) dapat dihitung berdasarkan ongkos yangmembentuknya dalam satu periode (tahun) dibagi dengan jumlah menit kerja efektif pertahun. Ongkos operasi pertahun merupakan gabungan dari ongkos tetap dan ongkos variable....(2.10) Dimana, = ongkos operasi pertahun; Rp/tahun = ongkos tetap pertahun; Rp/tahun = ongkos variabel langsung pertahun; Rp/tahun = ongkos variabel tidak langsung pertahun; Rp/tahun