BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Keausan Pahat Ujung pada pahat merupakan titik lokasi stress yang paling tinggi, temperatur yang tinggi pada gesekan antara permukaan pahat dengan benda kerja, gesekan antara chip dengan sudut bebas pada pahat. Kondisi ini merupakan awal dari 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 terjadi kontak stress yang tinggi dan temperatur yang tinggi, maka dengan itu keausan pahat merupakan konsekuensi yang tidak dapat dihindarkan. Pada kecepatan dan temperatur yang rendah, keausan pada pahat biasa terjadi di bagian tepi. [8] 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.

2 5 Gambar 2.1. Keausan pada pahat [7] 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 pemesinan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu: keausan tepi (flank wear), keausan kawah (crater wear), Keausan ujung (nose wear), Notching, deformasi plastik dari ujung pahat (plastic deformation of tool tip), chipping dan gross fracture. [7] Keasusan tepi ( flank wear ) terjadi pada bagian sisi dari pahat. Keausan ini memiliki tanda seperti gesekan antara pahat dengan permukaan benda kerja yang menyebabkan keausan abrasif dan adhesif, dan temperatur yang tinggi dan menyebabkan perubahan properti dari pahat dan juga benda kerja. Keausan kawah terjadi pada permukaan beram pada pahat. Dapat terlihat bahwa keausan kawah mempengaruhi kotak pada geometri pahat dengan chip. Faktor yang mempengaruhi keausan kawah adalah temperatur antara chip dengan pahat, pengaruh kimia antara pahat dengan benda kerja dan juga faktor yang mempengaruhi keausan tepi juga mempengaruhi keausan kawah. Keausan kawah biasanya dikaitkan dengan mekanisme, yaitu perpindahan antara atom-atom dari

3 6 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 temperatur dan mekanis. Nose wear ini membuat pahat tumpul, mempengaruhi formasi chip, menyebabkan gesekan berlebih antara pahat dengan benda kerja sehingga terjadi kenaikan temperatur 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 keramik, 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 daripada chipping adalah: Shock mekanis (mechanical shock) : akibat proses pemotongan yang terputus. Kelelahan thermal (thermal fatigue) : variasi dari temperatur pahat pada saat pemotongan terputus.

4 7 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 temperatur. [8] 2.2. Teori Proses Bubut Benda kerja dipegang oleh pencekam yang dipasang poros utama (spindle), dengan mengatur lengan pegatur, yang terdapat pada kepala diam, putaran poros utama (n) dapat dipilih. Harga putaran poros utama umumnya dibuat bertingkat, dengan aturan yang telah distandarkan, misalnya 630, 710, 800, 900, 1000, 1120, 1250, 1400, 1600, 1800 dan 2000 rpm. Untuk mesin bubut dengan putaran motor variable, ataupun dengan system transmisi variable, kecepatan putaran poros utama tidak lagi bertingkat melainkan berkesinambungan (continue). Pahat dipasangkan pada dudukan pahat dan kedalaman potong (a) diatur dengan menggeserkan peluncur silang melalui roda pemutar (skala pada pemutar menunjukkan selisih harga diameter, dengan demikian kedalaman gerak translasi bersama sama dengan kereta dan gerak makannya diatur dengan lengan pengatur pada rumah roda gigi. Gerak makan (f) yang tersedia pada mesin bubut bermacam macam dan menurut tingkatannya, misalnya., 0.1, 0.112, 0.125, 0.14, 0.16, (mm/(r).[6] Gambar 2.2. Mesin Bubut [7]

5 8 Gambar 2.3. Proses Bubut [7] Elemen dasar dari proses bubut seperti diketahui atau dihitung dengan menggunakan rumus yang dapat diturunkan denngan memperlihatkan kondisi pemotongan ditentukan dengan berikut, Benda kerja : d 0 = diameter mula; mm, d m l t = diameter akhir; mm, = panjang pemesinan; mm, Pahat : k r = sudut potong utama; o, 0 = sudut geram ; 0, Mesin bubut; a = kedalaman potong; mm, ; mm, f = gerak makan; mm/(r) n = putaran poros utama (benda kerja); (r)/min. Elemen dasar dapat dihitung dengan rumus rumus berikut, 1. Kecepatan potong : ; m/min.... (2.1) Dimana, d = diameter rata rata, yaitu, ; mm, (2.2) 2. Kecepatan makan : ; mm/min, (2.3)

6 9 3. Waktu pemotongan : ; min, (2.4) 4. Kecepatan penghasilan geram Dimana, penampang geram sebelum terpotong A= f.a ; mm 2, Maka ; cm 3 /min (2.5) Mesin perkakas NC sebenarnya serupa dengan mesin perkakas biasa (konvensional) yang terdiri dari beberapa jenis sesuai dengan jenis proses yang bias dilakukan. Mesin NC ini memerlukan berbagai perangkat lunak (program) dalam pengoperasiannya, misalnya program sistem operasi (Operating System), program program kelengkapan (Utility Program), dan program program aplikasi khusus (Special Aplication Program) bagi computer pengontrolnya. Dibandingkan dengan mesin konvensional yang setaraf dan sejenis mesin NC dikatakan lebih teliti (accurate), lebih tepat (precise), lebih luwes (flexible), dan lebih produktif (productive). Konstruksi mesin perkakas NC secara umum lebih baik dengan transmisi daya yang kompak dan pemakaian elemen pembimbing serta penggerak yang lebih teliti Baja AISI 4340 Baja AISI 4340 merupakan 1.8% nikel- chromium- molybdenum yang bisa diperkeras. Baja ini merupakan baja dengan kekuatan tarik yang tinggi, 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:

7 10 Tabel 2.1. Kadar komposisi kimia Min % Max% Carbon Silikon Mangan Nikel Chromium Molybdenum Phosphor Sulfur Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI Tabel 2.2 Sifat Mekanis Bahan Sifat Mekanis Besaran Kekuatan Tarik, Maks 935 MPa Kekuatan Tarik, lulur 795 MPa Elongasi pada saat patah 22.0% (dalam ukuran 50mm) Reduksi Area 55,0 % Modulus Elastisitas 190GPa 210GPa Modulus Bulk 140GPa Modulus Geser 80Gpa Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI 2.4. Pahat Karbida Untuk memenuhi kecepatan potong yang tinggi, karbida ( 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 bernilai ekonomis,

8 11 dan dapat digunakan pada banyak material. Dua grup utama karbida yang digunakan adalah tungsten carbide dan titanium carbide. Tungsten karbida memiliki kekhasan yang terdiri dari partikel tungsten dan karbida yang diikat bersamaan di cobalt matrix. 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 karbida 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 (Al 2 O 3 ). Pelapis ini, biasanya memiliki ketebalan dari 2 15 mikro meter, dan diaplikasi dengan dua teknik: Chemical-vapor 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 temperatur, tahan terhadap aus. Kestabilan kimiawi terhadap benda kerja. Konduktivitas thermal yang rendah. Cocok dan ikatan yang bagus. Sedikit / tidak ada porosity.

9 12 Keefektivitas dari pelapis dapat ditingkatkan dengan kekerasa, ketahan dan konduktivitas thermal yang tinggi dari substrat (seperti HSS atau carbide).[7] 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 satu micron meningkatkan kekuatan sudut pahat PVD. [9] 2.5. Pemesinan Keras Pembubutan keras merupakan proses pemesinan 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 pemesinan, penghilangan cairan pemotongan, peningkatan efisiensi dan flexibility, dan pengurangan waktu set-up dibandingkan dengan proses penggerindaan. Keuntungan besar dari pemesinan keras adalah lingkungan yang kering, dikarenakan hilangnya cairan pemotongan. [6] 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

10 13 menggunakan pahat dengan kekakuan yang tinggi, kekuatan dan kepresisian yang tinggi. Contoh yang umum adalah proses pemesinan 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 menghasilkan benda kerja dengan dimensi yang akurat, permukaan akhir (Ra dibawah 0,25) dan intregritas permukaan yang baik Pemesinan Kering Pembubutan kering adalah cara pemesinan yang sangat diinginkan karena ramah lingkungan dan biaya yang murah. Cara ini akan menjadi keharusan pada industri di masa yang akan datang karena hukum proteksi lingkungan dan kesehatan yang ada. Saat pemesinan, 70% panas yang dihasilkan dari deformasi platis dari benda kerja. Tanpa cairan pemotongan, keausan pahat dan kekasaran permukaan yang ditimbulkan menjadi berlebih pada saat pemesinan. Kedua faktor signifikan dalam menetukan biaya produksi dan tingkat produktivitas. Untuk kondisi ekonomi dan lingkungan, telah dilakukan proses berkelanjutan yang masih tren sejak pertengahan tahun 1990 untuk mengurangi atau menghilangkan penggunaan cairan pemotonan. Tren ini mengajak industri manufaktur untuk melakukan proses pemesinan kering. Berikut ini adalah keuntungan melakukan pemesinan 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 pemesinan keras ini adalah dengan menggunakan pahat chemical vapor deposition (CVD) dan physical vapor

11 14 deposition (PVD). Akan tetapi pahat PVD lebih diunggulkan daripada CVD karena temperatur proses yang lebih rendah dan lebih ramah lingkungan. [6] 2.7. Design of Experiment Eksperimen adalah bagian yang penting dalam metode science pada saat ini. Aplikasi teknik design of experiment pada awal pengembangan experiment dapat mengurangi waktu pengembangan, ongkos, variable yang digunakan. Banyak eksperimen yang melibatkan studi dari efek dari dua faktor maupun lebih. Desain faktorial merupakan yang paling efisien untuk eksperimen ini. Dengan desain faktorial, kita menyelesaikan pengulangan dari eksperimen dengan semua kemungkinan kombinasi dari level faktor yang diinvestigasi. Pada kasus spesial adalah faktor k, yang mana ada pada 2 level. Level ini bisa kuantitatif seperti dua nilai temperatur, tekanan, dan waktu; ataupun kualitatif seperti dua mensin, dua operator, level high dan low pada faktor. Replikasi yang sempurna pada desain tersebut memerlukan observasi 2 x 2 x x 22 = 2 k yang disebut 2 k faktorial design. Pada desain 2 3 menggunakan 3 faktor, A, B dan C, setiap faktor memiliki 2 level. Desain ini disebut 2 3 faktorial design, dan 8 kombinasi yang dibentuk dalam kubus geometri. Pada matriks menggunakan symbol + dan - untuk menentukan level high dan low. [10] Gambar 2.4. Design faktorial bentuk geometri