PENGARUH KEDALAMAN POTONG, KECEPATAN PEMAKANAN TERHADAP GAYA PEMOTONGAN PADA MESIN BUBUT

Transkripsi

1 PENGARUH KEDALAMAN POTONG, KECEPATAN PEMAKANAN TERHADAP GAYA PEMOTONGAN PADA MESIN BUBUT Waris Wibowo & Prasetya Sigit S. Staf Pengajar Akademi Maritim Yogyakarta ( AMY ) ABSTRAK Gaya pemotongan digunakan untuk menganalisa perancangan alat-alat potong mesin. Tujuan dari eksperimen ini adalah untuk menganalisa kecepatan dan kedalaman potong yang mempengaruhi gaya pemotongan. Prosedur penelitian ini adalah dengan menentukan gaya pemotongan berdasarkan kecepatan potong dan kedalaman potong. Analisis regresi dan analisis varian digunakan untuk menganalisa data eksperimen. Pengaruh kedalaman pemotongan terhadap gaya potong lebih panjang daripada kecepatan pemotongan. Pada interaksi antara kedua faktor tidak mempengaruhi gaya pemotongan. A. PENDAHULUAN Besarnya gaya pemotongan merupakan informasi yang diperlukan dalam perencanaan mesin perkakas karena itu merupakan titik tolak setiap hitungan dan analisa mesin perkakas. Demikian halnya dalam perencanaan proses pemesinan, dimana gaya pemotongan merupakan kendala yang harus diperhitungkan. Gaya pemotongan yang bereaksi pada pahat dan benda kerja, yang selanjutnya diteruskan pada bagian-bagian tertentu mesin perkakas, akan mengakibatkan lenturan. Meskipun lenturan itu kecil tapi mungkin sudah cukup untuk menjadi penyebab kesalahan geometri produk maupun sebagai sumber getaran yang dapat memperpendek umur pahat. Gaya pemotongan teoritis telah dapat dirumuskan, tapi karena adanya penyederhanaan dan anggapan yang mendasari penurunan rumus tersebut, maka tidak dapat dipakai dalam perencanaan proses pemesinan sesungguhnya. Oleh karena itu masih dibutuhkan adanya suatu bentuk rumus empirik yang menggambarkan hubungan antara gaya pemotongan dengan parameter-parameter dalam proses pemotongan. B. PERUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang di atas maka dapat dirumuskan permasalahannya sebagai berikut : 1. Adakah hubungan antara, kedalaman pemotongan, kecepatan pemakanan dan gaya pemotongan pada mesin bubut. 2. Bagaimana pengaruh kedalaman pemotongan dan kecepatan pemakanan terhadap gaya pemotongan pada mesin bubut. C. BATASAN MASALAH Parameter yang dikonstankan pada eksperimen ini adalah : 1. Jenis material kerja (ST 42) dan pahat (Karbida) 2. Panjang pemotongan (L) = 30 mm 3. Putaran spindel (n) = 494 rpm 4. Posisi pemotongan Orthogonal (k r = 90 o C). D. TUJUAN PENELITIAN 1. Untuk mengetahui pengaruh kecepatan pemakanan dan kedalaman potong terhadap gaya pemotongan. 2. Untuk mengetahui pengaruh interaksi antara kecepatan pemakanan dan kedalaman potong terhadap gaya pemotongan.

2 E. MANFAAT PENELITIAN Dengan mengetahui pengaruh kedalaman pemotongan dan kecepatan pemakanan terhadap gaya pemotongan maka dapat menentukan jenis pahat yang aman digunakan. F. TINJAUAN PUSTAKA Bentuk rumus empirik yang menggambarkan hubungan antara gaya pemotongan dengan parameter-parameter dalam proses pemotongan. Parameter-parameter tersebut adalah : kecepatan potong, gerak pemakanan, material pahat dan benda kerja, geometri pahat, macam proses pemotongan dan lain-lain. Dengan menetapkan dan mengubah beberapa parameter proses permesinan, di eksperimen ini dilakukan pada variabel kedalaman potong (a) dan gerak pemakanan (f) maka dapat dicari suatu korelasi berupa rumusan empirik antara gaya pemotongan. Rumus Teoritik Gaya Potong Dari analisa proses pembentukan chip telah diturunkan rumus teoritik gaya potong seperti pada persamaan (1) Boothroyd, (1985). Cos ( - o) F v = F y = shi b. h (1) sin cos( + - o) dimana : F v = F y = gaya potong (N) shi = tegangan geser dinamik (N/mm 2 ) b.h = penampang geram sebelum dipotong (mm 2 ) o = sudut geram, karakteristik geometri pahat = sudut geser = sudut gesek Rumus teoritik gaya pemotongan diatas, diturunkan dalam analisa proses pemotongan orthogonal, yang berarti sudut potong utama (k r) berharga 90 o serta sudut miring ( berharga nol. Pada kondisi tersebut dianggap hanya ada 2 komponen gaya yaitu gaya potong seperti rumus diatas dan gaya makan seperti rumus berikut : F f = F z = F v tan ( - o) (N)(2) Dari kedua rumus tersebut terlihat bahwa gaya makan berbanding lurus dengan gaya potong. Proses pemotongan orthogonal jarang ditemukan dalam praktek, sehingga diperlukan suatu bentuk rumus gaya pemotongan yang dapat digunakan secara umum (proses pemotongan oblique). Rumus Empirik Gaya Potong Gaya F adalah resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada pahat dan arahnya tergantung pada bentuk geometri pahat. Gaya ini dapat diuraikan menurut koordinat kartesian sebagai berikut : 1. Gaya tangensial (gaya potong utama : F v = F f) yang arahnya tangensial terhadap permukaan potong benda kerja. 2. Gaya aksial (gaya pemakanan : F z) yang arahnya aksial terhadap benda kerja. 3. Gaya radial F x yang arahnya radial terhadap benda kerja. Perbandingan besar masing-masing komponen gaya diatas adalah berkisar F y = F x = F z 4 : 2 : 1 Dengan memperhatikan rumus teoritik, rumus empirik gaya potong pahat diperkirakan bentuknya sebagai : F y = F y = k s. A (N) 3) dimana : k s = gaya potong spesifik (N/mm 2 ) A = b.h = a.f = penampang geram sebelum dipotong (mm 2 ) b = a/sin k r dan h = f sin k r (mm) a = kedalaman potong (mm) f = gerak makan (mm/put)

3 Berdasarkan bentuk rumus gaya potong teoritik, gaya potong spesifik k s dipengaruhi oleh pahat (jenis dan geometrinya), benda kerja (jenis dan kondisi fisik/pengerjaannya). Hubungan ini dapat dilihat dalam persamaan berikut : k s = k s11. h -z (N/mm 2 ) dimana : k s11 = tahanan potong spesifik material untuk lebar geram b dan tebal geram h (1 mm) untuk sudut potong utama k r tertentu (90 o ). h = tebal geram sebelum dipotong (mm) z = pangkat tebal geram, rata-rata geram berharga = 0,2. Dari percobaan dengan menggunakan beberapa jenis benda kerja dapat diperoleh beberapa harga k s11 Taufik Rochim, tabel 8.1, (1985) yang berlaku bagi proses membubut dengan pahat karbida dengan geometri dan kondisi pemotongan sebagai berikut : 1. k r = 90 o ; o = 6 o ; = 0 o ; r = 0,8 mm 2. kecepatan potong = 100 s/d 200 m/menit 3. keausan tepi belum terlihat dengan jelas (dibawah 0,1 mm) 4. rasio kemiringan geram (Chip Slenderness Ratio); b/h = 2 s/d 10 Untuk penentuan harga k s dimana kondisi pemotongan tidak sesuai dengan kondisi pemotongan diatas, maka dapat dipakai rumus pendekatan yang sering digunakan dalam praktek, yaitu : k s = k s11 f -z C k C y C vb C v (5) dimana C k1 C y1 C vb dan C v adalah faktor koreksi yang harganya disarikan dari beberapa hasil percobaan sebagai berikut : Pengaruh Sudut Potong Utama (k r) Semakin kecil harga sudut k r1 harga k s1.1 akan semakin besar, sehingga gaya potong F y dan gaya Radial F x akan membesar, dan sebaliknya gaya makan F z akan menurun, lihat gambar 1.2. Faktor koreksi akibat pengecilan sudut k r adalah seperti tabel 1. Tabel 1. Faktor Koreksi C k r Jenis Pahat Karbida Keramik 90 o o 1,014 1, o 1,041 1, o 1,057 1, o 1,077 1, o 1,102 1,149 Pengaruh Sudut Geram ( o) Semakin kecil sudut geram, maka harga k s1.1 akan semakin besar. Sebagai gambaran umum, setiap perubahan sudut geram sebesar 1 o akan mengubah harga k s1.1 sebesar 1%. o C o C r 15 o 0,91 o 0 o 1,05 10 o 0,96-6 o 1,12 0 o 1,0 Tabel 2. Faktor Koreksi C Pengaruh Panjang Keausan Tepi (V a) Setiap kenaikan panjang keausan tepi sebesar 0,1 mm akan menaikkan gaya pemotongan sebesar 4%.

4 Tabel 3. Faktor Koreksi C VB V a C va V a C va V a C va V a C va 0,1 1,04 0,3 1,12 0,5 1,20 0,7 1,28 0,2 1,08 0,4 1,16 0,6 1,24 0,8 1,32 Pengaruh Kecepatan Potong (V) Kecepatan potong yang sangat rendah akan menaikkan k s1.1, sedangkan kecepatan potong yang sangat tinggi akan menurunkan k s1.1. Tabel 4. Faktor Koreksi Cv V (m/min) Cv Digunakan bagi sejenis pahat tertentu dalam pemotongan baja 30 s/d 50 1,11 Bagi pahat HSS 50 s/d 100 1,08 Bagi pahat Karbida 100 s/d 200 1,0 Bagi pahat Karbida Diatas 200 0,94 Bagi pahat Keramik G. HIPOTESIS 1. H 01 : Tidak terdapat adanya efek faktor kecepatan pemakanan di dalam eksperimen. 2. H 02 : Tidak terdapat adanya efek faktor kedalaman potong didalam eksperimen. 3. H 03 : Tidak terdapat adanya efek dari interaksi faktor kecepatan pemakanan dan kedalaman potong di dalam eksperimen. H. VARIABEL PENELITIAN Variabel dalam penelitian yang diukur terdiri dari : 1. Variabel Bebas (Independent Variable) a. Kedalaman potong (a 1 = 0,5; a 2 = 0,1; a 3 = 1,0) b. Kecepatan pemakanan (f 1 = 0,05 ; f 2 = 0,16 ; f 3 = 0,20) 2. Variabel Terikat (Dependent Variabel) a. Variabel Utama, sebagai variabel yang menjadi pembahasan utama yaitu : Gaya pemotongan (F v) b. Data pendukung 1) Diameter sebelum dan sesudah pemotongan (mm) 2) Putaran spindel tanpa beban dan dengan beban (rmp) 3) Waktu pemotongan sebenarnya (detik) 3. Parameter yang dikonstankan pada eksperimen ini adalah : a. Jenis material kerja (ST 42) dan pahat (Karbida) b. Panjang pemotongan (L) = 30 mm c. Putaran spindel (n) = 494 rpm d. Posisi pemotongan Orthogonal (k r = 90 o C) I. RANCANGAN PENELITIAN Rancangan eksperimen yang digunakan adalah Rancangan Faktorial 3 2 dengan melakukan pemotongan 3 kali untuk variasi kecepatan pemakanan dan 3 kali untuk variasi kedalaman potong dimana pengambilan data diulang (replication) 2 kali sehingga akan didapatkan 18 data Mountgomeni, (1985). Urutan pelaksanaannya ditentukan dengan cara lotere. Tabel rancangan eksperimen dapat dilihat pada tabel 5.

5 Kedalaman potong (mm) (a) 0,5 Tabel 5. Rancangan eksperimen Kecepatan Pemakanan (mm/put) 0,05 0,16 0,2 0,1 1 Metode yang digunakan dalam eksperimen ini adalah metode penelitian nyata (True Eksperimental Research) dengan model rancangan faktorial 3 x 3 yaitu 3 kedalaman potong dan 3 kecepatan pemakanan untuk kecepatan putar spindel motor yang konstan 494 rpm. Parameter yang diamati adalah gaya pemotongan dan daya pemotongan. Dalam pembuktian hipotesis, digunakan dua metode yaitu Metode Analitis dan Metode Empiris. Metode Analitis digunakan untuk menjelaskan permasalahan sesuai dengan dasar teori yang ada, serta untuk menentukan kondisi percobaan untuk mencapai tujuan dari eksperimen ini. Metode Empiris adalah metode yang dipakai untuk membuktikan hipotesa sesuai dengan akumulasi data yang didapat. Pengolahan data dilakukan dengan Analisis Statistik, yaitu : 1. Analisis Regresi, untuk mengetahui persamaan hubungan gaya pemotongan dengan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan. 2. Analisis Varian 2 arah, untuk mengetahui pengaruh 2 faktor yaitu kedalaman potong dan kecepatan pemakanan terhadap gaya pemotongan. J. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN Dalam pembuktian hipotesis, digunakan dua metode yaitu Metode Analitis dan Metode Empiris. Metode Analitis digunakan untuk menjelaskan permasalahan sesuai dengan dasar teori yang ada, serta untuk menentukan kondisi percobaan untuk mencapai tujuan dari eksperimen ini. Metode Empiris adalah metode yang dipakai untuk membuktikan hipotesa sesuai dengan akumulasi data yang didapat. Pengolahan data dilakukan dengan Analisis Statistik, yaitu : 1. Analisis Regresi, untuk mengetahui persamaan hubungan gaya pemotongan dengan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan. 2. Analisis Varian 2 arah, untuk mengetahui pengaruh 2 faktor yaitu kedalaman potong dan kecepatan pemakanan terhadap gaya pemotongan. Variabel yang diukur terdiri dari : 1. Variabel Bebas (Independent Variable) a) Kedalaman potong (a 1 = 0,5; a 2 = 0,1; a 3 = 1,0) b) Kecepatan pemakanan (f 1 = 0,05 ; f 2 = 0,16 ; f 3 = 0,20) 2. Variabel Terikat (Dependent Variabel) a) Variabel Utama, sebagai variabel yang menjadi pembahasan utama yaitu : * Gaya pemotongan (F v) b) Data pendukung 1) Diameter sebelum dan sesudah pemotongan (mm) 2) Putaran spindel tanpa beban dan dengan beban (rmp) 3) Waktu pemotongan sebenarnya (detik) 3. Parameter yang dikonstankan pada eksperimen ini adalah : a) Jenis material kerja (ST 42) dan pahat (Karbida) b) Panjang pemotongan (L) = 30 mm c) Putaran spindel (n) = 494 rpm d) Posisi pemotongan Orthogonal (k r = 90 o C)

6 Setelah dilakukan perhitungan diperoleh gaya Pemotongan seperti pada tabel 6. Tabel 6. Data Hasil Penelitian A f (mm/put) (mm) 0,05 0,10 0,2 0, , Dimana harga F v dihitung dengan kondisi sebagai berikut : F v = k s. a. f (N) dengan : k s = k s1.1. f -z. C v, C y. C k. C VB k s1.1 = 144. u 0,37 = ,37 = 1345,751 (bahan ST 42). C v = 1,06 (pahat karbida dan V = + 60 m/menit) C y = 1 ( = 6 o ) C k = 1 (k r = 90 o ) C VB = 1,04 (diasumsikan VB = 0,1) Maka : F v = 1483,556. a. f 0,8 Untuk mengolah data digunakan analisis statistik dengan menggunakan program software Microsoft Excel dimana analisis yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Analisis Regresi Analisis Regresi 2 variabel menggunakan power regression (log), untuk mendapatkan persamaan antara gaya pemotongan terhadap variabel kedalaman potong dan kecepatan pemakanan, yaitu : F v = 1729,623. a 0, f 0, ; R 2 = 0, Model persamaan untuk daya pemotongan tersebut adalah sebagai berikut : F v = c 1. a m. f n Log F v = log c 1 + m log a + n log f Y = c 2 + m x 1 + n x 2 Sehingga nantinya dalam Microsoft Excel pengisian harga F v1 a dan f ditabelkan dalam bentuk log. 2. Analisis Varian 2 arah Hasil analisis varian 2 arah, 3 x 3 untuk pengaruh kedalaman potong dan kecepatan pemakanan terhadap gaya pemotongan dapat dilihat pada tabel sebagai berikut : Anova Dua Arah ( = 0,05) Source of SS df MS F P-value F crit Variation Sampel E Columns Interaction Within Total Dari hasil perhitungan dan dari tabel diketahui adanya perbedaan sebagai berikut : Pada perlakuan a F hitung) F tabel yang berarti hipotesis H 01 ditolak. Pada perlakuan f F hitung) F tabel yang berarti hipotesis H 02 ditolak. Pada perlakuan interaksi a-f F hitung (F tabel yang berarti hipotesis H 03 diterima.

7 Pernyataan tersebut diatas mempunyai arti bahwa : a. Hipotesis yang menyatakan tidak terdapat adanya efek faktor kedalaman potong didalam eksperimen adalah tidak benar. b. Hipotesis yang menyatakan tidak terdapat adanya efek faktor kecepatan pemakanan didalam eksperimen adalah tidak benar. c. Hipotesis yang menyatakan tidak terdapat adanya efek dari interaksi antara faktor kedalaman potong dan faktor kecepatan pemakanan didalam eksperimen adalah benar. Secara singkat kedua perlakuan (yaitu a terhadap F v dan f terhadap F v) tersebut secara terpisah mempunyai pengaruh yang sangat berarti terhadap gaya pemotongan, sedangkan perlakuan (yaitu interaksi a-f terhadap F v) secara terpisah tidak mempunyai pengaruh yang sangat berarti terhadap gaya pemotongan yang terjadi. Sewaktu pemotongan berlangsung, gaya potong F v akan membesar. Daerah di muka potong akan menderita tegangan geser dengan orientasi dan harga yang bervariasi. Salah satu bidang akan menderita tegangan geser yang terbesar. Dan dengan baiknya gaya potong maka tegangan geser tersebut akan melampaui batas elastisitas sehingga terjadi deformasi plastis yang menyebabkan terbentuknya geram. Bila hal ini telah terjadi maka gaya potong telah mencapai harga maksimum atau tak mungkin naik lagi. Pada mekanisme pembentukan geram akan memberikan gambaran atas kaitan beberapa variabel yang mempengaruhi gaya potong. Gaya potong sendiri selain menentukan besarnya daya potong yang diperlukan dalam proses pemotongan juga akan menentukan ketelitian geometris produk, suatu hal yang menjadi tujuan utama sejak dimulainya revolusi proses permesinan. Rumusan gaya potong teoritis tidak dapat dipakai dalam pemesinan, sesungguhnya dikarenakan penyederhanaan yang mendasarinya, sehingga masih diperlukan adanya rumusan empiris hubungan gaya potong dengan variabel-variabel yang berpengaruh dalam kondisi pemotongan. Data hasil eksperimen ini diperoleh pada mesin bubut C620 berupa gaya pemotongan yang terjadi dalam satuan Newton, dengan melakukan perubahan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan, adapun putaran spindel dan panjang pemotongan dalam hal ini dibuat konstan. Perubahan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan dipilih secara acak. Data kedalaman potong dimulai dari 0,5, 0,1 dan 1 mm. Adapun data kecepatan pemakanan diperoleh mulai dari 0,05, 0,16 dan 0.2 mm/putaran. Bila dilihat dari rumusan teoritis, maka eksperimen ini hanya dilakukan perubahan terhadap harga a dan f, dimana karena dilakukan pemotongan orthogonal (k r = 90 o ) maka a = b dan f = h. Sehingga perubahan harga F v akan ditinjau dari perubahan faktor b. h (perubahan penampang geram), atau dengan kata lain semakin besar penampang geram maka gaya potong akan semakin besar pula. Harga F v yang diperoleh dari eksperimen ini bukan berdasarkan atas hasil pengukuran, melainkan dari hasil perhitungan, yaitu dengan memakai rumusan : F v = k s. A = k s. a. f = 1483,556 f -0,2. a.f = 1483,556 f 0,8. a Dari rumusan tersebut tampak bahwa harga ks akan turun dengan naiknya f atau dengan naiknya rasio kerampingan pemotongan ( = a/f sin (k r) 2 ). Rumusan empiris yang diperoleh dari eksperimen ini yaitu dengan Analisis Regresi 2 variabel untuk mencari persamaan antara gaya pemotongan dengan variabel kedalaman potong dan kecepatan pemakanan yaitu : * Power Regression (Log) F v = 1729,623. a 0, f 0, ; R 2 = 0, Dari kedua rumusan tersebut tampak bahwa yang lebih baik untuk dipakai adalah pemodelan power regression, dimana dapat dilihat dari besarnya R 2 (R square) sebesar 0, yang berarti 95% variansi dari gaya pemotongan dapat dijelaskan oleh model persamaan garis tersebut dengan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan sebagai faktornya. Harga a secara praktis berharga lebih besar dibandingkan dengan harga f (1023,388/252,699 = 4,049) untuk mempengaruhi harga F v = Atau dalam proses permesinan dapat mengambil harga (+5 x harga f). Hal ini dibuktikan dimana selama ini operator lebih sering memakai harga a/f =

8 K. KESIMPULAN 1. Perlakuan kedalaman potong dan kecepatan pemakanan masing-masing mempunyai pengaruh yang sangat berarti terhadap gaya pemotongan yang terjadi. Yang berarti kedalaman potong, kecepatan pemakanan secara individu menghasilkan gaya pemotongan yang berbeda. Sedangkan perlakuan interaksi kedalaman potong dan kecepatan pemakanan tidak mempunyai pengharuh yang sangat berarti terhadap gaya pemotongan yang terjadi. 2. Hubungan antara gaya pemotongan dengan variabel kedalaman potong dan kecepatan pemakanan didapatkan dengan persamaan yaitu : a. Power Regression (Log) F v = 1729,623. a 0, f 0, ; R 2 = 0, b. Linear Regression F v = -100, ,6996 a ,388 f ; R 2 = 0, Dari data hasil eksperimen terlihat bahwa harga a secara praktis berharga lebih besar dibandingkan dengan harga f untuk mempengaruhi harga F v. Atau dalam proses perencanaan permesinan dapat mengambil harga a lebih besar ( 5xharga f). Hal ini dibuktikan dimana selama ini operator lebih sering memakai harga a/f = Pada eksperimen dikarenakan data F v bukan merupakan hasil pengukuran, melainkan hasil perhitungan dari data-data yang diperoleh, maka kemungkinan besar hasil eksperimen ini kurang bagus atau belum bisa dipakai untuk optimasi pemotongan pada range data parameter pemotongan yang ada. DAFTAR PUSTAKA Boothroyd, Geoffrey, (1985), Fundamental of Metal Machinning and Machine Tool, Mc Graw-Hill Book Company. Krar, S.F., Oswald, J.W., St. Amand, J.E., (1998). Machine Tool Operations, Mc Graw-Hill Book Company, 3 rd Printing. Mountgomeri, (1985) Design and Analisis of Experiment, Mc Graw-Hill Book Company. Rochim, Taufiq, (1985), Teori dan Teknologi Proses Permesinan, Lab. Teknik Produksi dan Metrologi Industri ITB, Bandung.