ANALISA GAYA, DAN SUHU PEMOTONGAN TERHADAP GEOMETRI GERAM PADA PROSES PEMESINAN TINGGI, KERAS DAN KERING (BAHAN AISI PAHAT CBN) SKRIPSI

Transkripsi

1 ANALISA GAYA, DAN SUHU PEMOTONGAN TERHADAP GEOMETRI GERAM PADA PROSES PEMESINAN TINGGI, KERAS DAN KERING (BAHAN AISI PAHAT CBN) SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FACHRIZA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

2

3

4

5

6 iii KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulilah saya ucapkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan, dan kesempatan sehingga tugas sarjana ini dapat selesai.tugas sarjana yang berjudul Analisa Gaya dan Suhu Pemotongan Terhadap Geometri Geram Pada Proses Pemesinan Laju Tinggi, Keras dan Kering (Bahan AISI 4140 Pahat CBN) ini dimaksudkan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Tugas sarjana ini berisikan penelitian yang berhubungan dengan pembahasan gaya pembentukan geram menggunakan teori Merchant dan suhu pemotongan AISI pahat Cubic Boron Nitride (CBN) pada proses pembubutan keras, kering dan laju tinggi. Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada : 1. Kedua orangtuaku, ayahanda Edi Arifin dan ibunda Hanim A. Basri yang telah memberikan perhatian, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga kakakanda Ulfahmi dan adinda Annisa yang terus menerus memberikan masukan selama pembuatan tugas sarjana ini. 2. Bapak Prof. DR. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng selaku dosen pembimbing Tugas sarjana yang telah banyak membantu menyumbang pikiran dan meluangkan waktunya dalam memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Bapak DR. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, Kak Ismawati, Kak Sonta, Bang Syawal, Bang Sarjana, dan Bang Lilik yang telah banyak membantu dan memberikan ilmu selama perkuliahan.

7 iv 5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Bang Bobby Umroh, Bu Bertha br Ginting, Bang Enzo, Bang Yudi, Pak Budi Harto, dan Fahrul Muharram. Penelitian ini merupakan suatu kesempatan yang sangat berharga bagi saya untuk dapat meningkatkan ilmu, dan kualitas, serta pengalaman yang tidak akan pernah saya lupakan. 6. Pak Sunaryanto, ST selaku staf pengajar di Politeknik Medan yang telah banyak memberikan arahan dan masukan yang sangat bermanfaat bagi kesempurnaan penelitian yang telah dilakukan. 7. Seluruh teman teman stambuk 2006, M. Alfian, M. Wirza, Yasser Arafat, Fajar Hidayat, T. Fahri, Julius Putra, Wendy Aditya, dan lainnya yang namanya tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini. Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna.oleh sebab itu, saran dan kritik dari pembaca sekalian sangat diharapkan demi kesempurnaan skrispi ini.semoga tugas sarjana ini bermanfaat dan berguna bagi semua pihak. Medan, 25 April 2011 Fachriza NIM :

8 v ABSTRAK Pada penelitian ini, bahan AISI 4140 dengan kekerasan 55 HRC akan dipotong menggunakan pahat CBN pada proses pemesinan laju tinggi, keras dan kering dengan tujuan mempelajari morfologi geram yang terbentuk dan hubungan antara geometri geram dengan nilai parameter orthogonal Merchant (teoritik). Geram yang dihasilkan dari seluruh kondisi pemotongan diamati morfologinya serta diukur geometrinya terutama tebal geram yang terjadi untuk menghitung gaya dan suhu pemotongan menggunakan teori orthogonal Merchant. Hasil penelitian menunjukkan bahwa morfologi geram yang terbentuk memiliki geometri seperti mata gergaji (saw-tooth). Untuk gaya pemotongan yang mengalami trend yang meningkat akan menyebabkan geram semakin tebal dengan jarak antara mata puncak gergaji semakin renggang yang diikuti dengan penurunan jumlah mata gergaji dan rasio geram. Sedangkan untuk suhu pemotongan dengan trend yang meningkat akan menyebabkan geram semakin tebal dengan jarak antara mata puncak gergaji semakin rapat yang mengakibatkanpeningkatan jumlah mata gergaji dan rasio geram.

9 vi DAFTAR ISI LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING... i SPESIFIKASI TUGAS... ii KATA PENGANTAR... iii ABSTRAK... v DAFTAR ISI... vi DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Tujuan penelitian Manfaat penelitian Batasan masalah Sistematika penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pemesinan Laju Tinggi, Keras, dan Kering Proses Pembubutan AISI Pahat CBN (Cubic Boron Nitride) Geram Proses Pembentukan Geram Morfologi Geram Lingkaran Gaya Pembentukan Geram (Lingkaran Merchant) Suhu Pemotongan Logam Suhu pada Zona Deformasi Pertama Suhu pada Zona Defromasi Kedua BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bahan Bahan Benda Kerja... 31

10 vii Bahan Pahat Potong Peralatan Mesin bubut konvensional Fixed Steady Tool Holder Mikroskop USB digital Digital Caliper Kerangka Konsep Penelitian Tempat dan Waktu Kondisi Pemesinan Rancangan Kegiatan Proses Pemesinan Pengambilan Gambar Morfologi Geram Pengukuran Geometri Geram Perhitungan Gaya dan Suhu Pemotongan Pengumpulan Data BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN Hasil Morfologi Geram Kondisi Pemotongan I Morfologi Geram Kondisi Pemotongan II Morfologi Geram Kondisi Pemotongan III Morfologi Geram Kondisi Pemotongan IV Morfologi Geram Kondisi Pemotongan V Data Pemesinan Parameter Orthogonal Merchant Komponen Kecepatan dan Gaya Pembentukan Geram Suhu Pemotongan Pembahasan Hubungan Gaya Pemotongan dengan Geometri Geram Hubungan Suhu Pemotongan dengan Geometri Geram BAB V KESIMPULAN dan SARAN Kesimpulan Saran... 79

11 viii DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A DATA PEMESINAN PARAMETER ORTHOGONAL MERCHANT LAMPIRAN B KOMPONEN GAYA PEMOTONGAN PADA SETIAP KONDISI PEMOTONGAN LAMPIRAN C SUHU PEMOTONGAN PADA SETIAP KONDISI PEMOTONGAN... 93

12 ix DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Komposisi Kimia AISI Tabel 3.2 Sifat Termal AISI Tabel 3.3 Sifat Mekanik AISI Tabel 3.4 Sifat Mekanik dan Thermal dari CBN 33 Tabel 3.5 Spesifikasi mesin bubut konvensional Emco Maximat V13 34 Tabel 3.6 Tempat dan waktu penelitian 38 Tabel 3.7 Kondisi Pemesinan 38 Tabel 3.8 Format tabel untuk pengumpulan data yang dihasilkan dari proses pemesinan 44 Tabel 3.9 Format tabel untuk pengumpulan data yang diperoleh dari hasil pengukuran geometri geram dengan parameter Orthogonal Merchant 44 Tabel 4.1 Geometri Geram untuk setiap kondisi pemotongan 51 Tabel 4.2 Hasil perhitungan Gaya pemotongan dan pengukuran geometri geram untuk setiap kondisi pemotongan 65 Tabel 4.3 Suhu Pemotongan Teoritik dengan geometri geram untuk setiap kondisi pemotongan 70 Tabel 5.1 Nilai parameter Orthogonal Merchant (teoritik) untuk setiap kondisi pemotongan dalam menghasilkan geram 77 Tabel A.1 Data Pemesinan kondisi I (Vc=225 m/min; a=1,1mm; f=1,1 mm/rev) 83 Tabel A.2 Data Pemesinan Kondisi II (Vc=225 m/min; a=0,7 mm; f=0,16 mm/rev) 83 Tabel A.3 Data Pemesinan Kondisi III (Vc=250 m/min; a=0,3 mm; f=0,1 mm/rev) 84 Tabel A.4 Data Pemesinan Kondisi IV (Vc = 250 m/min; a = 1 mm; f = 0,1 mm/rev) 84 Tabel A.5 Data Pemesinan Kondisi V (Vc = 250 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,15 mm/rev) 85 Tabel B.1 Komponen Gaya pada kondisi I

13 x (Vc=225 m/min; a=1,1mm; f=1,1 mm/rev) 86 Tabel B.2 Komponen Gaya pada kondisi II (Vc=225 m/min; a=0,7 mm; f=0,16 mm/rev) 88 Tabel B.3 Komponen Gaya pada kondisi III (Vc=250 m/min; a=0,3 mm; f=0,1 mm/rev) 90 Tabel B.4 Komponen Gaya pada kondisi IV (Vc = 250 m/min; a = 1 mm; f = 0,1 mm/rev) 91 Tabel B.5 Komponen Gaya pada kondisi V (Vc = 250 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,15 mm/rev) 92 Tabel C.1 Suhu Pemotongan pada kondisi I (Vc=225 m/min; a=1,1mm; f=1,1 mm/rev) 93 Tabel C.2 Suhu Pemotongan pada kondisi II (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,16 mm/rev) 94 Tabel C.3 Suhu Pemotongan pada kondisi III (Vc = 250 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,1 mm/rev) 95 Tabel C.4 Suhu Pemotongan pada kondisi IV (Vc = 250 m/min; a = 1 mm; f = 0,1 mm/rev) 96 Tabel C.5 Suhu Pemotongan pada kondisi V (Vc = 250 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,15 mm/rev) 96

14 xi DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kecepatan Potong pada Proses Laju Tinggi 6 Gambar 2.2 Proses Bubut 10 Gambar 2.3 Penamaan (nomenclature) pahat kanan 11 Gambar 2.4 Proses Bubut 12 Gambar 2.5 Formasi geram pada proses bubut menurut analogi kartu 18 Gambar 2.6 Geram kontinu (continuous / Flow chips) 19 Gambar 2.7 GeramBersegmen atau Seperti Mata Gergaji (Segmented or Saw-Tooth chisp) 19 Gambar 2.8 Geram Tidak Kontinu (Discontinuous chips) 20 Gambar 2.9 Lingkaran Gaya Pemotongan (Lingkaran Merchant) 21 Gambar 2.10 Sudut geser sebagai fungsi dari rasio pemampatan tebal geram h 24 Gambar 2.11 Arah kecepatan geser (vs), kecepatan aliran geram (vg) dan kecepatan potong (Vc) 25 Gambar 2.12 Panas yang Dibangkitkan Pada Pemotongan Orthogonal 27 Gambar 2.13 vs R tan 29 Gambar 2.14 Grafik hubungan antara dengan w o 30 Gambar 3.1 Geometri Benda Kerja 32 Gambar 3.2 (a) Pahat CBN dan (b) Geometri Pahat CBN 32 Gambar 3.3 Mesin Bubut Konvensional Emco 34 Gambar 3.4 Fixed Steady 35 Gambar 3.5 Tool Holder Sandvick Coromant 35 Gambar 3.6 Mikroskop USB digital Rax Vision 36 Gambar 3.7 Mistar Ingsut Digital 36 Gambar 3.8 Diagram Alir Konsep Penelitian 37 Gambar 3.9 Set up Peralatan 39 Gambar 3.10 Cara Pengukuran Tebal Geram (hc) 41 Gambar 3.11 Cara Pengukuran jarak antar mata gergaji ( ) 42 Gambar 3.12 Cara Penghitungan Jumlah Mata Gergaji (n p ) 43

15 xii Gambar 4.1 Morfologi geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 225 m/s;f= 0,165 mm/rev;a= 0,7 mm 46 Gambar 4.2 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 225 m/s; f = 0,125 mm/rev;a= 1,1 mm 47 Gambar 4.3 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 250 m/s; f = 0,1 mm/rev;a= 0,3 mm 48 Gambar 4.4 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 250 m/s; f = 0,1 mm/rev;a= 1 mm 49 Gambar 4.5 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 250 m/s; f = 0,15 mm/rev; a = 0,3 mm 50 Gambar 4.6 Hubungan Kecepatan pemotongan (Vc) dengan tebal geram setelah terpotong (hc) 52 Gambar 4.7 Hubungan Kecepatan pemotongan (Vc) dengan Jarak antar puncak mata gergaji ( ) 52 Gambar 4.8 Hubungan Kecepatan pemotongan (Vc) dengan jumlah puncak mata gergaji (np) 53 Gambar 4.9 Hubungan Kecepatan pemotongan (Vc) dengan Rasio geram (rp) 53 Gambar 4.10 Hubungan pemakanan (f) dengan tebal geram setelah terpotong (hc) 54 Gambar 4.11 Hubungan pemakanan (f) dengan Jarak antar puncak mata gergaji ( ) 54 Gambar 4.12 Hubungan pemakanan (f) dengan jumlah puncak mata gergaji (np) 55 Gambar 4.13 Hubungan pemakanan (f) dengan Rasio geram (rp) 55 Gambar 4.14 Hubungan Kedalaman pemotongan (a) dengan tebal geram setelah terpotong (hc) 56 Gambar 4.15 Hubungan Kedalaman pemotongan (a) dengan Jarak antar puncak mata gergaji ( ) 56 Gambar 4.16 Hubungan Kedalaman pemotongan (a) dengan

16 xiii jumlah puncak mata gergaji (np) 57 Gambar 4.17 Hubungan Kedalaman pemotongan (a) dengan Rasio geram (rp) 57 Gambar 4.18 hubungan antara kecepatan pemotongan (Vc) dengan gaya pemotongan (Fv) 66 Gambar 4.19 hubungan antara gaya pemotongan (Fv) dengan tebal geram setelah terpotong (hc) 67 Gambar 4.20 Hubungan antara gaya pemotongan (F v ) dengan jumlah mata gergaji (n p ) 68 Gambar 4.21 hubungan antara gaya pemotongan (F v ) dengan jarak antar puncak mata gergaji ( ) 69 Gambar 4.22 hubungan antara gaya pemotongan (F v ) dengan rasio (r p ) geram 69 Gambar 4.23 hubungan antara kecepatan pemotongan (Vc) dengan suhu pemotongan ( maks ) 71 Gambar 4.24 Hubungan antara suhu pemotongan ( maks ) dengan tebal geram setelah terpotong (hc) 72 Gambar 4.25 Hubungan antara suhu pemotongan ( maks ) dengan jarak antara mata puncak gergaji ( ) 73 Gambar 4.26 Hubungan antara suhu pemotongan ( maks ) dengan jumlah mata gergaji (n p ) 74 Gambar 4.27 Hubungan antara suhu pemotongan ( maks ) dengan rasio geram (r p ) 75

17 xiv DAFTAR NOTASI Lambang Keterangan Satuan a kedalaman pemotongan mm A Penampang geram sebelum terpotong mm 2 b lebar pemotongan mm c kapasitas panas spesifik J/kg. o K C faktor koreksi sudut geram ( o ) C k faktor sudut potong utama (K r ) C V faktor koreksi kecepatan potong (v) C VB faktor koreksi keausan (V B ) d diameter rata-rata mm d m diameter akhir mm d o diameter mula mm f pemakanan mm/rev F Gaya Gesek pada bidang geram N F n Gaya Gesek normal pada bidang geram N F f Gaya gesek yang terjadi pada pemotongan logam N F s Gaya Geser N F sn Gaya Geser Normal pada bidang geser N F v Gaya pemotongan N h tebal geram sebelum terpotong mm h c tebal geram setelah terpotong mm Kr sudut potong utama ( o ) K s gaya potong spesifik N/mm 2 l t panjang pemesinan (mm) n putaran poros utama (rpm) P f laju panas akibat gaya gesek (watt) P m energi yang dikonsumsi (watt) P s R laju panas yang dibangkitkan di zona deformasi utama (J/s) Thermal Number

18 xv r p rasio untuk geram t c waktu pemotongan min Vc laju pemotongan m/min v g Kecepatan Geram m/min v f laju pemakanan mm/min v s Kecepatan Geser pada bidang Geram m/min z pangkat tebal geram, rata-rata bernilai 0,2 Z laju pembuangan geram cm 3 /min satu bagian dari panas yang tergenerasi rata-rata pada daerah deformasi utama sudut geser ( o ) massa jenis material benda kerja kg/m 3 jarak antar mata puncak mm Sudut Gesek ( o ) o sudut geram ( o ) u kekuatan tarik N/mm 2 Penampang bidang geser mm 2 suhu rata-rata geram yang dihasilkan dari deformasi kedua K kenaikan suhu material yang melalui zona deformasi kedua suhu maksimum saat geram lepas dari benda kerja suhu lingkungan (nilainya berkisar 27 o C) kenaikan suhu material yang melalui zona deformasi pertama Rasio pemampatan tebal geram o C o C o C o C Tegangan geser pada bidang geser N/mm 2