KAJIAN SUB PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING MENGGUNAKAN PAHAT CBN TESIS

Transkripsi

1 KAJIAN SUB PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING MENGGUNAKAN PAHAT CBN TESIS OLEH E N Z O W B S /MTM FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012

2 KAJIAN SUB PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING MENGGUNAKAN PAHAT CBN TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik (MT) Dalam Program Studi Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik OLEH E N Z O W B S /MTM FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012

3 Judul Tesis : KAJIAN SUB PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING MENGGUNAKAN PAHAT CBN Nama Mahasiswa Nomor Pokok Program Studi : Enzo W B S : /MTM : MAGISTER TEKNIK MESIN Menyetujui, Komisi Pembimbing Prof. Dr. Ir.Armansyah Ginting, M.Eng. Ketua Dr. Nasruddin Noer, M.Eng,Sc Anggota Ir. Syahrul Abda, MSc. Anggota Ketua Program Studi, Dekan Fakultas Teknik Dr. Eng. Ir. Indra, M.T Prof. Dr. Ir. H.Bustami Syam, MSME. Tanggal Lulus : 14 Januari 2012

4 Telah diuji pada Tanggal : 14 Januari 2012 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting. M.Eng. Anggota : 1. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng,Sc 2. Ir. Syahrul Abda, M.Sc 3. Dr. Eng. Ir. Indra, M.T 4. Ir. Alfian Hamsi, M.Sc

5 ABSTRAK Keutuhan sub-permukaan memegang peranan penting dalam kualitas produk. Dalam penelitian ini, dampak laju pemotongan, gerak makan, kedalaman potong, dan keausan pahat terhadap sub permukaan baja AISI 4140 pada pemesinan akhir untuk pemesinan laju tinggi, pemesinan keras dan pemesinan kering dikaji secara eksperimen menggunakan material pahat CBN. Empat parameter uji dengan tiga tingkatan kecepatan potong yaitu rendah, sedang dan tinggi. Analisa data dilakukan secara kuantitatif dan kualitatif. Analisa kuantitatif didasarkan pada variabel terikat yaitu perubahan kekerasan mikro yang diperoleh dari variabel bebas yaitu laju pemotongan, laju pemakanan, kedalaman pemotongan dan keausan pahat. Analisa data kualitatif dilaksanakan atas dasar variabel terikat yaitu perubahan kekerasan mikro, perubahan struktur mikro, dan kemungkinan munculnya lapisan putih pada sub permukaan baja AISI Interaksi laju pemotongan, gerak makan, kedalaman pemotongan serta keausan pahat tampak berpengaruh. Secara khusus ditemukan bahwa pada range keausan pahat CBN 0,16 mm sampai dengan 0,31 mm mampu menghasilkan perubahan struktur mikro ferit dan perlit, perubahan kekerasan mikro dan tidak menampakkan lapisan putih pada benda kerja baja AISI 4140 dengan ketebalan sampel setebal 0,5 mm. Kata Kunci: Laju Pemotongan, Gerak Makan, Kedalaman Pemotongan, Keausan Pahat, Struktur Mikro, Kekerasan Mikro i

6 ABSTRACT The integrity of the sub - surface plays an important role in product quality. In this study, the impact of rate cuts, feed motion, depth of cut, cutting tool wear and tear on the sub - surface machining of steel AISI 4140 on the end for high speed machining, hard machining and dry machining studied experimentally using CBN cutting tool material. Four test parameters with three levels of cutting speed is low, medium and high. Conducted the data analysis of quantitative and qualitative. Quantitative analysis is based on the dependent variable is the change of micro hardness obtained from the independent variable is cutting speed, feed rate, depth of cut, tool wear. Qualitative data analysis conducted on the basis of the dependent variable is the micro hardness alternation, microstructure alternation, and the possible emergence of a white layer on the sub-surface of AISI 4140 steel. Interaction cutting speed, feed rate, depth of cut, tool wear visible effect. In particular it was found that the range of CBN cutting tool wear of 0.16 mm to 0.31 mm is capable of producing changes in the ferrite and pearlite microstructure, micro hardness alternation and did not show the white layer on AISI 4140 steel workpiece with a thickness of 0.5 mm thick samples. Keywords: Cutting Speed, Feed Rate, Depth Of Cut, Tool Wear, Microstructure, Microhardness ii

7 RIWAYAT HIDUP N a m a : Enzo Wiranta Battra Siahaan Jenis Kelamin : Laki - laki Tempat / Tanggal lahir : Medan / 24 Agustus 1984 Kebangsaan : Indonesia Agama : Kristen Protestan Alamat : Jalan Dahlan Tanjung No.86A, Kelurahan Pekan Tanjung Morawa, Kecamatan Tanjung Morawa, Pendidikan Formal enzo_battra@yahoo.com Tahun Masuk Tamat Jenjang Pendidikan Sekolah Dasar (SD) Methodist Tanjung Morawa Sekolah Menengah Pertama (SMP) Methodist Tanjung Morawa Sekolah Menengah Atas (SMA) Methodist Tanjung Morawa Diploma III Politeknik Negeri Medan Sarjana Teknik, iii

8 Pendidikan Non Formal Mulai Tahun Sampai Bidang Pendidikan/Kursus 04/06/ /08/2004 Paket Khusus Konstruksi Autocad April 2005 April 2005 Upper Elementry Conversation Pengalaman Pekerjaan : No Tahun Mulai Sampai Diskripsi Posisi 1. 06/02/ /07/2008 Maintenance Mesin Cup Staf Maintenance 2. 17/07/2008 Sekarang 3. 17/11/2008 Sekarang Tenaga Pengajar Tingkat SMK Teknologi Industri Jurusan Teknik Kendaraan Ringan (YP. Wira Jaya) Tenaga Pengajar di Universitas Setia Budi Mandiri. Guru Bidang Studi Dosen Tidak Tetap iv

9 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena Berkat, Rahmat dan KaruniaNya yang telah diberikan kepada penulis sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan judul KAJIAN SUB-PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING DENGAN MENGGUNAKAN PAHAT CBN. Penulisan tesis ini adalah sebagai hasil penelitian dalam rangka menyelesaikan pendidikan Magister Teknik Mesin bidang Manufaktur, pada Fakultas Teknik. Dalam suka dan duka ketika penyusunan tesis ini banyak bantuan, dorongan saran telah diberikan kepada penulis dan untuk ini penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan kepada: Bapak Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting,M.Eng, selaku ketua komisi Pembimbing, Bapak Dr.Nasruddin Noer,M.Eng,Sc, dan Bapak Ir.Syahrul Abda,M.Sc yang masing-masing sebagai anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan arahan dan petunjuk kepada penulis mulai dari pembuatan proposal hingga menjadi tesis. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME selaku Dekan Fakultas Teknik, Bapak Dr.Eng.Ir.Indra,M.T selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik, yang telah memberikan masukan, saran dan dukungan serta penggunaan fasilitas dalam melakukan penelitian ini. Seluruh Dosen dan staf administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik v

10 yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan membantu terlaksananya proses penyelesaian tesis ini serta rekan dan para sahabat mahasiswa Magister Teknik Mesin. Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih kepada kedua orang tua Ayahanda dan Bunda serta saudara-saudaraku yang telah memberikan doa, dukungan dan semangat kepada penulis dalam menyelesaikan tesis ini. Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dalam penulisan tesis ini maka kritik dan saran demi perbaikan sangat diharapkan sehingga tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Semoga Tuhan membalas semua kebaikan yang telah diberikan. Amin. Medan, Desember 2011 Penulis Enzo Wiranta Battra Siahaan vi

11 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTACT... ii DAFTAR RIWAYAT HIDUP... iii KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR LAMPIRAN..... xiv DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Proses Pemotongan dengan Bubut Kondisi Pemotongan Kedalaman Potong Kecepatan Potong Gerak Makan. 11 vii

12 2.3. Metalurgi Sub-Permukaan Perubahan Struktur Mikro (Microstructure) Perubahan Kekerasan Mikro (Microhardness) Pembentukan Lapisan Putih (White Layer) Konsep Pemesinan Terkini Pemesinan Laju Tinggi Pemesinan Keras Pemesinan Kering Pahat Potong Umur Pahat Suhu Pemotongan dan Aus Pahat Bahan Teknik Sifat dan Karakteristik Logam Pemilihan Bahan BAB III METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Bahan Material Benda Uji Material Pahat Peralatan Mesin Bubut Konvensional Fixed Steady Tool Holder Mikroskop USB Digital Rax Vision Scanning Electron Microscopy (SEM) Mikroskop Optik Microhardness Test viii

13 3.4. Metode Penelitian Variabel yang diamati Pengumpulan Data Rancangan Kegiatan Pemesinan Kerangka Konsep Penelitian Persiapan Material Benda Uji Proses Pemotongan Sampel Uji Proses Pencetakan Sampel (Mounting Process) Proses Penghalusan (Grinding Process) Proses Pemolesan (Polishing Process) Proses Etsa (Etching Process) Teknik Pengukuran, Pengolahan Data dan Analisa Data Pengukuran Kekerasan Mikro Analisa Metalurgi Sub-Permukaan Termesin Pengolahan Data dan Analisa Data BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Data Hasil Pengujian Hasil Pengujian Metalography Baja AISI Hasil Metalurgi Sub-Permukaan Hasil Kekerasan Mikro (Microhardness) Analisa Gangguan-Gangguan Pada Sub-Permukaan Pemeriksaan Kemungkinan Terbentuknya Lapisan Putih (White Layer) Pengaruh Perubahan Struktur Mikro terhadap Laju Pemotongan dan Keausan Pahat Perubahan Kekerasan Mikro (Microhardness).. 73 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran.. 82 DAFTAR PUSTAKA ix

14 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1. Perbandingan Sifat Pahat Komposisi AISI Sifat Mekanik AISI Komposisi Kimia Bahan AISI Sifat Mekanik AISI Sifat Mekanik dan Sifat Thermal dari Pahat CBN Spesifikasi Mesin Bubut Konvensional Merk EMCO Tipe Maximat V Desain Pengujian dengan Metode CCF Data Hasil Pengujian Data Kondisi Pemotongan Untuk Pembahasan Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm.. 69 x

15 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1. Skematis Proses Bubut Pahat Potong dan Tool Holder Proses Bubut Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe 3 C) Diagram TTT Untuk Baja Hypoeutectoid Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Baja Hardened dan Tempering dengan Nital 2% Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Baja Normalized dengan Nital 2% Lapisan Putih yang Etsa pada Permukaan Baja Cor Adamite dengan berubah menjadi Ledeburite dengan Nital 2% Kecepatan Potong Pada Proses Laju Tinggi Kekerasan Panas dan Ketahanan Aus Pahat Terhadap Kekuatan dan Ketangguhan Tingkat Kekerasan dan Ketahanan Aus Pahat Terhadap Temperatur Perbandingan Panas yang Diserap Pahat Diagram Pembagian Material Teknik Material Benda Kerja Pahat CBN (Cubic Boron Nitride) Geometri Pahat CBN (Cubic Boron Nitride). 39 xi

16 3.4. Mesin Bubut Konvensional Merk EMCO Tipe Maximat V Fixed Steady Tool Holder Sandvick Coromant Mikroskop USB Digital Rax Vision Scanning Electron Microscopy (SEM) Mikroskop Optik Microhardness Test Metode Pemotongan Orthogonal dan Miring (Oblique) Set-Up Mesin Kerangka Konsep Penelitian Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Menggunakan Peralatan SEM untuk Kondisi Tanpa Permesinan Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm 64 xii

17 4.9 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Menggunakan Mikroskop Optik untuk Kondisi Tanpa Permesinan Grafik Perubahan Kekerasan Mikro Perbandingan Perubahan Kekerasan Mikro Perbandingan antara Kecepatan Potong dengan Nilai Kekerasan Perbandingan antara Kedalaman Potong dengan Nilai Kekerasan Perbandingan antara Gerak Makan dengan Nilai Kekerasan Perbandingan antara Keausan Pahat dengan Nilai Kekerasan 80 xiii

18 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman 1 Spesifikasi Material Kerja 86 2 Spesifikasi Pahat CBN CB Tabel Geometri Pahat CBN Rekomendasi Kedalaman Pemotongan 89 5 Spesifikasi Mikroskop USB Digital Rax.. 90 xiv

19 DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH a : Kedalaman potong (depth of cut) mm T : Temperatur potong o C C d : Panas spesifik (specific heat) J/Kg o C : Diameter rata-rata benda kerja mm d : m Diameter akhir benda kerja mm d : o Diameter mula benda kerja mm E : Modulus elastisitas (modulus of elasticity) MPa f : Laju suapan mm/rev G : Modulus elastisitas geser (shear modulus) MPa n : Putaran mesin rpm R : a Kekasaran Permukaan µm h : Tinggi kontour kekasaran permukaan µm VB : Aus sisi pahat mm r : c Radius ujung pahat mm V : Kecepatan potong (cutting speed) m/min Z : Kecepatan penghasilan geram (rate of metal removal) cm 3 /mnt γ : Berat spesifik (specific weigth) kn/m 3 γo : Sudut sadak pahat ( o ) xv

20 γ n : Sudut pembentuk kawah pemutus serpihan pada pahat ( o ) λs : Sudut miring pahat (oblique inclination angle) ( o ) σu : Tegangan tarik (ultimate tensile strength) MPa σ : y Tegangan geser (tensile yield strength) MPa µ : Poisson's ratio ρ : Density g/cm 3 Ф Kr K : Sudut patah serpihan ( o ) : Sudut potong utama ( o ) : Konduktiftas termal W/mK xvi