KAJIAN PEMBENTUKAN GERAM AISI 4140 PADA PROSES PEMESINAN KERAS, KERING DAN LAJU TINGGI SKRIPSI

Transkripsi

1 KAJIAN PEMBENTUKAN GERAM AISI 4140 PADA PROSES PEMESINAN KERAS, KERING DAN LAJU TINGGI SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FAHRUL MUHARRAM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

2

3

4

5

6 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 Kajian Pembentukan Geram AISI 4140 pada Proses Pemesinan Keras, Kering, dan Laju Tinggi ini dimaksudkan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik,. Tugas sarjana ini berisikan penelitian yang berhubungan dengan pembahasan gaya pembentukan geram menggunakan teori Merchant dan temperatur dari 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 Anwar dan ibunda Syamsidar yang telah memberikan perhatian, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga kakakanda Fauziatul Halim dan Fauzan Ahmad 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. 5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Bang Bobby Umroh, Bu Bertha br Ginting, Bang Enzo, Bang Yudi, Pak Budi Harto, dan Fachriza. Penelitian ini merupakan suatu

7 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, Syahreza Tamba, 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, Juni 2011 Fahrul Muharram NIM :

8 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 mengakibatkan peningkatan jumlah mata gergaji dan rasio geram.

9 DAFTAR ISI LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING... i SPESIFIKASI TUGAS... ii KATA PENGANTAR... iii ABSTRAK... v DAFTAR ISI... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR NOTASI... xii BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Batasan Masalah Sistematika penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Proses Pembubutan Teori Orthogonal Merchant Geram Proses Pembentukan Geram Morfologi Geram Pemesinan Keras Pemesinan Kering Pemesinan Laju Tinggi AISI Pahat CBN Temperatur Pemotongan Temperatur pada Zona Deformasi Pertama Temperatur pada Zona Deformasi Kedua BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bahan... 30

10 3.1.1 Bahan Benda Kerja Bahan Pahat Potong Peralatan Mesin bubut konvensional Fixed Steady Tool Holder Mikroskop USB digital Digital Caliper Kerangka Konsep Penelitian Tempat dan Waktu Metode Rancangan Kegiatan Proses Pemesinan Proses 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... 75

11 5.2 Saran DAFTAR PUSTAKA... 78

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Bentuk geram dari pemesinan kering dan basah 20 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 32 Tabel 3.5 Spesifikasi mesin bubut konvensional Emco Maximat V13 33 Tabel 3.6 Tempat dan waktu penelitian 37 Tabel 3.7 Kondisi Pemesinan 37 Tabel 3.8 Format tabel untuk pengumpulan data yang dihasilkan dari proses pemesinan 40 Tabel 3.9 Format tabel untuk pengumpulan data yang diperoleh dari hasil pengukuran geometri geram dengan parameter Orthogonal Merchant 40 Tabel 4.1 Geometri Geram untuk setiap kondisi pemotongan 45 Tabel 4.2 Data Pemesinan kondisi I (Vc=200 m/min; a=0,3mm; f=0,1 mm/rev) 47 Tabel 4.3 Data Pemesinan Kondisi II (Vc=200 m/min; a=1 mm; f=0,1 mm/rev) 48 Tabel 4.4 Data Pemesinan Kondisi III (Vc = 200 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,15 mm/rev) 49 Tabel 4.5 Data Pemesinan Kondisi IV (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,1 mm/rev) 50 Tabel 4.6 Data Pemesinan Kondisi V (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,125 mm/rev) 51 Tabel 4.7 Komponen Gaya pada kondisi I (Vc=200 m/min; a=0,3mm; f=0,1 mm/rev) 55 Tabel 4.8 Komponen Gaya pada kondisi II (Vc=200 m/min; a=1 mm; f=0,1 mm/rev) 56 Tabel 4.9 Komponen Gaya pada kondisi III (Vc=200 m/min; a=0,3 mm; f=0,15 mm/rev) 58 Tabel 4.10 Komponen Gaya pada kondisi IV (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,1 mm/rev) 59 Tabel 4.11 Komponen Gaya pada kondisi V (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,125 mm/rev) 60 Tabel 4.12 Suhu Pemotongan pada kondisi I (Vc=200 m/min; a=0,3mm; f=0,1 mm/rev) 64 Tabel 4.13 Suhu Pemotongan pada kondisi II (Vc = 200 m/min; a = 1 mm; f = 0,1 mm/rev) 65 Tabel 4.14 Suhu Pemotongan pada kondisi III (Vc = 200 m/min; a = 0,3 mm; f = 0,15 mm/rev) 66 Tabel 4.15 Suhu Pemotongan pada kondisi IV (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,1 mm/rev) 66

13 Tabel 4.16 Suhu Pemotongan pada kondisi V (Vc = 225 m/min; a = 0,7 mm; f = 0,125 mm/rev) 67 Tabel 4.17 Hasil perhitungan Gaya pemotongan dan pengukuran geometri geram untuk setiap kondisi pemotongan 68 Tabel 4.18 Suhu Pemotongan Teoritik dengan geometri geram 70 untuk setiap kondisi pemotongan

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses Bubut 5 Gambar 2.2 Penamaan (nomenclature) pahat kanan 6 Gambar 2.3 Proses Bubut 7 Gambar 2.4 Lingkaran Gaya Pemotongan (Lingkaran Merchant) 10 Gambar 2.5 Sudut geser sebagai fungsi dari rasio pemampatan tebal geram h 13 Gambar 2.6 Arah kecepatan geser (vs), kecepatan aliran geram (vc) dan kecepatan potong (v) 14 Gambar 2.7 Formasi Geram pada Proses Bubut menurut Analogi Kartu 16 Gambar 2.8 Geram Kontinu (continuous / Flow chips) 17 Gambar 2.9 Geram Bersegmen atau Seperti Mata Gergaji (Segmented or Saw-Tooth chips) 17 Gambar 2.10 Geram Tidak Kontinu (Discontinuous chips) 18 Gambar 2.11 Kecepatan Potong pada Proses Laju Tinggi 21 Gambar 2.12 vs R tan 28 Gambar 2.13 Grafik hubungan antara dengan w o 29 Gambar 3.1 Geometri Benda Kerja 31 Gambar 3.2 (a) Pahat CBN dan (b) Geometri Pahat CBN 31 Gambar 3.3 Mesin Bubut Konvensional Emco 33 Gambar 3.4 Fixed Steady 34 Gambar 3.5 Tool Holder Sandvick Coromant 34 Gambar 3.6 Mikroskop USB digital Rax Vision 35 Gambar 3.7 Mistar Ingsut Digital 35 Gambar 3.8 Diagram Alir Konsep Penelitian 36 Gambar 3.9 Set up Peralatan 38 Gambar 4.1 Morfologi geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 200 m/s; f = 0,1 mm/rev; a = 0,3 mm 41 Gambar 4.2 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 200 m/s; f = 0,1 mm/rev; a = 1 mm 42 Gambar 4.3 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 200 m/s; f = 0,15 mm/rev; a = 0,3 mm 43 Gambar 4.4 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 225 m/s; f = 0,1 mm/rev; a = 0,7 mm 44 Gambar 4.5 Morfologi Geram yang dihasilkan pada kondisi pemotongan Vc = 225 m/s; f = 0,125 mm/rev; a = 0,7 mm 45

15 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 laju panas yang dibangkitkan di zona deformasi utama (J/s) R Thermal Number r p rasio untuk geram t c waktu pemotongan min v laju pemotongan m/min v c 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 )

16 o sudut geram ( o ) u kekuatan tarik N/mm 2 Penampang bidang geser mm 2 suhu rata-rata geram yang dihasilkan dari deformasi kedua 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 K o C o C Tegangan geser pada bidang geser N/mm 2 o C o C