BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Teori Bubut Proses pemotongan logam merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengubah bentuk suatu produk dari logam (komponen mesin) dengan cara memotong. Selain itu proses pemotongan logam merupakan kegiatan terbesar yang dilakukan pada industri manufaktur, proses ini mampu menghasilkan komponen yang memiliki bentuk yang komplek dengan akurasi geometri dan dimensi tinggi. Prinsip pemotongan logam dapat defenisikan sebagai sebuah aksi dari sebuah alat potong yang dikontakkan dengan sebuah benda kerja untuk membuang permukaan benda kerja tersebut dalam bentuk geram. Meskipun definisinya sederhana akan tetapi proses pemotongan logam adalah sangat komplek. Salah satu proses pemesinan yang digunakan pada pemotongan logam adalah proses bubut. Proses ini bertujuan untuk membuang material dimana benda kerja dicekam menggunakan sebuah chuck atau pencekam dan berputar pada sebuah sumbu, alat potong bergerak arah aksial dan radial terhadap benda kerja sehingga terjadi pemotongan dan menghasilkan permukaan yang konsentris dengan sumbu putar benda kerja. Gambar 2.1 adalah skematis dari sebuah proses bubut dimana N adalah putaran poros utama, f adalah pemakanan, dan a adalah kedalaman potong. Bagian-bagian serta penamaan (nomenclature) dari alat potong yang digunakan pada proses bubut dijelaskan pada Gambar 2.2. Radius pahat potong menghubungkan sisi dengan ujung potong (cutting edge) dan berpengaruh terhadap umur pahat, gaya radial, dan permukaan akhir.

2 Gambar 2.1 proses pembubutan Gambar 2.2 Penamaan (nomenclature) pahat kanan Sumber : Taufiq Rochim (1993) Ada tiga parameter utama yang berpengaruh terhadap gaya potong, peningkatan panas, keausan, dan integritas permukaan benda kerja yang dihasilkan. Ketiga parameter itu adalah kecepatan potong (v), pemakanan (f), dan kedalaman potong (a). Kecepatan potong adalah kecepatan keliling benda kerja dengan satuan

3 (m/min), pemakanan adalah perpindahan atau jarak tempuh pahat tiap satu putaran benda kerja dengan satuan (mm/rev), kedalaman potong adalah tebal material terbuang pada arah radial dengan satuan (mm) Kondisi Pemesinan Menurut Rochim (1993) pada setiap proses pemesinan ada lima elemen dasar yang perlu dipahami, yaitu: a. Kecepatan potong (cutting speed ) : V (m/min) b. Kecepatan makan (feeding speed) : Vf (mm/min) c. Kedalaman potong (depth of cut) : a (mm) d. Waktu pemotongan (cutting time) : tc (min) e. Laju pembuangan geram (material removal rate) : MRR (cm3/min) Elemen dasar pada proses pembubutan dapat diketahui menggunakan rumus yang dapat diturunkan berdasarkan Gambar 2.3 berikut ini: Gambar 2.3 Proses bubut Sumber: Taufiq Rochim (1993)

4 Geometri benda kerja : do = diameter awal (mm) dm = diameter akhir (mm) lt = panjang pemesinan (mm) Geometri pahat : kr = sudut potong utama (o) γo = sudut geram (o) Kondisi pemesinan: a = kedalaman potong a = (mm) f = pemakanan (mm/putaran) N = putaran poros utama (rpm) Dengan diketahuinya besaran-besaran di atas sehingga kondisi pemotongan dapat diperoleh sebagai berikut: a. Laju pemotongan ; (m/mm) Dimana d = diameter rata-rata d = ; (mm) b. Laju pemakanan vf = f. n ; (mm/min) c. Waktu pemotongan tc = ; (min) 2.5 d. Laju pembuangan geram MRR = A.V ; (cm 3 /min) Dimana A = penampang geram sebelum terpotong

5 A = f.a ; (mm 2 ). 2.7 MRR = V.f.a ; (cm 3 /min). 2.8 Sudut potong utama (principal cutting edge angle/kr) adalah sudut antara mata potong utama dengan laju pemakanan (Vf), besarnya sudut tersebut ditentukan oleh geometri pahat dan cara pemasangan pada mesin bubut. Untuk nilai pemakanan (f) dan kedalaman potong (a) yang tetap maka sudut ini akan mempengaruhi lebar pemotongan (b) dan tebal geram sebelum terpotong (h) sebagai berikut : Lebar pemotongan b = ; (mm) Tebal geram sebelum terpotong h = f sin (mm) Dengan demikian penampang geram sebelum terpotong adalah : A = f.a =b.h ; (mm) Pembubutan Kering Untuk alasan ekonomi dan lingkungan, telah terjadi terus di seluruh dunia tren sejak pertengahan 1990-an untuk meminimalkan atau menghilangkan penggunaan cairan logam. Tren ini telah menyebabkan praktek mesin dekat-kering (NDM), dengan manfaat besar seperti berikut: 1. Mengurangi dampak lingkungan dari menggunakan cairan pemotongan, meningkatkan udara 2. kualitas dalam pembuatan tanaman, dan mengurangi bahaya kesehatan. 3. Mengurangi biaya operasi mesin, termasuk biaya pemeliharaan, daur ulang, dan pembuangan cairan pemotongan. 4. Selanjutnya meningkatkan kualitas permukaan. (Kalpakjian, 1995) 2.3. Pembubutan Keras Pembubutan keras adalah proses pemesinan menggunakan material baja yang dikeraskan dengan nilai kekerasan lebih dari 45 HRC (Hardness Rockwell C)

6 untuk menentukan akhir dari benda kerja sesuai dengan komponen yang telah dikeraskan. Perkembangan dari proses pembubutan keras adalah berkat dari penggunaan pahat baru yang canggih seperti Cubic Boron Nitride (CBN), Polycrystalline Cubic Boron Nitride (PCBN), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD) dan keramik sejak tahun Pengurangan biaya mesin, penghapusan penggunaan cairan pemotongan, peningkatan fleksibelitas, efisiensi dan biaya produksi. Keuntungan yang paling besar dari pembubutan kering adalah sebagian besar dilakukan tanpa pelumas (Varaprasad, 2014). Sekarang di industri pemesinan proses pembubutan keras digunakan untuk mendapatkan material removal rate (MRR) yang tinggi, untuk keberhasilan pelaksanaan pembubutan keras, pemilihan dari parameter pemotongan untuk pahat potong, benda kerja,dan peralatan mesin adalah langkah penting (Narasimhulu, 2012). Proses pembubutan keras (Hard Turning) sama dengan bubut biasa, tetapi pada proses pembubutan keras pemotongan dilakukan terhadap benda kerja dengan kekerasan lebih besar dari 45 HRC. Prinsip kerja proses bubut biasa pada dasarnya diterapkan pada proses bubut keras. Bagaimanapun terdapat perbedaan karakteristik sebagai akibat tingginya kekerasan material yang akan dipotong. Material yang keras memiliki sifat abrasif, dan nilai kekerasan atau young modulus rasio yang tinggi. Akibat dari semua itu maka pada proses bubut keras dibutuhkan alat potong yang jauh lebih keras dan tahan terhadap abrasif dibanding proses bubut biasa. Proses bubut keras dapat dilakukan terhadap berbagai macam jenis logam seperti baja paduan (steel alloy), baja untuk bantalan (bearing steel), hot dan coldwork tool steel, high speed steel, die steel, dan baja tuang yang dikeraskan. Proses bubut keras dapat menjadi solusi untuk mengurangi waktu produksi melalui pengurangan jumlah proses (tahapan), setup peralatan dan waktu untuk inspeksi karena proses bubut keras dapat dilakukan pada mesin bubut yang sama dimana proses bubut konvensional dilakukan, peralatan yang sama dapat digunakan dan tanpa membutuhkan tambahan sebuah mesin gerinda. Bagaimanapun mesin untuk bubut keras memiliki kebutuhan spasi ruangan yang

7 lebih kecil dibandingkan mesin gerinda. Dibutuhkan investasi yang lebih kecil untuk sebuah mesin bubut CNC dibandingkan sebuah mesin gerinda presisi. Keuntungan yang sangat signifikan dari pahat potong bermata tunggal (single point cutting tool) sebagaimana yang digunakan pada proses bubut dapat digunakan untuk pekerjaan dengan kontur permukaan yang rumit, tidak demikian halnya dengan proses gerinda Bahan Pahat Syarat dan jenis-jenis bahan pahat Prinsip dasar pemesinan adalah kemampuan ketangguhan (toughness) pahat terhadap benda kerja. Banyak perkembangan pada bahan pahat guna meningkatkan kemampumesinan di mana geometri dan bahan pahat merupakan hal yang perlu di pertimbangkan. Syarat bahan pahat yang harus dipenuhi mencakup: (1) kekerasan terutama pengerasan karena panas, dengan tujuan untuk menjaga suhu pemotongan dan mencegah perubahan bentuk plastik (Plastic Deformation). (2) ketangguhannya harus dapat menahan beban yang tiba tiba. (3) rendah sifat adhesi terhadap benda kerja untuk mencegah BUE. (4) rendah penyerapan (solubility) pahat terhadap unsur benda kerja untuk mencegah aus pahat. (5) tahan aus untuk mendapatkan umur pahat yang panjang dan (6) kemampuan kesetimbangan secara kimia terhadap pengaruh benda kerja (Kalpakjian, 1995). Kekerasan yang rendah dan daya adhesi yang tinggi tidak diinginkan sebab mata potong akan terdeformasi, terjadi keausan tepi dan keausan kawah yang besar. Keuletan yang rendah serta ketahanan beban kejut termal yang kecil mengakibatkan rusaknya mata potong maupun retak mikro yang menimbulkan

8 kerusakan fatal. Pada umumnya kekerasan dan daya tahan termal yang di pertinggi selalu diikuti oleh penurunan keuletan. Berbagai penelitian dilakukan untuk mempertinggi kekerasan dan menjaga supaya keuletan tidak terlalu rendah sehingga pahat tersebut dapat digunakan pada kecepatan tinggi. Hal ini dapat dimaklumi karena peninggian kecepatan potong berarti menaikkan produktifitas. Pada mulanya untuk memotong baja digunakan baja karbon tinggi sebagai bahan perkakas potong di mana kecepatan potong pada waktu itu hanya boleh mencapai sekitar 10m/menit. Berkat kemajuan teknologi, kecepatan potong ini dapat dinaikkan sehingga mencapai sekitar 700m/menit yaitu dengan menggunakan CBN (Cubic Boron Nitride). Jenis-jenis pahat yang di pakai pada proses pemesinan adalah: 1. Baja Karbon (High Carbon Steels) 2. HSS (High Speed Steels) 3. Paduan Cor Nonferro (Cast Nonferrous Alloys) 4. Karbida (Cemented Carbides) 5. Keramik (Ceramics) 6. CBN (Cubic Boron Nitride) 7. Intan (Sinteran Diamonds and Natural Diamonds) (Taufiq Rochim, 1993) Karbida Karbida atau cemented carbides ditemukan pada tahun 1923 (KRUPP WIDIA) merupakan bahan pahat yang dibuat dengan cara mennyinter (sintering) serbuk karbida (Nitrida, Oksida) dengan bahan pengikat yang umumnya dari cobalt (Co). dengan Carburizing masing-masing bahan dasar (serbuk) Tungsten (Wolfram,W) Titanium (Ti), Tantalum (Ta) dibuat menjadi karbida yang kemudian digiling (Ball Mill) dan disaring. Salah satu atau campuran serbuk karbida tersebut kemudian dicampur dengan bahan pengikat (Co) dan dicetak tekan dengan memakai bahan pelumas (lilin). Setelah itu dilakukan presintering (1000 o C pemanasan mula untuk menguapkan bahan pelumas) dan kemudian sintering (1600 o C) sehingga bentuk keeping (sisipan) sebagai hasil proses cetak tekan (Cold, atau HIP) akan menyusut menjadi sekitar 80% dari volume semula.

9 Hot hardeness karbida ini hanya akan menurun bila terjadi pelunakan elemen pengikat. Semakin besar persentase pengikat Co maka kekerasannya menurun dan sebaliknya keuletannya membaik. Modulus elastisitasnya sangat tinggi demikian pula berat jenisnya (density, sekitar 2 kali baja). Koefisien muainya setengah daripada baja dan konduktiitas panas HSS. Ada 3 jenis utama pahat karbida sisipan, yaitu : 1. Karbida tungsten (WC + Co), yang merupakan jenis pahat karbida untuk memotong besi tuang (cast iron cutting grade) 2. Karbida tungsten paduan (WC TiC + Co ; WC TaC TiC + Co ; WC TaC + Co ; WC TiC TiN + Co ; TiC +Ni,Mo) ; merupakan jenis pahat karbida untuk pemotongan baja (steel cutting grade). 3. Karbida lapis (coated cemented carbides) ; merupakan jenis karbida tungsten yang dilapis (satu atau bebrapa lapisan) karbida, nitrida atau oksida lain yang lebih rapuh tetapi hot hardness nya tinggi. Karbida berlapis Coated cemented carbide pertama kali diperkenalkan pada tahun 1968 dan sampai sekarang terus berkembang dan banyak dimanfaatkan dalam berbagai proses permesinan (dinegara-negara maju). Umumnya sebagai material dasar karbida tungsten (WC-Co) yang dilapis dengan bahan keramik (karbida, nitrida, dan oksida yang keras tahan temperatur tinggi serta non adhesif). Lapisan setebal 1 s/d 8 mikron ini diperoleh secara CVD ataupun PVD. Pelapisan secara CVD (chemical vapour deposition) menghasilkan ikatan yang lebih kuat daripada PVD (physical vapour deposition). CVD dilaksanakan dengan mengendapkan elemen atau paduan elemen (keramik) yang terjadi akibat reaksi pada fasa uap antara elemen/paduan tersebut dengan gas pereaksi sehingga menempel dengan kuat pada material yang dilapis. Pelaisan dapat diulang untuk kedua atau ketiga kalinya dengan menggunakan elemen pelapis yang berbeda. 2.5.Bahan Rekayasa Bahan logam ferro

10 Bahan logam ferro adalah suatu logam yang memiliki dasar paduan besi (ferrous), sedangkan unsur lain hanyalah sebagai unsur tambahan untuk mendapatkan sifat bahan sesuai dengan aplikasi dalam penggunaannya. Bahan logam ferro diantaranya adalah: 1. Besi Tempa (Wrought Iron) 2. Baja Karbon (Carbon Steel) 3. Baja Paduan 4. Baja dan Besi Tuang Bahan logam non ferro Bahan logam non ferro adalah bahan yang memiliki unsur logam tetapi tidak ada unsur besi (ferrous). Bahan logam non ferro diantaranya adalah: 1. Aluminium 2. Magnesium dan paduannya 3. Tembaga dan paduannya 4. Nikel dan paduannya 5. Seng dan paduannya 6. Titanium dan paduannya 7. Timah hitam dan paduannya(pb) 8. Timah putih dan paduannya (Tin) Sifat dan karakteristik logam Logam mempunyai beberapa sifat antara lain: sifat mekanis, sifat fisika, sifat kimia dan sifat pengerjaan. Sifat mekanis adalah kemampuan suatu logam untuk menahan beban yang diberikan pada logam tersebut. Pembebanan yang diberikan dapat berupa pembebanan statis (besar dan arahnya tetap), ataupun

11 pembebanan dinamis (besar dan arahnya berubah). Yang termasuk sifat mekanis pada logam, antara lain: kekuatan bahan (strength), kekerasan elastisitas, kekakuan, plastisitas, kelelahan bahan, sifat fisika, sifat kimia, dan sifat pengerjaan. Kekuatan (strength) adalah kemampuan material untuk menahan tegangan tanpa kerusakan. Beberapa material seperti baja struktur, besi tempa, alumunium, dan tembaga mempunyai kekuatan tarik dan tekan yang hampir sama. Ukuran kekuatan bahan adalah tegangan maksimumnya, atau gaya terbesar persatuan luas yang dapat ditahan bahan tanpa patah. Untuk mengetahui kekuatan suatu material dapat dilakukan dengan pengujian tarik, tekan, atau geser. Kekerasan (hardness) adalah ketahanan suatu bahan untuk menahan pembebanan yang dapat berupa goresan atau penekanan. Kekerasan merupakan kemampuan suatu material untuk menahan takik atau kikisan. Kekakuan adalah ukuran kemampuan suatu bahan untuk menahan perubahan bentuk atau deformasi setelah diberi beban. Kelelahan bahan adalah kemampuan suatu bahan untuk menerima beban yang berganti-ganti dengan tegangan maksimum diberikan pada setiap pembebanan. Elastisitas adalah kemampuan suatu bahan untuk kembali ke bentuk semula setelah menerima beban yang mengakibatkan perubahan bentuk. Elastisitas merupakan kemampuan suatu material untuk kembali ke ukuran semula setelah gaya dari luar dilepas Baja paduan Baja paduan adalah baja yang dipadukan dengan beberapa elemen dalam jumlah total antar 1,0% dan 50% berat utuk meningkatkan sifat mekanik. Dalam penelitian ini dipilih baja AISI 1045 sebagai bahan ujinya. Pemilihan baja AISI 1045 karena baja ini banyak dipakai dalam pembuatan komponen-komponen permesinan, murah dan mudah didapatkan di pasaran. Komponen mesin yang terbuat dari baja ini contohnnya poros, roda gigi dan rantai. Adapun data-data dari baja ini adalah sebagai berikut : 1. AISI 1045 diberi nama menurut standar American Iron and Steel Institude (AISI) dimana angka 1xxx menyatakan baja karbon, angka 10xx menyatakan

12 karbon steel sedangkan angka 45 menyatakan kadar karbon persentase (0,45 %). 2. Penulisan atau penggolongan baja AISI 1045 ini menurut standar yang lain adalah sama dengan DIN C 45, JIS S 45 C, dan UNS G Menurut penggunaannya termasuk baja kontruksi mesin. 4. Menurut struktur mikronya termasuk baja hypoeutectoid (kandungan karbon < 0,8 % C). 5. Dengan meningkatnya kandungan karbon maka kekuatan tarik dan kekerasan semakin menjadi naik sedangkan kemampuan regang, keuletan, ketangguhan dan kemampuan lasnya menurun. Kekuatannya akan banyak berkurang bila bekerja pada temperatur yang agak tinggi. Pada temperatur yang rendah ketangguhannya menurun secara dratis. 6. Kandungan unsur pada AISI 1045 menurut standard ASTM A adalah sebagai berikut : Tabel 2.1 Unsur pada baja AISI 1045 Unsur Kandungan (%) Carbon, C % Iron, Fe % Manganese, Mn % Phosphorous, P % Sulfur, S % (sumber : Rentang Kondisi Pemotongan Proses pemesinan mempunyai peranan penting dalam menentukan laju produksi sebuah industri. Dalam proses pemesinan terdapat 3 parameter yang mempengaruhi laju produksi yaitu kecepatan potong ( v ), kecepatan makan ( f ), dan kedalaman potong ( a ). Jika proses pemotongan dilakukan pada kecepatan

13 yang dibawah ketentukan, maka penyelesaian akan memakan waktu yang lebih lama. Selanjutnya jika proses pemotongan dilakukan dengan kecepatan tinggi, maka umur pahat akan lebih pendek sebelum mencapai umur minimal dari pahat yang bisa mengakibatkan pahat pecah atau rusak, begitu juga dengan kecepatan makan dan kedalaman potong. Maka dari itu, perlunya suatu sistem yang dapat membantu penentuan kondisi pemotongan optimum. Metode pengerjaan yang dilakukan meliputi pengumpulan informasi penelusuran dari literatur dan pengamatan secara langsung untuk membandingkan hasil teori dan dilapangan. Rentang kondisi pemotongan dilakukan dengan mencari kriteria kondisi pemotongan operasional yang diinginkan, dan membentuknya/memaparkannya kedalam bentuk grafik VB Versus T.