Studi Pengaruh Besar Arus dan Arc On-Time Pada Electrical Discharge Machining (EDM) Sinking

Transkripsi

1 Studi Pengaruh Besar dan Arc On-Time Pada Electrical Discharge Machining (EDM) Sinking Terhadap Kekasaran Permukaan Benda Kerja dan Keausan Elektroda Roche Alimin, Juliana Anggono, Rinto Hamdrik Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Kristen Petra Jl. Siwalankerto Surabaya Abstrak Pada proses pembuatan mold, seringkali proses EDM Sinking merupakan proses yang harus ada. Hal ini dikarenakan keterbatasan kemampuan proses milling pada machining center. Proses material removal pada EDM Sinking sangatlah lambat jika dibandingkan dengan proses milling, sehingga kecepatan proses EDM Sinking sedapat mungkin ditingkatkan dengan tanpa mengurangi kualitas permukaan dan dimensi akhir benda kerja. Seiring dengan peningkatan kecepatan proses maka terjadi penurunan kualitas kekasaran permukaan dan ketelitian dimensi benda kerja. Penurunan ketelitian dimensi benda kerja terkait dengan keausan yang dialami oleh elektroda. Beberapa parameter dari proses EDM Sinking akan diteliti kesignifikanannya terhadap kekasaran permukaan dan laju keasusan elektoda. Besar arus listrik dan arc on-time akan berbanding lurus dengan kecepatan proses, kekasaran permukaan benda kerja dan laju keausan elektroda. Metode Dual respon Surface akan digunakan untuk mengetahui parameter mana yang lebih berpengaruh, antara besar arus listrik dan Arc on-time. Dengan demikian, parameter yang dikaji adalah besar arus listrik, arc on-time dan arc off-time, yang mana digunakan sebagai variabel proses, dan sebagai responnya adalah kekasaran permukaan benda kerja dan laju keausan elektroda. Dalam penelitian ini digunakan material benda kerja baja SKD 11, yang mana sering digunakan sebagai material mold ataupun dies. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa besar arus listrik lebih besar pengaruhnya dibandingkan dengan arc on-time, baik terhadap kekasaran permukaan benda kerja maupun laju keausan elektroda. Nilai kekasaran permukaan optimum yang dapat dicapai dalam penelitian ini adalah Ra = 2,82. Sedangkan untuk laju keausan elektroda adalah 44 mm3/menit. Kata kunci: EDM Sinking, kekasaran permukaan, laju keausan elektroda, metode dual response surface PENDAHULUAN Pada proses pembuatan mold dan die, seringkali proses EDM Sinking merupakan proses yang harus ada. Hal ini disebabkan keterbatasan kemampuan proses milling oleh machining center. Sehingga untuk radius kecil dan pemotongan yang dalam diperlukan proses lanjutan seperti EDM Sinking. Proses material removal pada EDM Sinking sangatlah lambat jika dibandingkan dengan proses milling, sehingga sedapat mungkin kecepatan proses ditingkatkan dengan tanpa mengurangi kwalitas permukaan dan dimensi akhir benda kerja. Ketelitian dimensi benda kerja sangat erat kaitannya dengan keausan yang terjadi pada elektroda EDM Sinking. Seringkali untuk mempertahankan keteliaan dimensi ini maka harus disediakan lebih dari satu elektroda, semisal untuk proses semi-finishing dan finishing. Peningkatan kecepatan proses EDM Sinking juga terkait dengan tingkat kekasaran permukaan benda kerja. Penggunaan arus listrik yang besar akan mempercepat proses material removal pada EDM Sinking, tetapi seiring dengan itu maka akan memperbesar tingkat kekasaran benda kerja dan keausan elektroda. Suhardjono[2] pernah melakukan penelitian mengenai material removal rate pada EDM Sinking, dan menyimpulkan bahwa arc offtime yang rendah akan memberikan material removal rate yang tinggi, sedangkan arc on-time medium (800μs) adalah yang optimum. Sedangkan yang mempengaruhi kekasaran permukaan hanya lah arc on-time. Penelitian ini bertujuan untuk melihat sejauh mana pengaruh parameter EDM Sinking, yaitu: arus listrik, arc on-time, dan arc off-time serta interaksi antar parameter terhadap kekasaran permukaan benda kerja dan laju keausan elektroda. Selain itu, setting parameter proses agar dihasilkan kekasaran permukaan benda kerja minimum dengan constraint nilai laju keausan elektroda tertentu juga akan dilakukan.

2 METODOLOGI PENELITIAN Secara ringkas langkah-langkah penelitian ini dapat dilihat pada bagan alir sebagai berikut. Benda kerja SKD 11 dengan luasan 120 x 80 mm² Elektroda tembaga berbentuk silinder dengan diameter 10 mm dan panjang 50 mm Persiapan Sampel dan Elektroda Pengujian kekasaran permukaan benda kerja SKD 11 Proses EDM dengan variasi : 3A, 6A, 9A Arc on-time: 3μs, 10μs, 17μs Arc off-time: 4μs, 12μs, 20μs Data kekasaran dan waktu proses Membuat rancangan orde pertama Y Sesuai? T Pengukuran lama waktu proses Gambar 2. Benda Kerja dan Elektroda Pada pengujian kekasaran permukaan, angka yang diamati adalah Ra yang nilainya dinyatakan dalam µm. Pengukuran diambil pada range M (0,1 s/d 10,0 µm Ra). Angka kekasaran permukaan diambil pada garis yang melalui titik tengah penampang elektroda, dan offset kanan kiri sebesar 2 mm, dengan menggunakan Surface Roughness Tester (Mitutoyo, SJ-301). Dari tiga posisi pengukuran tersebut kemudian dicari harga rata-ratanya. Membuat rancangan orde kedua Menentukan Kondisi Optimum Analisa Data Kesimpulan Gambar 1. Bagan Alir Penelitian Material benda kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah SKD 11, yang termasuk salah satu material yang paling sering digunakan untuk pembuatan mold dan die. SKD 11 memiliki sifatsifat tahan terhadap keausan, deformasi, kompresi dan cracking, dengan kekerasan berkisar antara HRC dan temperatur pengerasan sekitar C. Sedangkan untuk material elektroda digunakan tembaga. Sebagai persiapan awal, dilakukan proses perataan permukaan pada benda kerja dengan proses milling. Sedangkan untuk elektroda dilakukan perataan permukaan sentuh dengan kertas gosok grade 1200, serta dilakukan penimbangan awal dengan timbangan digital dengan ketelitian 1 mg. Mesin EDM yang digunakan adalah CNC EDM jenis AMM 550, dengan cairan dielektrikum produksi Petrofer. HASIL PENELITIAN Dari hasil percobaan didapatkan bahwa peningkatan arus listrik menyebabkan peningkatan kekasaran permukaan benda kerja. Besar arus 3A, 6A, dan 9A berturut-turut memberikan kekasaran sebesar µm, µm dan µm. Hal ini dapat dijelaskan bahwa semakin besar nilai arus listrik maka spark yang terjadi semakin besar pula, dan mengakibatkan permukaan benda kerja semakin kasar. Tabel 1 memperlihatkan data peningkatan nilai kekasaran permukaan sebelum dan sesudah proses EDM. Tabel 1. Nilai Kekasaran Permukaan dan Persentase (%) Kenaikan Kekasaran Permukaan antara Sebelum dan Sesudah Proses EDM (A) Kekasaran Permukaan ( Sebelum Sesudah Proses Proses Kenaikan EDM EDM Kekasaran ( ( (%) Semakin tinggi peningkatan arus listrik, semakin tinggi pula kekasaran permukaannya. Dari tabel 2

3 terlihat bahwa kenaikan kekasaran permukaan tidak bersifat linier terhadap kenaikan arus. Tabel 2. Persentase (%) Kenaikan Kekasaran Permukaan Sesudah Proses EDM (2.818 (2.887 (3.773 Tabel 3 memperlihatkan nilai keausan elektroda sebelum dan sesudah proses EDM sebesar lebih dari 2%, sedangkan tabel 4 memperlihatkan keausan elektroda yang paling tinggi yaitu dari ke yaitu sebesar 22%. Tabel 3. Nilai Laju Keausan Elektroda dan Persentase (%) Laju Keausan Elektroda antara Sebelum dan Sesudah Proses EDM (A) Laju Keausan Elektroda (mm 3 /min) Persentase Sebelum Sesudah Keausan Proses Proses Elektroda EDM EDM (%) (gr) (gr) (%) Tabel 4. Persentase (%) Keausan Elektroda Sesudah Proses EDM (98 gr) (0.1 gr) (0.12 gr) (2.818 (98 gr) (2.887 ( % 34 % (0.1 gr) 31 % (0.12 gr) 2 % 22 % 20 % Contour plot dari Response Surface Regression untuk kekasaran permukaan versus arus (), arc on-time (X2) dan arc off-time () dapat dilihat pada tiga grafik berikut ini X2 - - Contour Plot of Kekasaran vs X2, - - Kekasara < Gambar 3. Contour Plot () dan X2 (Arc On-Time) Terhadap Kekasaran Permukaan - - Contour Plot of Kekasaran vs, - - > 4 Kekasaran X2 0 < > 5.5 Gambar 4. Contour Plot () dan (Arc Off-Time) Terhadap Kekasaran Permukaan - - Contour Plot of Kekasaran vs, X2 - - X2 Kekasaran < > 4.0 Gambar 5. Contour Plot X2 (Arc On-Time) dan (Arc Off-Time) Terhadap Kekasaran Permukaan Sedangkan untuk contour plot dari Surface Regression untuk laju keausan elektroda versus arus (), arc on-time (X2) dan arc off-time () dapat dilihat pada tiga grafik berikut ini.

4 X2 - Contour Plot of Laju vs X2, Laju < > ulang arc on-time, interaksi ulang arc off-time, interaksi antara arus listrik dan arc on-time, dan interaksi antara arus listrik dan arc off-time. Koefisien arus listrik yang berharga positif menyatakan semakin besar arus listrik maka angka kekasaran permukaan semakin besar, seperti terlihat pada gambar 9 dan Gambar 6. Contour Plot () dan X2 (Arc On-Time) Terhadap Laju Keausan Elektroda. Contour Plot of Laju vs, - Laju < > 3.0 X2 0 Gambar 9. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 3A, Arc On-Time = 10µs, Arc Off-Time = 12µs Gambar 7. Contour Plot () dan (Arc Off-Time) Terhadap Laju Keausan Elektroda. Contour Plot of Laju vs, X2 Laju < > Gambar 10. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 9A, Arc On-Time = 10µs, Arc Off-Time = 12µs. - - X2 Gambar 8. Contour Plot X2 (Arc On-Time) dan (Arc Off-Time) Terhadap Laju Keausan Elektroda. PEMBAHASAN Dari hasil response surface regression, parameter yang secara statistik berpengaruh signifikan terhadap respon kekasaran permukaan adalah arus, arc on-time, arc off-time, interaksi Pada response surface regression, koefisien arc on-time berharga positif menunjukkan semakin besar arc on-time maka angka kekasaran permukaan semakin besar pula, seperti terlihat pada gambar 11 dan 12. Fenomena ini bisa dijelaskan, karena arc on-time menyatakan waktu terjadinya loncatan bunga api listrik (spark) akibat arus listrik yang mengalir sebelum berhenti sesaat (pause). Meningkatnya nilai arc on-time menyebabkan frekuensi loncatan bunga api listrik (spark) pada celah antara elektroda dan benda kerja akan bertambah, sehingga kecepatan potong akan bertambah yang menyebabkan kekasaran permukaan benda kerja juga naik.

5 Gambar 11. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 6A, Arc On-Time = 10µs, Arc Off-Time = 12µs. Gambar 13. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 3A, Arc On-Time = 3µs, Arc Off-Time = 4µs. Gambar 12. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 6A, Arc On-Time = 21µs, Arc Off-Time = 12µs. Sedangkan koefisien arc off-time berharga negatif menunjukkan bahwa pengaruh arc off-time terhadap kekasaran permukaan adalah berbanding terbalik, dimana semakin besar harga arc off-time mengakibatkan kekasaran permukaan menurun, seperti terlihat pada gambar 13 dan 14. Fenomena ini bisa dijelaskan, karena arc off-time menyatakan periode dimana arus listrik berhenti untuk sesaat (pause) sebelum loncatan bunga api listrik terjadi kembali, meningkatnya nilai arc off-time menyebabkan frekuensi loncatan bunga api listrik pada celah antar elektroda akan berkurang, sehingga kecepatan potong akan berkurang (secara keseluruhan). Gambar 14. Foto Permukaan Benda Kerja (100x) untuk = 3A, Arc On-Time = 3µs, Arc Off-Time = 20µs. Pengaruh interaksi arus dengan arus berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi ulang arus dengan arus mengakibatkan bertambahnya kekasaran permukaan. Walaupun secara interaksi ulang parameter arus menambah kekasaran permukaan, tetapi koefisien arus secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arus pada interaksi menunjukkan bahwa parameter arus lebih besar pengaruhnya terhadap respon kekasaran permukaan secara individu dari pada interaksi ulangnya. Pengaruh interaksi ulang arc on-time dengan arc on-time berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi ulang arc on-time dengan arc on-time mengakibatkan bertambahnya kekasaran permukaan. Walaupun secara interkasi ulang parameter arc on-time menambah kekasaran permukaan, tetapi koefisien arc on-time secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arc ontime pada interaksi menunjukkan bahwa parameter arc on-time lebih besar pengaruhnya terhadap respon kekasaran permukaan secara individu dari pada interaksi ulangnya.

6 Pengaruh interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time berharga positif menunjukkan bahwa pengaruh interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time adalah berbanding terbalik, dimana semakin besar interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time mengakibatkan bertambahnya kekasaran permukaan. Walaupun secara interaksi ulang parameter arc off-time menaikkan kekasaran permukaan, tetapi koefisien arc off-time secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arc offtime pada interaksi ulang menunjukkan bahwa parameter arc off-time lebih besar pengaruhnya terhadap respon kekasaran permukaan secara individu dari pada interaksi ulangnya. Koefisien interaksi antara parameter arus listrik dengan arc on-time berpengaruh signifikan terhadap respon kekasaran permukaan benda kerja. Hal ini didukung dengan besarnya nilai koefisien interaksi parameter arus listrik dengan arc on-time. Koefisien yang berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi antara parameter arus listrik dengan arc on-time menyebabkan kekasaran permukaan benda kerja semakin besar. Untuk laju keausan elektroda, parameter yang secara statistik berpengaruh signifikan adalah arus, arc on-time, arc off-time, interaksi ulang arc on-time, interaksi ulang arc off-time, interaksi antara arus listrik dan arc on-time, dan interaksi antara arus listrik dan arc off-time. Koefisien arus listrik yang berharga positif menyatakan semakin besar arus listrik maka angka laju keausan elektroda semakin besar pula. Fenomena ini bisa dijelaskan karena semakin besar nilai arus listrik maka spark yang terjadi semakin besar pula. Hal ini mengakibatkan kawah yang terjadi pada permukaan benda kerja semakin curam. Koefisien arc on-time berharga positif menunjukkan semakin besar arc on-time maka angka laju keausan elektroda semakin besar pula. Fenomena ini bisa dijelaskan, karena arc on-time menyatakan waktu terjadinya loncatan bunga api listrik akibat arus listrik yang mengalir sebelum berhenti sesaat (pause), meningkatnya nilai arc ontime menyebabkan frekuensi loncatan bunga api listrik pada celah antara elektroda dan benda kerja akan bertambah, sehingga kecepatan potong akan bertambah yang menyebabkan laju keausan elektroda benda kerja naik. Koefisien arc off-time berharga negatif menunjukkan bahwa pengaruh arc off-time terhadap laju keausan elektroda adalah berbanding terbalik, dimana semakin besar harga arc off-time mengakibatkan laju keausan elektroda menurun. Fenomena ini bisa dijelaskan, karena arc off-time menyatakan periode dimana arus listrik berhenti untuk sesaat (pause) sebelum loncatan bunga api listrik terjadi kembali, meningkatnya nilai arc offtime menyebabkan frekuensi loncatan bunga api listrik pada celah antar elektroda akan berkurang, sehingga kecepatan potong akan berkurang yang mengakibatkan laju keausan elektroda turun. Pengaruh interaksi arus dengan arus berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi ulang arus dengan arus mengakibatkan bertambahnya laju keausan elektroda. Walaupun secara interaksi ulang parameter arus menambah laju keausan elektroda, tetapi koefisien arus secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arus pada interaksi menunjukkan bahwa parameter arus lebih besar pengaruhnya terhadap respon laju keausan elektroda secara individu dari pada interaksi ulangnya. Pengaruh interaksi ulang arc on-time dengan arc on-time berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi ulang arc on-time dengan arc on-time mengakibatkan bertambahnya laju keausan elektroda. Walaupun secara interkasi ulang parameter arc on-time menambah laju keausan elektroda, tetapi koefisien arc on-time secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arc on-time pada interaksi menunjukkan bahwa parameter arc on-time lebih besar pengaruhnya terhadap respon laju keausan elektroda secara individu dari pada interaksi ulangnya. Pengaruh interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time berharga positif menunjukkan bahwa pengaruh interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time adalah berbanding terbalik, dimana semakin besar interaksi ulang arc off-time dengan arc off-time mengakibatkan bertambahnya laju keausan elektroda. Walaupun secara interaksi ulang parameter arc off-time menaikkan laju keausan elektroda, tetapi koefisien arc off-time secara individu lebih besar dibandingkan koefisien arc offtime pada interaksi ulang menunjukkan bahwa parameter arc off-time lebih besar pengaruhnya terhadap respon laju keausan elektroda secara individu dari pada interaksi ulangnya. Pengaruh interaksi antara parameter arus listrik dengan arc on-time berpengaruh signifikan terhadap respon laju keausan elektroda benda kerja. Hal ini didukung dengan besarnya nilai koefisien interaksi parameter arus listrik dengan arc on-time. Koefisien yang berharga positif menunjukkan bahwa semakin besar interaksi antara parameter arus listrik dengan arc on-time menyebabkan laju keausan elektroda benda kerja semakin besar. KESIMPULAN Secara individu arus listrik merupakan parameter yang paling berpengaruh, baik terhadap kekasaran permukaan benda kerja maupun laju keausan elektroda, kemudian diikuti berturut-turut oleh arc on-time dan arc off-time. Semua interaksi berpengaruh signifikan secara statistik baik

7 terhadap kekasaran permukaan benda kerja maupun laju keausan elektroda. Nilai optimum untuk kekasaran permukaan adalah sebesar 2,82 (dengan kombinasi arus = 4,75, arc on-time = 8,243 dan arc offtime = 33,611). Sedangkan nilai optimum untuk laju keausan elektroda adalah 1,544 (dengan kombinasi arus = 5,8908 A, arc on-time = 10,4168 dan arc off-time = 12,2852). SARAN Pada penelitian ini hanya diambil respon kekasaran permukaan dan laju keausan elektroda. Padahal pada proses EDM Sinking masih ada respon yang sering dipertimbangkan di dalam pemilihan level dari variabel bebasnya, yaitu over cut. Oleh karena itu disarankan untuk pengembangan lebih lanjut penelitian yang melibatkan variabel bebas yang lain seperti: lebar gap, tekanan flushing, dan tegangan. DAFTAR PUSTAKA [1] Soepangkat, Bobby O. P., Optimasi Kekasaran Permukaan Benda Kerja dan Laju Keausan Elektroda Pada Proses EDM Sinking, Seminar Nasional Teknik Mesin 2: pp 81-87, [2] Suhardjono, Pengaruh Arc On dan Arc Off Time terhadap Kekasaran Permukaan dan Laju Pembuangan Geram Hasil Pemesinan Sinking EDM, Jurnal Teknik Mesin, vol 6, no.1, [3] Khuri, Andre I., dan John A. Cornell, Empirical Model Building and Respon Surface, New York: Marcell Dekker, [4] Guitrau, E. Bud, The EDM Handbook, New York: Hanser Gardner Publications, [5] Draper, Norman dan Harry Smith, Analisa Regresi Terapan. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama, [6] Bagiasna, Komang, Proses-Proses Non Konvensional, Departemen Mesin ITB, [7] Montgomery, Douglas C., Design and Analysis of Experiments, New York: John Wiley & Sons., 1997.