139 PENGARUH KECEPATAN POTONG TERHADAP UMUR PAHAT HSS PADA PROSES PEMBUBUTAN AISI 4340 Ruslan Dalimunthe Dosen Fakultas Teknik Universitas Sang Bumi Ruwa Jurai ABSTRAK Operasi pemotongan logam merupakan salah satu aktifitas yang sering dilakukan dalam industri manufaktur, khususnya untuk memproduksi bagian-bagian pemesanan. Untuk menghasilkan produk yang baik dalam pemesinan digunakan pahat potong sebagai alat bantu, pahat HSS merupakan pahat yang sering digunakan dalam penelitian serta industri. Pahat tidak dapat digunakan terus menerus maka penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan potong terhadap umur pahat HSS pada proses pembubutan AISI 4340, mengetahui laju keausan pada proses pembubutan AISI 4340, dan menentukan kecepatan (optimal) untuk proses pembubutan AISI 4340 oleh pahat HSS. Dalam penelitian ini proses pemotongan dilakukan pada meterial baja karbon medium yang memiliki kekerasan 95,9 HRB dengan empat variasi kecepatan potong yaitu v 1= 18,01, v 2 = 15,68, v 3 = 24,55, v 4 = 20,28. Hasil yang diperoleh dari penelitian menunjukkan bahwa besarnya kedalaman potong membuat pabat semakin cepat aus dan pada penggunaan kecepatan yang cukup tinggi resiko kegagalan pada pahat relatif besar. Tingginya kecepatan potong (v) menurunkari fungsi umur pahat, hal ini dapat dilihat pada penelitian ini bahwa umur pahat tertinggi berada pada kecepatan potong 15,68. Dari tingginya umur pahat yang didapat pada kecepatan 15,68 maka kecepatan potong (v) dikatakan optimal untuk pembubutan AISI 4340 menggunakan pahat High Speed Steel (HSS), dengan diameter benda kerja (d) 27 mm, putaran spindel (n) 185 rpm dan kedalaman potong (a) sebesar 2 mm Keywords: Kecepatan Potong,Pahat HSS PENDAHULUAN Operasi pemotongan logam merupakan salah satu aktifitas yang sering dilakukan dalam industri manufaktur, khususnya untuk memproduksi bagian-bagian permesinan. Proses pemotongan logam merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengubah logam dasar menjadi komponen mesin dengan menggunakan pahat sebagai komponen utamanya. HSS ( High Speed Steel) merupakan jenis material yang banyak digunakan sebagai pahat potong. HSS pertama kali ditemukan pada tahun 1898 merupakan baja paduan tinggi dengan unsur paduan chrom (Cr) dan TungstenlWolfram (W). Melalui proses penuangan ( molten metallurgy) kemudian diikuti pengerolan ataupun penempaan baja ini dibentuk menjadi batang atau silinder. Pada kondisi lunak (annealed) bahan tersebut dapat diproses secara pemesinan menjadi berbagai bentuk pahat potong. Setelah proses laku panas dilaksanakan, kekerasannya cukup tinggi sehingga dapat digunakan pada kecepatan potong yang cukup tinggi sampai dengan 3 kali kecepatan potong pahat Carbon Tolls Steel (CTS) yang dikenal pada saat itu sekitar 10, sehingga dinamakan dengan "Baja Kecepatan Tinggi". Bila telah aus pahat HSS dapat diasah sehingga mata potongnya tajam kembali. Karena sifat keuletan yang relatif baik maka sampai saat ini berbagai jenis HSS masih tetap digunakan. Beberapa penelitian yang menggunakan pahat HSS telah dilakukan, salah satunya mengenai keausan dan umur pahat pada proses pembubutan baja karbon rendah dengan menggunakan pahat HSS. Keausan pahat berdasarkanpada nilai keausan tepi vs kritis yaitu 0,3 mm. Penelitian tersebut dilakukan dengan gerak makan ( f)= 0,125 mm/rev dan kedalaman potong ( a) = 1 mm (konstan) dengan variasi kecepatan potong, menunjukkan bahwa umur pahat tertinggi pada kecepatan potong 6,93 sebesar 4187,65 detik dan umur
140 pahat terendah pada kecepatan potong 47,1 sebesar 1471,488 detik. Dan penelitian yang dilakukan pada proses pembubutan dengan masingmasing variasi kecepatan potong, variasi laju pemakanan dan variasi tebal potong menunjukkan umur pahat bubut HSS yang dilapisi Titanium Nitrida relatif lebih tahan lama (meningkat) bila dibandingkan dengan pahat yang tidak dilapisi. Penyebab lain dari keausan pahat HSS ini adalah tingginya kecepatan potong menyebabkan pahat makin cepat panas. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pahat HSS merupakan pahat yang paling sering digunakan dalam penelitian-penelitian dilaboratorium. Dalam prakteknya pahat memiliki umur dan tidak dapat digunakan terus menerus. Faktor-faktor yang menentukan umur pahat adalah geometri pahat, jenis material benda kerja dan pahat, kondisi pemotongan (kecepatan potong, kedalaman potong dan gerak makan), cairan pendingin dan jenis proses pemesinan [6]. Untuk menentukan keausan pada pahat potongnya operator mesin melakukan secara visual atau meraba pada bagian ujung mata pahat, cara ini yang sering dilakukan di industri dikarenakan keterbatasan alat dan efisiensi waktu untuk memenuhi keinginan konsumen. Tabel 1. Beberapa unsur yang membentuk HSS. No Unsur Keterangan 1. Tungsten Dapat membentuk karbida yaitu paduan yang /wolfram (W) sangat keras (Fe4W2C) yang menyebabkan kenaikan temperatur untuk proses hardening dan tempering. Dengan demikian hot hardness dipertinggi. 2. Chromium (Cr) 3. Vanadium (V) 4. Molybdenum (Mo) Menaikkan hardanability dan hot harness. Chorm merupakan elemen pembentukan karbida, akan tetapi Cr menaikkan sensitivity terhadap overheating. Mempunyai efek yang sama seperti W aka tetapi lebih terasa (2% W dapat digantikan oleh 1% Mo). Dengan menambah 0,4% sampai 0,9% Mo dalam HSS dengan paduan-paduan utama W (W -HSS) dapat dihasilkan HSS yang mampu menahan beban kejut. Keruhiannya adalah lebih sensitif terhadap overheating (hangusnya ujung-ujung yang runcing) sewaktu dilakukan proses heatreatment. Menurunkan sensitivity terhadap overheating serta menghaluskan besar butir. Vanadium juga menipakan elemen pembentukan karbida. 5. Cobalt (Co) Bukan elemen pembentuk karbida. Ditambahkan dalam HSS untuk menaikkan hot hardness dan tahanan keausan. Besar butir menjadi lebih halus sehingga ujung-ujung yang runcing tetap terpelihara selama heat treatment pada temperatur tinggi. Sudut-sudut Pahat Bubut Ada beberapa sudut-sudut yang memegang peranan penting dalam proses pemesinan sehingga menghasilkan produk yang diinginkan. Gambar : Nama-nama permukaan dan sudut-sudut pahat bubut (11) Keterangan : Aγ = Bidang Pembuangan Geram α = Sudut Bebas Ujung Aα = Bidang Bebas β = Sudut Baji Aα = Bidang Bebas Ujung γo = Sudut Geram Orthogonal S = Sisi Potong δ = Sudut Potong S = Sisi Potong Ujung αo = Sudut Bebas Othogonal METODE PENELITIAN Adapun benda kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah poros AISI 4340 dengan panjang 580 mm dan berdiameter 33 mm. dengan spesifikasi diperlihatkan pada tabel 1. Tabel 2. Spesifikasi benda kerja No Spesifikasi Keterangan 1 Jenis Material AISI4340 2 Komposisi 0,37 0,43 % C; 0,7 0,9 % Cr; 96 % Fe; 0,7 % Mn; 0,2 0,3 Mo; 1,83 Ni; 0,23 % Si; Maks 0,035 % P; Maks 0,04 % S. [15] 3 Kekuatan 900 110 N/mm 2 tarik 4 Kekerasan 95,9 HRB Tabel 3. Spesifikasi pahat HSS No Spesifikasi Keterangan 1 Jenis Material Pahat HSS (High Speed Steel) 2 Tipe Bohler MO 3 Dimensi 5/8 in x 6 in 4 Kekerasan 60HRC 5 Sudut Bebas Orthogonal (oo) 12 o 6 Sudut Geram Orthogonal (yo) 12 o 7 Sudut Bebas (a ) 8 o 8 Sudut potong Utama (Kr) 90 o 9 Sudut Potong Bantu (K/) 7 o
141 Peralatan dan Instrument Pengujian Dalam penelitian ini diperlukan beberapa alat yang digunakan, mesin bubut yang dapat mewakili untuk penelitian ini diperlihatkan pada Tabel. di depan lensa kondensor dari profil proyektor, maka sudut dari dua tepi bayangan yang akan ditentukan besarnya dapat ditentukan. Tabel 4. Mesin Bubut No Spesifikasi Keterangan 1 Jenis Material Pahat Mesin Bubut Konvensional 2 Tipe Pinocho S-90 / 200 3 Putaran Spindel 40 2200 rpm 4 Maks Turning Diameter 0 200 mm 5 Tool Size 25 x 25 mm 6 Daya mesin 4 kw Gambar 2. Profil proyektor Prosedur Penelitian Gambar 4. Mesin bubut Pinochio tipe S-90/200 Mesin Gerinda Mesin gerinda merupakan mesin untuk mengasah dan digunakan membentuk sudut-sudut pahat sesuai dengan heometri yang digunakan oleh Balai Latihan Kerja. Alat Uji Kekerasan Alat uji kekerasan adalah alat yang diginakan untuk megetahui nilai kekerasan HSS dan benda kerja pada penelitian ini. Pada pengukuran kekerasan menurut Rockwell, sebuah benda pendesak ditekan dalam dua tingkat benda kerja yang dikerjakan licin. Maka kedalaman pendesakan yang tetap merupakan ukuran untuk kekerasan, yang sekaligus dapat dibaca pada jam ukur. Sudut antara dua permukaan objek ukur dapat diukur melalui bayangan yang terbentuk pada kaca buram dari profil proyektor (Gambar. 2). Setelah bayangan difokuskan (diperjelas garis tepinya) dengan cara mengatur letak benda ukur Metode yang digunakan untuk penelitian ini adalah metode eksperimental, terbagi dalam beberapa tahapan berikut: Penyiapan Pahat dan Benda Kerja Penelitian ini menggunakan material pahat HSS Bohler MO yang geometri sudutnya telah dibentuk, disesuaikan dengan spesifikasi yang digunakan oleh BLK sedangkan benda kerjanya adalah AISI 4340 dengan tegangan tarik yang telah diketahui. Dari tegangan tarik benda kerja yang telah diketahui dikonversikan dengan Tabel 1, diperoleh sudut geram orthogonal (γ o). Sudut bebas orthogonal (α o) dipilih 12, berdasarkan pada besarnya gerak makan. Gambar 3. Alat uji kekerasan permukaan
142 Pengukuran dapat dilakukan dengan bentuk sebuah kerucut intan dengan sudut puncak 120 dan ujungnya yang dibulatkan sebagai benda desak. Maka ini disebut rockwell-c (dari bahasa Inggris yaitu Cone), dinyatakan dengan HRC. Biasanya metode ini dipakai untuk bahanbahan yang keras. Pengukuran dapat juga dilakukan dengan sebuah peluru baja kecil yang keras dengan diameter 1/16" (1,59 mm) sebagai benda pendesak maka ini disebut Rockwell-B (B dari bahasa Inggris yaitu Ball), dinyatakan dengan HRB. Rockwell-B terutama dipakai untuk bahan-bahan yang lunak seperti almunium, tembaga dan baja lunak. Pada HRB di ukur lagi pendesakan yang tetap dari peluru setelah dibebani 100 kgf (=981 N). Profil Proyektor Profil Proyektor digunakan untuk melihat berapa besar keausan tepi vb yang terjadi akibat proses pemesinan yang dialami oleh pahat HSS dengan menggunakan pembesaran 50X. Karena gerak makan pada penelitian ini sebesar 0.05 mm/rev. Dan pemilihan sudut K,' sebesar 7 karena diasumsi pemotongan kaku dan α' sebesar 8. Pemilihan Variabel Permesinan, Kecepatan Potong (v) dan Kedalaman potong (α) Kecepatan potong yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. V 1 = 18,01 2. V 2 = 15,68 3. V 3 = 24,55 4. V 4 = 20,28 untuk memperoleh kecepatan potong (v) yang telah ditentukan di atas, dengan menggunakan rumus (1) dan (2) dilakukan pemilihan dua kecepatan spindle yaitu 185 dan 340 rpm dan penyesuaian diameter benda kerja. Kedalaman potong yang digunakan konstan yaitu 2 mm, disesuaikan dengan pekerjaan yang dilakukan. Harga batas keausan tepi untuk material pahat HSS dan benda kerja baja antara 0,3 mm hingga 0,8 mm. Maka dalam penelitian ini ditetapkan harga batas keausan tepi (V B) sebesar 0,3 mm. Proses pembubutan dan pengujian keausan tepi Proses pengambilan data keausari tepi vb diambil pada setiap panjang pemesinan (l t) adalah 100 mm pada masing-masing kecepatan potong (v). Kemudian keausan mata pahat dilihat dengan menggunakan profil proyektor dengan pembesaran 50X. Umur pahat (T) pada masing -masing kecepatan potong didapatkan dengan cara regresi linier. Prosedur Pengambilan Data Adapun data-data yang akan diperoleh dari penelitian ini adalah : Tabel 6. Data Keausan tepi (V B) pada variasi kecepatan potong No Sampel 1 2 3 4 5 1 v1 = 18,01 VB1 VB2 VB3 VB4 VB5 2 v2 = 15,68 VB6 VB7 VB8 VB9 VB10 3 v3 = 24,55 VB11 VB12 VB13 VB14 VB15 4 v4 = 20,28 VB16 VB17 VB18 VB19 VB20 Tabel 7: Umur Pahat Kecepatan potong (v, ) 18,01 15,68 24,55 20,28 Sampel pada Vbmax Sv1 Sv2 Sv3 Sv4 (0,3 mm) Waktu pemotongan tv1 tv2 tv3 tv4 (tc, dtk) Umur pahat (T, dtk) Tv1 Tv2 Tv3 Tv4 HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Kekerasan Benda Kerja dan Pahat Dengan menggunakan uji kekerasan Rockwell-B dengan pembebanan 100 kgf, didapat data nilai kekerasan benda kerja pada 5 titik, seperti Tabel 7.
143 Tabel 8. Data uji kekerasan Rockwell-B Titik HRB 1 96 2 97.5 3 96 4 95 5 95 Rata-rata HRB 95.9 Untuk mengetahui kekerasan pahat, digunakan uji kekerasan Rockwell-C dengan pembebanan 150 kgf, didapat data nilai kekerasan pahat pada 3 titik seperti pada Tabel 9. Tabel 9. Data uji kekerasan Rockwell-C Titik HRC 1 76 2 76 3 76 Rata-rata HRC 76 4.2. Bahan dan Geometri Pahat Pahat yang digunakan adalah pahat HSS tipe Bhler Mo Rapid 1200. nilai tegangang tarik (<Tu) sebesar 900-1100 N/mm 2, gerak makan adalah 0,05 mm/rev, dan kedalaman potong 2 mm maka pahat dapat dibentuk dengan geometri seperti tabel 6 dan gambar 4. Tabel 10. Spesifikasi bahan dan geometri Pahat HSS Tipe Bohler Mo Rapid 1200 Lebar x Panjang 5/8 in x 6 in Sudut Potong Utama (Kr) 90 o Sudut Bebas Orthogonal (ao) 12 o Sudut Bebas (a ) 8 o Sudut Potong Bantu (Kr ) 7 o Sudut Geram Orthogonal (/,,) 12 o Gambar 4. Pahat potong Kondisi Pemotongan Kondisi pemotongan yang dilakukan dengan beberapa kondisi kecepatan potong (v) diperlihatkan pada tabel 11 berikut : Tabel 11. Kondisi pemotongan benda kerja No V () Do(mm) Dm(mm) Panjang (mm) 1 18,01 33 29 100 2 15,68 29 25 100 3 24,55 25 21 100 4 20,28 21 19 100 Gambar benda kerja yang belum dilakukan proses pemotongan diperlihatkan pada Gambar 5 dan benda kerja yang telah dilakukan proses pemotongan diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 5. Benda kerja sebelum dilakukan proses pemotongan Gambar 6. Kondisi pemotongan untuk kecepatan potong 4 Perhitungan Elemen Dasar Proses Bubut : 1. Kedalaman potong, persamaan [4] a = (do dm)/2 = (33 29)/2 = 2 mm 2. Lebar feram, persamaan [4] b = a/sin Kr = 2/sm 90 = 2 mm Hasil Pengujian Keausan Tepi (V B) dan Analisis Hasil proses pembubutan dan pengukuran dengan profil proyektor, digambarkan grafik pada Gambar 7.
144 Kecepatan potong () Gambar 10. Hubungan antara umur pahat dengan kecepatan potong Gambar 7. Grafik hubungan keausan tepi VB terhadap jumlah sampel pada kecepatan potong yang bervariasi. Gambar 8. Grafik hubungan waktu potong tc dengan keausan tepi vb Kecepatan Potong () Gambar 9. Hubungan Sampel dengan kecepatan potong Tabel 12. Umur Pahat Kecepatan potong (v, ) Sampel pada Vbmax (٨3 mm) Waktu pemotongan (tc, dtk) Umur pahat (T, dtk) 18,01 15,68 24,55 20,28 5,263 5,346 5 5,01 648,6 648,6 352,8 352,8 3413,58 3467,42 1764 1767,53 Banyak sampel yang telah dikerjakan dikalikan dengan waktu pemotongan (t c) akan didapatkan umur pahat pada masing-masing kecepatan potong. Dari Gambar 10 di atas dapat dilihat umur pahat menurun dengan bertambahnya waktu pemotongan, kedalaman potong serta kecepatan potong. Pada saat awal digunakan pertumbuhan keausan relatif cepat dengan membentuk pola linier. Pada kecepatan yang tinggi pahat dapat mengerjakan dengan waktu relatif cepat tetapi temperatur pahat meningkat membuat keausan pahat akan cepat terjadi. Kedalaman potong yang relatif besar juga membuat umur pahat menurun karena beban yang diberikan cukup besar dan permukaan kontak yang luas menimbulkan pahat cepat aus. Dari Gambar 10 di atas dapat dilihat umur pahat tertinggi pada penelitian ini pada kecepatan potong 15,68 sebesar 4048,56 detik dan umur pahat terendah pada kecepatan potong 24,55 sebesar 1764 detik. Hal ini menunjukkan dengan kedalaman potong sebesar 2 mm serta kecepatan yang tinggi akan menurunkan umur pahat. Simpulan SIMPULAN DAN SARAN Dari hasil pembahasan dan analisis yang telah dilakukan dalam penelitian ini maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu: 1. Besarnya kedalaman potong rnembuat pahat semakin cepat aus dan pada penggunaan kecepatan yang cukup tinggi resiko kegagalan pada pahat relatif besar. 2. Tingginya kecepatan potong (v) menurunkan fungsi umur pahat, hal ini dapat dilihat pada penelitian ini
145 bahwa urnur pahat tertinggi berada pada kecepatan putong 15,68. 3. Dari tingginya umur pahat yang didapat pada kecepatan 15,68 maka kecepatan potong (v) dikatakan optimal untuk pembubutan AISI 4340 menggunakan pahat High Speed Steel (HSS), dengan diameter benda kerja (d) 27 mm, putaran spindel (n) 185 rpm dan kedalamam potong (a) sebesar 2 mm. Saran Dari penelitian yang telah dilakukan, maka saran-saran yang dapat diberikan untuk 1. Pada pembubutan dengan kombinasi pahat High Speed Steel (HSS) dengan benda keija AISI 4340 kecepatan optimal adalah 15,58 karena pahat menunjukkan umur yang tinggi yang memungkinkan pahat dapat digunakan cukup lama. 2. Penelitian perlu dikembangkan dengan memvariasikan kedalaman potong dan pemotongan dengan menggunakan pendingin (coolant). DAFTAR PUSTAKA Boothroyd, G., 1975, Fundamentals of Metals Machinmg and Machine Tools. Mc Graw Hill, Tokyo, Japan. Cakir, M. C., dan Isik, Y., 2004, Detecting Tool Breakage In Turning AISI 1050 Steel Using Coated and Unocoated Cutting Tools, Journal of Material Processing Technology. Donaldson, C., LeCain, G.H., dan Goold, V. C., 1976, Tool Design. McGraw Hill Publishing Company. Ltd., New Delhi. Groove, M.P., 1997 Fundamental of Modern Manufacturing. Prantice Hall. Hamni, S., 2005, Penentuan Pahat Potong pada Mesin CNC Berdasarkan Pertumbuhan Keausan Tepi dengan Metode Linier. Laporan Penelitian Teknik Mesin, Universitas Lampung, Bandar Lampung. Ibrahim, G.A., Mudjijana, dan Sujitno, T., 2004, Pengaruh Tebal Potong Terhadap Laju Keausan Pahat Bubut HSS Yang Dilapisi TiN Dengan Teknik Sputtering DC. Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri, Yogyakarta. Kalpakjian, S., 1997, Manufacturing Processes for Enginering Materials. Addison Wesley Logman, Inc., Canada, USA. Krar, S.F., Rapisarda, M., dan Check, A.F., 1997, Machine Tool and Manugacturing Tecchnologi. Dalmar Publisher, USA. Rochim, T., 1993, Teori dan Teknologi Proses Pemesinan. ITB, Bandung.