PENGARUH TEGANGAN DAN VARIASI JARAK CELAH (GAP) PADA PROSES ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM) MENGGUNAKAN ELEKTRODA KUNINGAN TIDAK TERISOLASI TERHADAP NILAI MRR, OVERCUT, DAN
KETIRUSAN PADA ALUMINIUM 1100 TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 pada Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh : Fahmi Rokin 2012 013 0063
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
i TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 pada Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh : Fahmi Rokin 2012 013 0063
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
ii LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
PENGARUH TEGANGAN DAN VARIASI JARAK CELAH (GAP) PADA PROSES ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM) MENGGUNAKAN ELEKTRODA KUNINGAN TIDAK TERISOLASI TERHADAP NILAI MRR,
OVERCUT, DAN KETIRUSAN PADA ALUMINIUM 1100 Disusun Oleh:
Fahmi Rokin 20120130063
Telah Dipertahankan Di Depan Tim Penguji Pada Tanggal, 8 September 2016
Susunan Tim Penguji:
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Ir. Aris Widyo Nugroho M.T.,PhD. Sunardi, S.T., M.Eng. NIK. 19700301199509 123 022 NIK. 19770210201410 123 068
Penguji,
Muhammad Budi Nurrahman S.T. M.Eng. NIP. 19790523 200501 1 001
Tugas Akhir Ini Telah Dinyatakan Sah Sebagai Salah Satu Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Tanggal : Mengesahkan
Ketua Program Studi Teknik Mesin
iii Nama : Fahmi Rokin
NIM : 20120130063
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang berjudul: PENGARUH TEGANGAN DAN VARIASI JARAK CELAH (GAP) PADA PROSES ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM) MENGGUNAKAN ELEKTRODA KUNINGAN TIDAK TERISOLASI TERHADAP NILAI MRR,
OVERCUT, DAN KETIRUSAN PADA ALUMINIUM 1100 adalah benar-benar hasil karya sendiri, kecuali jika disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta bukan karya jiplakan. Saya bertanggung jawab atas keabsahan dan kebenaran isinya sesuai dengan sikap ilmiah yang harus dijunjung tinggi.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya, tanpa adanya tekanan dan paksaan dari pihak manapun serta bersedia mendapat sanksi akademik bila ternyata di kemudian hari pernyataan ini tidak benar.
Yogyakarta, 8 September 2016 Yang menyatakan,
iv INTISARI
Pemesinan ECM tidak terlepas dari nilai MRR, overcut, dan ketirusan yang dipengaruhi oleh flow rate elektrolit, feed rate, voltage, jarak celah (gap), konsentrasi elektrolit, dan jenis elektrolit yang digunakan. Pada proses ECM peran dari tegangan dan gap sangatlah penting. Tanpa adanya tegangan dan gap
proses pemesinan tidak akan terjadi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap nilai MRR, overcut, dan ketirusan.
Pemesinan yang dilakukan yaitu membuat lubang pada benda kerja, dengan diameter 3 mm. Benda kerja dari bahan aluminium 1100 dengan ketebalan 0.4 mm, dimana tool terbuat dari bahan kuningan pejal berdiamater 3 mm. Variasi tegangan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 7, 10, 13 volt dan gap yang digunakan yaitu 0.5, 0.75, dan 1 mm.
Semakin besar tegangan dan gap yang digunakan maka nilai MRRnya akan semakin besar pula. MRR terbesar yaitu 1,505 x 10-4 mm3/dt pada tegangan 13 volt dan gap 1 mm. Semakin besar tegangan dan gap yang digunakan maka nilai overcutnya juga semakin besar. Overcut terkecil yaitu 1,48 mm pada tegangan 7 volt dan gap 0,5 mm. Tegangan dan gap yang besar membuat arus akan menyebar kesamping permukaan benda kerja dan menyebabkan hasil pemesinan tidak merata sehingga menghasilkan ketirusan yang bervariasi. Nilai ketirusan terkecil yaitu 12,48 (o) pada tegangan 10 volt dan gap 0,5 mm.
v “
anugerahkan kepada kita, karna orang lain belum tentu
mendpatkan nikmat yang kita peroleh seperti sekarang ini
”
“
Pada dasarnya setiap diri kita terlahir untuk menjadi pemenang,
namun untuk mendapatkannya kita harus merencanakan,
mempersiapkan, dan mengharapkan kemenangan itu”
“
Setinggi apapun pangkat yang kamu peroleh, kesuksesan yang
kamu dapat, dan cita-cita yang telah tercapai janganlah kamu
vi MENGGUNAKAN ELEKTRODA KUNINGAN TIDAK TERISOLASI TERHADAP NILAI MRR, OVERCUT, DAN KETIRUSAN PADA ALUMINIUM 1100 ”.Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan akademis untuk menyelesaikan Program Strata-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini kami ucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir.Aris Widyo Nugroho M.T.,Ph.D. Selaku dosen pembimbing 1 yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan dan petunjuk sampai Tugas Akhir ini selesai.
2. Bapak Sunardi S.T., M.eng., Selaku dosen pembimbing 2 yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan dan petunjuk sampai Tugas Akhir ini selesai.
3. Bapak Muhammad Budi Nurrahman S.T. M.Eng., Selaku dosen penguji Tugas Akhir ini.
5. Ayahanda dan ibunda tercinta ,serta seluruh keluarga atas dukungan morilnya selama ini .
6. Bapak Novi Caroko S.T.,M.eng. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin yang juga telah membantu dalam masalah pribadi saya.
7. Teman satu kontrakan barokah sitho, dobleh, komar, bibin, dede yang selalu memberikan semangat dan menghbur selama pengerjaan tugas akhir ini.
8. Teman satu seperdolanan ariq dicky pratama yang selalu menemani dalam berwisata kuliner ketika bosan melanda.
vii 13. Seluruh mahasiswa teknik mesin, “M” Solidarity Forever .
14. Seluruh pihak yang telah membantu kami, yang tak dapat kami sebutkan semua satu per satu. Karena keterbatasan dalam pengetahuan dan pengalaman, kami menyadari bahwa terdapat banyak kekurangan dalam Tugas Akhir kami ini. Maka kritik dan saran dari anda sangat kami harapkan untuk pengembangan selanjutnya. Besar harapan kami sekecil apapun informasi yang ada dibuku kami ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Yogyakarta, 8 September 2016
viii
2.2.1 Electro Chemical Machining (ECM)...12
ix
3.2. Tempat dan Waktu Penelitian…... 31
3.2.1. Tempat Penelitian...31
3.2.2. Waktu Penelitian...31
3.3. Alat dan Bahan Penelitian...…..31
3.3.1. Peralatan Penelitian...32
3.10. Pengujian Terhadap Material Benda Kerja …...……….….41
3.10.1. Persiapan Cairan Elektrolit………...……...……..41
3.10.2. Proses Pemesinan…………...……….……...41
3.11. Pengukuran Hasil Pengujian... …...……….…. 42
3.11.1. Pengukuran Material Removal Rate (MRR)……...……..42
3.11.2. Pengukuran Overcut dan Ketirusan...…...42
3.12. Pengumpulan Data…...……….…. 47
x
4.3.2. Hasil Pengukuran Overcut………...…….……...58
4.3.3. Hasil Pengujian Ketirusan…....………...……...……..60
4.4. Pembahasan…... 64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...65
5.1. Kesimpulan ...65
5.2. Saran… ... 65
DAFTAR PUSTAKA ...66
xi
Gambar 2.3 Elektroda kuningan …...…..7
Gambar 2.4 Perbandingan overcut....8
Gambar 2.5 Hasil lubang pemesinan menggunakan ECM dengan benda kerja (a) kuningan (b) stainless steel (c) aluminium ...9
Gambar 2.6 Hasil lubang material aluminium (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan …………...10
Gambar 2.7 Sudut overcut material stainless steel (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan ...11
Gambar 2.8 Sudut overcut material aluminium (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan ...11
Gambar 2.9 Prinsip ECM ...………..15
Gambar 2.10 Reaksi proses pemesinan ECM pada besi ...16
Gambar 2.11. Skema representatif reaksi pada ECM ...………17
Gambar 2.12. Electrolyte Jet ...……….18
Gambar 2.13. Indentasi (cekungan) pada permesinan mikro ...18
Gambar 2.14. Konfigurasi ECDR... ……….19
Gambar 2.15. Skema STEM ...……….20
Gambar 2.16. Skema Electrostream...21
Gambar 2.17. Electro Chemical Jet Drilling…...………21
Gambar 2.18. Mekanisme ECDB …...……….22
Gambar 2.19. Komponen sistem pada ECM …….………...22
Gambar 2.20. Sistem mekanik / frame …...……….25
Gambar 2.21. sistem sirkulasi elektrolit ...………..26
Gambar 2.22. kontroler 3 axis...27
Gambar 2.23. Parameter yang mempengaruhi akurasi pada ECM...28
xii Gambar 3.1. (a) ECM portable, (b) Magnetic stirrer, (c) Timbangan
digital...32
Gambar 3.2. Ukuran toolelektrode untuk pengujian ………...33
Gambar 3.3. Elektroda Kuningan ……….33
Gambar 3.4. (a) NaCl,(b) Aquades ……….……….33
Gambar 3.5. Pencampuran NaCl dan Aquades menggunakan magnetic stirrer...34
Gambar 3.6. Ukuran benda kerja plat aluminium 1100…………...……….34
Gambar 3.7. Benda kerja plat Aluminium 1100………...35
Gambar 3.8. Diagram alir penelitian ………...……….37
Gambar 3.9. Layar Load G-code……….………38
Gambar 3.10. contoh program G-code………..………..38
Gambar 3.11. Tampilah G-code………....………..39
Gambar 3.12. (a) Benda kerja, (b) Dimensi isolator, (c) Benda kerja setelah diisolasi………...……..40
Gambar 3.13. Pengukuran massa menggunakan timbangan digital...43
Gambar 3.14. Pengujian makro……….43
Gambar 3.15. a. Tampilan image j, b. Benda yang akan di set scale, dan c. Tampilan set scale ………44
Gambar 3.16. a. Tampilan pemberikan tanda oval, b. Tampilan yang sudah di beri warna, c. Tampilan tracing tool, dan d. Tampilan menu roi manager………….………...45
Gambar 3.17. a. Tampilan roy manager, b. Tampilan daerah yang ingin di wracing, dan c. Tampilan Result…………...46
Gambar 4.1 Mesin ECM portable ...………...49
Gambar 4.2 sett up ECM portable yang digunakan dalam penelitian ……….…49
Gambar 4.3. Grafik pengaruh waktu dan tegangan terhadap arus (a) gap 0,5 mm, (b) gap 0,75 mm (c) gap 1mm …………...…………51
Gambar 4.4. Grafik pengaruh tegangan dan gap terhadap arus ……….………..52
xiii 7,10, dan 13 pada gap 0,75 mm dalam waktu 186 detik bagian depan (atas), bagian belakang (bawah)…………...54 Gambar 4.8. Gambar hasil pemesinan ECM Aluminium1100 dengan tegangan
7,10, dan 13 serta gap 1 mm dalam waktu 186 detik bagian depan (atas), bagian belakang (bawah)…...55 Gambar 4.9. Grafik pengaruh tegangan dan jarak celah (gap) terhadapnilai MRR
pada material aluminium1100...…57 Gambar 4.10. Pengaruh tegangan dan gap terhadap nilai Overcut pada material
aluminium 1100 bagian belakang …...60 Gambar 4.11. foto makro ketirusan (a) tegangan 10 volt gap 0,5 mm, (b) tegangan
xiv DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Overcut rata-rata dengan elektroda kuningan berdiameter 2 mm …...8
Tabel 2.2. Perbandingan overcut rata-rata dan sudut overcut rata-rata ...…...9
Tabel 2.3. Perbandingan overcut rata-rata dan presentase...10
Tabel 2.4. Elektrolit dan laju permesinan berbagai benda kerja...24
Tabel 3.1. Komposisi kandungan unsur logam aluminium 1100 ……….……....35
Tabel 3.2. Spesifikasi ECM portable ...……….……....40
Tabel 3.3. Lembar pengamatan uji MRR ...……….……....47
Tabel 3.4. Lembar Pengamatan Uji Overcut……….…...…....47
Tabel 3.5. Lembar Pengamatan Uji Ketirusan ...……….……....48
Tabel 4.1. Hasil proses pemesinan ECM dalam waktu 186 detik dengan flowrate 3 (LPM)………...……….50
Tabel 4.2. MRR hasil pemesinan pada material aluminium 1100..………...57
Tabel 4.3. Overcut hasil pemesinan pada material aluminium 1100………..…...59
xv Lampiran 3. Hasil image-j overcut aluminium 1100 dengan gap 0,5 mm dan
waktu pemesinan 186 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah)...69 Lampiran 4. Hasil image-j overcut aluminium 1100 dengan gap 0,75 mm dan waktu pemesinan 186 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah)...70 Lampiran 5. Hasil image-j overcut aluminium 1100 dengan gap 1 mm dan waktu pemesinan 193 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah)...70 Lampiran 6. Gambar image-j diameter terluar bagian depan aluminium 1100...71 Lampiran 7. Tabel ukuran diameter terbesar bagian depan aluminium 1100...71 Lampiran 8. Gambar image-j diameter terluar bagian belakang aluminium
1100...72 Lampiran 9. Tabel ukuran diameter terbesar aluminium 1100 bagian belakang...72 Lampiran 10. Poto makro ketirusan aluminium 1100 dengan tegangan 10 volt,
gap 0,5 mm dan waktu pemesinan 193 detik...73 Lampiran 11. Poto makro ketirusan aluminium 1100 dengan tegangan 10 volt,
gap 0,75 mm dan waktu pemesinan 186 detik...73 Lampiran 12. Poto makro ketirusan aluminium 1100 dengan tegangan 10 volt,
Tanpa adanya tegangan dan gap proses pemesinan tidak akan terjadi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap nilai MRR, overcut, dan ketirusan.
Pemesinan yang dilakukan yaitu membuat lubang pada benda kerja, dengan diameter 3 mm. Benda kerja dari bahan aluminium 1100 dengan ketebalan 0.4 mm, dimana tool terbuat dari bahan kuningan pejal berdiamater 3 mm. Variasi tegangan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 7, 10, 13 volt dan gap yang digunakan yaitu 0.5, 0.75, dan 1 mm.
Semakin besar tegangan dan gap yang digunakan maka nilai MRRnya akan semakin besar pula. MRR terbesar yaitu 1,505 x 10-4 mm3/dt pada tegangan 13 volt dan gap 1 mm. Semakin besar tegangan dan gap yang digunakan maka nilai overcutnya juga semakin besar.
Overcut terkecil yaitu 1,48 mm pada tegangan 7 volt dan gap 0,5 mm. Tegangan dan gap yang besar membuat arus akan menyebar kesamping permukaan benda kerja dan menyebabkan hasil pemesinan tidak merata sehingga menghasilkan ketirusan yang bervariasi. Nilai ketirusan terkecil yaitu 12,48 (o) pada tegangan 10 volt dan gap 0,5 mm.
1 BAB I
PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Electro Chemical Machining (ECM) merupakan salah satu mesin non-konvensional yang sedang dikembangkan saat ini. ECM ini digunakan untuk memproses berbagai jenis material yang bersifat konduktor listrik. ECM didasarkan pada proses anodic dissolution dalam elektrolisis (Tlusty, 2000). Sebagaimana pada hukum Faraday, yaitu jika ada dua logam elektrode direndam dalam larutan elektrolit dan dihubungkan dengan sumber arus DC, maka partikel logam akan terlepas dari anode dan kemudian akan melekat ke cathode. Aliran elektrolit yang cukup kuat akan mencegah partikel logam melekat pada cathode
dan akan membuang partikel – partikel tersebut dari area pemesinan.
Pemesinan ECM agar menghasilkan kualitas yang bagus harus memperhatikan beberapa faktor seperti: beda tegangan dimana perbedaan tegangan antara kedua jenis logam tersebut akan menentukan besar-kecilnya arus yang mengalir dalam pemesinan, ukuran diameter pahat, jenis material pahat, jenis cairan elektrolit yang digunakan, jenis material workpiece, dan jarak gap antara elektroda dan workpiece. Parameter kualitas pemesinan meliputi besarnya nilai toleransi suaian dari dimensi rencana yang akan dibuat (overcut), efek ketirusan, material removal rate (MRR), serta kualitas tingkat kekasaran permukaan workpiece setelah di machining ( surface roughness) (El-Hofy, 2005).
Beberapa penelitian terdahulu, antara lain tentang penelitian variasi nilai konsentrasi larutan pengaruhnya terhadap overcut, nilai MRR dan efek ketirusan pada pemesinan ECM. Semakin besar nilai konsenterasi maka nilai MRR akan semakin besar. Semakin besar nilai konsentrasi maka waktu pemesinan akan semakin turun atau semakin singkat (Budiman, 2012). Penelitian lainnya (Permana, 2012) yang mempelajari tentang pengaruh besarnya feed rate terhadap MRR, overcut, dan surface roughness yang terjadi setelah pemesinan berlangsung. Penelitian ini menggunakan tool elektoda aluminium, benda kerja
Pada penelitiannya besarnya MRR yang terjadi pada benda kerja berbanding lurus dengan besarnya feed rate. Sebaliknya, overcut yang terjadi pada benda kerja berbanding terbalik dengan besarnya feed rate. Surface roughness yang dihasilkan pada pemesinan juga berbanding terbalik dengan laju pemakanan / feed rate.
Plat Aluminium memiliki kekuatan baik pada suhu yang dingin namun dan termasuk penghantar listrik yang baik.
Berbagai penelitian ECM telah dilakukan, akan tetapi pada penelitian-penelitian terdahulu belum mempelajari mengenai pengaruh variasi jarak celah (gap) terhadap MRR, overcut dan ketirusan dengan cairan elektrolit NaCl sehingga perlu untuk diteliti lebih lanjut sejauh mana pengaruh variasi jarak celah (gap) dan tegangan yang terjadi pada proses ECM khususnya terhadap material aluminium 1100.
Dengan latar belakang tersebut maka perlu adanya analisis pengaruh tegangan dan variasi jarak celah (gap) pada proses electrochemical machining
(ECM) menggunakan elektroda kuningan tidak terisolasi terhadap nilai MRR,
overcut, dan ketirusan pada aluminium 1100. 1.2. Perumusan Masalah
Dari latar belakang di atas dapat dirumuskan suatu permasalahan yang harus dipecahkan pada proses pemesinan ECM dengan workpiece plat Aluminium 1100 dan cairan elektrolit berupa NaCl yaitu :
1. Bagaimana pengaruh jarak celah (gap) dan tegangan terhadap nilai MRR pada pemesinan ECM ?
3
3. Bagaimana pengaruh jarak celah (gap) dan tegangan terhadap ketirusan pada pemesinan ECM ?
1.3. Batasan Masalah
Dalam penyusunan hasil penelitian ini diberikan pembatasan masalah agar dapat menghasilkan suatu yang lebih bersifat khusus dan bermanfaat. Adapun batasan masalah yang diberikan adalah sebagai berikut :
1. Tidak membahas mengenai rangkaian elektronika pada kontrol mekanik mesin ECM dan power supply.
2. Tidak membahas reaksi kimia yang terjadi pada proses pemesinan ECM. 3. Tidak membahas tentang perhitungan statika struktur pada mesin ECM.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan utama dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan jarak celah (gap) terhadap nilai MRR.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan jarak celah (gap) terhadap nilai overcut.
3. Untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan jarak celah (gap) terhadap nilai sudut ketirusan.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini:
1. Bagi dunia akademik dapat memberikan pengetahuan mengenai pemesinan non-konvensional ECM, hal-hal yang mempengaruhi hasil pemesianan ECM, dapat digunakan sebagai referensi dan pengembangan selanjutnya.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini secara garis besar adalah:
BAB I : Pendahuluan, berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan Tugas Akhir.
BAB II : Kajian pustaka dan dasar teori, bab ini menjelaskan mengenai kajian pustaka, dasar teori meliputi pengertian ECM, prinsip kerja ECM, elemen proses ECM, elektrolisis pada ECM, kekurangan dan kelebihan ECM.
BAB III : Metodologi penelitian, bab ini menjelaskan tentang tempat penelitian, alat dan bahan penelitian, diagram alir penelitian, proses persiapan alat dan bahan.
BAB IV : Hasil dan pembahasan, pada bab ini berisi tentang analisis MRR,
Ovecut, dan ketirusandari hasil pemesinan ECM.
5 BAB II
KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1. Kajian Pustaka
Penelitian yang dilakukan oleh Budiman, (2012) tentang variasi nilai konsentrasi larutan pengaruhnya terhadap overcut, nilai Material Removal Rate
(MRR) dan efek ketirusan pada pemesinan ECM. Pada penelitian ini benda kerja yang digunakan adalah SKD 11 yang biasa digunakan untuk pembuatan punch, dies, cutting tool, dan proses lainnya yang membutuhkan sifat tahan aus yang tinggi dengan panjang 100 mm, lebar 36,80 mm dan tebal 4,2 mm. Material pahat yang digunakan dalam percobaan ini adalah tembaga (Cu) berbentuk silinder berlubang dengan diameter dalam 9 mm dan diameter luar 10 mm. Pemilihan tembaga sebagai material dari pahat karena tembaga mempunyai sifat penghantaran listrik yang baik dan material tersebut mudah didapatkan. Kesimpulannya semakin besar nilai konsentrasi larutan maka MRR yang terjadi akan semakin besar. Hal ini mengacu pada reaksi kimia antara NaCl dan H2O.
Dimana dengan semakin pekatnya konsentrasi larutan yang terbentuk dari reaksi antara NaCl dan H2O maka kadar asam (HCl) yang terbentuk juga akan
meningkat. Selain itu semakin besar nilai konsentrasi maka waktu pemesinan akan semakin turun. Hal ini berarti bahwa waktu yang dibutuhkan untuk proses pemesinan akan lebih cepat untuk nilai konsentrasi yang lebih tinggi. Nilai konsentrasi yang tinggi akan mempengaruhi MRR tiap menit, dimana semakin tinggi nilai konsentrasi maka MRR yang terjadi juga akan naik. Hal inilah yang mempengaruhi waktu pemesinan yang semakin cepat seiring bertambahnya nilai konsentrasi larutan karena material yang dilepaskan dari logam induk semakin banyak dan cepat.
terjadi pada benda kerja berbanding lurus dengan besarnya feed rate yang digunakan saat pemesinan berlangsung. Hal ini disebabkan oleh jarak gap antara
tool elektroda dan benda kerja menjadi semakin kecil, sehingga efisiensi arus pemesinan pun bertambah tinggi. Sebaliknya, overcut yang terjadi pada benda kerja berbanding terbalik dengan besarnya feed rate pemesinan karena semakin tinggi feed rate yang digunakan maka semakin cepat waktu pemesinan, overcut
yang terbentuk akan semakin kecil. Hal ini disebabkan oleh semakin cepat waktu pemesinan untuk mencapai kedalaman tertentu, maka semakin sedikit material yang terlepas sehingga overcut yang dihasilkan semakin kecil. Hasil MRR dan
overcut yang terbentukdari penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 2.1.
(a) (b)
Gambar 2.1. Grafik rata-rata (a) overcut dan (b) MRR stainless steel J-430 (Permana, 2012)
7
Gambar 2.2. Grafik rata-rata surface roughness stainless steel j-430 (Permana, 2012)
Lapisan garam (salt layer) pada proses permesinan ECM dapat mengganggu distribusi arus pemesinan sehingga kekasaran permukaan menjadi tinggi. Proses ECM portable pada penelitian ini menggunakan elektrolit NaCl. Oleh karena itu, garam perlu dihilangkan dengan memecahnya menjadi ion Na+ dan Cl-. Semakin tinggi efisiensi arus pemesinan yang dihasilkan maka garam yang hilang menjadi ion akan semakin banyak dan distribusi arus pada elektrolit menjadi semakin merata.
Studi eksperimental lain dilakukan oleh Sudiarso dkk, (2013) dengan benda kerja plat kuningan, stainless steel 204, dan aluminium 1100, dimana semua benda kerja mempunyai ketebalan 1 mm. Sedangkan elektroda berdiameter 2 mm dengan bahan kuningan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Elektroda kuningan (Sudiarso dkk, 2013)
dalam bentuk grafis ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Tabel 2.1 Overcut rata-rata dengan elektroda kuningan berdiameter 2 mm (Sudiarso dkk, 2013)
NO Jenis Material Overcut rata-rata (mm)
Sudut overcut
rata-rata (o)
1 Kuningan 1.62 61
2 Stainless steel 204 0.30 43
3 Aluminium 1100 0.33 42
Gambar 2.4 Perbandingan overcut (Sudiarso dkk, 2013)
Hasil lubang yang telah dilakukan proses pemesinan ditunjukkan pada Gambar 2.5. Diantara ketiga bahan ini, hanya material kuningan yang belum menghasilkan lubang, hal ini disebabkan kuningan membutuhkan lebih banyak waktu untuk membuat lubang karena overcut rata-rata jauh lebih besar dari
9
(a) (b) (c)
Gambar 2.5 Hasil lubang pemesinan menggunakan ECM dengan benda kerja (a) kuningan (b) stainless steel (c) aluminium (Sudiarso dkk, 2013)
Percobaan lebih lanjut telah dilakukan dengan mengubah diameter tool elektroda kuningan menjadi 6 mm. Hasil proses pemesinan ditunjukkan pada tabel 2.2. Untuk durasi waktu proses mesin yang sama, yaitu 5.5 menit, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6 rata-rata diameter lubang pada material aluminium yang dihasilkan adalah 7.72 mm, sehingga rata-rata overcut sebesar 0.86 mm. Kemudian, jika overcut tersebut dibandingkan dengan diameter elektroda sekitar 14.36%. Hasil ini tidak menghasilkan banyak perbedaan dari persentase pada percobaan menggunakan elektroda 2 mm sebesar 16.50% seperti ditunjukkan pada tabel 2.3. Namun, untuk stainless steel, persentase overcut dengan diameter elektroda memiliki perbedaan yang signifikan jika menggunakan elektroda diameter 2 mm dan 6 mm. Stainless steel cenderung mempertahankan overcut, seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.2
Tabel 2.2 Perbandingan overcut rata-rata dan sudut overcut rata-rata (Sudiarso dkk, 2013)
NO Diameter (mm)
Tabel 2.3 Perbandingan overcut rata-rata dan presentase (Sudiarso dkk, 2013)
NO Diameter (mm)
Jenis Material Overcut rata-rata (mm)
Persentase (%)
1 2
Stainless steel 204 0.30 15.12 Aluminium 1100 0.33 16.50
2 6
Stainless steel 204 0.40 6.67 Aluminium 1100 0.86 14.36
Sudut overcut ditampilkan pada Gambar 2.7 dan 2.8. Dari Gambar 2.6 pada material stainless steel menggunakan elektroda 2 mm sudut disebelah kiri sebesar 43o, sedangkan sudut disebelah kanan menggunakan elektroda 6 mm sebesar 46o. Sementara itu, dari Gambar 2.7 pada material aluminium menggunakan elektroda 2 mm sudut disebelah kiri sebesar 42o, sedangkan sudut
di sebelah kanan menggunakan elektroda 6 mm sebesar 43o.
(a) (b)
11
(a) (b)
Gambar 2.7 Sudut overcut material stainless steel (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan (Sudiarso dkk, 2013)
(a) (b)
Gambar 2.8 Sudut overcut material aluminium (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan (Sudiarso dkk, 2013)
Dari hasil kajian pustaka tersebut maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
Semakin besar nilai konsenterasi maka nilai MRR akan semakin besar. Semakin besar nilai konsentrasi maka waktu pemesinan akan semakin turun atau semakin singkat (Budiman, 2012). Besarnya MRR yang terjadi pada benda kerja berbanding lurus dengan besarnya feed rate. Sebaliknya, overcut yang terjadi pada benda kerja berbanding terbalik dengan besarnya feed rate. Surface roughness
yang dihasilkan pada pemesinan juga berbanding terbalik dengan laju pemakanan / feed rate (Permana, 2012).
Material aluminium dan stainless steel memiliki kesamaan nilai overcut
berbahan sama sering menciptakan percikan api sehingga bunga api mempengaruhi hasil pemesinan. Namun sebaliknya dengan tool dan benda kerja yang berbahan berbeda, waktu pemesinan yang dibutuhkan lebih cepat. Semakin besar diameter elektroda, semakin besar pula overcut yang dihasilkan. Hal ini disebabkan luas permukaan elektroda semakin besar seiring besarnya diameter tersebut. Semakin besar diameter elektroda, membutuhkan arus yang lebih tinggi selama proses pemesinan (Sudiarso dkk, 2013).
Perbedaan penelitian ini dengan penelitian sebelumnya adalah perbedaan material benda kerja yang digunakan, untuk mengetahui hasil pemesinan ECM pada material tersebut. Material yang digunakan adalah tembaga sebagai elektroda dan stainless steel sebagai benda kerja. Penulis meneliti hasil pemesinan ECM
portable menggunakan tool elektroda terisolasi statis dengan variabel variasi tegangan dan jarak celah (gap) yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap MRR, overcut, dan efek tirus pada material stainless steel 304 dan alumunium 1100 hasil drilling proses ECM.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Electro Chemical Machining (ECM)
Electrochemical Machining (ECM) merupakan salah satu proses pemesinan non konvensional yang prinsip kerjanya berdasarkan hukum Faraday (1833). ECM adalah proses pemesinan yang bergantung pada penghapusan atom dari permukaan benda kerja (McGeough, 1988). ECM didasarkan pada proses
anodic dissolution dalam elektrolisis (Tlusty, 2000). ECM adalah proses elektrolisis dimana pembuangan logam terjadi karena pelarutan secara proses kimia dari benda kerja (Sudiarso, 2009). Elektrolisis adalah suatu proses kimia yang mana terjadi ketika ada arus listrik yang melewati dua elektroda yang terbenam di dalam larutan elektrolit. Contoh dari proses elektrolisis adalah
13
dibentuk antara benda kerja dengan tool. Oleh karena itu suplai arus yang tinggi dibutuhkan untuk memperoleh MRR yang tinggi.
ECM memanfaatkan reaksi kimia melalui pelepasan muatan listrik sehingga terjadi pelarutan anodis dari material benda kerja (anode) oleh elektroda (katode) yang keduanya bersifat konduktif (menghantarkan listrik). Listrik dengan kuat arus tinggi dan bertegangan rendah digunakan untuk melarutkan partikel logam dan mengikisnya dari benda kerja. Sumber tegangan yang digunakan adalah arus DC melalui perantara reaksi cairan elektrolit yang mengalir pada celah (gap) antara benda kerja dan elektroda. ECM biasa digunakan untuk proses pemesinan material yang mempunyai tingkat kekerasan sangat tinggi serta sulit dikerjakan dengan metode konvensional.
Pemesinan menggunakan ECM mempunyai beberapa kelebihan, antara lain:
1. Mampu melakukan permesinan pada benda kerja dengan kekerasan material yang tinggi karena prosesnya tidak dipengaruhi oleh kekerasan bahan benda kerja,
2. Pemesinan pada benda kerja jenis fragile parts dan brittle materials sangat aman menggunakan ECM,
3. Benda kerja non-rigid dapat diproses dengan mudah,
4. Tidak ada cutting force karena elektroda dan benda kerja tidak bersentuhan, 5. Mampu membuat bentuk yang kompleks yang sulit dikerjakan dengan
metode konvensional,
6. Dapat digunakan untuk memotong benda yang sangat kecil atau dengan sudut yang kecil,
7. Tidak ada kerusakan akibat pengaruh panas dan tekanan (thermal and mechanical stress) pada benda kerja,
8. Elektroda atau pahat lebih awet karena tidak ada keausan pemakaian, 9. Surface finish yang baik,
10.Dibandingkan dengan mesin konvensional, ECM memiliki time saving yang lebih baik,
Di samping kelebihan tersebut, ECM mempunyai banyak kekurangan, antara lain:
1. Memerlukan daya yang tinggi untuk mengoperasikan ECM,
2. Memerlukan waktu dan biaya tambahan untuk membuat elektroda sebagai alat potong pada ECM,
3. Penggunaan elektrolit dapat mengakibatkan korosi pada benda kerja dan mesin itu sendiri,
4. Pengikisan material benda kerja tergantung dari energi yang dipakai selama pemesinan.
2.2.2. Prinsip kerja pada Electro Chemical Machining (ECM)
Apabila arus listrik melewati dua elektroda melalui cairan elektrolit maka akan terjadi elektrolisis. Sistem elektrolit dan cairan elektrolit dinamakan sel elektrolisis. Reaksi kimia yang terjadi pada elektroda dinamakan reaksi anodis atau katodis. Disolusi anodis yang terjadi pada benda kerja merupakan dasar dari proses pemesinan ECM pada logam.
Dalam hukum Faraday tentang elektrolisis dinyatakan bahwa:
1. Jumlah massa zat yang dihilangkan oleh proses pemesinan, m, berbanding lurus dengan jumlah muatan listrik.
m ≈ Q. ...(2.1)
Q = I.t ...(2.2) 2. Jumlah substansi yang dihilangkan, m, dengan kuantitas elektrisitas yang
sama berbanding lurus dengan berat kimia ekuivalen substansi tersebut.
m~E ...(2.3)
...(2.4)
15
I : arus listrik, Ampere (A)
m : massa benda (g)
Q : jumlah muatan listrik (mol)
t : waktu permesinan, detik (s)
E : berat kimia ekuivalen
M : massa atom relatif (g)
Z : valensi benda kerja
Prinsip ECM yaitu proses pengerjaan material dengan cara pelarutan anodis (anodic dissolution) dari benda kerja oleh cairan elektrolit yang mengalir melalui celah (gap) antara benda kerja (anode) dan elektroda (katode), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. Benda kerja yang bertindak sebagai anode dihubungkan dengan sumber arus searah bermuatan positif (DC +), sedangkan elektroda (tool) katode dihubungkan dengan sumber arus searah bermuatan negatif (DC -) dan cairan elektrolit dialirkan di antara elektroda dan benda kerja.
Gambar 2.9. Prinsip ECM (McGeough, 1988)
Gambar 2.10. Reaksi proses pemesinan ECM pada besi (McGeough, 1988) 2.2.3. Reaksi kimia pada proses Electro Chemical Machining (ECM) 1. Pada Katode (elektroda):
a Proses pelapisan pada ion-ion logam
... (2.5) b Proses pembentukan gas hydrogen
Larutan bersifat asam Larutan bersifat basa
: :
... (2.6)
... (2.7)
2. Pada Anode (benda kerja)
a Proses pelarutan dari ion metal di dalam cairan elektrolit
... (2.8)
b Proses pembentukan gas oksigen Larutan basa
Larutan asam : :
... (2.9)
... (2.10)
c. Difusi, pergerakan ion akibat adanya medan listrik, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.11.
17
Gambar 2.11. Skema representatif reaksi pada ECM (Tlusty, 2000) 2.2.4. Proses Ideal Pada ECM
Pada proses pemesinan ECM terdapat kondisi ideal yang ditentukan sebagai berikut:
1. hukum faraday mencakup seluruh proses pada gap antar elektroda dan permukaan benda kerja,
2. pergerakan ion dan transfer elektron yang mengakibatkan disolusi pada permukaan benda kerja,
3. konduktivitas elektrik dan termal pada tengah-tengah gap bernilai konstan terhadap waktu dan tempat,
4. beda potensial, hambatan, efisiensi arus memiliki nilai yang tetap pada setiap titik permukaan benda kerja,
5. adanya flushing yang berfungsi untuk pendingin, medium elektrolisis, dan penghapusan tatal.
2.2.5. Jenis Electrochemical Machining (ECM)
Electrochemical Machining (ECM) terbagi menjadi beberapa jenis berdasarkan kebutuhan permesinan yang diperlukan, antara lain:
1. Micro-ECM
Gambar 2.12. Electrolyte Jet (El-Hofy, 2005)
Pada micro-ECM, tool mikro yang digunakan adalah electrolyte jet seperti pada Gambar 2.12 di mana benda kerja yang bergerak terhadap tool-nya. Jenis arus yang digunakan pada micro-ECM adalah pulse current (arus kotak) yang dapat menghasilkan indentasi (cekungan) yang kecil saat permesinan. Indentasi pada pemesinan mikro dapat dilihat pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13. Indentasi (cekungan) pada permesinan mikro (Masuzawa dan Tonshof, 1997)
2. Electro Chemical Drilling (ECDR)
19
Gambar 2.14. Konfigurasi ECDR (El-Hofy, 2005)
Proses pemakanan benda kerja juga terjadi pada arah lateral yaitu antara permukaan samping tool dan permukaan benda kerja di dekatnya sehingga diameter lubang yang dihasilkan lebih besar daripada diameter tool. Untuk hasil permesinan dengan oversize diameter yang rendah serta akurasi tinggi disarankan menggunakan laju pemakanan (feed rate) yang tinggi. Dengan kondisi yang sama,
material removal rate (MRR) dan surface quality yang dihasilkan pun lebih tinggi.
3. Shaped Tube Electrolytic Machining (STEM)
Proses disolusi akibat adanya perbedaan tegangan listrik di antara tool dan benda kerja merupakan prinsip dasar Shaped Tube Electrolyte Machining
Gambar 2.15. Skema STEM (El-Hofy, 2005)
Sistem konfigurasi permesinan pada STEM adalah sama dengan ECM, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.15 di atas. Namun sistem harus tahan terhadap asam (acid resistant), kekakuan tidak tinggi, dan memiliki power supply
dengan polaritas yang dapat diubah secara periodik. Karena proses permesinan pada STEM menggunakan elektrolit yang bersifat asam, maka penggunaannya terbatas untuk material yang tahan terhadap korosi (corrosion resistant materials). Diameter oversize lubang yang dihasilkan STEM lebih kecil daripada ECDR. Aplikasi permesinan STEM misalnya pada komponen mesin jet dan turbin gas seperti: Lubang pendingin pada sudu turbin, Fuel Nozzle, Pengeboran alur pelumasan pada bearing dimana penggunaan EDM dapat menyebabkan crack. 4. Electrostream (Capillary) Drilling
Electrostream (Capillary) Drilling merupakan pengembangan dan teknik khusus dari ECM yang digunakan untuk menghasilkan lubang (holes) yang baik dimana terlalu dalam apabila menggunakan EDM dan terlalu kecil jika menggunakan STEM. Tool yang digunakan adalah glass nozzle (diameter 0,025-0,50 mm).
Untuk mengkonduksikan arus pemesinan menuju elektrolit, digunakan kawat platina yang terpasang di dalam glass nozzle. Skema Electrostream
21
Gambar 2.16. Skema Electrostream (Capillary) Drilling (El-Hofy, 2005) 5. Electro Chemical Jet Drilling (ECJD)
Electro Chemical Jet Drilling (ECJD) digunakan dalam pembuatan lubang yang lebih kecil yang dapat dicapai menggunakan electrostream (Capillary) Drilling. Proses pemesinannya dapat dilihat pada Gambar 2.17 dimana nozzle
berperan sebagai katodenya.
Gambar 2.17. Electro Chemical Jet Drilling (El-Hofy, 2005)
Khusus Electrochemical Jet Drilling, besar tegangan listrik yang digunakan yaitu antara 400 sampai 800 Volt. Umumnya, lubang yang dihasilkan oleh ECJD lebih besar daripada Electrolyte Jet karena proses disolusi pada ECJD dibantu dengan tekanan air dari nozzle.
6. Electro Chemical Deburring (ECDB)
Electro Chemical Deburring (ECDB) digunakan untuk menghilangkan
diinginkan pada bagian komponen mesin sebagai hasil dari proses manufaktur dan perlu untuk dihilangkan. Mekanisme deburring pada ECDB ditunjukkan pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18. Mekanisme ECDB (El-Hofy, 2005) 2.2.6. Peralatan Electro Chemical Machining
Komponen utama pada mesin ECM yaitu terdiri dari sistem kontroler, sistem elektrolit, power supply, tool, sistem mekanis (frame), dan pemegang benda kerja seperti yang ditunjukkan Gambar 2.19 berikut.
Gambar 2.19. Komponen sistem pada ECM 1. Power Supply
23
beban. Power supply unregulated yang digunakan dalam penelitian ini memiliki spesifikasi berikut ini:
1. Tegangan 2-20 Volt (kontinu atau pulse), 2. Kisaran arus antara 5-60 ampere,
3. Penyesuaian tegangan pada gap berlangsung secara kontinu, 4. Pengendali arus dalam keadaan darurat (emergency),
5. proteksi arus pendek (short circuit) dalam 0,001 s.
2. Elektrolit
Fungsi utama elektrolit pada proses pemesinan ECM adalah:
a. Menciptakan kondisi anodic dissolution pada material benda kerja, b. Mengonduksikan arus permesinan,
c. Menghilangkan debris hasil reaksi dari proses ECM,
d. Memindahkan panas (dissipation) yang dihasilkan oleh proses pemesinan,
e. Mempertahankan suhu agar tetap konstan.
Elektrolit yang biasa digunakan adalah Natrium Klorida (NaCl), Natrium Nitrat (NaNO3), dan Natrium Hidroksida (NaOH). Pengoperasian ECM
Tabel 2.4. Elektrolit dan laju permesinan berbagai benda kerja (Metals Handbook, 1989)
3. Tool elektroda
Tool elektroda pada permesinan ECM harus tahan terhadap karat untuk waktu yang lama dan mampu menghantarkan listrik. Material yang digunakan sebaiknya bersifat anti-karat, mempunyai konduktivitas termal dan konduktivitas listrik yang baik, serta mudah dilakukan pemesinan sesuai geometri yang dibutuhkan. Akurasi dimensional dan surface finish pada tool elektroda berpengaruh langsung terhadap akurasi dan surface finish pada benda kerja. Aluminium, kuningan, tembaga, karbon, perak, stainless steel, dan monel adalah material yang biasa digunakan sebagai elektroda pada pemesinan ECM. Adapun material tool elektroda yang digunakan dalam penelitian ini adalah kuningan. 4. Benda kerja (workpiece)
25
terciptanya efisiensi arus dalam permesinan. Kereaktifan unsur benda kerja juga menjadi salah satu faktor yang dapat mempengaruhi hasil permesinan pada benda kerja. Selain itu, benda kerja yang diproses dengan pemesinan ECM adalah benda kerja yang bersifat mampu mendapat perlakuan panas.
5. Sistem mekanik (frame)
Sistem mekanik (frame) sangatlah penting karena Sistem mekanik adalah bagian yang menggerakan tool dan benda kerja yang akan di machining. Pada mesin ECM sistem mekanik haruslah kuat dan tahan terhadap karat supaya umur dari mesin bisa lebih lama. Bahan dari sistem mekanik terbuat dari alumunium dengan ketebalan 10 – 12 mm, alumunium memiliki sifat yang tahan terhadap karat dibanding dengan menggunakan besi pejal.
Gambar 2.20. Sistem mekanik / frame (Thoriquddin, 2016) 6. Sistem sirkulasi elektrolit
Gambar 2.21. sistem sirkulasi elektrolit (Thoriquddin, 2016)
Gambar 2.21 merupakan Gambar desain sistem sirkulasi elektrolit mesin ECM portable. Reservoir dipasang pada posisi paling bawah didalamnya terpasang pompa yang akan mengalirkan elektrolit (bersih) menuju tool dan meja kerja, dari meja kerja elektrolit (kotor) akan di alirkan ke dalam bak pengendap untuk di endapkan supaya elektrolit yang di alirkan ke reservoir sudah kembali bersih.
7. Sistem kontroler
27
Gambar 2.22. kontroler 3 axis (http://www.goodluckbuy.com/cnc-kit-3-axis-nema-23-stepper-motor-3-tb6560-driver-controller.html)
2.2.7. Akurasi ECM
Akurasi pada proses pemesinan ECM tergantung pada densitas arus yang dipengaruhi oleh:
1. Material ekivalen dan voltage gap, 2. Feed rate dan pasivasi,
3. Properti elektrolit seperti laju, pH, temperatur, konsentrasi, pressure, tipe, dan kecepatan.
Gambar 2.23. Parameter yang mempengaruhi akurasi pada ECM (El-Hofy, 2005)
Keakuratan proses pemesinan ECM diukur melalui overcut yang dihasilkan selama proses pemesinan berlangsung. Overcut yang dihasilkan diukur dengan cara membandingkan besarnya lubang yang ingin dibuat dengan besarnya lubang yang dihasilkan pada benda kerja. Semakin kecil overcut yang terbentuk maka semakin akurat proses pemesinan tersebut.
2.2.8. Material Removal Rate (MRR)
MRR adalah jumlah massa material benda kerja yang terkikis per satuan waktu. Secara teoritis MRR dapat dihitung berdasarkan prinsip Faraday tentang elektrolisis menggunakan persamaan di bawah ini :
...(2.11) ...(2.12)
29
m : massa dalam gram (g)
I : arus listrik, Ampere (A)
t : waktu permesinan, detik (dt)
F : konstanta Faraday, (96500 As)
Persamaan tersebut merupakan penyederhanaan dari beberapa asumsi dimana perhitungan tidak terpengaruh dari beberapa variabel proses, misalnya perubahan valensi disolusi elektrokimia saat pemesinan, evolusi gas serta pembentukan gelembung, konduktivitas listrik, temperatur yang bervariasi pada aliran elektrolit, over potential, dan lain-lain (McGeough, 1974).
Namun secara aktual besarnya MRR dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini :
... (2.13)
dimana,
MRR : Material Removal Rate (g/dt)
m0 : Massa benda kerja sebelum pemesinan (gram)
mt : Massa benda kerja setelah pemesinan (gram)
t : Waktu pemesinan (detik) 2.2.9. Overcut dan Ketirusan
Overcut didefinisikan sebagai penyimpangan yang menunjukkan bahwa ukuran lubang hasil drilling lebih besar dari ukuran pahat yang digunakan. Pada dasarnya overcut pada ECM tidak dapat dihilangkan 100%, karena
terbesar dan yang terkecil. Untuk lebih jelasnya overcut dan efek tirus diperlihatkan sesuai skema Gambar 2.23.
Gambar 2.24. Overcut dan efek tirus pada lubang hasil drilling ECM. Jadi overcutOc dirumuskan sebagai-berikut:
...(2.14)
Sedangkan ketirusan dihitung berdasarkan rumus:
α = …...(2.15) dengan,
Oc : overcut, milimeter (mm)
α
: ketirusan, derajat (°)d2 : diameter hasil drilling ECM bagian depan workpiece, milimeter
(mm)
d1 : diameter hasil drilling ECM bagian belakang workpiece,
milimeter (mm)
d0 : diameter tool, milimeter (mm)
31 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi penelitian merupakan suatu metode tentang segala kegiatan yang dilakukan dalam suatu penelitian. Dalam bab ini akan membahas segala sesuatu yang berkaitan langsung dengan penelitian seperti: tempat, waktu dilakukannya penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, apa saja yang menjadi variabel dalam penelitian, diagram alir penelitian,serta prosedur-prosedur penelitian.
3.1. Pendekatan Penelitian
Pendekatan penelitian merupakan suatu sistem pengambilan data dalam suatu penelitian. Penelitian ini menggunakan metode eksperimen yaitu suatu metode yang mengusahakan timbulnya variabel-variabel dan selanjutnya dikontrol untuk dilihat pengaruhnya.
3.2.Tempat dan Waktu Penelitian
3.2.1. Tempat penelitian : Laboratorium Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl. Lingkar barat , Tamantirto, Kasihan,Bantul (55183)
3.2.2. Waktu penelitian : 14 Mei 2016 3.3. Alat dan Bahan Penelitian
3.3.1. Peralatan Penelitian
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini diantaranya adalah: 1. ECM portable,
2. Regulator voltage berfungsi mengatur tegangan, 3. Gunting besiuntuk memotong benda kerja, 4. Cutting sticker untuk memotong sticker isolasi,
5. Amplas dan kikir, untuk menghaluskan part yang selesai dibuat, 6. Jangka sorong untuk mengukur benda kerja,
8. Kamera saku, digunakan untuk memotret hasil penelitian,
9. Multimeter, digunakan untuk mengukur arus dan tegangan listrik, 10. Stopwatch, digunakan untuk timer saat proses pemesinan,
11. Magnetic Stirrer, digunakan untuk mengaduk NaCl dengan aquades, 12. Timbangan digital, digunakan untuk menimbang massa benda kerja
sebelum dan sesudah pemesinan,
13. Alat Pelindung Diri (APD) : sarung tangan, masker, dan kaca mata, 14.Penggaris, alat tulis, dan kertas.
Gambar 3.1. (a) ECM portable, (b) Magnetic stirrer
(c) Timbangan digital
(b) (c)
33
3.3.2. Bahan Penelitian
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut. a. ElectrodaKuningan
Tool elektroda yang digunakan untuk pengujian adalah kuningan berbentuk batang silinder dengan panjang 198 mm dan berdiameter 3mm seperti yang terlihat pada Gambar 3.2 dan 3.3.
Spesifikasi kuningan
1. Konduktivitas listrik : 1.6 x 107 2. Titik lebur : 1130o C
Gambar 3.2. Ukuran toolelektrode untuk pengujian
Gambar 3.3. Elektroda Kuningan b. Cairan Elektrolit NaCl
Komposisi konsentrasi larutan NaCl dan aquades, elektrolit yang digunakan untuk pengujian adalah 15 % NaCl dan 85 % aquades.
Proses pencampuran NaCl dan aquades dilakukan dengan menggunakan
magnetic stirrer, proses ini dilakukan agar antara NaCl dan aquades dapat menjadi suatu larutan yang benar-benar homogen. Proses pencampuran NaCl dan aquades ditunjukan pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Pencampuran NaCl dan Aquades menggunakan magnetic stirrer
c. Benda kerja plat Aluminium 1100
Benda kerja yang digunakan adalah plat Aluminium 1100 yang berbentuk persegi panjang dengan ukuran panjang 50 mm, lebar 40 mm, dan ketebalan 0.4 mm sebanyak 9 plat, seperti terlihat pada Gambar 3.6.
35
Tabel 3.1 Komposisi kandungan unsur logam aluminium 1100 (Yudy, 2013)
Gambar 3.7. Benda kerja plat Aluminium 1100 3.4. Variabel Penelitian
3.4.1 Variabel Bebas
Variabel bebas merupakan variabel yang mempengaruhi terjadinya sesuatu atau variabel penyebab. Variabel bebas dalam penelitian ini yaitu jarak celah (gap) 0,5 mm, 1 mm, dan 1,5 mm dan tegangan5 v, 7 v, dan 10 v pada proses ECM. 3.4.2 Variabel Terikat
Variabel terikat merupakan variabel yang dipengaruhi oleh variabel bebas, adapun variabel terikat dalam penelitian ini yaitu MRR, Overcut dan Ketirusan pada hasil pemesinan ECM.
No Unsur Logam Presentase
1 Karbon 0.07 %
2 Silikon 1 %
3 Mangan 2 %
4 Fosfor 0.045 %
5 Sulfur 0.030 %
6 Nikel 8-10 %
7 Nitrogen 0.11 %
3.5 Langkah-Langkah Penelitian
a. Mempersiapkan ECM portable serta regulator voltage; b. Mempersiapkan benda kerja dan electrode;
c. Memasang electrode pada holder mesin ECM dan dikencangkan; d. Memasang benda kerja dan dikencangkan agar posisinya tidak berubah; e. Menyalakan tombol power pada mesin ECM dan software mach 3;
f. Mengatur posisi pemakanan benda kerja (koordinat x, y, z) dengan cara mengatur meja;
g. Mengatur kerataan permukaan benda kerja dengan permukaan electrode; h. Mengatur parameter-parameter mesin ECM sesuai dengan tabel rancangan
percobaan;
i. Menyalakan pompa cairan dielektrik/elektrolit dan mengatur putaran kran dengan tujuan menyesuaikan laju cairan dielektrik;
j. Memulai pengerjaan dengan menekan tombol ON pada power suplay sampai proses pemesinan selesai. Apabila proses pemesinan selesai matikan power suplay dengan memposisikan tombol OFF;
k. Mematikan pompa sirkulasi cairan elektrolit, mengangkat electrode, dan mengeluarkan benda kerja;
l. Membersihkan benda kerja dari kotoran dan mengeringkannya;
37
3.6. Flowchart/ Diagram Alir Penelitian
Diagram alir dalam penelitian bertujuan memudahkan kita untuk melaksanakan penelitian dan memperjelas tahapan-tahapan dalam penelitian. Diagram alir penelitian akan ditunjukkan pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8. Diagram alir penelitian 3.7. Prosedur Pengujian dengan mesin ECM
Pada tahap awal pengujian mesin ECM, pertama membuka software mach-3 CNC Controller. Setelah itu edit G-code, kemudian akan muncul layar notepad
Gambar 3.9. Layar Load G-code
Langkah selanjutnya adalah membuat program G-code dengan menggunakan aplikasi notepad yang ada pada komputer. Untuk membuat program
G-code kita harus mengetahui ukuran benda kerja dan yang utama adalah dimensi mesin yang digunakan untuk permesinan supaya pada saat permesinan, motor tidak berputar melebihi dimensi mesin dan benda kerja yang di machining. Langkah-langkahnya adalah klik program run Alt-1 kemudian pilih load G-code dan pilih program G-code yang tadi sudah dibuat. Detail Gambar seperti terlihat pada Gambar 3.10. dan Gambar 3.11.
39
Gambar 3.11. Tampilah G-code
Uji coba pemesinan dilakukan dengan cara melakukan simulasi terlebih dahulu. Penulis melakukan berbagai percobaan untuk menguji bahwa mesin bekerja sesuai yang diharapkan. Selanjutnya penulis mencari cara bagaimana mendapatkan hasil produk yang baik, hasil baik yang dimaksud adalah potongan benda kerja sesuai dengan bentuk dari potongan isolasi, yaitu dengan cara mengubah tool, mengubah arah aliran, mengubah gaps awal, mengubah lama permesinan sampai dengan mengubah metode pemesinan. Setelah ditemukan hasil yang sesuai dengan harapan maka parameter tersebut yang digunakan untuk melanjutkan penelitian. 3.8. Prosedur Pembuatan Benda Kerja
Gambar 3.12. (a) Benda kerja, (b) Dimensi isolator, (c) Benda kerja setelah diisolasi
3.9.Spesifikasi Mesin ECM
Spesifikasi dan parameter yang dipakai pada pengujian mesin ECM
portable dapat dilihat pada Tabel 3.2. berikut ini.
Tabel 3.2. Spesifikasi ECM portable
Tegangan Listrik 5 v – 20 v
Working Gap 3 mm
Kecepatan maksimal elektrolit 4 m/s
Cairan elektrolit Natrium Chloride (NaCl) Konsentrasi elektrolit 15 % NaCl + 85 % aquades
(a)
41
3.10. Pengujian Terhadap Material Benda Kerja 3.10.1. Persiapan Cairan Elektrolit
Sebelum proses pemesinan dimulai pertama kita harus menyiapkan cairan elektrolit yang nantinya akan digunakan untuk proses pemesinan, cairan elektrolit yang digunakan yaitu berupa serbuk NaCl dicampur aquades dengan perbandingan 15 % NaCl dan 85 % untuk aquades, pertama timbang serbuk NaCl sebanyak 150 gram masukan ke dalam gelas ukur kemudian tambahkan 850 mL aquades. Pembuatan cairan elektrolit antara NaCl dan aquades harus benar-benar tercampur dengan baik agar menjadi larutan yang homogen maka untuk proses pencampuranya digunakan magnetic stirrer untuk proses pengadukannya.
3.10.2. Proses Pemesinan
Pasang tool elektroda yang pertama dan benda kerja dengan pencekam pada mesin ECM. Pastikan posisi elektroda tegak lurus dengan benda kerja agar bentuk lubang pemakanan yang dihasilkan baik. Jalankan tool sampai menyentuh benda kerja untuk mencari titik nol dan pastikan menggunakan multimeter yang ditandai dengan bergeraknya jarum indikator atau bunyi alarm pada multimeter, karena perbedaan jarak celah (gap) pada benda kerja terisolasi berpengaruh pada lama pemakanan benda kerja itu sendiri. Selanjutnya tool digerakkan menjauhi benda kerja untuk membentuk working gap sejauh 0.5 mm. Stopwatch dan kamera saku disiapkan untuk melakukan pengambilan video pada tegangan dan arus yang keluar dari power supply selama proses permesinan berjalan. Pompa fluida dinyalakan untuk mengalirkan cairan elektrolit ke dalam bak penampung permesinan. Langkah selanjutnya adalah menghidupkan power supply bersamaan dengan stopwatch.
prosedur pengambilan benda kerja harus secara berurutan pertama matikan power suplay, matikan pompa sirkulasi elektrolit, jauhkan posisioning tool dari benda kerja dengan cara mengontrol dari PC setelah itu lepas benda kerja dari penjepit. Setiap selesai pemesinan, benda kerja dan elektroda dibersihkan dan dikeringkan. Kemudian dilakukan pengamatan terhadap benda kerja hasil proses permesinan ECM yang meliputi MRR, overcut dan ketirusan.
3.11. Pengukuran Hasil Pengujian
3.11.1 Pengukuran Material Removal Rate (MRR)
Pengukuran MRR dilakukan dengan cara melakukan penimbangan terhadap benda kerja dengan menggunakan timbangan seperti pada Gambar 3.13. terhadap spesimen sebelum dan sesudah permesinan kemudian selisihnya dibagi dengan waktu permesinan, sesuai dengan persamaan 3.3. Timbangan yang dipakai dalam penelitian ini dengan merek FUJITSU, yang mempunyai beban maksimal 210 gram dan ketelitian 0,0001 gram yang berada di Laboratorium CNC, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Langkah-langkah prosedur proses penimbangan :
1. Mempersiapkan alat yang akan ditimbang kemudian pemeriksaan terhadap kebersihan neraca terutama pada piring-piring timbangan, kedataran timbangan, dan kesetimbangan neraca.
2. Melakukan kalibrasi agar timbangan pada posisi 0.
3. Menaruh benda yang akan ditimbang tepat ditengah timbangan dan menutup timbangan agar hasilnya stabil.
43
Gambar 3.13. Pengukuran massa menggunakan timbangan digital 3.11.2. Pengukuran Overcut dan ketirusan
Pengukuran overcut dilakukan dengan beberapa tahap, tahap yang pertama yaitu melakukan uji makro di Laboratorium Bahan Teknik, Program Diploma Teknik Mesin, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada seperti pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14 Pengujian Makro
Selanjutnya hasil foto makro tersebut dianalisa menggunakan aplikasi
software ImageJ seperti terlihat pada Gambar (3.15 a )
1. Langkah-langkah penggunaan aplikasi software ImageJ yang pertama yaitu buka hasil foto makro, klik icon straight pada aplikasi software ImageJ kemudian klik sisi yang ingin diukur. Gambar tersebut di
3. Membuat lingkaran dengan cara klik icon oval pada toolbar seperti terlihat pada (Gambar 3.16 a)
Gambar 3.15 a. Tampilan image j, b. Benda yang akan di set scale, dan c. Tampilan set scale
4. Klik paintbrush tool untuk memberi warna pada background Gambar seperti pada Gambar (3.16 b)
5. Setelah pemberian warna pada background tersebut lalu klik icon wand
(tracing tool) dan melakukan pengaturan tolerancenya. Double klik icon tersebut, lalu memilih daerah yang diinginkan (Gambar 3.16 c). Klik analyze, tool, dan klik Roi manager (Gambar 3.16 d).
(a)
45
Gambar 3.16 a. Tampilan pemberikan tanda oval, b. Tampilan yang sudah di beri warna, c. Tampilan tracing tool, dan d. Tampilan menu roi manager
6. Kemudian pada layoutRoi manager klik add (Gambar 3.17 a).
7. Setelah daerah tersebut sudah terblok, maka langkah selanjutnya mengklik icon wand (tracing) tool kembali, lalu mengklik daerah yang diinginkan seperti terlihat pada (Gambar 3.17 b)
8. Klik add pada layout Roi manager, setelah di add, langkah selanjutnya klik measure pada layout Roi manager hingga muncul tampilan seperti pada (Gambar 3.17 c).
(b)
(d) (c)
Gambar 3.17 a. Tampilan roy manager, b. Tampilan daerah yang ingin di wracing
, dan c. Tampilan Result
Setelah luas area diameter hasil pemesinan dan luas area diameter telah diketahui dalam satuan mm2, langkah selanjutnya mengubah diameter tersebut
kedalam satuan mm untuk mencari nilai overcut. Rumus mencari nilai diameter tersebut adalah √ �
�/4 . Setelah nilai diameter tersebut diketahui, maka langkah selanjutnya adalah menghitung overcut menggunakan persamaan 2.14, dimana diameter hasil pemesinan dikurangi dengan diameter tool.
Pengukuran ketirusan menggunakan persamaan 2.15, dengan rumus � = ���− [� −�
ℎ ], dimana :
d2 : diameter benda kerja sisi belakang, (mm)
d1 : diameter benda kerja sisi depan, (mm)
h : ketebalan benda kerja, (mm)
(a) (b)
47
sudut benda kerja, (o)
tan-1 : sudut tangent
Setelah hasil perhitungan ketirusan didapatkan, langkah selanjutnya adalah mencetak material dengan resin, lalu melakukan uji makro di Laboratorium Bahan Teknik, Program Diploma Teknik Mesin, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada. Langkah-langkah ini bertujuan untuk membandingkan antara hasil teori (perhitungan) dengan hasil aktual (spesimen).
3.12. Pengumpulan Data
Penelitian ini akan menghasilkan data yang dalam pencatatannya dimasukkan dalam lembar penelitian, seperti ditunjukkan oleh Tabel 3.3, Tabel 3.4. dan Tabel 3.5. Lembar penelitian ini akan dikelompokkan berdasarkan jenis pengujian benda kerja, dengan menggunakan lembar pengamatan sebagai berikut.
Tabel 3.3. Lembar pengamatan uji MRR No Gap
Tabel 3.4. Lembar Pengamatan Uji Overcut
Tabel 3.5. Lembar Pengamatan Uji Ketirusan
Setelah proses pengambilan data, maka data diolah untuk dilakukan analisis. Analisis pada penelitian ini adalah dengan cara membandingkan hasil permesinan pada benda kerja Aluminium 1100 dengan variasi jarak celah (gap) dan tegangan. Hal-hal yang dibandingkan adalah massa benda kerja sebelum dan sesudah proses permesinan (MRR), penyimpangan yang menunjukkan bahwa ukuran lubang hasil
drilling ECM lebih besar dari ukuran pahat yang digunakan (overcut) dan sudut yang terbentuk sebagai penyimpangan atau deviasi antara lubang terbesar dan yang terkecil (ketirusan). Untuk perhitungan mencari nilai MRR terdpat pada persamaan 2.13.
Overcut didefinisikan sebagai penyimpangan yang menunjukkan bahwa ukuran lubang hasil drilling lebih besar dari ukuran pahat yang digunakan. Pada dasarnya overcut pada ECM tidak dapat dihilangkan 100%, karena overcut tetap diperlukan untuk kelangsungan sirkulasi dari cairan elektrolit dan lagi elektrode sebagai pahat tidak boleh bersentuhan dengan benda kerja agar tidak terjadi hubung singkat (short circuit). Namun bila overcut yang dihasilkan terlalu besar maka hal tersebut akan berpengaruh terhadap menurunnya kualitas produk, terutama faktor yang berkaitan dengan ketelitian ukuran maupun geometri produk. Sedangkan ketirusan didefinisikan sebagai sudut yang terbentuk sebagai penyimpangan atau deviasi antara lubang terbesar dan yang terkecil. Jadi overcut
49 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Mesin ECM Portable
Mesin ECM portable yang digunakan untuk pengujian drilling material aluminium 1100 ditunjukkan pada Gambar 4.1 sedangkan untuk sett up ECM portable
ditunjukkan pada gambar 4.2.
Gambar 4.1 Mesin ECM portable.
Gambar 4.2 sett up ECM portable yang digunakan dalam penelitian. T
L
4.2 Hasil Pemesinan ECM
Adapun beberapa benda kerja hasil pemesinan ECM yaitu drilling yang dilakukan dengan memvariasikan tegangan dan jarak celah (gap) antara elektroda dengan benda kerja yang nantinya akan di analisis pengaruhnya terhadap nilai MRR,
overcut dan ketirusan. Untuk hasil proses pemesinan ECM terdapat pada tabel 4.1, sedangkan foto hasil benda kerja tampak depan dan belakang seperti pada gambar 4.5 dan foto makro hasil pemesinan terdapat pada gambar 4.6- 4.8.
Tabel 4.1 Hasil proses pemesinan ECM dalam waktu 186 detik dengan flowrate 3 (LPM)
51
sampai 186 detik. Akibatnya pada gap 1 mm setelah proses pemesinan lubang yang dihasilkan terdapat overcut yang cukup besar pada bagian belakang seperti terlihat pada gambar 4.6. Dari tabel 4.1 didapatkan grafik antara arus, tegangan terhadap waktu yang ditampilkan pada gambar 4.3 . Semakin besar tegangan yang digunakan maka arus maksimalnya juga akan bertambah. Grafik hubungan antara waktu dan arus terdapat pada gambar 4.4
(a) (b)
(c)
Gambar 4.3 Grafik pengaruh waktu dan tegangan terhadap arus (a) gap 0,5 mm, (b) gap 0,75 mm (c) gap 1mm
Dari gambar 4.3 dapat dilihat semakin tinggi tegangan maka arus yang dihasilkan akan semakin besar. Lama waktu pemesinan juga berpengaruh terhadap arus
yang dihasilkan, arus yang dihasilkan pada awal pemesinan lebih besar dari pada arus yang didapatkan pada akhir pemesinan.
Gambar 4.4 Grafik pengaruh tegangan dan gap terhadap arus .
53
Dari gambar 4.6 dapat dilihat adanya perbedaan hasil pemesinan ECM antara bagian depan dan belakang benda kerja. Untuk hasil bagian depan cenderung lebih bagus dari pada belakang karena untuk bagian depan diberi isolasi sehingga pada waktu pemakanan mendekati hasil yang diinginkan. Sedangkan untuk bagian belakang terdapat seperti goresan berwarna hitam disekitar lubang hasil pemesinan yang diakibatkan oleh arah flushing air sewaktu pemesinan.
Gambar 4.6 Gambar hasil pemesinan ECM Aluminium1100 dengan tegangan 7,10, dan 13 pada gap 0,5 mm dalam waktu 186 detik bagian depan (atas), bagian belakang
(bawah)
Dari gambar 4.6 dapat dilihat adanya perbedaan hasil pemesinan ECM antara bagian depan dan belakang benda kerja baik untuk tegangan 7, 10, maupun 13 volt. Sedangkan hasil bagian depan cenderung lebih bagus dari pada belakang karena untuk bagian depan diberi isolasi sehingga pada waktu pemakanan mendekati hasil yang diinginkan. Untuk bagian belakang terdapat seperti goresan berwarna hitam disekitar lubang hasil pemesinan yang diakibatkan oleh arah flushing air sewaktu pemesinan. Untuk benda kerja hasil pemesinan yang hampir sesuai dengan yang diinginkan yaitu seperti gambar tampak depan tegangan 7 volt.
