TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 Pada Fakultas Teknik Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh :
Purna Septiaji 20120130149
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 Pada Fakultas Teknik Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh :
Purna Septiaji 20120130149
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
ii
(Purna Septiaji)
“Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai
dengan kesanggupannya. Ia mendapat pahala (dari kebajikan) yang diusahakannya dan ia mendapat siksa (dari
kejahatan) yang dikerjakan. (Mereka berdoa): “Ya Tuhan kami, janganlah Engkau hukum kami jika kami lupa atau kami tersalah. Ya Tuhan kami, janganlah Engkau bebankan
kepada kami beban yang berat sebagaimana Engkau bebankan kepada orang-orang sebelum kami. Ya Tuhan kami, janganlah Engkau pikulkan kepada kami apa yang tak
sanggup kami memikulnya. Beri maaflah kami; ampunilah kami; dan rahmatilah kami. Engkaulah penolong kami, maka
tolonglah kami terhadap kaum yang kafir”
(Terjemahan Surat Al-Baqarah 286)
“Berusaha dan berdoa dalam melaksanakan pekerjaan
maupun mengatasi permasalahan, tidak lupa pula selalu
bersyukur atas nikmat-Nya”
iii Saya yang bertandatangan di bawah ini:
Nama : PURNA SEPTIAJI NIM : 20120130149
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang berjudul: “ANALISA PERHITUNGAN MRR, OVERCUT, DAN KETIRUSAN PADA SS 304 DAN ALUMINIUM 1100 DENGAN PENGARUH VARIASI
TEGANGAN DAN GAP PADA PROSES ELECTRO-CHEMICAL
MACHINING (ECM) MENGGUNAKAN ELEKTRODA TERISOLASI”
adalah benar-benar hasil karya sendiri, kecuali jika disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta bukan karya jiplakan. Saya bertanggungjawab 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, Agustus 2016 Yang menyatakan,
iv
Dia memberikan hikmah (ilmu yang berguna) kepada siapa yang dikehendaki Nya. Barang siapa yang mendapat hikmah itu sesungguhnya ia telah mendapat kebajikan yang banyak. Dan tiadalah yang menerima peringatan melainkan orang-orang yang bertawakal. (Q.S. Al-Baqarah: 269)
Skripsi ini saya persembahkan untuk:
1. Bapake dan Mamake tercinta, Bapak Kosim Almuchsin dan Mamah Nani Jumini terimakasih atas kasih sayang dan dukungan yang kalian berikan. 2. Kakak-kakak tersayang, telah memberikan motivasi, nasehat serta dukungan. 3. Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D. dan Sunardi, S.T., M.Eng. Selaku dosen
pembimbing tugas akhir.
4. M. Budi Nurrahman, S.T., M.Eng. Selaku dosen penguji tugas akhir.
5. Teman-teman Teknik Mesin UMY semua angkatan, terutama TM 2012 yang selalu memberi dukungan satu sama lain.
v
Syukur Alhamdulillah kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan hidayah-Nya sehingga kami bisa menyelesaikan Tugas Akhir kami denganjudul ”ANALISA PERHITUNGAN MRR, OVERCUT, DAN KETIRUSAN PADA STAINLESS STEEL 304 DAN ALUMINIUM 1100 DENGAN PENGARUH VARIASI TEGANGAN DAN GAP PADA PROSES
ELECTRO-CHEMICAL MACHINING (ECM) MENGGUNAKAN ELEKTRODA TERISOLASI”. Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan akademis menyelesaikan Program Strata-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini kami ucapkan terimakasih kepada:
1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng. Selaku ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
2. 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.
3. 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.
4. Bapak M.Budi Nur Rahman, S.T., M.Eng. Selaku dosen penguji Tugas Akhir atas masukan dalam penyusunan Tugas Akhir.
5. Bapake Kosim Almuchsin dan Mamake Nani Jumini serta seluruh keluarga atas dukungan morilnya selama ini.
6. Bapak Mujiarto, Bapak Mujiyana, dan Bapak Joko Suminto selaku laboran Teknik Mesin atas peminjaman alat-alat laboratorium.
7. Saudara Ucok alias Sumardi sempat menjadi teman sekelas yang akhirnya teman satu tim dalam Tugas Akhir ini, walaupun pada akhirnya tidak bisa wisuda bareng tahun ini.
8. Saudara Fahmi Rokin teman satu jurusan, satu angkatan, satu tim yang sempat jatuh sakit selepas seminar Tugas Akhir hingga sembuh kembali dengan cepat dan akhirnya bisa menyusul siding pendadaran di lain waktu. 9. Saudara Eko Sulistyo sebagai leader di tim ECM yang telah bersusah payah membuat mesin ECM lembur berhari-hari hingga mesin ECM selesai dan dapat beroperasi dengan baik.
10.Saudara Ilham Dwi rekan satu tim yang mempunyai harapan agar bisa bareng seminar Tugas Akhir dengan saya, dan ternyata belum rezekinya bisa seminar bareng dengan saya.
vi
apapun informasi yang ada di buku kami ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Yogyakarta, Agustus 2016
vii
MOTTO ... iii
PERNYATAAN ... iv
PERSEMBAHAN ... v
INTISARI ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar belakang ... 1
1.2. Rumusan masalah ... 2
1.3. Tujuan penelitian ... 3
1.4. Batasan masalah ... 3
1.5. Manfaat penelitian ... 3
1.6. Sistematika penulisan ... 4
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 5
2.1. Kajian pustaka ... 5
2.2. Dasar teori ... 15
2.2.1. Electro Chemical machining (ECM) ... 15
2.2.2. Prinsip kerja mesin ECM ... 17
2.2.3. Reaksi kimia pada ECM ... 18
2.2.4. Proses ideal pada ECM ... 19
2.2.5. Jenis ECM ... 20
2.2.6. Peralatan ECM ... 24
2.2.7. Material Removal Rate ... 27
2.2.8. Overcut dan efek tirus ... 28
viii
3.2.2. Waktu penelitian ... 31
3.3. Alat dan bahan penelitian ... 31
3.3.1. Alat-alat yang digunakan pada penelitian ... 31
3.3.2. Bahan penelitian ... 33
3.4. Variabel penelitian ... 35
3.4.1. Variabel bebas ... 35
3.4.2. Variabel terikat ... 35
3.5. Langkah-langkah penelitian ... 35
3.6. Diagram alir penelitian ... 36
3.7. Prosedur pengujian ECM ... 37
3.8. Prosedur pembuatan benda kerja ... 39
3.9. Prosedur pembuatan elektroda ... 40
3.10. Prosedur pembuatan penjepit benda kerja ... 40
3.11. Parameter pengujian ECM ... 41
3.12. Pengujian terhadap material benda kerja ... 41
3.12.1.Pengujian MRR ... 41
3.12.2.Pengujian overcut dan ketirusan ... 35
3.13. Pengukuran hasil pengujian ... 42
3.13.1.Pengukuran MRR ... 42
3.13.2.Pengukuran overcut dan ketirusan ... 42
3.14. Pengumpulan data ... 46
3.15. Analisis data ... 47
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 48
4.1. Mesin ECM portable……... 48
4.2. Hasil pemesinan ECM …………... 49
4.3. Hasil perhitungan data dan pembahasan ... 52
ix
BAB V PENUTUP ... 68
5.1. Kesimpulan ... 68
5.2. Saran ... 69
DAFTAR PUSTAKA ... 70
x
Gambar 2.4. Prinsip contoh hasil drilling ECM hardened tool steel SKD 11
dimensi 100 x 40 x 4.5 mm ... 7
Gambar 2.5. Grafik fungsi konsentrasi KCl versus overcut untuk tegangan 12V, 24V dan 36V ... 7
Gambar 2.6. Hasil pengukuran arus listrik dengan jarak gap dijaga konstan 0,5 mm ... 8
Gambar 2.7. Grafik fungsi Konsentrasi KCl versus Ketirusan untuk tegangan 12, 24 dan 36 V ... 8
Gambar 2.8. Grafik rata-rata (a) overcut dan (b) MRR stainless steel J-430 ... 10
Gambar 2.9. Grafik rata-rata surface roughness stainless steel j-430 ... 11
Gambar 2.10. Elektroda kuningan ... 11
Gambar 2.11. Hasil lubang pemesinan menggunakan ECM dengan benda kerja (a) kuningan (b) stainless steel (c) aluminium ... 12
Gambar 2.12. Sudut overcut material stainless steel (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan ... 13
Gambar 2.13. Sudut overcut material aluminium (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan ... 13
Gambar 2.14. Prinsip ECM ... 18
Gambar 2.15. Reaksi proses pemesinan ECM pada besi ... 18
Gambar 2.16. Skema representatif reaksi pada ECM ... 19
Gambar 2.17. Electrolyte Jet ... 20
Gambar 2.18. Indentasi (cekungan) pada pemesinan mikro ... 20
Gambar 2.19. Konfigurasi ECDR ... 21
Gambar 2.20. Skema STEM ... 21
Gambar 2.21. Skema electrostream (capillary) drilling ... 22
Gambar 2.22. Electro chemical jet drilling ... 23
xi
Gambar 3.2. Alat bantu pemesinan ECM ... 32
Gambar 3.3. Desain elektroda kuningan ... 33
Gambar 3.4. (a) NaCl (b) aquades ... 33
Gambar 3.5. Desain benda kerja ... 34
Gambar 3.6. Diagram alir penelitian ... 37
Gambar 3.7. Layar load g-code ... 37
Gambar 3.8. Contoh program g-code ... 38
Gambar 3.9. Tampilan g-code ... 38
Gambar 3.10. Benda kerja ... 39
Gambar 3.11. Dimensi isolator ... 39
Gambar 3.12. Benda kerja setelah diisolasi (a) aluminium 1100, (b) stainless steel 340 ... 40
Gambar 3.13. Elektroda / Tool ... 40
Gambar 3.14. Pengukuran massa menggunakan timbangan digital ... 42
Gambar 3.15. Pengujian Makro ... 43
Gambar 3.16 (a) Tampilan software ImageJ, (b) Benda kerja yang di set scale, (c) Tampilan set scale, (d) Benda kerja yang di klik icon oval, (e) Benda kerja yang sudah diwarnai ... 44
Gambar 3.17. Gambar 3.16 (f) Benda kerja yang telah di klik icon wand pada diameter luar, (g) Toolbar ROI Manager, (h) Tampilan ROI Manager, (i) Benda kerja yang telah di klik icon wand pada diameter dalam, (j) Tampilan setelah di klik Measure ... 45
Gambar 4.1. Mesin ECM portable ... 48
Gambar 4.2. Sett up ECM portable yang digunakan dalam penelitian ... 48
xii
gap 1 mm pada material: (a) stainless steel 304, (b) aluminium 1100 ... 51 Gambar 4.6. Grafik besar arus rata-rata pada material: (a) stainless steel 304, (b) aluminium 1100 ... 52
Gambar 4.7. Grafik pengaruh tegangan dan gap terhadap nilai MRR pada
material: (a) stainless steel 304, (b) aluminium 1100 ... 54 Gambar 4.8. Hasil overcut material stainless steel 304 dengan gap 0,5 mm
dan waktu pemesinan 371 detik, (a) bagian depan, (b) bagian
belakang ... 56 Gambar 4.9. Hasil overcut material stainless steel 304 dengan gap 0,75 mm
dan waktu pemesinan 371 detik, (a) bagian depan, (b) bagian
belakang ... 56 Gambar 4.10. Hasil overcut material stainless steel 304 dengan gap 1,0 mm
dan waktu pemesinan 371 detik, (a) bagian depan, (b) bagian
belakang ... 57 Gambar 4.11. Hasil overcut material aluminium 1100 dengan gap 0,5 mm
dan waktu pemesinan 193 detik, (a) bagian depan, (b) gambar belakang ... 57 Gambar 4.12. Hasil overcut material aluminium 1100 dengan gap 0,75 mm
dan waktu pemesinan 193 detik, (a) bagian depan, (b) bagian
belakang ... 58 Gambar 4.13. Hasil overcut material aluminium 1100 dengan gap 1,0 mm
dan waktu pemesinan 193 detik, (a) bagian depan, (b) bagian
belakang ... 58 Gambar 4.14. Pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap overcut pada
xiii
Gambar 4.17. Hasil ketirusan pemesinan ECM material stainless steel 304
dengan gap0,75 mm dan waktu pemesinan 37 detik ………….. 62 Gambar 4.18. Hasil ketirusan pemesinan ECM material stainless steel 304
dengan gap1,0 mm dan waktu pemesinan 371 detik ………….. 62 Gambar 4.19. Hasil ketirusan pemesinan ECM material aluminium 1100
dengan gap 0,5 mm dan waktu pemesinan 193 detik ………….. 63 Gambar 4.20. Hasil ketirusan pemesinan ECM material aluminium 1100
dengan gap 0,75 mm dan waktu pemesinan 193 detik ………… 63 Gambar 4.21. Hasil ketirusan pemesinan ECM material aluminium 1100
dengan gap 1,0 mm dan waktu pemesinan 193 detik ………….. 63 Gambar 4.22. Arah ketirusan benda kerja ... 63 Gambar 4.23. Grafik pengaruh tegangan dan gap terhadap nilai ketirusan
pada material stainless steel 304 ... 66 Gambar 4.24. Grafik pengaruh tegangan dan gap terhadap nilai ketirusan
xiv
Tabel 3.1. Komposisi kandungan unsur logam stainless steel 304 ... 34
Tabel 3.2. Komposisi kandungan unsur logam aluminium 1100 ... 34
Tabel 3.3. Parameter pengujian ECM ... 41
Tabel 3.4. Lembar pengamatan uji MRR... 47
Tabel 3.5. Lembar pengamatan uji overcut ... 47
Tabel 3.6. Lembar pengamatan uji ketirusan ... 47
Tabel 4.1. Hasil proses pemesinan ECM material stainless steel 304 dengan flow rate 3 lpm ... 49
Tabel 4.2. Hasil proses pemesinan ECM material aluminium 1100 dengan flow rate 3 lpm ... 50
Tabel 4.3. Perhitungan MRR pada material stainless steel 304 ... 54
Tabel 4.4. Hasil perhitungan MRR pada material aluminium 1100 ……… 54
Tabel 4.5. Hasil perhitungan overcut pada material stainless steel 304 ………. 60
Tabel 4.6. Hasil perhitungan overcutpada material aluminium 1100 ………… 61
Tabel 4.7. Hasil perhitungan ketirusan pada material stainless steel 304 ……... 65
xv
(tidak berlubang) ………. 75 Lampiran 4. Hasil pemesinan material aluminium 1100 yang gagal
(tidak berlubang) ... 76 Lampiran 5. Material stainless steel 304 yang diresin ………... 76 Lampiran 6. Material aluminium 1100 yang diresin ………. 76 Lampiran 7. Foto makro overcut stainless steel 304 dengan gap 0,5 mm dan
waktu pemesinan 371 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah) ………... 77 Lampiran 8. Foto makro overcut stainless steel 304 dengan gap 0,75 mm dan
waktu pemesinan 371 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah) ……… .. 77 Lampiran 9. Foto makro overcutstainless steel 304 dengan gap 1 mm dan waktu
pemesinan 371 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah) ……….. 78 Lampiran 10. Foto makro overcut aluminium 1100 dengan gap 0,5 mm dan waktu
pemesinan 193 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah) ………. 78 Lampiran 11. Foto makro overcut aluminium 1100 dengan gap 0,75 mm dan
waktu pemesinan 193 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang (gambar bawah) ………. 79 Lampiran 12. Foto makro overcut aluminium 1100 dengan gap 1 mm dan waktu
pemesinan 193 detik, bagian depan (gambar atas), bagian belakang
(gambar bawah) ………. 79 Lampiran 13. Foto makro ketirusan stainless steel 304 dengan gap 0,5 mm dan
waktu pemesinan 371 detik ……….. 80 Lampiran 14. Foto makro ketirusan stainless steel 304 dengan gap 0,75 mm dan
xvi
vi
tegangan dan gap sangatlah penting. Tanpa adanya tegangan dan gap proses pemesinan tidak akan terjadi. Untuk itu perlu adanya pemilihan nilai konsentrasi tegangan dan gap yang sesuai sehingga proses pemesinan pada ECM dapat berjalan dengan baik. Menggunakan elektroda tanpa isolasi memiliki kendala saat pemesinan arus yang keluar dari elektroda menyebar sehingga menghasilkan arus yang besar. Agar arus yang keluar tidak menyebar, maka diberi isolasi pada elektroda tersebut sehingga arus yang keluar hanya dari bagian bawah permukaan elektroda.
Pengujian pemesinan dilakukan dengan membuat lubang dengan variasi tegangan dan jarak celah (gap), pengaruhnya terhadap MRR, overcut, dan ketirusan. Tegangan diatur sebesar 7, 10, 13 volt sementara gap diatur 0.5, 0.75, 1 mm. Benda kerja dari bahan stainless steel 304, dan aluminium 1100 dengan ketebalan 0.4 mm, sementara tool terbuat dari bahan kuningan pejal berdiamater 3 mm.
Semakin besar tegangan dan gap maka semakin besar nilai MRR benda kerja. Dari data yang disajikan didapat nilai MRR material stainless steel yang terbesar yaitu 5.57 x 10-2 mm3/dt, dan terkecil 2.77 x 10-4 sedangkan nilai MRR material aluminium yang terbesar yaitu 8.10 x 10-4 mm3/dt, dan terkecil 4.84x10-4. Semakin besar tegangan dan gap semakin tinggi nilai overcut yang didapatkan. Nilai overcut pada material stainless steel yang terbesar yaitu 2.24 mm dan terkecil 1.00 mm, sedangkan material aluminium nilai overcut terbesar yaitu 1.66 mm dan terkecil 0.64o. Dari hasil pengujian variasi tegangan dan gap terhadap ketirusan yaitu material stainless steel mempunyai pola ketika gap kecil nilai ketirusan akan turun, tetapi saat gap besar nilai ketirusan mengalami penurunan dan kemudian mengalami kenaikan ketika tegangan dibesarkan kembali. Nilai ketirusan tertinggi pada gap 1 mm yaitu 44.50o, sedangkan nilai ketirusan terendah pada gap 0.5 yaitu 9.78o. Dari hasil pengujian variasi tegangan dan gap
terhadap ketirusan yaitu material aluminium mempunyai pola ketika gap kecil nilai ketirusan mengalami kenaikan, tetapi saat gap besar nilai ketirusan mengalami penurunan. Nilai ketirusan tertinggi pada gap 1 mm yaitu 25.81o, sedangkan nilai ketirusan terendah pada gap 0.5 yaitu 1.04o. Pada material
stainless steel membutuhkan waktu pemesinan selama 371 detik, sementara pada material aluminium 1100 membutuhkan waktu pemesinan 193 detik.
1
Electro Chemical Machining (ECM) merupakan salah satu mesin
non-konvensional yang didasarkan pada proses anodic dissolution selama dalam elektrolisis (Tlusty, 2000). Prinsip pemesinan ECM menggunakan hukum Faraday yaitu: jika ada dua logam elektroda direndam dalam larutan elektrolit dan dihubungkan dengan sumber arus DC, maka partikel logam akan terlepas dari
anode dan kemudian akan melekat ke cathode. Material yang digunakan adalah material yang harus bersifat mengalirkan listrik (konduktor).
Untuk mempelajari prinsip kerja dan unjuk kerja proses ECM, maka telah dikembangkan mesin ECM skala laboratorium dengan daya 1000 Watt atau 1/100 mesin ECM skala industri. Mesin ECM skala laboratorium tersebut diuji performansinya baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Performa, kualitatif berhubungan dengan kualitas hasil pemesinannya seperti kekasaran permukaan,
ketelitian ukuran, akurasi geometri. Sedangkan performa kuantitatif berhubungan dengan produktivitasnya seperti material removal rate (MRR), banyaknya lubang yang mampu dimesin tiap menit atau tiap jam. Hasil percobaannya menyatakan bahwa mesin ECM tersebut setiap menitnya bisa memakan kedalaman 0,084 mm/menit semakin lama waktu yang digunakan dalam pemesinan berarti semakin dalam lubang benda kerja (Feriyanta, 2015).
Keakuratan pemesinan ECM dapat dilihat dari nilai MRR, overcut, dan ketirusan. El-Hofy, (2005) menjelaskan bahwa akurasi pada proses pemesinan ECM tergantung pada densitas arus yang dipengaruhi oleh material ekivalen,
voltage, gap, feed rate, pasivasi, properti elektrolit seperti laju, pH, temperature, konsentrasi, pressure, tipe, dan kecepatan.
berlangsung. Diameter lubang hasil pemesinan yang telah sesuai dengan diameter
tool yang diinginkan maka nilai overcut yang dihasilkan akan kecil. Semakin kecil nilai MRR semakin kecil pula nilai overcut, semakin kecil nilai overcut maka semakin kecil pula nilai ketirusan. Hal ini akan membuat proses pemesinan ECM semakin akurat.
Pada proses ECM peran dari tegangan dan gap sangatlah penting. Tanpa adanya tegangan dan gap proses pemesinan tidak akan terjadi. Untuk itu perlu adanya pemilihan nilai konsentrasi tegangan dan gap yang sesuai sehingga proses pemesinan pada ECM dapat berjalan dengan baik. Menggunakan elektroda tanpa isolasi memiliki kendala saat pemesinan arus yang keluar dari elektroda menyebar sehingga menghasilkan arus yang besar. Agar arus yang keluar tidak menyebar, maka diberi isolasi pada elektroda tersebut sehingga arus yang keluar hanya dari bagian bawah permukaan elektroda.
Parameter-parameter yang terkait dengan ECM adalah elektrolit, tegangan, diameter benda uji, mesin uji, jarak celah antara elektroda dan benda kerja, feed rate, di mana parameter konsentrasi terlihat sangat penting dan masih banyak ruang untuk dapat diteliti pada penelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui nilai MRR, overcut, dan ketirusan dengan pengaruh variasi tegangan dan jarak celah (gap) pada material stainless steel 304, dan aluminium 1100 hasil drilling ECM menggunakan elektroda kuningan terisolasi.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas dapat dirumuskan suatu permasalahan yang harus dipecahkan pada proses pemesinan ECM dengan workpiece plat stainless steel dan cairan elektrolit berupa NaCl yaitu:
1. Bagaimanakah pengaruh variasi tegangan dan gap hasil drilling proses ECM terhadap nilai MRR, overcut, efek ketirusan pada material stainless steel 304 menggunakan elektroda terisolasi?
1.3 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap nilai MRR,
overcut, dan ketirusan pada benda kerja plat stainless steel 304 menggunakan elektroda terisolasi pada proses pemesinan ECM.
2. Mengetahui pengaruh variasi tegangan dan gap terhadap nilai MRR,
overcut, dan ketirusan pada benda kerja plat aluminium 1100 menggunakan elektroda terisolasi pada proses pemesinan ECM.
1.4 Batasan Masalah
Dalam penyusunan tugas akhir dan penelitian ini diberikan pembatasan masalah agar dapat menghasilkan suatu yang lebih bersifat khusus dan bermanfaat. Adapun batasan masalah yang diberikan adalah sebagai berikut :
1. Larutan elektrolit NaCl 15%.
2. Tidak membahas reaksi kimia yang terjadi.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini:
1. Bagi dunia pendidikan, akan memberikan wawasan guna meningkatkan ilmu pengetahuan seputar proses pemesinan ECM..
2. Bagi masyarakat dapat memberikan kontribusi positif sebagai pengetahuan bagaimana pentingnya pengembangan teknologi pemesinan non-konvensional dalam hal efektifitas dan efisiensi untuk meningkatkan jumlah produksi.
3. Diharapkan dapat bermanfaat bagi disiplin ilmu metalurgi bahan dan
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini secara garis besar adalah:
BAB I : Pendahuluan, berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, 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, jenis-jenis ECM, peralatan ECM, pengertian MRR overcut dan ketirusan, akurasi ECM. BAB III : Metodologi Penelitian, berisi pendekatan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, alat dan bahan penelitian, variable penelitian, langkah-langkah penelitian, diagram alir penelitian, pengujian material, metode pengambilan data.
BAB IV : Hasil dan Pembahasan, dalam bab ini berisi tentang analisa overcut, efek ketirusan dari hasil pemesinan ECM.
BAB V : Kesimpulan dan Saran, berisi tentang kesimpulan, dan saran mengenai
5 Mesin ECM telah dikembangkan oleh Feriyanta, (2015) dengan spesifikasi mesin yaitu : tegangan listrik 7 volt, working gap 3 mm, kecepatan aliran elektrolit 3,32 m/s serta menggunakan cairan elektrolit Natrium Chlorida (NaCl) dengan konsentrasi elektrolit 15% NaCl dan 85% aquades. Mesin ECM pada gambar 2.1 tersebut terbuat dari bahan jenis baja, tool elektroda tembaga yang mempunyai nilai konduktivitas listriknya yaitu 6,0 x 107 (ohm-1.m1) dan titik leburnya 1085oC.
Gambar 2.1 Mesin ECM skala laboratorium (Feriyanta, 2015)
Mesin telah dibuat dapat berfungsi dengan baik sesuai rancangan, kemudian mesin dilakukan pengujian performasi mesin. Pengujian performasi mesin tersebut dengan melakukan pemesinan untuk membuat gear spline-dalam (blind hole) yang nantinya akan dihitung nilai pemakanan (depth) serta nilai
ECM. Nilai MRR tertinggi pada saat waktu 5 menit dengan nilai 3,91 mg/detik, sedangkan nilai MRR terendah pada waktu 10 menit dengan nilai 1,44 mg/detik.
Gambar 2.2 Grafik nilai MRR tiap percobaan (Feriyanta, 2015)
Gambar 2.3 Grafik nilai rata-rata MRR (Feriyanta, 2015)
Suhardjono, (2014) melakukan eksperimen untuk menguji performansi kualitatif “overcut” (kelebihan ukuran) dan “taper effect” (efek tirus) dari lubang hasil drilling mesin ECM skala laboratorium akibat pengaruh konsentrasi elektrolit yang berupa larutan KCl dalam air. Larutan elektrolit yang digunakan adalah Kalium Klorida (KCl). Eksperimen ini menggunakan baja SKD 11 sebagai spesimennya. Dari penelitiannya Suhardjono, (2014) menyatakan pada gambar 2.4 menunjukkan hasil percobaan yang pertama dengan konsentrasi KCl 0.1 kg/l, dmin=10.84 mm, dmax=16.52 mm, 24V, 9.2 A. Pada percobaan kedua dengan
percobaan ketiga dengan konsentrasi KCl 0.3 kg/l, dmin=10.37 mm, dmax=18.73
mm, 36V, 26.9A.
Gambar 2.4 Prinsip contoh hasil drilling ECM hardened tool steel SKD 11 dimensi 100 x 40 x 4.5 mm (Suhardjono, 2014)
Setelah proses drilling dilakukan, maka lubang yang dihasilkan diukur diameter terbesar dan yang terkecil yang selanjutnya digunakan untuk menghitung
overcut dan ketirusannya. Data yang diperoleh selanjutnya diolah dalam bentuk grafik seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.5, gambar 2.6, dan gambar 2.7.
Gambar 2.5 Grafik fungsi konsentrasi KCl versus overcut untuk tegangan 12V, 24V dan 36V. (Persamaan garis y sebagai overcut dan x konsentrasi KCl)
(Suhardjono, 2014)
besar dibandingkan dengan tegangan 24 dan 36 V, sebab pada tegangan 12 V dibutuhkan waktu lebih lama dibandingkan tegangan 24 dan 36 V. Oleh karena itu erosi pada dinding lubang juga semakin besar.
Gambar 2.6 Hasil pengukuran arus listrik dengan jarak gap dijaga konstan 0,5 mm (Suhardjono, 2014)
Gambar 2.7 Grafik fungsi Konsentrasi KCl versus Ketirusan untuk tegangan 12, 24 dan 36 V. (Persamaan garis y sebagai ketirusan dan x konsentrasi KCl)
(Suhardjono, 2014)
Budiman, (2012) juga melakukan penelitian lain dengan melakukan 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. Hasil penelitian menyatakan bahwa 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. Asam (HCl) sendiri mempunyai sifat korosif terhadap material yang terbuat dari logam. Semakin tinggi kadar asam maka sifat korosif yang ditimbulkan juga akan meningkat. Hal inilah yang mempengaruhi laju pengerjaan material yang terjadi, dimana unsur Fe yang merupakan salah satu unsur pembentuk material benda kerja yang dalam hal ini terbuat dari baja SKD 11 akan semakin mudah terlepas dari logam induknya karena tingkat intensitas HCl yang semakin tinggi. Sehingga bila semakin tinggi nilai konsentrasi elektrolit yang digunakan maka MRR akan semakin meningkat.
Penelitian lainnya dilakukan oleh Permana, (2012) yang mempelajari tentang pengaruh besarnya feed rate terhadap MRR, overcut, dan surface roughness yang terjadi setelah pemesinan berlangsung. Penelitian ini menggunakan tool elektroda aluminium, benda kerja stainless steel J-430,
working gap 0,5 mm, cairan elektrolit menggunakan NaCl. Permana, (2012) menjelaskan bahwa besarnya MRR yang 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 akan 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 terbentuk dari penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 2.8.
(a) (b)
Gambar 2.8 Grafik rata-rata (a) overcut dan (b) MRR stainless steel J-430 (Permana, 2012)
kecil surface roughness yang dihasilkan pada proses pemesinan ECM, begitu pula sebaliknya. Hasil surface roughness yang terbentuk ditunjukkan oleh Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Grafik rata-rata surface roughness stainless steel j-430 (Permana, 2012)
Lapisan garam (salt layer) pada proses pemesinan 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 2.10.
Tegangan dijaga konstan pada 15 volt selama percobaan, flow rate pada elektrolit sebesar 6 m/s, gap 0.5 mm diantara elektroda dan benda kerja. Pemesinan membutuhkan waktu 5.5 menit untuk setiap bahan.
Hasil lubang yang telah dilakukan proses pemesinan ditunjukkan pada gambar 2.11. 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
stainless steel dan aluminium. Perlu sekitar 11 menit untuk menghasilkan lubang dari ketebalan 1 mm pada kuningan. Elektroda dan benda kerja terbuat dari bahan yang sama, maka sering terjadi percikan api, bunga api mempengaruhi hasil mesin. Seperti yang ditunjukkan gambar 2.11.
(a) (b) (c)
Gambar 2.11 Hasil lubang pemesinan menggunakan ECM dengan benda kerja (a)
kuningan (b) stainless steel (c) aluminium (Sudiarso dkk, 2013)
Material 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 2.1.
Tabel 2.1 Perbandingan overcut rata-rata dan sudut overcut rata-rata (Sudiarso dkk, 2013)
NO Diameter (mm)
Jenis Material Overcut rata-rata (mm)
Sudut Overcut
rata-rata (o)
1 2 Stainless steel 204 0.30 43
Aluminium 1100 0.33 42
2 6 Stainless steel 204 0.40 46
Tabel 2.2 Perbandingan overcut rata-rata dan sudut overcut rata-rata (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
Pada gambar 2.12 material aluminium menggunakan elektroda 2 mm sudut sebelah kiri sebesar 42o, sedangkan sudut di sebelah kanan menggunakan
elektroda 6 mm sebesar 43o.
(a) (b)
Gambar 2.12 Sudut overcut material stainless steel (a) diameter 2 mm dan (b) diameter 6 mm menggunakan elektroda kuningan (Sudiarso dkk, 2013)
(a) (b)
Dari hasil kajian pustaka tersebut maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
Hubungan antara variasi waktu dan nilai MRR berbanding terbalik. Pada pemesinan ECM nilai MRR tertinggi diperoleh pada waktu pemesinan 5 menit dengan nilai 3,91 mg/detik, sedangkan nilai MRR terendah diperoleh pada waktu 10 menit dengan nilai 1,44 mg/detik. Semakin lama pemesinan, maka akan semakin kecil nilai MRR pada benda kerja. Dari data yang disajikan bahwa setiap detiknya bisa memakan kedalaman 840 μm/detik semakin lama waktu yang digunakan dalam pemesinan berarti semakin dalam lubang benda kerja (Feriyanta, 2015).
Semakin besar nilai konsentrasi 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). Semakin besar konsentrasi KCl semakin besar juga
overcutnya. Hal ini disebabkan oleh semakin besarnya konduktivitas listrik dengan semakin besar konsentrasinya. Dengan kenaikan konduktivitas, maka semakin besar arus listrik yang mengalir (Suhardjono, 2014).
Material aluminium dan stainless steel memiliki kesamaan nilai overcut
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 kuningan sebagai elektroda, sedangkan stainless steel, dan aluminium sebagai benda kerja. Penyusun 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)
Electro chemical Machining (ECM) merupakan salah satu proses pemesinan non konvensional yang prinsip kerjanya berdasarkan hukum Faraday. 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). 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
electro-plating dan electro-polishing. Bentuk penghapusan atom, dalam hal ini disebut Material Removal Rate (MRR), yang ada di permukaan benda kerja bergantung pada bentuk dan gerakan alat terhadap benda kerja. Selain itu, parameter yang mempengaruhi MRR adalah kerapatan arus dan jarak gap yang 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
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 pemesinan 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,
11.Proses pemesinan tidak bising (smooth).
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,
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 yang dihilangkan oleh proses pemesinan, m, berbanding lurus dengan jumlah muatan listrik.
m~It ……….. (2.1)
2. Jumlah substansi yang dihilangkan, m, dengan kuantitas elektrisitas yang sama berbanding lurus dengan berat kimia ekuivalen substansi tersebut.
m~E ……….. (2.2)
……….. (2.3) dengan,
I : arus listrik, Ampere (A)
m : massa benda (g)
T : waktu permesinan, detik (s)
E : berat kimia ekuivalen
M : berat atom (g)
Z : valensi benda kerja
Gambar 2.14 Prinsip ECM (McGeough, 1988)
McGeough, (1988) menyatakan bahwa ketika beda potensial diterapkan pada elektroda maka akan terjadi beberapa kemungkinan reaksi yang terjadi pada anode dan katode seperti diilustrasikan pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 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
M+ + e-
M………... (2.4)
b. Proses pembentukan gas hydrogen
Larutan bersifat asam 2H+ + 2e-
H2………... (2.5)Larutan bersifat basa 2H2O + 2e
2(OH)- + H2……… (2.6)
2. Pada Anode (benda kerja)
a. Proses pelarutan dari ion metal di dalam cairan elektrolit
b. Proses pembentukan gas oksigen
2H2O
O2 + 4H+ + 4e- (larutan asam) ………... (2.8)
4(OH)-
2H2O + O2 + 4e- (larutan basa) ………. (2.9)c. Difusi, pergerakan ion akibat adanya medan listrik, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.16.
d. Proses konveksi karena aliran elektrolit.
Gambar 2.16 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;
2.2.5 Jenis Electro Chemical Machining (ECM)
Electro chemical machining (ECM) terbagi menjadi beberapa jenis berdasarkan kebutuhan permesinan yang diperlukan, antara lain:
1. Micro-ECM
Electro Chemical Machining (ECM) biasanya dikategorikan sebagai proses pemesinan dengan akurasi yang rendah. Hal ini dikarenakan jarak antar elektroda (gap) pemesinannya yang lebih lebar dibandingkan mesin konvensional lainnya.
Gambar 2.17 Electrolyte Jet (El-Hofy, 2005)
Pada micro-ECM, tool mikro yang digunakan adalah electrolyte jet seperti pada gambar 2.17 dimana 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 pemesinan. Indentasi pada pemesinan mikro dapat dilihat pada gambar 2.18.
2. Electro Chemical Drilling (ECDR)
Diameter yang dihasilkan pada Electro Chemical Drilling (ECDR) berkisar antara 1 sampai 2 mm dengan laju pemakanan 1 sampai 5 mm/menit. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.19, tool elektroda yang digunakan pada ECDR adalah elektroda jenis tubular (pipa). Cairan elektrolit kemudian dipompakan melalui tengah tool dan keluar melalui celah (gap) antara tool dan benda kerja.
Gambar 2.19 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 pemesinan 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
(STEM). Adanya medan listrik di antara elektroda dengan perantara elektrolit menyebabkan terjadinya penghapusan material pada permukaan benda kerja.
Sistem konfigurasi permesinan pada STEM adalah sama dengan ECM, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.20 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 danteknik 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 glassnozzle (diameter 0,025-0,50 mm). Untuk mengkonduksikan arus pemesinan menuju elektrolit, digunakan
kawat platina yang terpasang di dalam glass nozzle. Skema Electrostream
(Capillary) Drilling dapat dilihat pada Gambar 2.21.
Gambar 2.21 Skema electrostream (capillary) drilling (El-Hofy, 2005)
5. Electro Chemical Jet Drilling (ECJD)
drilling. Proses pemesinannya dapat dilihat pada gambar 2.22 dimana nozzle
berperan sebagai katodenya.
Gambar 2.22 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
burr hasil dari proses pengeboran. Burr merupakan sisa material yang tidak diinginkan pada bagian komponen mesin sebagai hasil dari proses manufaktur dan perlu untuk dihilangkan. Mekanisme deburring pada ECDB ditunjukkan pada Gambar 2.23.
2.2.6 Peralatan Electro Chemical Machining
Komponen utama pada mesin ECM yaitu terdiri dari sistem kontrol pemakanan, sistem elektrolit, power supply, dan pemegang benda kerja seperti yang ditunjukkan gambar 2.24 berikut.
Gambar 2.24 Komponen sistem pada ECM
1. Power Supply
Power supply regulated, tegangannya tidak akan berubah apabila dikenai beban, sedangkan power supply unregulated tegangan akan turun apabila dikenai beban. Power supply unregulated yang digunakan dalam penelitian ini memiliki spesifikasi berikut ini:
a. Tegangan 2-80 Volt (kontinu atau pulse), b. Kisaran arus antara 5-50 ampere,
c. Penyesuaian tegangan pada gap berlangsung secara kontinu, d. Pengendali arus dalam keadaan darurat (emergency),
e. 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 pemesinan,
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
menggunakan campuran elektrolit yang disesuaikan dengan kebutuhan.
Tabel 2.3 Elektrolit dan laju pemesinan berbagai benda kerja (Metals Handbook, 1989)
Work material
Steel; hardened tool steel NaCIO3 780 2,0
Steel; iron-, andnickel-, and cobalt-, base alloy
Material yang digunakan sebagai tool 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,
Kuningan adalah paduan logam tembaga (cu) 70% dan seng (zn) 30%. Material ini mempunyai konduktivitas listrik sebesar 1,6 x 107. Kuningan memiliki titik lebur pada 1130 ºC. Paduan tembaga-seng atau kuningan dapat digunakan untuk alat penukar panas, suku cadang yang tahan korosi dan kuat serta memiliki keuletan.
4. Benda kerja (workpiece)
Benda kerja pada ECM haruslah mampu menghantarkan listrik. Beda potensial yang terkandung dalam unsur benda kerja sangat menentukan terciptanya efisiensi arus dalam pemesinan. Kereaktifan unsur benda kerja juga menjadi salah satu faktor yang dapat mempengaruhi hasil pemesinan pada benda kerja. Selain itu, benda kerja yang diproses dengan pemesinan ECM adalah benda kerja yang bersifat mampu mendapat perlakuan panas. Adapun material benda kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah stainless steel 304 dan aluminium 1100.
Stainless steel adalah jenis baja tahan karat yang dibuat untuk di aplikasikan sebagai mesin di industri makanan dan minuman, peralatan dapur, industri perminyakan. Stainless steel merupakan baja perkakas yang banyak dipergunakan dalam industri karena memiliki sifat tahan karat yang tinggi akibat kandungan krom yang tinggi 18-20%. Komposisi kimia dari stainless steel 304 yaitu, karbon 0,07%, Silicon 1%, Mangan 2%, Fosfor 0,045%, Sulfur 0,030%, Nikel 8-10%, Nitrogen 0,11%, Krom 18-20% (European Stainless Steel Development Association).
Aluminium merupakan logam yang reaktif sehingga mudah teroksidasi dengan oksigen membentuk lapisan aluminium oksida, alumina (Al2O3) dan
2.2.7 Material Removal Rate (MRR)
Material Removal Rate (MRR) adalah jumlah massa benda kerja yang terkikis per satuan waktu. Secara teoritis MRR dapat dihitung berdasarkan prinsip
Faraday tentang elektrolisis menggunakan persamaan di bawah ini :
……….. (2.10)
………... (2.11)
dengan,
m : massa dalam gram (g)
I : arus listrik, Ampere (A)
t : waktu pemesinan, 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, 1988).
Namun secara aktual besarnya MRR dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini (Neto, 2006):
MRR =
………..………...…. (2.12)
dimana,
MRR : Material Removal Rate (mm3/dt)
mo : Massa benda kerja sebelum pemesinan (gram)
mt : Massa benda kerja setelah pemesinan (gram)
t : Waktu pemesinan (detik)
ρ : Massa jenis benda kerja (g/cm3)
2.2.8 Overcut dan efek tirus
luasan daerah serta sudut hasil lubang pemesinan. ImageJ adalah domain publik program pengolah gambar Java. ImageJ dapat menampilkan, mengedit, menganalisa, memproses, menyimpan dan mencetak gambar 8-bit, 16-bit, 32-bit, RGB. ImageJ dapat membaca banyak format gambar termasuk TIFF, GIF, JPEG, BMP, DICOM, FITS. ImageJ juga dapat mengukur jarak dan sudut, serta dapat membuat histogram kepadatan dan plot profil line. Software ini didukung standar fungsi pengolah gambar seperti manipulasi kontras, sharpening, smoothing, deteksi tepi dan median filtering.
Menurut Suhardjono (2014), 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 elektroda 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. Untuk lebih jelasnya overcut dan efek tirus diperlihatkan sesuai skema gambar 2.25.
Jadi overcutOc dirumuskan sebagai berikut:
d2 - do ……….. (2.13)
Sedangkan ketirusan dihitung berdasarkan rumus:
tan
-1………..……..……….. (2.14)
dengan,
d2 : diameter benda kerja sisi belakang, (mm)
d0 : diameter tool, (mm)
d1 : diameter benda kerja sisi depan, (mm)
h : ketebalan benda kerja, (mm)
sudut benda kerja, (o)
Rumus menghitung luas area menjadi diameter sebagai berikut:
d = √
……….... (2.15)
Dimana,
D : luas area, (mm2) d : diameter, (mm)
2.2.9 Akurasi ECM
Akurasi pada proses pemesinan ECM tergantung pada densitas arus yang dipengaruhi oleh:
1. Parameter pengujian seperti flow rate elektrolit, feed rate, voltage, gap
2. Komponen mekanikseperti kekakuan, akurasi
3. Alat kerja seperti filter system, isolasi, geometri alat dan benda kerja 4. Kontrol seperti posisi meja mesin, depth
5. Properti elektrolit seperti konsentrasi, jenis, cleaness
Gambar 2.26 Faktor yang mempengaruhi akurasi pemesinan pada ECM (Neto J. dkk. 2006)
31 yang dilakukan dalam suatu penelitian. Dalam bab ini akan membahas tentang segala sesuatu yang berkaitan langsung dengan penelitian seperti : tempat, waktu dilakukannya penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, apa saja yang menjadi variable 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 : 13 April 2016
3.3 Alat dan Bahan Penelitian
3.3.1 Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini diantaranya adalah: 1. ECM portable, sebagai alat untuk melakukan percobaan, 2. Regulator voltage berfungsi untuk mengatur tegangan, 3. Gunting besi untuk memotong benda kerja,
4. Amplas dan kikir untuk menghaluskan part yang selesai dibuat, 5. Jangka sorong untuk mengukur benda kerja,
7. Timbangan digital digunakan untuk menimbang massa benda kerja sebelum dan sesudah pemesinan,
8. Magnetic stirrer digunakan untuk mengaduk NaCl dengan aquades, 9. Selongsong bakar sebagai isolator tool,
10.Tang meter, 11.Stopwatch, 12.Palu,
13.Penggaris, alat tulis.
Gambar 3.1 Mesin ECM portable
3.3.2 Bahan Penelitian
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut. a. Electroda Kuningan
Tool elektroda yang digunakan untuk pengujian adalah kuningan berbentuk batang silinder berdiameter 3 mm seperti yang terlihat pada gambar 3.3.
Spesifikasi kuningan:
1. Konduktivitas Listrik : 1,6 x 107 2. Titik lebur : 1130oC
Gambar 3.3 Desain elektroda kuningan
b. Cairan Elektrolit NaCl
Komposisi konsentrasi larutan NaCl dan air murni, elektrolit yang digunakan untuk pengujian adalah 15% NaCl dan 85% air murni.
(a) (b) Gambar 3.4 (a) NaCl (b) 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 3.4. c. Benda kerja plat Stainless steel 304 dan Aluminium 1100
yang berbentuk persegi panjang dengan ukuran panjang 50 mm, lebar 40 mm, dan ketebalan 0.4 mm sebanyak 9 plat tiap material, seperti terlihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Desain benda kerja
Tabel 3.1 Komposisi kandungan unsur logam stainless steel 304 (European Stainless Steel Development Association)
Tabel 3.2 Komposisi kandungan unsur logam aluminium 1100 (Yudy, 2013)
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 %
8 Krom 18-20 %
No Unsur Logam Presentase
1 Besi 1 %
2 Silikon 1 %
3 Mangan 0.05 %
4 Seng 0.1 %
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 tegangan, jarak celah (gap) antara elektroda dan benda kerja 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, ketirusan pada hasil pemesinan ECM.
3.5 Langkah-langkah Penelitian
1. Mempersiapkan ECM portable, regulator voltage, benda kerja, elektroda;
2. Menyalakan tombol power mesin ECM dan software mach 3;
3. Memasang elektroda terisolasi pada holder mesin ECM dan mengencangkan;
4. Memasang benda kerja dan dikencangkan agar posisinya tidak berubah;
5. Mengatur posisi pemakanan benda kerja (koordinat x, y, z) dengan cara mengatur meja;
6. Mengatur tegangan yang dihasilkan oleh regulator voltage
menggunakan tang meter sesuai tabel rancangan percobaan;
7. Mengatur kerataan permukaan benda kerja dengan permukaan elektroda;
8. Mengatur parameter-parameter mesin ECM sesuai dengan tabel rancangan percobaan;
9. Menyalakan pompa cairan dielektrik/elektrolit dan mengatur nozle dengan tujuan menyesuaikan laju cairan dielektrik;
10.Memulai pengerjaan dengan menekan tombol ON pada power supply
memposisikan tombol OFF;
11.Mematikan pompa sirkulasi cairan elektrolit, mengangkat elektroda, dan mengeluarkan benda kerja;
12.Membersihkan benda kerja dari kotoran dan mengeringkannya;
13.Percobaan diulang dengan memvariasikan tegangan dan gap pada mesin ECM.
3.6 Diagram Alir Penelitian
Diagram alir dalam penelitian bertujuan memudahkan kita untuk melaksanakan penelitian dan memperjelas tahapan-tahapan dalam penelitian. iagram alir penelitian akan ditunjukkan pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Diagram alir penelitian TIDAK
YA MULAI
PERSIAPAN ALAT DAN BAHAN
SELESAI
PERHITUNGAN MRR PERHITUNGAN Overcut danKetirusan
BERLUBANG
ANALISIS HASIL
PEMESINAN VARIASI TEGANGAN 7, 10, 13 Volt dan
GAP 0.5, 0.75, 1 mm
3.7 Prosedur Pengujian 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
untuk membuat program g-code nya. Detail gambar seperti terlihat pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Layar load g-code
Langkah selanjutnya adalah membuat program g-code dengan menggunakan aplikasi notepad yang ada pada komputer. Untuk membuat program G-code harus di ketahui ukuran benda kerja dan yang utama adalah dimensi mesin yang digunakan untuk pemesinan supaya pada saat pemesinan, 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
Gambar 3.8 Contoh program g-code
Gambar 3.9 Tampilan g-code
3.8 Prosedur Pembuatan Benda Kerja
Pembuatan benda kerja dilakukan dengan mendesain pada software Corel draw dengan dimensi 51 × 41 mm, kemudian dilakukan pemotongan plat stainless steel 304 dan aluminium 1100 menggunakan gunting besi. Metode pemotongan benda kerja menggunakan gunting besi dengan tujuan agar benda kerja memiliki berat dan ukuran yang serupa, untuk mempermudah dalam perhitungan MRR dan pemasangan isolasi. Benda kerja yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.10. Setelah benda kerja selesai dibuat sesuai ukuran lalu isolasi benda kerja menggunakan isolator. Dimensi isolator ditunjukkan pada Gambar 3.11. Benda kerja yang telah diisolasi ditunjukkan oleh Gambar 3.12.
Gambar 3.10 Benda kerja
(a) (b) Gambar 3.12 Benda kerja setelah diisolasi (a) aluminium 1100,
(b) stainless steel 340
3.9 Prosedur Pembuatan Elektroda / Tool
Tool akan disambung langsung dengan selang dari pompa sehingga cairan elektrolit dapat mengalir di dalam tool. Tool dibuat dengan menggunakan pipa kuningan berdiameter 3 mm. Elektroda kuningan tersebut diberi selongsong bakar
yang berfungsi sebagai isolator. Bentuk elektroda dapat dilihat pada Gambar 3.13.
Fungsi dari tool untuk pengujian perhitungan MRR, overcut, serta ketirusan.
Gambar 3.13 Elektroda / Tool
3.10 Prosedur Pembuatan Penjepit Benda Kerja
Penjepit benda kerja yang digunakan pada penelitian ini akan langsung
bersentuhan dengan cairan elektrolit dan anoda. Oleh karena penjepit dibuat dari
3.11 Parameter Pengujian ECM
Parameter yang dipakai pada pengujian mesin ECM portable dapat dilihat pada Tabel 3.3 berikut ini.
Tabel 3.3 Parameter pengujian ECM
Tegangan Listrik 7 V, 10 V, 13 V
Working Gap 0.5 mm, 0.75 mm, 1 mm Kecepatan Elektrolit 3 lpm
Cairan Elektrolit Natrium Chloride (NaCl) Konsentrasi Elektrolit 15 % NaCl + 85 % Aquades
Benda Kerja Stainless steel 304 dan Aluminium 1100
3.12 Pengujian Terhadap Material Benda Kerja 3.12.1 Pengujian MRR
3.12.2 Pengujian overcut dan ketirusan
Langkah-langkah pengujian overcut yaitu setelah proses pemesinan ECM selesai, mengamati lubang hasil proses pemesinan. Overcut yang dihasilkan diukur dengan cara membandingkan besarnya lubang yang ingin dibuat dengan besarnya lubang yang dihasilkan pada benda kerja. Nilai ketirusan didapatkan ketika diameter lubang hasil proses pemesinan mengalami perubahan bentuk, seperti adanya sudut yang berbeda di tiap sisi permukaan benda kerja.
3.13 Pengukuran Hasil Pengujian 3.13.1 Pengukuran MRR
Pengukuran MRR dilakukan dengan cara melakukan penimbangan terhadap benda kerja dengan menggunakan timbangan seperti pada gambar 3.14 terhadap spesimen sebelum dan sesudah pemesinan kemudian selisihnya dibagi
dengan waktu pemesinan, sesuai dengan persamaan 2.12. 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, Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
Gambar 3.14 Pengukuran massa menggunakan timbangan digital
3.13.2 Pengukuran overcut dan ketirusan
Gambar 3.15 Pengujian Makro
1. Hasil foto makro tersebut dianalisa menggunakan aplikasi software ImageJ seperti terlihat pada gambar 3.16 (a).
2. Pada aplikasi software ImageJ benda kerja tersebut diukur dengan cara mengklik icon straight, kemudian klik sisi yang ingin diukur, gambar tersebut di set scale dengan cara mengklik analyze (gambar 3.16 b), 3. Kemudian melakukan set scale seperti terlihat pada gambar 3.16 (c). 4. Setelah di set scale, kemudian membuat lingkaran dengan cara mengklik
iconoval pada toolbar seperti terlihat pada gambar 3.16 (d).
5. Kemudian mengklik paint brush tool untuk mewarnai background gambar seperti pada gambar 3.16 (e).
6. Setelah selesai diwarnai background tersebut lalu mengklik icon wand (tracing tool) dan mengatur tolerancenya 2 dengan cara double klik icon
tersebut, lalu mengklik daerah yang diinginkan (gambar 3.16 f).
7. Kemudian mengklik analyze, tool, dan mengklik ROI manager (gambar 3.16 g), pada layout ROI Manager mengklik add (gambar 3.16 h).
8. Setelah daerah tersebut sudah terblok, maka langkah selanjutnya mengklik
icon wand (tracing) tool kembali, lalu mengklik daerah yang diinginkan seperti terlihat pada gambar 3.16 (i), dan mengklik add pada layout ROI Manager.
Gambar 3.16 (a) Tampilan software ImageJ, (b) Benda kerja yang di set scale, (c) Tampilan set scale, (d) Benda kerja yang di klik icon oval, (e) Benda kerja
yang sudah diwarnai (a)
(b)
(e) (c)
