SKRIPSI. Skripsi ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik NASRAN LIMBONG NIM:

KARBIDA CVD BERLAPIS TiN/Al

2

O

3

/ TiCN DENGAN METODE SIMULATED ANNEALING

SKRIPSI

Skripsi ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

NASRAN LIMBONG NIM:120401021

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2018

ABSTRAK

Pemesinan adalah suatu proses produksi dengan menggunakan mesin perkakas dengan memanfaatkan gerakan realatif antara pahat dengan benda kerja sehingga menghasilkan suatu produk sesuai dengan hasil geometri yang diinginkan. Material yang keras memiliki sifat abrasive, dan nilai kekerasan atau modulus young ratio yang tinggi. Akibat dari semua itu maka proses pada proses bubut keras dibutuhkan alat potong yang jauh lebih keras dan terhadap abrasive. Salah satu jenis mata pahat yang memiliki kekerasan dan ketahanan terhadap keausan adalah karbida.Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari produktivitas pahat karbida berlapis yang digunakan pada pembubutan baja yang dikeraskan dan mengadaptasi model matematika produktivitas pahat berlapis sebagai fitness function Algoritma simulated annealing untuk memperoleh nilai optimum produktivitas. Fitness function yang dihasilkan ada 3, VMR (max) = 1692,656 – 15,977v – 769,877f + 70,6921a, TL (max)

= 117,149 – 0,93665v – 107,831f – 9,9738a, Ra (min) = 2,38654 – 0,01665v + 7,869231f – 0,35385a. Dengan menggunakan fitness function tersebut, maka dihasilkan fitness terbaik dengan nilai fitness = 432,6339 cm³dengan nilai v = 65 m/min, f = 0,15 mm/ rev, dan a = 1,5 mm. T_L tertinggi adalah 25,13 min dengan v = 65 m/min, f = 0,15 mm/rev, dan a = 1,5 mm. Pilihan ini dapat digunakan apabila tidak ada pekerjaan yang mendesak ( banyak waktu luang) atau apabila permintaan pasar yang rendah. Ra terendah adalah 1,92dengan v = 65 mm/min, f = 0,15 mm/rev, dan a = 1,5 mm. Pilihan ini digunakan apabila kita ingin mendapatkan produk dengan kualitas terbaik yaitu dengan nilai roughness ( kekasaran permukaan) yang sekecil- kecilnya.

Kata kunci: Fitness Function, pahat Karbida Berlapis, MATLAB.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang atas berkat anugerahnya yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik dan tepat waktu.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat menyelesaikan pendidikan dan mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Medan. Adapun yang menjadi judul skripsi ini adalah “OPTIMASI KONDISI PEMOTONGAN PADA PEMBUBUTAN KERAS BAJA AISI 4340 YANG MENGGUNAKAN PAHAT KARBIDA CVD BERLAPIS TiN/Al2O3/TiCN DENGAN METODE SIMULATED ANNEALING“.

Secara khususnya saya mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing Bapak Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting,M.Eng, yang telah bersedia meluangkan waktu guna memberikan bimbingan dan sumbangan pikiran bagi penulis skripsi ini.

Saya menyadari bahwa tersusunnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan banyak pihak yang sangat bermanfaat, oleh karena itu saya juga mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ibu, A. Pardede serta abang dan kakak penulis yang selalu member semangat, doa, dan memotivasi penulis.

2. Bapak Dr.Ir.M. Sabri,M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Prof.Dr.Ir. Armansyah Ginting,M.Eng selaku dosen pembimbing saya yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya selama proses pegerjaan skripsi ini.

4. Bapak Terang UHSG,ST,MT selaku Sekretaris Departemen TeknikMesin USU.

5. Bapak pembanding dan penguji skripsi

6. Seluruh staff pengajar dan staff tata usaha Departemen Teknik Mesin yang membimbing dan membantu segala keperluan penulis selama masa perkuliahan.

7. Abangda Sarjana, S.T. dan Abang wanda yang telah membantu penulis dalam membukakan pintu ruangan untuk asistensi laporan skripsi ini.

8. Teman satu team penelitian Andrew, Erwin Ubasori

9. Seluruh rekan-rekan stambuk 2012 yang tidak bias penulis sebutkan namanya satu persatu yang selalu memberikan dukungan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

10. Dan semuapi hak yang tidak bias penulis sebutkan namanya satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan terhadap penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dari penulisan skripsi ini, baik dari materi maupun penyajiannya, mengingat kurangnya pengetahuan dan pengalaman penulis. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan sebagai motivasi dalam rangka pengembangan diri menjadi lebih baik.

Semoga skripsi ini dapat dimanfaatkan sebaik-baiknya dalam menumbuhkan suasana ilmiah dan kreatifitas dalam pengembangan teknologi tepat guna di lingkungan Departemen Teknik Mesin USU khususnya dan lingkungan Universitas Sumatera Utara umumnya agar berguna bagi kemajuan bangsa dan Negara

Medan, Agustus 2018 Penulis

Nasran Limbong (120401021)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... viii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. LATAR BELAKANG ... 1

1.2. BATASAN MASALAH ... 2

1.3. TUJUAN PENELITIAN ... 3

1.6. SISTEMATIKA PENULISAN ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1. Proses Pemesinan ... 5

2.2. Material Pahat ... 7

2.2.1. Pahat Karbida Berlapis ... 17

2.2.2. Geometri Pahat ... 21

2.3. Material Benda Kerja ... 23

2.3.1. Baja AISI 4340 ... 24

2.4. Pemesinan Keras ... 26

2.5. Pemesinan kering (Dry Machining) ... 27

2.6. Produktivitas Mesin ... 29

2.7. Optimasi dan Algoritma Simulated Annealing ... 31

2.7.2.1. Langkah-Langkah Metode Simulated Annealing ... 35

2.7.2.2. Aplikasi Simulated Annealing ... 36

2.7.2.2. Simulated Annealing dalam MATLAB ... 39

BAB III METODE PENELITIAN ... 41

3.1. Diagram Alir ... 41

3.2. Software MATLAB ... 41

3.3. Desain Faktorial 2³ ... 43

3.4. Persamaan Regresi Multi Linear ... 44

3.5. Metode Simulated Annealing ... 45

3.6. Simulated Annealing Dalam MATLAB ... 46

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 48

4.1. Data Eksperimen ... 54

4.2. Analisa Data ... 54

4.2.1. Pengumpulan Data menggunakan Metode Desain Faktorial 2³ ... 54

4.2.2. Menghasilkan Fitness Function menggunakan metode Regresi Multi Linear ... 55

4.3. Optimisasi Menggunakan Simulated Annealing ... 60

4.3.1 Perhitungan Simulated Annealing untuk Optimasi VMR ... 60

4.3.2 Perhitungan Simulated Annealing untuk Optimasi TL ... 67

4.3.3 Perhitungan Simulated Annealing untuk Optimasi Ra ... 67

4.4. Hasil Optimasi Menggunakan MATLAB ... 68

4.5. Hasil Optimasi VS Hasil Eksperimen ... 74

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 75

5.1. KESIMPULAN ... 75

5.2. SARAN ... 76

DAFTAR PUSTAKA ... 77 LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skematis proses bubut ... 6

Gambar 2.2. Grafik kekerasaan dari material pahat ... 9

Gambar.2.3. Pahat bubut baja karbon ... 10

Gambar 2.4. Pahat bubut baja HSS ... 11

Gambar 2.5. Paduan Cor Non Logam ... 12

Gambar 2.6. Pahat karbida ... 12

Gambar 2.7. Keramik ... 13

Gambar 2.8. Cermet ... 14

Gambar 2.9. CBN (Cubic Boron Nitride) ... 15

Gambar 2.10. Intan ... 16

Gambar 2.11. Proses pemesinan berbagai metode ... 27

Gambar 2.12. Persentase pembagian ongkos ... 29

Gambar 2.13. Lingkungan Kerja MATLAB ... 40

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 41

Gambar 3.2. Fitness function pada Editor ... 47

Gambar 3.3. M- file dalam Current Folder... 47

Gambar 3.4. Perintah Optimtool dalam Command Window ... 47

Gambar 3.5. Tampilan Optimization Tool ... 48

Gambar 3.6. Jendela Problem Setup And Result ... 49

Gambar 3.7. Stopping Criteria ... 49

Gambar 3.8. Annealing Parameters ... 50

Gambar 3.9. Reannealing Interval ... 50

Gambar 3.10. Temperature Update Functions ... 50

Gambar 3.11. Initial Temperature ... 50

Garnbar 3.12. AcceptanceCriteria ... 51

Gambar 3.13. Problem Type ... 51

Gambar 3.14. Hybrid Function ... 52

Gambar 3.15. Plot Functions ... 52

Gambar 3.16. Hasil optimasi yang disimpan ... 53

Gambar 4.1. Nilai Optimum Kondisi Pemotongan ... 68

Gambar 4.2. Grafik Function Value ... 69

Gambar 4.3. Grafik Best Point ... 70

Gambar 4.4. Grafik Stopping Criteria ... 70

Gambar 4.5. Grafik Current Temperature ... 71

Gambar 4.6. Grafik Current Point ... 72

Gambar 4.7. Grafik Current Function Value ... 73

Gambar 4.8. Grafik Hasil Optimasi MATLAB Secara Keseluruhan ... 73

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis Karbida Berlapis ... 20

Tabel 2.2 Komposisi Kimia baja AISI 4340 ... 25

Tabel 3.1 Variasi Nilai Kondisi Pemotongan 2³... 34

Tabel 3.2 Data Kondisi Pemotongan 2³... 34

Tabel 3.3 Bentuk Data Regresi Multi Linear ... 35

Tabel 4.1 Hasil Kondisi Pemotongan ... 54

Tabel 4.2 Variasi Nilai Kondisi Pemotongan 2³... 54

Tabel 4.3 Data Kondisi Pemotongan 2³... 55

Tabel 4.4 Kondisi Pemotongan untuk VMR ... 55

Tabel 4.5 Kondisi Pemotongan untuk TL ... 57

Tabel 4.6 Kondisi Pemotongan Untuk Ra ... 59

Tabel 4.7 Iterasi VMR Optimum ... 62

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Proses pemotongan logam merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengubah bentuk dari logam (komponen mesin) dengan cara memotong. Proses pemotongan dengan menggunakan pahat potong yang dipasang pada mesin perkakas dalam istilah teknik sering disebut dengan nama proses permesinan. Karena bentuknya yang beraneka ragam tersebut maka proses permesinan yang dilakukannya pun bermacam-macam sesuai dengan bidang yang dihasilkan yaitu silindrik atau rata.

Klasifikasi proses permesinan proses permesinan dibagi tiga yaitu menurut jenis gerakan relatif pahat / perkakas potong terhadap benda kerja, jenis mesin perkakas yang digunakan, dan pembentukan permukaan (Rochim,1993).

Pahat yang bergerak realtif terhadap benda kerja akan menghasilkan geram dan sementara itu permukaan benda kerja secara tertahap akan terbentuk menjadi komponen yang dikendaki. Proses pemesinan seperti proses bubut, kondisi pemotongan seperti laju pemotongan, pemakanan, kedalaman potong dan penggunaan cairan pemotongan memiliki peran penting dalam efesiensi dari mata pahat. Pada umumnya industri manufaktur menggunakan mesin bubut untuk menghasilkan produk mereka dan menggunakan cairan pendingin berbasis komersial serta melakukan penyepuhan benda kerja setelah dibubut. Efek samping dari penggunaan cairan pendingin tersebut sangat membahayakan lingkungan, membutuhkan biaya tambahan dalam proses produksi serta biaya daur ulang cairan pendingin. Sedangkan keuntungannya antara lain, dapat mengurangi ongkos pemesinan, menghasilkan produk dengan kualitas tinggi, waktu pemesinan yang rendah, investasi yang rendah, persediaan perkakas yang rendah serta dapat mengurangi kegiatan tambahan yang tidak diperlukan.

Perkembangan proses pemesinan keras dikarenakan datangnya pahat-pahat dengan teknologi maju seperti Cubic Boron Nitride (CBN), Polycrystalline Cubic Boron

Nitride (PCBN), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD), dan Ceramic tools.

Produktivitas berkaitan dengan kemampuan menghasilkan produk dan juga kualitas dari produk yang dihasilkan. Didalam penelitian ini, kapasitas geram (volume of material removal, VMR) yang dihasilkan selama proses pemesinan mewakili nilai dari produktivitas. Dimana VMR merupakan perkalian antara kecepatan penghasilan geram (rate of material removal, MRR) dari proses pemesinan dengan umur pakai pahat (tool life, T_L). Maka, diperlukan MRR dan T_L yang tinggi untuk menghasilkan VMR yang tinggi pula sehingga nilai produktivitas juga tinggi. Akan tetapi perlu juga untuk memerhatikan kondisi permukaan akhir dari produk yang dihasilkan.

Diharapkan dengan VMR yang setinggi mungkin dihasilkan kualitas permukaan yang baik juga (dapat diterima dan tergantung permintaan). Untuk memenuhi hal ini, maka perlu dilakukan pengoptimasian terhadap kondisi yang dimaksud.

Dalam optimasi kondisi pemesinan, diperlukan suatu algoritma (algorithm) yaitu urutan langkah logik yang menggunakan suatu model matematik untuk menghitung harga paling baik atau optimum bagi variabel proses pemesinan sehingga tujuan proses pemesinan dapat dipenuhi (Rochim. 1993). Didalam pengoptimasian ini, metode yang digunakan adalah algoritma genetika. Dimana didalam prosesnya, algoritma genetika akan mencari solusi-solusi optimum untuk kondisi pemotongan dimana akan berpengaruh terhadap nilai VMR. Dengan ini, maka dihasilkan nilai VMR maksimum yang akan menghasilkan produktivitas yang tinggi.

1.2 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah yang digunakan adalah :

1. Pembubutan menggunakan pahat karbida yang telah dikeraskan.

2. Metode optimasi yang digunakan adalah Simulated Annealing.

3. Data sekunder yang digunakan adalah Data Reza Fahlevi dan Ponti Gunawan (2017).

4. Perancangan dan analisa sistem yang digunakan adalah program bantuan software MATLAB.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Memahami produktivitas pahat karbida berlapis yang digunakan pada pembubutan baja yang dikeraskan.

2. Menyusun model matematika dari data sekunder terkait produktivitas pahat karbida berlapis yang digunakan pada pembubutan baja yang dikeraskan dengan menggunakan Multi linear regression.

3. Mengadaptasi model matematika produktivitas pahat karbida berlapis sebagai fitness function Algoritma Simulated Annealing untuk memperoleh nilai optimum produktivitas.

4. Implementasi Algoritma Simulated Annealing dilakukan dengan pendekatan hand calculation dan selanjutnya diselesaikan dengan bantuan perangkat lunak yang memuat aplikasi Algoritma Simulated Annealing.

1.4 Sistem Penulisan

Sistem penulisan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bab I Pendahuluan

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, batasan maslah dan sistem penulisan.

2. Bab II Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan tujuan pustaka, diantaranya mengenai teori yang berhubungan dengan penelitian, yaitu teori tentang optimasi dan Simulated Annealing, teori pembubutan, material pahat dan benda kerja, permesinan keras, kualitas permukaan produk, dan pengantar tentang MATLAB.

3. Bab III Metodologi

Bab ini berisi tata cara penelitian yang akan dilakukan, yaitu software yang digunakan, desain eksperimen, dan diagram alir penelitian, dan langkah-langkah didalam pengoptimasian.

4. Bab IV Analisa Data

Bab ini berisikan hasil analisa penggunaan simulated annealing untuk optimasi pemesinan dan mesin bubut ( turning)

5. Bab V Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa berdasrkan tujuan skripsi dan saran untuk penelitian selanjutnya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Proses Pemesinan

Pemesinan adalah suatu proses produksi dengan menggunakan mesin perkakas dengan memanfaatkan gerakan realatif antara pahat dengan benda kerja sehingga menghasilkan suatu produk sesuai dengan hasil geometri yang diinginkan. Pada proses ini tentu terdapat sisa dari pengerjaan produk yang biasa disebut geram. Pahat dapat diklasifikasikan sebagai pahat bermata potong tunggal (single point cutting tool) dan mata pahat bermata potong jamak (multiple point cutting tool). Pahat dapat melakukan gerak potong (cutting) dan gerak makan (feeding). Proses pemesinan dapat diklasifikasikan dalam dua klasifikasi besar yaitu proses pemesinan untuk membentuk benda kerja silindris atau konis dengan benda kerja atau pahat berputar, dan proses pemesinan untuk membentuk benda kerja permukaan datar tanpa memutar benda kerja. Klasifikasi yang pertama meliputi proses bubut dan variasi proses yang dilakukan dengan menggunakan mesin bubut mesin gurdi (griding machine), mesin freis (milling machine), mesin gerinda (grinding machine).

Klasifikasi kedua meliputi proses sekrap (shaping planning), proses slot (sloting), proses menggergaji (sawing), dan proses pemotongan roda gigi (gear cutting) (widarto,2008).

Tiga parameter utama pada setiap proses bubut adalah kecepatan spindle (speed), gerak makan (feed), dan kedalaman potong (depth of cut).

Faktor yang lain seperti bahan benda kerja dan jenis pahat sebenarnya juga memiliki pengaruh yang cukup besar, tetapi tiga parameter diatas adalah bagian yang bisa diatur oleh operator langsung pada mesin bubut.

Pada mesin bubut dapat juga dilakukan proses pemesinan yang lain, yaitu bubut dalam (internal turning), proses pembuatan lubang dengan mata bor (drilling), proses memperbesar lubang (boring), pembuatan ulir (thread

do

a f,

n,put/m

dm

Put /

cutting), dan pembuatan alur (grooving parting off ). Proses tersebut dilakukan dimesin bubut dengan bantuan atau tambahan peralatan lain agar proses pemisanan bisa dilakukan.

Parameter pemesinan pada proses bubut dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:(Rochim,1993). Ada beberapa parameter utama yang perlu diperhatikan pada proses pemesinan, terutama pada proses bubut.

Dengan menggunakan persamaan berikut kita dapat menentukan beberapa parameter utama dan gambar 2.1 menunjukkan skema proses bubut.

Gambar 2.1 Gambar skematis proses bubut (Sumber: Widarto, 2008)

1. Kecepatan potong (cutting speed)

⁄ ... (2.1)

Dimana:

v = Kecepatan pemotongan (m/min)

n = Putaran potong utama benda kerja (rpm) d = Diameter rata-rata, yaitu:

... (2.2) Dimana:

do = diameter awal benda kerja (mm) dm = diameter akhir benda kerja (mm)

2. Kecepatan makan

( ⁄ ) ... (2.3) Dimana:

f = gerak makan (mm/rev)

n = putaran poros benda kerja (rpm)

3. Waktu pemesinan

⁄ (min) ... (2.4)

Dimana:

lt = panjang permesinan (mm) vf = kecepatan pemakanan (mm/min)

4. Kedalaman potong

... (2.5) 5. Kecepatan penghasil geram

... (2.6) Dimana:

f = gerak makan (mm/rev) a = kedalaman potong (mm) v = kecepatan potong (m/min)

2.2. Material Pahat

Pahat bubut merupakan alat potong yang digunakan untuk menyayat benda kerja yang dilaksanakan pada mesin bubut. Pahat bubut dipasang didalam rumah pahat (tool post) pada mesin bubut. Material alat potong yang ideal harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

 Lebih keras 30 sampai 50 daripada material benda kerja yang dipotong.

 Memiliki ketahanan aus yang tinggi.

 Memiliki kekerasan panas (hot hardness) yang tinggi.

 Tahan terhadap kejutan termal.

 Tahan terhadap tumbukan (impact)

 Tidak bereaksi secara kimia dengan material benda kerja dan cairan pendingin.

Proses pembentukan geram dengan cara pemesinan berlangsung, denagn cara mempertemukan dua jenis material. Untuk menjamin kelangsungan proses ini maka jelas diperlukan material pahat yang lebih unggul daripada material benda kerja. Keunggulan tersebut dapat dicapai karena pahat dibuat dengan memperhatikan berbagai segi yaitu:

(Rochim,1993).

1. Kekerasan:

kekerasan yang cukup tinggi melebihi kekerasan benda kerja tidak saja pada temperatur ruang melainkan juga pada temperatur tinggi pada saat proses pembentukan geram berlangsung.

2. Keuletan:

Keuletan yang cukup besar untuk menahan beban kejut yang terjadi sewaktu pemesinan dengan interupsi maupun sewaktu memotong benda kerja yang mengandung partikel/bagian yang keras(hard spot).

3. Ketahanan beban kejut thermal:

Diperlukan bila terjadi perubahan temperatur yang cukup besar secara berkala atau periodic.

4. Sifat adhesi yang rendah:

Untuk mengurangi afinitas benda kerja terhadap mengurangi laju keausan, serta penurunan gaya pemotongan.

5. Daya larut elemen atau komponen

Dibutuhkan untuk memperkecil laju keausan akibat mekanisme difusi.

Tingkat kekerasan yang rendah dan adhesi yang tinggi tidak diharapkan karena memungkinkan distorsi atas profil pahat, membulatkan moncong pahat, berangsur-angsur menyebabkan keausan pada telapak pahat. Ketangguhan dan resistansi terhadap kejutan termal kurang baik akan mengakibatkan terkelupasnya tepi sisi potong atau bahkan patah. Sayangnya tingkat kekerasan dan resistansi terhadap panas bahan, secara umum hanya dinaikkan dengan mengorbankan ketangguhan bahan, karena itu, tidak ada alat iris yang benar- benar paling baik. Sejumlah perkembangan terakhir secara umum didasarkan pada penggabungan sifat-sifat yang diinginkan dari bahan dasar dan pelapis.

Berikut ini adalah material-material yang sering digunakan untuk proses pemesinan mulai dari yang paling lunak tetapi ulat sampai dengan yang paling keras tetapi getas yaitu:

1. Baja Karbon (High Carbon Steels; Carbon Tool Steels; CTS),

2. HSS (High Speed Steels; Tool Steels),

3. Paduan Cor Nonferro (Cast Nonferrous Alloys; Cast Carbides),

4. Karbida (Cemented Carbides; Hardmetals), 5. Keramik (Ceramics),

6. Cermet

7. CBN (Cubic Boron Nitrides), dan

8. Intan (Sintered Diamonds & Natural Diamonds).

Gambar 2.2 Grafik Kekerasan dari material pahat ( sumber Rochim,1993

1. Baja karbon

Baja dengan kandungan karbon yang realatif tinggi (0,7 -1,4 C) tanpa unsur lain dengan persentase unsur lain yang rendah (2 Mn, W, Cr) mampu mempunyai kekerasan permukaan yang cukup tinggi. Dengan proses perlakuan panas dengan kekerasan yang tinggi (500-1000 HV) dicapai akan menjadi transformasi martensitik.

Karena martensitik akan melunak pada temperatur 250 C maka hanya karbon ini hanya bisa digunakan pada kecepatan potong yang rendah.

Gbr 2.3 Pahat bubut baja karbon Sumber : www.alibaba.com

2. HSS (High Speed Steel)

Baja perkakas kecepatan tinggi (high speed steel) adalah material perkakas yang digunakan untuk aplikasi permesinan yang membutuhkan laju pemotongan tinggi . Sifat utama baja perkakas ini adalah kemampuan bekerja pada temperatur tinggi akibat cepatnya laju potong. Kekerasan dapat dipertahankan tetap tinggi pada temperatur tinggi, kekerasan baja ini setelah dikeraskan 65 HRC pada temperatur ruang, 60 HRC pada 315^oC, 57 HRC pada 425^oC, 52 HRC pada 540, dan 33 HRC pada 650^oC (ASM Metal Handbook vol. 1. 1990). Hal ini disebabkan karena kecepatan potong akan menghasilkan panas selama proses permesinan. Sifat keras pada temperatur tinggi yang merupakan fitur utama baja perkakas ini sering disebut sebagai sifat hot hardness atau red hardness. Selain itu baja perkakas ini juga memiliki sifat tahan aus yang tinggi.

Gbr 2.4 Pahat bubut HSS Sumber : www.axminster.co.uk

3. Paduan Cor Non Ferro (Cast Nonferrous Alloys; Cast Carbides)

Sifat-sifat paduan non ferro adalah diantara HSS dan karbida (cemented Carbide) dan digunakan dalam hal khusus diantara pilihan dimana karbida terlalu rapuh dan HSS mempunyai hot hardness dan wear resistance yang terlalu rendah. Jenis material ini dibentuk secara tuang menjadi bentuk-bentuk yang tidak terlampau sulitmisalnya tool bit (sisipan) yang kemudian diasah menurut geometri yang dibutuhkan.

Paduan non ferro terdiri 4 macam elemen utama adalah sebagai berikut:

1. Cobalt: sebagai pelarut bagi elemen-elemen lain.

2. Krom (Cr): (10 s.d 35 berat) yang membentuk karbida.

3. Tungsten atau Wolfram(W): (10 s.d 25 berat) sebagai pembentuk karbida dan menaikan karbida secara menyeluruh.

4. Karbon(1 C membentuk jenis yang relatif lunak sedang 3 C menghasilkan jenis keras serta tahan aus.

Gbr 2.5 Paduan Cor Non Ferro Sumber : www.conradhoffman.com 4. Karbida (Cemented Carbides; Hardmetals)

Material karbida ditemukan pada tahun 1923 merupakan bahan pahat yang dibuat dengan cara menyinter (sintering) serbuk karbida (nitride, oksida) dengan bahan pengikat yang umumnya dari cobalt (Co).

Dengan cara carburizing masing- masing bahan dasar (serbuk) tungsten (wolfram, W), titanium (Ti), tantalum (Ta) dibuat menjadi karbida yang kemudian digiling (ball mill) dan disaring. Salah satu campuran serbuk karbida tersebut kemudian dicampur dengan bahan pengikat (Co) dan dicetak tekan dengan memakai bahan pelumas (lilin). Setelah itu dilakukan presintering (1000^oC pemanasan mula untuk menguapkan bahan pelumas) dan kemudian sintering (1600^oC) sehingga bentuk keeping (sisipan) sebagai hasil proses cetak tekan (Cold atau HIP) akan menyusut menjadi sekitar 80% dari volume semula.

Gambar 2.6 pahat karbida (www.toolingu.com)

5. Keramik (Ceramik)

Serbuk alumunium oksida dengan bahan tambahan titanium, dicampurkan dengan pengikat dan diproses menjadi sisipan pahat pemotong dengan teknik metalurgi serbuk. Sisipan ini diapitkan pada pemegang pahat ataupun diikatakan padanya dengan epoxy resin. Bahan yang dihasilkan mempunyai kekuatan kompresif sangat tinggi tetapi agar rapuh. Oleh karena itu sisipan ini harus diberi 5 sampai 7 derajat pengukuran negatif untuk memperkuat tepi potong dan harus didukung dengan baik oleh pemegang pahat. Temperatur pahat keramik adalah di atas 1100º C, dan sifat ini digabungkan dengan konduktifitas panas yang rendah, memungkinkan pahat itu beroperasi pada kecepatan potong tinggi dan mengambil pemotongan yang dalam.

Tidak ada peningkatan unsur yang mencolok dari pahat dengan penggunaan media pendingin. Keuntungan dari pahat keramik mencakup 17 kekerasan dan kekuatan pada suhu tinggi dan rendah, kekuatan kompresif tinggi, tidak mempunyai gaya gabung untuk bahan yang dipotong, tahan untuk pengkawahan.

Penggunaan pahat keramik hanya dibatasi oleh kerapuhan, kekakuan, kapasitas dan kecepatan dari mesin perkakas konvensional, dan kesulitan untuk menguatkan sisipan kepada pemegangnya.

Gambar 2.7 Keramik Sumber: www.ntkcuttingtools.com 6. Cermet

Cermet merupakan material alat potong yang terutama terdiri dari partikel-partikel keras berbasis titanium. Nama cermet sendiri berasal dari kata ceramic dan metal. Keramik dikenal sebagai material yang tahan

panas tapi getas atau rapuh, sedangkan logam dikenal sebagai material yang ulet tapi tidak tahan panas. Cermet memiliki sifat baik dari kedua penyusun ini, yaitu tahan panas dan tidak getas (brittle). Cermet adalah bahan yang sangat keras yang terutama terbuat dari material keramik seperti titanium karbida (TiC), titanium nitride (TiN), atau titanium karbonitrida (TiCN) dengan pengikat logam nikel atau kobalt dengan persentase sebesar 10 - 20 . Cermet mimiliki kinerja pemotongan yang terletak antara alat potong karbida dan alat potong keramik. Dibandingkan kekerasan panas, ketahanan aus abrasif dan stabilitas kimia alat potong karbida, kekerasan panas, stabilitas kimia dan ketahanan aus cermet libih tinggi. Oleh karena itu, cermet dapat melaksanakan pemotongan terputus- putus dengan lebih baik. Tetapi, bila dibandingkan dengan keramik solid, terdapatnya titanium karbida dalam cermet akan mengurangi kekerasan panas dan ketahanan aus abrasif. Permukaan mata pemotong cermet sangat halus, sehingga total dapat bergerak dengan mudah dan mencegah penempelan material benda kerja pada tepi pemotong.

Gambar 2.8 Cermet

Sumber: www.ntkcuttingtools.com 7. CBN (Cubic Boron Nitride)

CBN termasuk jenis keramik. Diperkenalkan oleh GE (USA, 1957 Borazon). Material CBN dapat mempertahankan kekerasannya ini pada suhu yang sangat tinggi sampai suhu 1000° C lebih. Alat potong CBN dapat digunakan baik dalam bentuk mata potong solid atau pemotong lapisan yang dibuat dengan pengikatan suatu lapisan (dengan ketebalan 0,5

mm hingga 1 mm) polikristalin CBN pada lapisan dasar karbida bebasis kobalt pada suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Pahat CBN akan bekerja secara efektif sebagai alat potong untuk material-material umum yang sanagt keras dan sukar sukar dimesin. Material-material yang dianjurkan untuk dipotong dengan CBN adalah: baja paduan, baja perkakas, HSS, besi tuang, baja tempa, baja kromium, stellite, monel, inconel, waspoloy, nihard dan lain-lain. Pahat bubut CBN merupakan alat potong yang mahal dibandingkan pahat bubut konvensional.

Gambar 2.9 CBN (Sumber: www.ntkcuttingtools.com)

8. Intan

Sintered Diamond 9GE,1995) merupakan hasil proses sintering serbuk intan dengan bahan pengikat Co (5 -10 ). Alat potong intan merupakan kombinasi alat potong yang paling keras dengan ketahanan aus yang superior. Umur mata pemotong intan bias mencapai 50 kali hingga 100 kali umur mata pemotong yang terbuat dari karbida. Kecepatan potong pahat intan berkisar antara 200 hingga 2000 m/ menit. Intan tersedia sebagai intan Kristal tunggal yang merupakan intan alam dan intan polikristalin (polycrystalline diamond yang sering disingkat PCD) yang merupakan intan buatan atau intan sintetis. PCD memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang hampir sama dengan intan alam. Intan sintetis memiliki beberapa kelebihan dibandingkan intan alam yaitu:

 Intan sintetis lebih tahan kejut karena partikel-partikel intan sintetis mempunyai struktur orientasi yang acak.

 Intan sintetis lebih tahan aus.

 Intan sintetis tersedia banyak dalam berbagai bentuk dan ukuran.

 Di andingkan intan alam, intan sintetis relatif lebih murah.

Alat potong intan buatan terdiri dari Kristal sintetis yang sangat halus yang disatukan dan dipadatkan dengan proses tekanan dan suhu yang sangat tinggi dengan pengikat yang sesuai (biasanya kobalt). Lapisan dengan ketebalan 0,5 mm hingga 1,5 mm kemudian secara metalurgi dilapiskan ke lapisan dasar dari karbida atau silikon nitrida. Karena intan merupakan material dengan formasi khusus dari karbon, maka intan memiliki afinitas yang tinggi dengan karbon pada logam ferro. Jika intan digunakan untuk memotong logam-logam ferro ini pada suhu tinggi. Oleh karena itu, intan tidak cocok digunakan untuk memotong logam-logam ferro.

Gambar 2.10 Intan

Sumber : www.ntkcuttingtools.com

Pahat intan sintetis dianjurkan untuk memotong material-material seperti aluminium, paduan alumnium, tembaga, kuningan, perunggu, seng, paduan magnesium, timah, emas, perak, karbida, keramik, grafit, fiber glass, berbagai jenis plastik seperti polikarbonat, fluoroplastics seperti teflon, acrylic, stiren, propilen, silikon, germanium, litium, gallium arsenida dan cadmium.

2.2.1 Pahat karbida berlapis

Coated cemented carbide jenis karbida berlapis yang sedang berkembang dan banyak digunakan dalam berbagai jenis permesinan, pemakaiannya sekitar 40 dari seluruh jenis karbida yang digunakan.

Materialnya dasarnya adalah karbida tungsten (WC+Co) yang dilapisi dengan bahan keramik (Karbida,Nitrida dan Oksidasi) yang keras tahan terhadap temperatur tinggi (Destefani 2002). Jenis pahat yang keras dengan persentase Co yang kecil dengan hot hardness tinggi dapat digunakan untuk kecepatan potong yang tinggi, akan tetapi jenis ini relatif rapuh, sehingga dianjurkan untuk pemesinan yang tanpa beban kejut. Jenis karbida dengan persentase Co yang besar dapat digunakan untuk pengasaran atau beban kejut yang besar. Melalui carburing masing-masing serbuk Tungsten, Titanium, Tantalum dibuat menjadi karbida yang kemudian digiling dan disaring. Salah atu atau campuran serbuk karbida tersebut kemudian dicampur dengan bahan pengikat Co dan dicetak dengan memakai bahan pelumas. Setelah itu dilakukan presintering (1000 C pemanasan mula untuk menguapkan bahan pelumas) dan kemudian sintering (1600 C) sehingga bentuk sisipan hasil proses cetak tekan akan menyusut menjadi 80 dari volume semula. Semakin besar prosentase pengikat Co maka kekerasannya menurun dan sebaliknya keuletannya membaik. Tiga jenis utama pahat karbida sisipan, yaitu:(Rochim,1993)

1. Karbida Tungsten (WC+Co) yang merupakan jenis pahat karbida untuk memotong besir cor.

2. Karbida Tungsten Paduan (WC.TiC+Co;WC-TaC-TiC+Co;WC- TaC+Co;WC-TiN+Co;TiC+Ni,Mo) merupakan jenis pahat karbida yang digunakan untuk digunakan pemotongan baja.

3. Karbida lapis (Coated Cemented carbides) merupakan jenis karbida Tungsten yang dilapisi.(Rochim,1993)

a) Karbida tungsten (Wc+Co)

Karbida tungsten murni merupakan jenis yang paling sederhana terdiri dari karbida tungsten (WC) dan pengikat cobalt(Co). jenis yang cocok untuk pemesinan dimana

mekanisme keausan pahat terutama disebabkan oleh proses abrasi seperti terjadi pada berbagai besi cor, apabila digunakan untuk baja akan terjadi keausan kawah yang berlebihan. Untuk pemesinan baja diapaki jenis karbida tungsten paduan (Destefani 2002).

b) Karbida WC-TaC-TiC+Co

Pengaruh utama dari TiC adalah mengurangi tendensi dari geram untuk melekatkan pada muka pahat (BLUE;Buit Up Edge), serta menaikkan daya tahan terhadap keausan kawah (Destefani 2002).

c) Karbida WC-TaC-TiC+Co

Penambahan TaC memperbaiki efek samping TiC yang menurunkan transverse rupure strength. Hot hardness dan compressive strength dipertinggi, sehingga ujung pahat tahan terhadap deformasi plastic (Rochim 1993).

d) Karbida WC-TaC+Co

Pengaruh Tac adalah hampir serupa dengan TiC, akan tetapi Tac lebih lunak dengan TiC. Jenis ini lebih tahan terhadap Thermal shock untuk pembuatan alur.(Destefani 2002).

e) Karbida Titanium

Pahat karbida titanium terbuat dari bahan TiC+Ni+Mo, Nikel dan molybdenum berfungsi sebagai bahan pengikat cobalt.

Kekerasannya sangat tinggi sekitar 93,5 Ra. Jenis ini mengisi kekosongan antara tingkatan Wc-Tools dengan keramik. TiC hanya dipakai dalam operasi penghalusan (finishing) kecepatan potong tinggi dan kedalaman potong rendah. (Rochim 1993).

f) Karbida berlapis

Coated Cemented Carbide jenis karbida lapis yang sedang berkembang dan banyak digunakan dalam berbagai jenis

pemesinan, pemakainnya sekitar 40% dari seluruh jenis pahat karbida yang digunakan. Material dasarnya adalah karbon tungsten (WC +Co) yang dilapisi dengan bahan keramik (Karbida, Nitrida, dan Oksidasi) yang keras tahan terhadap temperature tinggi (Destefani 2002).

Jenis pahat karbida yang keras dengan persentase Co yang kecil dengan hot hardness tinggi dapat digunakan untuk kecepatan potong yang tinggi, akan tetapi jenis ini relatif rapuh, sehingga dianjurkan untuk pemesinan yang tanpa kejut. Jenis karbida dengan persentase Co yang besar dapat digunakan untuk pengasaran atau proses beban kejut yang besar.

Lapisan setebal 1 s.d. 8 mikron ini diperoleh dengan cara PVD atau CVD. Pelapisan secara CVD (chemical Vapour deposition) menghasilkan ikatan yang lebih kuat daripada PVD (physical vapour deposition).

Metode physical vapour deposition (PVD) dan chemical vapour deposition (CVD) termasuk ke dalam tipe surface coating yang merupakan proses pendepositan lapisan yang keras pada permukaan material menggunakan senyawa yang berbeda secara struktur kimia dan sifatnya.

PVD merupakan proses yang melibatkan pembentukan lapisan coating pada permukaan material pahat dengan prinsip deposisi atau pengendapan secara fisik parrtikel-partikel atom, ion atau molekul dari bahan pelapis (coating).

CVD merupakan proses yang menghasilkan lapisan coating secara kimiawi atau dengan reaksi kimia pada permukaan material yang dipanaskan. Baik PVD dan CVD dapat digunakan untuk menambah ketahanan aus pada material pahat karbida. Pada proses CVD, substrat diletakkan di depan pada satu atau lebihprekursor yang bereaksi pada permukaan substrat untuk menghasilkan deposit yang diinginkan, kemudian dikeluarkan oleh aliran gas melalui reaksi ruangan.

PVD digunakan untuk meningkatkan kekerasan dandaya tahan terhadap keausan, mengurangi efek gesekan, dan meningkatkan dayatahan

terhadap oksidasi. Mekanismenya target material ditembaki dengan energiagar atom- atomny lepas kemudian ditransferkan dan didepositkan padamaterial yang ingin di lapiskan. Namun, PVD juga memiliki kelemahan yaitu beberapa proses memerlukan tekanan dan temperatur yang tinggi, proses padasuhu yang tinggi memerlukan sistem pendinginan yang mahal, dan biasanyakecepatan deposisi cukup lambat.

Pelapisan PVD dilakukan dalam ruang hampa dimana material pelapisdirubah ke fase uap dan dideposisikan pada permukaan material dasar sehinggaterjadi lapisan yang sangat tipis (thin film). Terdapat 3 jenis mekanisme PVD :

1. Penguapan dalam ruang hampa (vacuum evaporation).

2. Pemercikan/pancaran partikel atom (sputtering) 3. Pelapisan ion (ion plating)

Tabel 2.1 Jenis karbida Lapis (Coated cemented carbides)

Jenis Material

Induk Bahan Pelapis Keterangan

Single

Layer WC

+ TiC

permesinan tanpa kejutan

+ TiN tahan keausan kawah

+ TiCN

+ AL2O3 permesinan besi tuang + HfN

Two

Layer WC

+ TiCN-TiN + TiC-TiCN + TiCN-TiN

+ TiC-AL₂O₃ permesinan besi tuang Multi

Layer WC

+ TiC-TiCN-TiN

+ TiN-TiC-TiN multi guna + TiC-TiN-AL2O3

+ TiC-Special ceramics-AL₂O₃

2.2.1 Geometri Pahat

Berdasarkan fungsi pahat yaitu sebagai alat potong yang dimana akan menghasilkan geram, maka karakteristik geometri setiap pahat akan sama.

Untuk mengenal bentuk dan geometrinya, pahat harus diamati secara sistematik.

Pertama sekali perlu dibedakan tiga hal pokok yaitu, elemen, bidang aktif, dan mata potong pahat, sehingga secara lebih rinci bagian-bagiannya dapat didepenisikan. Dengan mengetahui defenisinya, maka berbagai jenis pahat yang digunakan dalam proses pemesinan dapat diketahui secara lebih baik.

Beberapa bagian pahat yang dapat didefenisikan adalah sebagai berikut:

1. Elemen Pahat

 Badan (body), bagian yang dibentuk menjadi mata potong atau tempat untuk sisipan pahat.

 Pemegang/gagasan (shank), bagian pahat untuk dipasangkan pada mesin perkakas. Bila bagian ini tidak ada maka fungsinya diganti oleh lubang pahat.

 Lubang pahat (tool bore), lubang pada pahat melalui mana pahat dapat dipasang pada poros utama (spindle) atau poros pemegang dari mesin perkakas. Umumnya dipunyai oleh pahat freis.

 Sumbu pahat (tool axis), garis maya yang digunakan untuk mendefinisikan geometri pahat. Umumnya merupakan garis tengah dari pemegang atau lubang pahat.

 Dasar (base), bidang rata pada pemegang untuk meletakkan pahat sehingga mempermudah proses pembuatan, pengukuran, ataupun pengasahan pahat.

2. Bidang pahat, merupakan permukaan aktif pahat. Setiap pahat mempunyai bidang aktif ini sesuai dengan jumlah mata potongnya.

Ada tiga bidang aktif pahat, yaitu:

 Bidang geram ( face), bidang diatas mana geram mengalir.

 Bidang utama/mayor ( principal/mayor flank), bidang yang menghadap permukaan transien dari benda kerja.Permukaan tansien benda kerja akan dipotong akibat gerakan pahat relative terhadap benda kerja. Karena adanya gaya pemotongan, sebagian bidang utama akan terdeormasi sehingga bergesekan dengan permukaan transien benda kerja.

 Bidang bantu/minor( auxiliary/minor flank), bidang yamg menghadap permukaan terpotong dari benda kerja.

Karena adanya gaya pemotongan,sebagian kecil bidang bantu akan terdeformasi dan menggesek permukaan benda kerja yang telah terpotong/dikerjakan.

Dalam berbagai hal disesuaikan dengan kondisi pemotongan yang khusus, pahat dibuat dengan bidang aktif bertingkat. Misalkan ada dua bidang utama, maka bidang tersebut sebagai bidang utama pertama ( dan bidang utama kedua ( ) sesuai dengan urutan lokasi terhadap mata potong dengan lebar yang tertentu ( ), demikian pula halnya dengan bidang yang lain.

3. Mata potong, tepi dari bidang geram yang aktif memotong. Ada dua jenis mata potong, yaitu:

 Mata potong utama/mayor (S, principal/mayor cutting edge), garis perpotongan antara bidang geram ( dengan bidang bantu ( ).

 Mata potong bantu/minor (S’, auxiliary/minor cutting edge), garis perpotongan antara geram ( ) dengan bidang bantu ( .

Maka potong utama bertemu dengan mata potong bantu pada pojok pahat (tool corner). Untuk memperkuat pahat maka pojok pahat dibuat melingkar dengan jari-jari tertentu, yaitu:

rɛ=radium pojok (corner radius/nose radium) ; mm,

atau dipenggal sehingga pojok pahat dibuat melingkar dengan jari-jari tertentu, yaitu:

bɛ= panjang pemenggalan pojok (champered corner length) ; mm

Beberapa jenis pahat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu pahat kanan (right hand) dan pahat kiri (left hand). Perbedaan anatara kedua jenis pahat tersebut adalah terletak pada lokasi mata pahat utama. utama yang sesuai dengan ibu jari tangan kana apabila ditelungkupkan diatas pahat yang dimaksud dengan sumbu pahat dan sumbu tapak tangan sejajar. Demikian pula hal nya dengan pahat kiri dimana lokasi mata potong utamanya sesuai dengan lokasi ibu jari tangan kiri.

2.3 Material Benda Kerja

Baja adalah logam paduan, logam besi sebagai unsur dasar dengan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0,2% hingga 2,1% berat sesuai grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi. Baja karbon ini dikenal sebagai baja hitam karena berwarna hitam, banyak digunakan untuk peralatan pertanian misalnya sabit dan cangkul. Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah titanium, krom (chromium), nikel, vanadium, cobalt dan tungsten (wolfram). Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility) (Anonimous A, 2012).

Menurut komposisi kimianya baja karbon dapat klasifikasikan menjadi tiga, yaitu:

1. Baja karbon rendah dengan kadar karbon 0,05% - 0,30% C, sifatnya mudah ditempa dan mudah di kerjakan pada proses permesinan.

Penggunaannya untuk 6 komposisi 0,05% - 0,20% C biasanya untuk

bodi mobil, bangunan, pipa, rantai, paku keeling, sekrup, paku dan komposisi karbon 0,20% - 0,30% C digunakan untuk roda gigi, poros, baut, jembatan, bangunan.

2. Baja karbon menengah dengan kadar karbon 0,30% - 0,60%, kekuatannya lebih tinggi dari pada baja karbon rendah. Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan untuk kadar karbon 0,30% - 0,40% untuk batang penghubung pada bagian automotif.

Untuk kadar karbon 0,40% - 0,50% digunakan untuk rangka mobil, crankshafts, rails, ketel dan obeng. Untuk kadar karbon 0,50% - 0,60%

digunakan untuk palu dan eretan pada mesin.

3. Baja karbon tinggi dengan kandungan 0,60% - 1,50% C, kegunaannya yaitu untuk pembuatan obeng, palu tempa, meja pisau, rahang ragum, mata bor, alat potong, dan mata gergaji, baja ini untuk pembuatan baja perkakas. Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong (Arifin dkk, 2008). Sedangkan menurut kadar zat arangnya, baja dibedakan menjadi tiga kelompok utama baja bukan paduan yaitu baja dengan kandungan kurang dari 0,8% C (baja hypoeutectoid), himpunan ferrit dan perlit (bawah perlitis), baja dengan kandungan 0,8% C (baja eutectoid atau perlitis), terdiri atas perlit murni, dan baja dengan kandungan lebih dari 0,8% C (baja hypereutectoid), himpunan perlit dan sementit (atas perlitis) (Mulyadi, 2010).

2.3.1 Baja AISI 4340

Baja paduan di desain oleh AISI (American Iron and Steel Institute) dengan 4 angka kode. AISI 4340 adalah baja paduan yang dapat menahan perlakuan panas dan baja paduan rendah yang mengandung chromium, nickel, dan molybdenum. Baja paduan ini memiliki ketangguhan yang tinggi dan kekuatan dalam menahan kondisi perlakuan panas. Semua proses permesinan konvensional dapat dilakukan terhadap baja AISI 4340.

Baja paduan AISI 4340 dapat diperlakukan terhadap perlakuan panas pada temperatur 830 C (1525 F) dan diikuti dengan perlakuan pendinginan kejut (quenching) dengan menggunakan oli. komponen mesin yang terbuat dari baja

ini contohnya poros engkol mobil dan pesawat, poros penghubung roda belakang, roda gigi, poros pengendali (drive shafts), dan komponen alat berat pengebor batu (heavy duty parts of rock drill).

Tabel 2.2. Komposisi kimia baja AISI 4340 [http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6772]

ELEMEN PERSENTASE (%)

Iron (Fe) 95.195 - 96.33 Nickel (Ni) 1.65 - 2.00 Chromium (Cr) 0.700 - 0.900 Manganese (Mn) 0.600 - 0.800 Carbon (C) 0.370 - 0.430 Molybdenum (Mo) 0.200 - 0.300 Silicon (Si) 0.150 - 0.300

Sulfur (S) 0.0400

Phosphorous (P) 0.0350

Sifat Mekanis Besaran

Kekuatan Tarik, Maks 935 MPa

Kekuatan Tarik, lulur 795 MPa

Elongasi pada saat patah (dalam ukuran 50mm)

22.0%

Reduksi Area 55,0 %

Modulus Elastisitas 190GPa –

210GPa

Modulus Bulk 140GPa

Modulus Geser 80Gpa

2.4 Pemesinan Keras

Saat ini pemesinan keras adalah suatu hal yang menarik dalam industri dan penelitian dan pengembangan, baja yang dikeraskan sebagian besar digunakan dalam industri mobil, cetakan, roda gigi, bantalan. Oleh karena itu, teknologi canggih diperlukan untuk memesin baja yang dikeraskan yang Material Removal Rate (MRR) yang tinggi. Pembubutan keras dapat dilakukan pada bahan dengan kekerasan berkisar 46-68 menggunakan berbagai jenis alat pemotong seperti karbida yang dilapisi, CBN, CBN yang dilapisi dan PCBN.

Pembubutan keras (Hard Turning) adalah proses pemesinan benda kerja berupa baja dengan kekerasan lebih dari 45 HRC (Hardness Rockwell) untuk mendapatkan benda kerja selesai langsung dari bahan. Perkembangan proses hard turning adalah berkat munculnya alat potong baru seperti Cubic Boron Nitrida (CBN), polycrystalline Cubic Boron Nitrida (PCBN), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD) dan alat-alat potong Keramik sejak tahun 1970. Pengurangan biaya mesin, pemotongan tanpa cairan pendingin, peningkatan fleksibilitas , efesiensi dan biaya bagian-penanganan. Suatu keuntungan besar dari balik pembubutan keras itu adalah sebagian besar dilakukan tanpa adanya pelumas . (Varaprasad,2014)

Pemesinan keras dilakukan pada baja yang dikeraskan di kisaran 45-68 rockwell hardness terutama digunakan dalam berbagai keperluan seperti cetakan peralatan, roda gigi, cams,poros, as roda,bantalan dan alat tempa. Pemesinan untuk baja yang dikeraskan menggunakan alat unggulan seperti karbida yang dilapisan dan Cubic Boron Nitride (CBN) memiliki manfaat yang lebih tinggi dibandingkan grinding tradisional seperti tingkat removal material yang tinggi, dapat menghasilkan permukaan akhir yang baik, mengurangi biaya pengolahan, kemampuan untuk memesin bagian yang sempit dan masalah lingkungan minimum tanpa menggunakan cairan pemotong. Meskipun proses ini dicapai dengan kedalaman potong dan kecepatan makan yang rendah,mengevaluasi untuk meminimalkan waktu pemesinan setinggi 60% dalam proses pemesinan keras.(Srithar, 2014)

2.5 Pemesinan Kering (Dry Machining)

Pemesinan kering (dry machining) adalah proses pemesinan yang tidak menggunakan fluida pendingin dalam proses pemotongannya. Permesinan kering mulai ditempatkan pada prioritas utama pada proses pemesinan akhir-akhir ini.

Berdasarkan ulasan dari beberapa pihak, minat dalam pengurangan atau menghilangkan penggunaan cairan pendingin dalam pemesinan semakin meningkat. Permesinan kering diinginkan secara ekologi dan akan menjadi keharusan bagi perusahaan manufaktur ditahun-tahun mendatang (Sreejith dan Ngoi, 2000). Hal ini sangat relevan terhadap kondisi bahwa pemesinan yang menggunakan cairan pendingin atau pelumas pada proses pengerjaannya dapat memberikan dampak kurang baik terhadap operator maupun lingkungan. Ada dua hal mengapa minat akan penggunaan pemesinan kering meningkat (Burhanudin.dkk,2012):

a. Mengurangi atau menghilangkan terbukanya operator resiko-resiko kesehatan yang mungkin akan terjadi seperti keracunan, iritasi kulit, gangguan pernafasan dan infeksi mikroba.

b. Mengurangi biaya pemesinan. Sebuah kajian dilakukan disebuah perusahan otomotif menunjukkan bahwa cairan pendingin memberikan kontribusi 16% dari biaya komponen yang dimesin.

Gambar 2.11a memperlihatkan proses pemesinan menggunakan cairan pendingin atau wet machining dan gambar 2.11b memperlihatkan proses pemesinan kering tanpa menggunakan cairan atau pelumas.

(a) (b)

Gambar 2.11 Proses pemesinan dengan berbagai metode: a. Pemesinan basah dan b. Pemesinang kering (Sumber: www.iwu.fraunhofer.de,2014)

Alasan kuat mengapa pemesinan kering dimulai mendapat perhatian serius yaitu karena pada pemesinan basah, cairan hasil pemotongan yang telah hasil masa pakaianya sebagai buangan dari industri pemotongan logam dapat mengancam kelestarian lingkungan. Cairan pemotongan bekas ini biasanya hanya dimasukkan ke dalam container dan ditimbun ke bawah tanah. Selain itu, masi banyak praktek yang membuang cairan pemotongan bekas langsung ke alam bebas. Hal ini tentu berdampak merusak terdahap lingkungan sekitar (Mahayatra,2012).

Pemesinan kering dilakukan terutama untuk menghidari pengaruh buruk bagi kesehatan seperti yang telah diterangkan diatas, dari sudut pandang inilah kita dapat menyimpulkan bahwa pemesinan kering termasuk dalam pemesinan yang ramah lingkungan. Walaupun ada beberapa kelemahan dari proses pemesinan kering ini terutama gesekan antara permukaan benda kerja dengan pahat potong. Pengeluaran geram yang dapat merusak benda kerja, serta suhu potong tinggi dapat merusak benda kerja, serta suhu potong yang tinggi.

Keunggulan lain dari penggunaan pemesinan kering adalah sebagai berikut:

(Mahayatra, 2012).

a. Ramah lingkungan, karena tidak menggunkan cairan pendingin.

b. Penanganan produk dan geram lebih mudah karena tidak tercampur dengan cairan pendingin yang dapat saja mengganggu kesehatan operator.

c. Ongkos produksi lebih murah karena dapat mengurangi ongkos pembelian, penyimpanan dan penanganan limbah cairan pendingin.

d. Tidak memerlukan pompa sebagai media pemyemprotan pada cairan pendingin sehingga dapat menghemat penggunaan listrik.

e. Dapat digunakan pada seluruh pengerjaan pemesinan dan juga dapat melakukan pemotongan dengan berbagai material dari yang lunak hingga keras.

Seperti yang telah dilansir oleh perusahan yang meyakini bahwa pengurangan penggunaan pendingin dapat menghemat biaya produksi pada gambar 2.12

Other 19%

Machining 30%

Gambar 2.12 Presentase pembagian onkos (Sumber: http://pemesinanpintar.blogspot.com,2014)

Berapa bahan sudah dikerjakan tanpa menggunakan cairan pendingin seperti besir cord an alumanium. Namun hal tersebut dapat dikerjakan apabila menggunakan pahat yang tepat ataupun pahat yang telah dilapisi maupun menggunakan intan yang sangat keras sebagai media pemotongannya. Karena akan sukar memotong dengan pahat yang tidak sesuai dengan material benda yang akan dipotong, dapat mengakibatkan mata pahat dapat cepat tumpul bahkan dapat mengakibatkan cacat pada permukaan benda kerja karena penumpulan pada pahat potong. Pemesinan kecepatan tinggi dilakukan untuk menaikkan produktifitas melalui kenaikan kecepatan pembuangan geram, mengendalikan dimensi oleh karena pemanasan dan pencegahan Built-up Edge (BUE) (Stephenson dan Agapiou,2006).

2.6 Produktivitas Pemesinan

Produktivitas berkaitan erat dengan proses dan waktu pemesinan yang panjang. Dibalik itu semua ada parameter-parameter pemesinan yang bekerja memengaruhi nilai produktivitas tersebut yakni, kecepatan potong (v), kecepatan makan (vf)/gerak makan (f), kedalaman potong (a), waktu pemotongan (tc), dan kecepatan penghasilan geram (MRR). MRR yang merupakan indikator dari nilai produktivitas pemesinan merupakan hasil perkalian dari kecepatan potong, gerak makan, dan kedalaman potong. Jadi, nilai dari ketiga parameter ini akan memengaruhi nilai dari MRR yang nantinya akan memengaruhi nilai dari produktivitas pemesinan.

Keausan pahat akan tumbuh atau membesar dengan bertambahnya waktu pemotongan sampai pada suatu saat pahat tersebut dianggap tidak dapat digunakan lagi karena telah ada tanda-tanda tertentu yang menunjukkan bahwa umur pahat telah habis. Dapat dilihat bahwa keausan merupakan faktor yang menentukan umur pahat. Dimensi umur pahat ditentukan oleh (Rochim. 1993):

 tc, waktu total pemotongan (min)

 Z total, jumlah total geram yang dihasilkan (cm³)

 L, panjang total pemesinan (mm)

 N, jumlah produk yang dihasilkan (buah)

Umur pahat dipengaruhi oleh semua faktor yang berkaitan dengan proses pemesinan antara lain, jenis material benda kerja dan pahat, kondisi pemotongan (kecepatan potong, kedalaman potong, gerak makan), dan cairan pendingin (apabila digunakan).

Untuk meningkatkan produktivitas maka kita akan meningkatkan MRR nya. Untuk meningkatkan MRR nya setidaknya kita harus meningkatkan salah satu dari kondisi pemotongan, misalnya kecepatan potong atau gerak makan.

Apabila kecepatan potong dinaikkan maka temperatur akan naik juga. Selanjutnya apabila temperatur naik maka keausan pahat akan lebih cepat dimana keausan pahat sebagai indikator umur pahat, maka umur pahat akan semakin kecil. Dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai MRR maka umur pahat akan semakin kecil.

Keausan pahat juga akan memengaruhi kekasaran (kualitas) pemukaan.

Semakin aus pahat maka semakin kasar produk yang dihasilkan. Semakin aut pahat maka semakin kecil umur pahat yang berarti semakin kasar produk yang dihasilkan. Maka untuk memperoleh nilai kekasaran permukaan yang kecil maka umur pahat harus besar, dimana memperbesar umur pahat dapat dilakukan dengan mengecilkan kondisi pemotongan misalnya kecepatan potong ataupun gerak makan.

Volume of material removal (VMR) sebagai parameter yang mewakili konsep produktivitas merupakan hasil perkalian dari MRR dengan umur pahat (TL). Dimana untuk meningkatkan nilai dari VMR maka kita harus meningkatkan

nilai MRR nya ataupun memperbesar umur pahat. Sementara untuk mengubah nilai MRR maupun TL kita harus mengubah unsur yang ada didalamnya yakni kondisi pemotongan (v, f, dan a). Akan tetapi nilai dari MRR dan TL berbanding terbalik sehingga kita tidak dapat sembarangan menaikkan MRR maupun TL

dikarenakan pengubahan ini akan saling memengaruhi kondisi yang lain. Maka dari itu nilai optimum dari ketiga parameter (v, f, dan a) ini penting untuk dihitung supaya kita dapat menentukan nilai VMR terbesar sebagai perwakilan konsep produktivitas.

2.7 Optimasi dan Algoritma Simulated Annealing 2.7.1 Optimasi

Optimasi Optimasi (Optimization) adalah aktivitas untuk mendapatkan hasil terbaik di bawah keadaan yang diberikan. Tujuan akhir dari semua aktivitas tersebut adalah meminimumkan usaha (effort) atau memaksimumkan manfaat (benefit) yang diinginkan. Karena usaha yang diperlukan atau manfaat yang diinginkan dapat dinyatakan sebagai fungsi dari variabel keputusan, maka optimasi dapat didefinisikan sebagai proses untuk menemukan kondisi yang memberikan nilai minimum atau maksimum dari sebuah fungsi. Optimasi dapat diartikan sebagai aktivitas untuk mendapatkan nilai minimum suatu fungsi karena untuk mendapatkan nilai maksimum suatu fungsi dapat dilakukan dengan mencari minimum dari negatif fungsi yang sama. Tidak ada metode tunggal yang dapat dipakai untuk menyelesaikan semua masalah optimasi. Banyak metode optimasi telah dikembangkan untuk menyelesaikan tipe optimasi yang berbeda-beda seperti metode Lagrange. Dalam optimasi diselidiki masalah penentuan suatu titik minimum suatu fungsi pada subset ruang bilangan riil tak kosong.

Metode pencari titik optimum juga dikenal sebagai teknik pemrograman matematikal dan menjadi bagian dari penelitian operasional (operations research).

Penelitian operasional adalah suatu cabang matematika yang menekankan kepada aplikasi teknik dan metode saintifik untuk masalah-masalah pengambilan keputusan dan pencarian solusi terbaik atau optimal. Teknik pemrograman matematikal sangat berguna dalam pencarian minimum suatu fungsi beberapa

variabel di bawa kendala yang ada. Teknik proses stokastik dapat digunakan untuk menganalisis masalah yang didiskripsikan dengan sekumpulan variabel acak dimana distribusi probabilitasnya diketahui. Metode statistikal dapat digunakan untuk menganalisis data eksperimen dan untuk membangun model secara empirik untuk memperoleh representasi yang lebih akurat mengenai situasi fiscal (Parwadi Moengin, 2011).

2.7.2 Algoritma Simulated Annealing (SA)

Simulated Annealing (SA) merupakan suatu pendekatan algoritma untuk memecahkan masalah optimasi kombinatorial.Simulated Annealing (SA) dapat dipandang sebagai versi yang disempurnakan dari metode perbaikan iteratif (yang berulang) dimana solusi awal ditingkatkan berulang-kali dengan membuat perubahan kecil hingga ditemukan solusi yang lebih baik. Simulated Annealing (SA) mengacak prosedur pencarian lokal dan dalam beberapa kasus memungkinkan untuk melakukan perubahan solusi yang memperburuk. Ini merupakan upaya untuk mengurangi kemungkinan terjebak dalam solusi optimal lokal. Algoritma Simulated Annealing (SA) merupakan suatu pendekatan yang efisien untuk memecahkan masalah kombinatorial yang sulit. Algoritma SA mengeluarkan minimum lokal dengan menggunakan bilangan acak dalam pemilihan perpindahan. Pada setiap iterasi dari algoritma Simulated Annealing, perpindahan dipilih secara acak dan perubahan biaya dihitung untuk perpindahan.(Ferdian Cahyadi 2010)

Ide Simulated Annealing ini berasal dari makalah yang dipublikasikan oleh metropolis pada tahun 1953. Jika kita memanaskan suatu materi keras hingga mencair dan kemudian mendinginkannya, maka sifat struktur dari materi tersebut bergantung pada tingkat pendinginannya. Jika materi cair didinginkan secara perlahan, mka dihasilkan kristal-kristal yang berkualitas baik. Sebaliknya, apabila materi cair didinginkan secara cepat, maka kristal yang dibentuk tidak akan sempurna. Algoritma yang diusulkan oleh metropolis mensimulasikan materi sebagai suatu sistem dari partikel-partikel. Algoritma tersebut mensimulasikan materi sebagai suatu proses pendinginan yang secara bertahap menurunkan suhu sistem hingga konvergen hingga keadaan beku dan stabil. (Suyanto 2010)

Di dalam Simulated Annealing, terdapat empat komponen yang harus dirancang secara hati-hati, yaitu: (1) representasi permasalahan ke dalam suatu solusi; (2) proses modifikasi solusi ke dalam solusi baru; (3) fungsi evaluasi atau fungsi objektif yang dapat menyatakan baik-buruknya suatu solusi terhadap permasalahan; (4) dan jadwal penurunan suhu atau annealing schedule dalam proses annealing. Adapun penjelasannya sebagai berikut:

1. Representasi permasalahan kedalam suatu solusi.

Dalam keadaan sebenarnya, baja terdiri dari logam besi dengan

memvariasikan keadaan atom pada unsur pembuat baja dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan. Dalam Simulated Annealing dapat direpresentasikan dengan ruang solusi.

2. Proses modifikasi solusi ke dalam solusi baru

Perubahan keadaan atau gerakan bebas atom-atom pada unsur pembuat baja pada Simmulated Annealing merupakan proses modifikasi yang bertujuan untuk perpindahan dari state satu ke state lainnya.

3. Fungsi evaluasi atau fungsi objektif yang dapat menyatakan baik-buruknya suatu solusi terhadap permasalahan

Untuk semua masalah yang diberikan, terdapat beberapa cara untuk mengukur kualitas solusi. Umumnya kualitas solusi diukur meggunakan fungsi evaluasi atau fungsi objektif. (Suyanto. 2010).

Beberapa cara mengukur kualitas solusi yaitu:

1. Pertama, pastikan fungsi bia objektif yang mempresentasikan masalah yang dihadapi. Simmulated Annealing dirancang untuk masalah minimasi, sehingga semakin kecil fungsi biaya maka semakin baik solusi tersebut.

2. Kedua, fungsi objektif sebaiknya memiliki kompleksitas komputasi serendah mungkin karena fungsi tersebut umumnya fungsi tersebut harus dihitung pada setiap iterasi.

3. Ketiga, fungsi objektif sebaiknya dirancang sedemikian rupa sehingga fungsi tersebut dapat memandu proses pencarian.

Jadwal penurunan suhu atau annealing schedule dalam proses annealing Jadwal penurunan suhu merupakan komponen kritis yang terdiri dari suhu awal, suhu akhir, pereduksi suhu, dan iterasi pada tiap suhu. Suhu awal seharusnya diatur cukup panas agar Simulated Annealing ini dapat memilih hampir semua solusi dari semua domain solusi. Dalam kasus Simulated Annealing ini, apabila temperatur awal dibuat sangat panas, maka Simulated Annealing sama saja dengan pencarian acak dan apabila dibuat terlalu dingin, maka Simulated Annealing ini akan seperti hill climbing. Menurut Suyanto dalam buku Algoritma Optimasi, hingga saat ini tidak ada satupun metode yang secara akurat dapat menentukan suhu awal untuk semua masalah.

Suhu akhir idealnya proses optimasi berhenti ketika sistem berada pada titik beku, yaitu keadaan ketika sudah tidak lagi terjadi perubahan fungsi objektif pada solusi yang digunakan. Akan tetapi ada juga suhu akhir pada batas suhu tertentu dan proses iterasi terus berjalan sampai nilai fungsi objektif tertentu atau sampai iterasi tertentu. (Suyanto. 2010)

Menurut Davidson (1998) ada lima hal utama yang perlu diperhatikan dalam penggunaan SA untuk memodelkan suatu permasalahan :

1. Himpunan konfigurasi atau keadaan dari sistem, termasuk konfigurasi awal (yang sering dipilih secara acak)

2. Sebuah aturan generasi untuk konfigurasi baru, yang biasanya diperoleh dengan mendefinisikan lingkungan konfigurasi masing-masing dan memilih konfigurasi berikutnya secara acak dari lingkungan sekitar konfigurasi saat ini.

3. Target, atau biaya, dan fungsi harus diminimalkan melalui konfigurasi ruang (ini adalah analog dari energi)

4. Jadwal pendinginan dari parameter kontrol, termasuk nilai-nilai awal dan aturan untuk kapan dan bagaimana cara mengubahnya (ini adalah analoh dari suhu dan penurunannya)

5. Kondisi terminasi, yang biasanya didasarkn pada waktu dan nilai dari fungsi biaya atau parameter kontrol.

Menurut Kirkpatrick (1995) ada empat hal utama yang perlu diperhatikan dalam penggunaan SA untuk memodelkan suatu permasalahan :

1. Representasi yang akurat dari konfigurasi dalam suatu permasalahan.

2. Proses modifikasi, langkah acak atau perubahan apa yang harus dilakukan terhadap elemen-elemen konfigurasi untuk menghasilkan konfigurasi berikutnya.

3. Fungsi evaluasi atau fungsi objektif yang dapat menyatakan baik-buruknya suatu solusi terhadap permasalahan

4. Jadwal penurunan suhu dalam proses annealing, dan berapa lama proses ini harus dilakukan.

2.7.2.1. Langkah-langkah Metode Simulated Annealing

Metode simulated annealing (SA) dikembangkan dari analogi pada proses pendinginan cairan logam hingga akhirnya membentuk kristal yaitu annealing.

Annealing merupakan teknik metalurgi yang menggunakan ilmu penjadwalan proses pendinginan untuk menghasilkan efisiensi dalam penggunaan energi yang optimal sehingga menghasilkan logam. Prinsip kerjanya yaitu pada temperatur tinggi molekul-molekul cairan mempunyai tingkat energi yang tinggi sehingga relatif mudah bergerak terhadap molekul lainnya. Jika temperatur diturunkan molekul-molekul akan mudah bergerak terhadap molekul lainnya. Jika temperatur diturunkan, molekul-molekul akan mengatur dirinya untuk mencari konfigurasi atau susunan dengan tingkat energi yang lebih rendah. Dengan menurunkan temperatur secara perlahan, molekul- molekul tersebut diberikan kesempatan