BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Teori Proses Pembubutan
Proses bubut adalah proses permesinan untuk menghasilkan bagian-bagian
mesin berbentuk silindris yang dikerjakan dengan menggunakan Mesin Bubut.
Bentuk dasarnya dapat didefenisikan sebagai proses permesinan permukaan luar
benda silindris atau bubut rata.
Adapun proses bubut permukaan adalah proses bubut yang identik dengan
proses bubut rata, tetapi arah gerakan peakanan tegak lurus terhadap sumbu benda
kerja. Proses bubut tirus sebenarnya identik dengan proses bubut rata, hanya saja
jalanya pahat dalam membentuk sudut tertentu terhadap sumbu benda kerja.
Demikian juga proses bubut kontur, dilakukan dengan cara memvariasikan
kedalaman potong sehingga menghasilkan bentuk yang sesuai dengan keinginan
kita.
Walaupun proses bubut secara khusus menggunakan pahat bermata potong
tunggal, tetapi proses bubut bermata potong ganda tetap termasuk proses bubut
juga, karena ada dasarnya setiap pahat bekerja sendiri-sendiri. Selain itu proses
pengaturan pahatnya tetap dilakukan satu persatu. Dalam proses pembubutan,
terdapat tiga parameter utama yaitu kecepatan putar 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 di atas adalah bagian yang bisa diatur oleh operator langsung pada
mesin bubut.
Kecepatan putar selalu dihubungkan dengan spindle (sumbu utama) dan
benda kerja. Karena percepatan putar diekspresikan sebagai putaran per menit
(revolutions per minute rpm), hal ini menggambarkan kecepatan putarannya.
Akan tetapi yang diutamakan dalam proses bubut adalah kecepatan potong
(cutting speed) atau kecepatan benda kerja dilalui oleh pahat/keliling benda kerja.
Secara sederhana kecepatan potong dapat digambarkan sebagai keliling benda
...(2.1)
Dimana :
V = kecepatan potong ; m/menit
d = diameter benda kerja ; mm
n = putaran benda kerja; putaran/menit
Dengan demikian kecepatan potong ditentukan oleh diameter benda kerja.
Selain kecepatan potong ditentukan oleh diameter benda kerja, faktor bahan benda
kerja dan bahan pahat sangat menentukan harga kecepatan potong. Pada dasarnya
pada waktu proses bubut kecepatan potong ditentukan berdasarkan bahan benda
kerja dan pahat. Harga kecepatan potong sudah tertentu, misalnya untuk benda
kerja bahan Mild Steel dengan pahat dari HSS, kecepatan potongnya antara 20
sampai 30 m/menit.
Gerak makan, f (feed) adalah jarak yang ditempuh oleh pahat setiap benda
kerja berputar satu kali. Sehingga satuan dari gerak makan ini adalah mm/putaran.
Gerak makan ditentukan berdasarkan kekuatan mesin, material benda kerja,
material pahat, bentuk pahat, dan terutama kehalusan permukaan yang diinginkan.
Gerak makan biasanya ditentukan dalam hubungannya dengan kedalaman potong
a. gerak makan tersebut berharga sekitar 1/3 sampai 1/20 a, atau sesuai dengan
kehalusan permukaan yang dikehendaki.
Kedalaman potong, a (depth of cut), adalah tebal bagian benda kerja yang
dibuang dari benda kerja, atau jarak antara permukaan yang dipotong terhadap
permukaan yang belum terpotong. Ketika pahat memotong sedalam a, maka
diameter benda kerja akan berkurang 2a, karena bagian permukaan benda kerja
Gambar 2.1 Mesin Bubut
2.2. AISI 4340
Baja AISI 4340 merupakan 1.8% nikel- chromium- molybdenum yang
bisa diperkeras. Baja ini merupakan baja kekuatan tarik yang tinggi yang biasa
diperkeras pada kekuatan tensile sekitar 930 – 1080 Mpa (Rc 28 – 36). Biasanya
baja ini digunakan untuk poros, gear, spindle, kopling, dll. Baja ini memiliki
spesifikasi sebagai berikut:
Tabel 2.1 Komposisi Kimia Baja AISI 4340
Elemen Kadar
Karbon, C
Silika , Si
0,410 %
0,220 %
Cu 0,050 %
Mangan, Mn 0,650 %
Fosfor, P 0,015 %
Sulfur, S
Nickel, Ni
Chromium, Cr
Molibdenum, Mo
V
Aluminium, Al
0,006 %
1,790 %
0,790 %
0,220 %
0,020 %
0,021 %
Tabel 2.2 Sifat Mekanis Baja AISI 4340
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
Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI
2.3. Pahat Karbida
Untuk memenuhi kecepatan potong yang tinggi, carbides ( juga dikenal
cemented / sintered carbides) diperkenalkan pada tahun 1930an. Karena nilai
kekerasan yang tinggi pada jangkaun termperatur yang besar, modulus elastisitas
yang tinggi, konduktivitas thermal yang tinggi, ekspansi termal yang rendah,
carbide merupakan pahat yang penting, serba guna, pahat yang cost effective, dan
dapat digunakan pada banyak material. Dua grup utama karbida yang digunakan
adalah tungsten carbide dan titanium carbide.
Tungsten carbide memiliki kekhasan yang terdiri dari partikel tungsten dan
karbida yang diikat bersamaan di cobalt matix.pahat ini biasanya diproduksi
dengan teknik powder metallurgy. Pahat ini biasanya digunakan untuk memotong
baja, besi cor, dan material selain besi dan banyak menggantikan fungsi pahat
HSS karena peformanya.
Titanium carbide terdiri dari matrix nikel-molybdenum. Pahat jenis ini
memiliki ketahanan aus yang lebih tinggi daripada tungsten carbide tapi tidak
sekuat tungsten carbide. Titanium carbide cocok untuk pemesinan material keras
dan memotong pada kecepatan yang lebih tinggi dari tungsten carbide.
Pelapisan pahat yang biasa digunakan adalah titanium nitride (TiN),
(Al2O3). Pelapis ini, biasanya memiliki ketebalan dari 2 – 15 mikro meter, dan
diaplikasi dengan dua teknik:
Chemical-capor deposition (CVD)
Pysical-vapor deposition (PVD)
Proses CVD biasanya digunakan untuk pahat karbida dengan metode
multiphase dan lapisan keramik, dan pahat karbida lapis PVD dengan lapisan TiN
yang memiliki kekuatan sudut pemotongan yang lebih tinggi, rendah gesekan, dan
kecenderungan yang lebih rendah untuk membentuk Built up edge dan memiliki
ketebalan yang lebih beragam antara 2-4 mikrometer).
Pelapis dari pahat harus mempunyai karakteristik sebagai berikut:
Kekerasan yang tinggi saat kenaikan temperatut, tahan terhadap aus.
Kestabilan kimiawi terhadap benda kerja.
Rendah konduktivitas thermal.
Cocok dan ikatan yang bagus.
Sedikit / tidak ada porosity.
Keefektivitas dari pelapis dapat ditingkatkan dengan kekerasa, ketahan dan
konduktivitas thermal yang tinggi dari substrat( seperti HSS atau carbide).[5]
Ketersediaan pahat dengan sudut pemotongan yang tajam sangat
diperlukan untuk melakukan pemesinan benda kecil, jadi operasi yang mulus dan
gaya pemotongan yang minimal mencegah deformasi dan kesalahan dimensi.
Proses dengan menggunakan pahat PVD bisa mendapatkan sudut pemotongan
ynag tajam dikarenakan lapisan yang tebalnya beberapa micron, yang mana dapat
mempertahankan sudut tersebut. Lapisan PVD memberikan ketahanan terhadap
aus dikarenakan tingkat kekerasannya. Lapisan PVD diperlukan ketika kekuatan
dan sudut pemotongan yang tajam diperlukan. Lebih lanjut penggunaan WC
dengan ukuran butir dibawah atu micron meningkatkan kekuatan sudut pahat
PVD. [6]
2.4. Keausan Pahat
Keausan pahat memiliki pengaruh ekonomis dalam operasi pemesinan dan
hubungan kepada integritas permukaan. Dan keausan pahat mempengaruhi umur
Pahat potong memiliki stess lokalisasi yang tinggi, temperature yang tinggi,
pergesekan antara chip dengan sudut buang, dan pergesekan antara pahat dengan
permukaan saat proses pemotongan. Kondisi ini mempengaruhi keausan pahat
yang mana mempengaruhi umur pahat, kualitas hasil pemesinan dan akurasi
dimensi dan nilai ekonomis dari pemesinan. Nilai dri keausan pahat dipengaruhi
dari pahat , material benda kerja, bentuk pahat, cairan pemotongan, parameter
pemesinan, dan karakteristik pahat.[8]
Telah kita ketahui bahwa pada pahat terjadi stress pada ujung pahat,
temperature yang tinggi pada gesekan antara permukaan pahat dengan benda
kerja, gesekan antara cjip dengan sudut bebas pada pahat. Kondisi ini merupakan
keausan pada pahat, yang merupakan pertimbangan utama pada proses pemesinan.
Keausan pahat mempengaruhi pada umur pahat, hasil permukaan pada benda
kerja, akurasi dimensi dan ongkos produksi pada pemesinan.
Ketika pemesinan, pahat berada dalam lingkungan yang tejadi kontak
stress yang tinggi dan temperature yang tinggi, maka dengan itu keausan pahat
merupakan konsekuensi yang tidak dapat dihindarkan. Pada kecepatan dan
temperature yang rendah, pahat biasanya tejadi keausan pada tepinya. Seharusnya
eksperimen keausan pahat diulangi sebanyak 15 kali tanpa melakukan pergantian
parameter.[9] Kriteria lain yang bisa digunakan untuk mendefinisikan kerusakan
pahat sebagai tambahan dari keausan yaitu:
- Ketika permukaan hasil benda kerja tidak dapat diterima
- Ketika toleransi dimensi benda kerja tidak didapat.
- Ketika konsumsi listrik atau gaya pemotongan meningkat hingga limit.
- Waktu pemotongan atau kuantitas komponen
Keausan adalah proses bertahap, kurang lebih seperti ujung pada pensil.
Laju pada keausan pahat tergantung kepada pahat dan material benda kerja,
geometri pahat, parameter proses, cairan pemotongan dan karakteristik dari pahat
yang digunakan.keausan pahat dan perubahan pada geometry selama permesinan
dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu: keausan tepi (flank wear),
plastik dari ujung pahat (plastic deformation of tool tip), chipping dan gross
fracture.[10]
Keausan kawah terjadi pada permukaan beram pada pahat. Dapat terlihat
bahwa keausan kawah mempengaruhi kotak pada geometry pahat dengan chip.
Factor yang mempengaruhii keausan kawah adalah temperature antara chip
dengan pahat, pengaruh kimia antara pahat dengfan benda kerja dan juga factor
yang mempengaruhi keausan tepi juga mempengaruhi keausan kawah. Keausan
kawah biasanya dikaitkan dengan mekanisme, yaitu perpindahan antara
atom-atom dari kontak antara pahat dengan geram benda kerja. Nilai difusi akan
meningkat seiring dengan kenaikan temperatur. Mengaplikasikan lapisan pada
pahat akan mengurangi proses difusi dan mengurangi keausan pahat. Lapisan
yang umum digunakan adalah: titanium nitride, titanium carbide, titanium
carbonitride,dan aluminium oxide.
Nose wear yaitu pembulatan dari pahat yang tajam dikarenakan efek dari
temperature dan mekanis. Nose wear ini membuat pahat tumpul, mempengaruhi
formasi chip, menyebabkan gesekan berlebih antara pahat dengan benda kerja
sehingga terjadi kenaikan temperature dan mungkin terjadi stress sisa pada
permukaan benda kerja.
Takik (Notches) atau alur (grooves) juga biasanya terlihat pada pahat
bisanya terjadi ketika chip tidak lagi terjadi kontak dengan pahat. Chipping juga
merupakan keausan pahat yang berart terjadi pecahan dari sudut potong pahat.
Fenomena ini biasanya terjadi pada material pahat yang getas seperti ceramics,
sama dengan terpecahnya ujung pensil jika terlalu tajam. Bagian pahat yang
terpecah bisa menjadi sangat kecil (microchipping / macrochipping) ataupun bisa
menjadi ukuran yang relative besar yang disebut gross chipping, gross fracture
dan catastrophic failure.
Chipping bisa juga terjadi pada bagian pahat yang retak ataupun cacat.
Tidak seperti aus, yang mana adalah proses bertahap. Chipping terjadi kehilangan
material dari pahat secara tiba tiba dan berubah sesuai dengan bentuknya.
Chipping bisa menjadi efek kerugian utama dalam hasil permukaan benda kerja,
integritas permukaan, dan akurasi dimensi dari benda kerja
Shock mekanis (mechanical shock) : akibat proses pemotongan
yang terputus.
Kelelahan thermal (thermal fatigue) : variasi dari temperature pahat pada saat pemotongan terputus.
Retak thermal biasanya tegak lurus dari pada sudut pemotongan dari pahat.
Variasi utama dari komposisi atau sturktur/material benda kerja juga bisa
menyebabkan chipping. Chipping bisa dikurangi dengan memilih material yang
memiliki nilai impact yang tinggi dan tahan terhadap shock temperature. [11]
2.5. Pembubutan Keras
Pembubutan keras merupakan proses permesinan dari material besi yang
dikeraskan dengan nilai kekerasan diatas 45 HRC dengan tujuan untuk
menyelesaikan benda kerja langsung dari material benda yang dikeraskan.
Pertumbuhan dari proses pembubutan keras didapatkan dari perkembangan jenis
pahat yang lebih baru seperti Cubic Boron Nitride (CBN), Polycristalline Cubic
Boron Nitride (PCBN), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor
Deposition (PVD), dan pahat ceramic sejak 1970. Pengurangan biaya permesinan,
penghilangan cairan pemotongan, peningkatan efisiensi dan flexibility, dan
pengurangan waktu set up dibandingkan dengan proses penggerindaan.
Keuntungan besar dari permesinan keras adalah lingkungan yang kering,
dikarenakan hilangnya cairan pemotongan.[12]
Kita telah ketahui, jika kekerasan dari benda kerja meningkat, maka
semakin sulit dilakukan pemesinan, keausan pahat, hasil permukaan dan integritas
permukaan akan menjadi masalah yang signifikan. Namun masih dimungkinkan
untuk menggunakans pemesinan tradisional untuk logam dan campuran yang
keras dengan menggunakan pahat yang sesuai dengan material benda keras dan
menggunakan pahat dengan kekakuan yang tinggi, kekuatan dan kepresisian yang
tinggi.
Contoh yang umum adalah proses permesinan akhir terhadap baja
perlakuan panas (45 -65 HRC) poros, roda gigi dan berbagai macam komponen
menggunkan polycrystalline cubic-boron nitride (PcBN), cermet, pahat ceramic.
menghasilkan benda kerja dengan dimensi yang akurat, yaitu dengan permukaan
akhir ( dibawah 0,25) dan intregritas permukaan yang baik.
2.6. Pembubutan kering
Pembubutan kering merupakan proses pembubutan yang masih tren sejak
pertengahan 1990 untuk mengurangi atau menghilangkan penggunaan daripada
cairan pemotongan. Proses ini mengajak industry manufaktur untuk melakukan
proses dari pemesinan kering. Berikut ini adalah keuntungan melakukan pemesian
kering, yaitu :
1. Mengurangi dampak kerusakan lingkungan akibat dari pengunaan cairan
pemotongan, meningkatkan kualitas udara dalam pabrik dan menguangi
resiko pada kesehatan.
2. Mengurangi ongkos produksi, terutama ongkos pemeliharaan, daur ulang
dan pembuangan cairan pemotongan.
3. Meningkatkan kualitas permukaan produk.
Teknik yang biasa digunakan dalam pembubutan keras ini adalah dengan
menggunakan pahat Chemical Vapor Deposition (CVD) dan Physical Vapor
Deposition (PVD). Akan tetapi pahat PVD lebih diunggulkan daripada CVD
karena temperature proses yang lebih rendah dan lebih ramah lingkungan.
2.7. Waktu Produksi
Produksi dan produktivitas adalah dua buah kata yang memiliki arti yang
berbeda. Produksi lebih kepada kuantitas dari produksi sedangkan produktivitas
lebih kepada efisiensi penggunaan sumber daya dalam mencapai produksi. [13]
produktivitas pabrik atau aktivitas manufaktur lainnya adalah konsep yang sangat
penting. Seperti pertumbuhan yang baru di Jepang, dimana dikaitkan dengan
tingkat produktivitas yang tinggi yang dicapai dengan kekhawatiran manufaktur
mereka. Produktivitas saja akan membuat produk yang kompetitif sedangkan
produksi saja tidak akan membantu bangsa menjadi besar.
Waktu untuk menghasilkan produk untuk menyelesaikan suatu pekerjaan
suatu jenis pahat) adalah merupakan variabel yang penting dalam rangka
penentuan kondisi pemesinan optimum. [14]
Secara garis besar dapat dikelompokkan 2 macam komponen waktu yaitu :
- Komponen waktu yang dipengaruhi oleh variable proses
- Komponen waktu yang bebas
Untuk menghasilkan satu produk, maka diperlukan komponen – komponen waktu
sebagai berikut :
1. Komponen waktu yang dipengaruhi oleh variable proses
a.
; min/produk ...(2.2)
dimana,
= waktu pemotongan sesungguhnya
= panjang pemesinan, mm
= kecepatan makan, mm/min
b.
...(2.3)
Yaitu waktu penggantian pahat yang dibagi rata untuk sejumlah
produk yang dihasilkan sejak pahat yang baru dipasang sampai pahat
tersebut harus diganti karena aus. Bagi mesin perkakas NC dengan ATC,
maka pahat dapat diganti sewaktu pahat tersebut tidak digunakan
(tersimpan pada tempatnya), dengan demikian siklus proses tidak
terganggu, akibatnya komponen waktu ini dapat dihilangkan.
dimana,
= waktu penggantian atau pemasangan pahat; min
= bagian dari umur pahat yang digunakan untuk menyelesaikan satu
produk
2. Komponen waktu bebas (non produktif)
c.
; min/produk ...(2.4)
dimana,
= waktu non produktif ; min/produk
= waktu pemasangan benda kerja ; min/produk
= waktu penyiapan;yaitu waktu yang diperlukan untuk menggerakkan pahat dari posisi mula sampai pada posisi siap untuk memotong ;
min/produk
= waktu pengakhiran; yaitu waktu yang diperlukan untuk
membaca/menggerakkan pahat kembali ke posisi mula; min/produk
= waktu pengambilan produk ; min/produk
= bagian dari waktu penyiapan mesin beserta perlengkapannyayang dibagi
rata untuk sejumlah produk yang direncanakan untuk dibuat saat itu.
2.8. Ongkos produksi
Bagi suatu industry pemesinan adalah mutlak untuk mengetahui beberapa
ongkos sebenarnya dalam pembuatan suatu produk/komponen mesin. Dengan
mengetahui harga jual produk atau harga penawaran kontrak pembuatan sejumlah
produk maka dapat dibayangkan keuntungan yang akan diperoleh. Dalam
kenyataan, penghitungan ongkos pembuatan tersebut tidak selalu mudah,
tergantung pada ukuran perusahaan, ragam dan kompleksitas produk yang
ditanganinya dan struktur perhitungan ongkos yang dianut oleh perusahaan yang
bersangkutan. Ongkos pembuatan dapat ditentukan dari beberapa komponen
ongkos yang menbentuknya.
Berikut ini rumus – rumus yang digunakan untuk menghitung ongkos
1. Rumus untuk menghitung total ongkos produksi
...(2.5)
dimana,
= ongkos jual ; Rp/produk = ongkos material; Rp/produk
= ongkos persiapan/perencanaan produksi
= ongkos salah satu proses produksi; Rp/produk
2. Rumus untuk menghitung Ongkos Material
...(2.6) Dimana,
= ongkos material; Rp/produk
= harga pembelian; Rp/produk = ongkos tidak langsung; Rp/produk
3. Rumus untuk menghitung ongkos produksi
...(2.7) Dimana,
= ongkos produksi; Rp/produk
= ongkos penyiapan dan peralatan; Rp/produk
= ongkos pemesinan; Rp/produk = ongkos pahat; Rp/produk
4. Rumus untuk menghitung ongkos pemesinan
...(2.8) Dimana,
= ongkos pemesinan; Rp/produk
= ongkos operasi mesin/persatuan waktu; Rp/min
5. Rumus untuk menghitung ongkos pahat
...(2.9)
Dimana,
= ongkos pahat; Rp/produk
= ongkos pahat permata potong; Rp/mata potong
= sebagian dari umur pahat yang berkurang akibat pemakaiannya setiap
menghasilkan satu produk; mata potong/produk
Ongkos operasi persatuan waktu (menit) bagi suatu kesatuan produksi
(mesin yang bersangkutan, operator dan seluruh bagian/kegiatan pabrik yang
mendukungnya) dapat dihitung berdasarkan ongkos yangmembentuknya dalam
satu periode (tahun) dibagi dengan jumlah menit kerja efektif pertahun. Ongkos
operasi pertahun merupakan gabungan dari ongkos tetap dan ongkos variable.
...(2.10)
Dimana,
= ongkos operasi pertahun; Rp/tahun
= ongkos tetap pertahun; Rp/tahun
= ongkos variabel langsung pertahun; Rp/tahun
