Abstrak — Mesin perkakas memiliki peranan kunci di dalam dunia industri.Mesin CNC perkayuan dengan high speed cutting memerlukan komponen yang ringan untuk akselerasi serta deselerasi yang tinggi, dengan tanpa mengabaikan syarat utama berupa kekuatan, kekakuan dan kemampuan redaman dari struktur mesin.
Material berbasis epoxy resin dianggap cukup baik sebagai pengganti bahan konvensional seperti besi tuang. Oleh sebab itu, tugas akhir ini membandingkan kekuatan, kekakuan dan frekuensi natural epoxy terhadap besi tuang melalui distribusi tegangan, deformasi, dan mode frekuensi yang terjadi sehingga dapat dilakukan modifikasi geometri untuk perbaikan.
Dari simulasi diperoleh bahwa dengan modifikasi geometri, untuk pemotongan ke arah sumbu X terjadi perbaikan kekakuan rata-rata 37% pada struktur bridge dan 117% pada base. Untuk pemotongan ke arah sumbu Y diperoleh 257% pada struktur bridge dan 537% pada base. Dalam beberapa kasus perbaikan kekakuan dapat melampaui nilai yang diperoleh dari desain awal menggunakan besi tuang. Di sisi yang lain, frekuensi natural komponen epoxy lebih rendah meskipun masih pada batas aman aplikasi, dan modifikasi desain hanya dapat memberikan kenaikan hingga sekitar 20%. Akibat density yang lebih rendah diperoleh pengurangan berat 73% pada rumah spindle dan 79% pada meja mesin. Berbagai karakteristik ini dirasa baik, sehingga bahan epoxy resin dapat digunakan sebagai pengganti untuk pembuatan komponen bergerak struktur mesin perkakas
Kata Kunci—metoda elemen hingga , analisa struktur, analisa getaran, deformasi, frekuensi natural
I. PENDAHULUAN
esin perkakas CNC bekerja dengan membentuk bahan melalui pemotongan. Selama proses pemotongan terjadi perubahan tebal geram yang proporsional dengan perubahan gaya potong yang mengeksitasi sistem getaran mesin perkakas. Gaya potong yang terjadi pada saat proses merupakan gaya aksi dan reaksi, yang berdampak pada benda kerja dan pada alat potong, yang kemudian diteruskan ke spindle mesin dan ke struktur dari mesin itu sendiri.
Kekuatan, kekakuan dan faktor getaran merupakan hal yang dirasa paling berpengaruh pada kinerja mesin perkakas. Kekakuan yang berasal dari desain dan material pembentuk akan mempengaruhi faktor geometri agar komponen berjalan sesuai fungsinya dalam lingkungan kerja. Kemampuan redam mengacu pada kemampuan mesin untuk menjaga geometri dari deformasi periodik akibat eksitasi gaya potong.
Umumnya mesin perkakas CNC menggunakan Cast iron/besi tuang yang unggul di kemampuan redam. Low carbon steel / baja karbon rendah juga kadang digunakan karena memiliki kekuatan yang baik. Namun keduanya masih
jauh dari sempurna karena masing-masing memiliki kekurangan sendiri sehubungan dengan proses pembuatan dan kekurangan tertentu pada sifat materialnya.
Penelitian ini menggunakan bahan struktur epoxy resin yang dianggap memenuhi persyaratan untuk material komponen bergerak sebuah mesin perkakas kayu. Epoxy memiliki keunggulan berupa kekuatan spesifik 57.62 kN.m/kg, lebih baik daripada besi tuang yang rata-rata bernilai 21.26 kN.m/kg. Epoxy pada nilai kekakuan yang sama juga menyediakan karakteristik redaman yang lebih baik dari besi tuang, sesuai penelitian pada [08]. Mesin CNC perkayuan yang bekerja dengan benda kerja ringan, karakteristik dinamisnya bergantung pada perpindahan / gerakan komponen saat pemotongan, sehingga penggunaan komponen bergerak yang ringan akan meningkatkan performa mesin.
Dengan dasar tersebut, dilakukan simulasi numerik untuk permodelan besar dan arah gaya yang timbul pada sebuah mesin perkakas pada distribusi tegangan, defleksi / lenturan yang terjadi, dan frekuensi natural dari komponen bergerak. Dilakukan variasi terhadap arah pemotongan dan jenis material komponen, kemudian respon diamati sebagai acuan untuk menentukan modifikasi geometri yang diperlukan dan potensi penggunaan komposit epoxy resin dalam skala yang lebih besar.
II. URAIANPENELITIAN
Mengacu pada penelitian [04] tentang besarnya gaya yang terjadi selama pemotongan, ditetapkan bahwa deformasi maksimum akan terjadi pada saat beban gaya potong terbesar, sehingga digunakan rumus empiris yang telah dikembangkan [01] untuk menghitung besarnya gaya potong tangensial:
1. Luas penampang chip
A = a × 𝑓𝑓𝑧𝑧 (2. 1)
2. Jumlah gigi yang bekerja
Zc = Z × α ÷ 360° (2. 2)
3. Engagement Factor
Ef = 𝑤𝑤 𝑑𝑑⁄ (2. 3)
4. Gaya potong Tangensial
Ft = σ × A × Zc × Ef × Tf (2. 4) Gaya lain yang dimodelkan adalah gaya penggerak dari motor, yang dihitung dengan rumusan sebagai berikut: 1. Perhitungan resistansi gesekan
f = × 𝑚𝑚 × 𝑔𝑔 (2. 5)
2. Perhitungan percepatan
𝛼𝛼 = 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚⁄ 𝑡𝑡 (2. 6)
Studi Kekuatan Struktur dan Getaran pada Moving Parts
berbahan Epoxy Resin untuk model CNC-Milling dengan
Metoda Finite Element
Stefanus Andre, Agus Sigit Pramono
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
pemotongan, yaitu X+, X-, dan Y, serta jenis bahan untuk komponen bergeraknya, yaitu besi tuang FC10 dan epoxy resin EPR-L1000. Sebelum melakukan simulasi juga dilakukan tahap penentuan beban yang nantinya menjadi input dalam simulasi. Beban yang digunakan pada simulasi ada empat jenis yaitu berupa gaya potong, torsi yang timbul akibat gaya potong, gaya dorong dari motor penggerak, serta berat benda/komponen itu sendiri. Untuk rinciannya dapat dilihat pada gambar dan tabel berikut.
Tabel 1. Variasi Beban yang Digunakan Simulasi Struktural arah potong gaya dorong gaya momen potong Struktur Bridge FC10 EPR
X+ X+ - CCW
X- X- - CCW
Y Z+ X- CCW
arah potong gaya dorong gaya momen potong Struktur Base FC10 EPR
X+ X- Z- CW
X- X+ Z+ CW
Y Z- - CW
Gambar 1. Contoh Pengaturan Parameter Simulasi Struktural Setelah membuat permodelan dan menentukan beban maka dilanjutkan dengan simulasi structural static dan modal analysis dengan menggunakan FEA Software, sama dengan
melalui CAD software dapat dibaca oleh FEA software. Tahapan berikutnya adalah menentukan parameter untuk simulasi. Parameter pertama yang ditentukan adalah meshing. Metode meshing yang digunakan adalah automatic dengan medium relevance. Parameter kedua yaitu kontak antar komponen. Kontak yang digunakan ada 2 macam yaitu bonded contact untuk bagian yang dikondisikan supaya tidak bergerak, dan frictional contact untuk komponen yang dirancang untuk bergerak. Pada kontak frictional, ditentukan koefisien gesek sebesar 0.02 untuk komponen ballscrew dan bearing, serta sebesar 0.003 pada guide rail.
Gambar 2. Contoh Pengaturan Kontak Frictional
Sesuai dengan asumsi awal berdasarkan nilai modulus elastisitas epoxy yang lebih rendah, diantisipasi adanya deformasi yang lebih besar pada komponen berbahan epoxy resin, sehingga untuk memperbaiki kekurangan ini, dilakukan modifikasi geometri dengan penambahan volume dan sirip penegar/ribs. Beberapa jenis desain yang sudah dimodifikasi ini kemudian disimulasikan kembali dengan pembebanan yang serupa, dan hasilnya dikomparasi ulang.
Untuk modal analysis, pengaturan yang dilakukan jauh lebih sederhana dengan hanya melibatkan geometri, jenis material dan lokasi fixed support. Dilakukan untuk mengetahui karakteristik getaran bebas suatu komponen.
Gambar 2. Contoh Pengaturan Parameter Modal Analysis
III. HASIL DAN ANALISA
Hasil dari penelitian ini adalah berupa perbandingan kekuatan, kekakuan dan frekuensi natural dari struktur mesin perkakas dengan menggunakan dua jenis komponen yang berbeda. Dari penelitian ini diharapkan performa dari struktur yang menggunakan epoxy bisa menyamai, atau melampaui performa komponen yang menggunakan bahan besi tuang, dengan bantuan modifikasi geometri apabila diperlukan. 3.1 Hasil Simulasi
Pada penelitian ini, dengan menggunakan bantuan software FEA, disimulasikan distribusi tegangan yang terjadi pada struktur, deformasi yang timbul akibat pembebanan, serta frekuensi natural dan mode shape getaran.
Gambar 3 Tegangan pada arah pemotongan Y
Gambar 4 Tegangan pada arah pemotongan X+
Gambar 3 dan 4 menunjukkan perbedaan distribusi tegangan yang muncul akibat gaya pemotongan ke arah yang berbeda. Struktur dipisah menjadi 2 yaitu base dan bridge untuk memudahkan identifikasi node atau titik kritis . Tabel 2. Perbandingan Tegangan Von-Mises pada Struktur
Bridge Base
FC10 EPR EPR-2 FC10 EPR EPR-2
X+ 1.6397 E+8 1.6397 E+8 1.6494 E+8 1.3636 E+8 1.3635 E+8 1.4821 E+8
X- 1.5781 E+8 1.5781 E+8 1.5810 E+8 1.5269 E+8 1.5269 E+8 1.3556 E+8
Y 1.3951 E+8 1.3951 E+8 1.2922 E+8 1.5764 E+8 1.5763 E+8 1.4053 E+8 Pada simulasi yang sama, dicari juga deformasi pada struktur dengan variasi arah pemotongan dan jenis material, yang telah ditetapkan seperti bab 2, kemudian hasilnya ditabulasikan pada Tabel 3.
Tabel 3. Perbandingan Deformasi pada Struktur
Bridge Base
FC10 EPR EPR-2 FC10 EPR EPR-2
X
+ 1.5565E-02 3.6770E-02 2.4529E-02
5.9441E
-03 9.0535E-03 5.9710E-03
X- 1.5839E-02 3.7375E-02 2.4294E-02 4.6844E-03 9.1677E-03 3.9613E-03
Gambar 5. Deformasi pada Arah Pemotongan X+, Struktur dengan Bahan Komponen Besi Tuang
Tabel 4 di bawah menunjukkan nilai deformasi yang terjadi pada alat potong, diukur dengan menggunakan probe pada simulasi deformasi. Probe digunakan untuk melihat nilai deformasi secara spesifik pada satu node tertentu.
Tabel 4. Nilai Deformasi pada Alat Potong
Tool Point
FC10 EPR EPR-2 X+ 1.5565E-02 3.4008E-02 2.4414E-02 X- 1.5471E-02 3.3360E-02 2.4270E-02 Y 1.7882E-02 2.1331E-02 1.4230E-02 Tabel 5. Perbandingan Frekuensi Natural Rakitan
Sp.Carrier Work Carrier
FC10 EPR EPR-2 FC10 EPR EPR-2
X+ 463.78 282.79 307.74 1378.30 469.10 611.86 X- 649.56 283.78 337.39 1970.60 673.05 792.59 Y 1354.90 801.75 979.34 2707.00 832.77 1022.80
Berdasarkan analisa tegangan, diperoleh distribusi tegangan dan angka keamanan, yang merupakan rasio/ perbandingan antara tegangan ijin dengan tegangan ekuivalen yang terjadi pada node/titik tertentu. Angka keamanan terkecil, mengindikasikan faktor kegagalan struktur yang diperoleh berkisar pada 4.9716 hingga 6.3459 untuk struktur bridge, dengan titik kritis dan distribusi tegangan yang terfokus di ujung tool/ alat potong. Hal ini dirasa wajar
Gambar 6. Angka Keamanan Minimum Struktur 3.2 Pembahasan Grafik
Untuk mempermudah analisa, dibuat grafik berdasarkan data numerik yang diperoleh melalui simulasi FEA Software.
3.2.1 Grafik deformasi maksimum
Gambar 7. Grafik Perbandingan Deformasi pada Struktur Bridge
Gambar 8. Grafik Perbandingan Deformasi pada Struktur Base
Pada grafik di Gambar 7 yang menyoroti struktur bridge, muncul deformasi komponen epoxy resin dengan desain lama (biru) untuk arah pemotongan X+ sebesar 0.0367mm, untuk arah X- sebesar 0.0374mm, dan arah
3.6770E -02 3.7375E -02 2.1347E -02 1.5565E -02 1.5839E -02 1.7882E -02 2.4529E -02 2.4294E -02 1.4247E -02 X+ X- Y Def or ma si ( mm) CUTTING
Deformasi Max pada Struktur Bridge
EPR FC10 EPR-NEW 9.0535E -03 9.1677E -03 5.8449E -03 5.9441E -03 4.6844E -03 5.1358E -03 5.9710E -03 3.9613E -03 3.3556E -03 X+ X- Y Def or ma si ( mm) CUTTING
Deformasi Max pada Struktur Base
pemotongan Y sebesar 0.02134mm. Sedangkan komponen berbahan besi tuang (orange) untuk pemotongan ke arah X+ terdeformasi sebesar 0.01557mm, untuk pemotongan ke arah X- sebesar 0.01589mm, dan ke arah Y sebesar 0.01788mm. Setelah modifikasi geometri pada komponen epoxy resin (abu-abu), didapatkan nilai deformasi untuk pemotongan ke arah X+ sebesar 0.0245mm, untuk pemotongan ke arah X- sebesar 0.02429mm, dan pemotongan ke arah Y sebesar 0.01425mm. Dalam persentase, pada struktur bridge terjadi perbaikan kekakuan untuk pemotongan ke arah X+, X-, dan Y masing-masing sebesar 36.63%, 39.6%, dan 257.2% relatif terhadap kekakuan komponen berbahan besi tuang.
Gambar 8 yang berfokus pada bagian base menunjukkan deformasi pada komponen epoxy resin dengan desain lama (biru) untuk arah pemotongan X+ sebesar 0.00905mm, untuk arah X- sebesar 0.00916mm, dan arah pemotongan Y sebesar 0.00584mm. Sedangkan komponen berbahan besi tuang (orange) untuk pemotongan ke arah X+ terdeformasi sebesar 0.00594mm, untuk pemotongan ke arah X- sebesar 0.00468mm, dan ke arah Y sebesar 0.005135mm. Setelah modifikasi geometri pada komponen epoxy resin (abu-abu), didapatkan nilai deformasi untuk pemotongan ke arah X+ sebesar 0.00597mm, untuk pemotongan ke arah X- sebesar 0.00396mm, dan pemotongan ke arah Y sebesar 0.00336mm. Dalam persentase, pada struktur base terjadi perbaikan kekakuan untuk pemotongan ke arah X+, X-, dan Y masing-masing sebesar 98.68%, 137.3%, dan 537% relatif terhadap kekakuan komponen berbahan besi tuang.
Gambar 9. Grafik Perbandingan Deformasi pada Ujung Alat Potong
Deformasi yang muncul pada struktur, akan semakin tampak jelas pada hasil pengerjaan proses permesinan, berupa penyimpangan geometri dari benda kerja, dapat berupa ukuran maupun bentuk. Deformasi ini juga berperan pada umur pakai alat potong, dimana untuk pemotongan dengan multi-edge cutting tool seperti proses milling, deformasi berdampak pada tool runout yang mengakibatkan pemotongan tidak merata pada setiap mata potong.
Berdasarkan data dari penelitian [11] didukung dengan referensi [10], standar mesin perkakas perkayuan adalah bahwa runout yang timbul akibat adanya defleksi alat potong tidak diijinkan melampaui angka 0.001” (0.0254 mm) untuk mempertahankan geometri hasil proses dan umur pakai alat potong.
Gambar 9 secara spesifik berfokus pada deformasi di ujung alat potong, karena pada beberapa kasus permodelan, terutama untuk mengantisipasi komponen dengan bahan epoxy resin, dimana deformasi maksimumnya terjadi pada bagian selain ujung alat potong. Dari grafik pada Gambar 9, nilai deformasi komponen desain lama dengan bahan besi
tuang (orange) masuk ke dalam ambang batas dan dinyatakan aman, sedangkan pada komponen berbahan epoxy resin, desain lama (biru) dinyatakan tidak masuk ke dalam standar, dan hasil modifikasi geometri untuk komponen epoxy resin masuk ke ambang batas, sehingga dinyatakan layak
3.2.2 Grafik frekuensi natural komponen bergerak
Gambar 10. Grafik Perbandingan Frekuensi Natural Rakitan Spindle Carrier
Gambar 11. Grafik Perbandingan Frekuensi Natural Rakitan Work Carrier
Berdasarkan grafik Gambar 10 dan 11 dapat dilihat bahwa rakitan komponen berbahan besi tuang (merah) memiliki frekuensi natural yang tinggi. Komponen dengan bahan epoxy resin (biru) memiliki frekuensi natural yang jauh lebih rendah, dan setelah dilakukan modifikasi geometri pada komponen epoxy resin (hijau) tidak ditemukan perubahan yang sangat signifikan. Frekuensi natural komponen mesin perkakas yang ideal adalah yang berjarak cukup besar dari frekuensi kerjanya. Dengan kenyataan bahwa secara teoritis kecepatan putaran spindle dipengaruhi secara linear oleh cutting speed, frekuensi natural yang jauh lebih tinggi dapat menjadi keunggulan.
Secara teoritis, perbedaan yang jauh antara komponen berbahan besi tuang dan epoxy resin dipengaruhi oleh density material. Dengan rumus untuk menghitung frekuensi natural:
𝜔𝜔𝑛𝑛= 𝑚𝑚 𝑘𝑘� (2.10)
maka massa komponen yang semakin besar menghasilkan frekuensi natural yang lebih tinggi.
Menurut perhitungan, putaran mesin yang digunakan akan dibatasi kemampuan motor servo penggerak spindle, (rated rpm: 3000). Artinya, frekuensi kerja sistem ini ada pada kisaran 50 Hz. Pada milling cutter dengan jumlah gigi z = 4, artinya dalam satu putaran terjadi 4 beban pemotongan, sehingga frekuensi maksimum yang dicapai adalah:
3.4008E -02 3.3360E -02 2.1331E -02 1.5560E -02 1.5471E -02 1.7852E -02 2.4414E -02 2.4270E -02 1.4230E -02 X+ X- Y Def or ma si ( mm) CUTTING
Deformasi Max pada Tool Point
EPR FC10 EPR-NEW 282.79 463.78 283.78 649.56 801.75 1354.9 307.74 337.39 979.34
1
2
3
Fr eque nc y ( Hz )MODE
Frekuensi Natural Sub-Assy Spindle Carrier/ Head EPR FC10 EPR-NEW 469.1 1378.3 673.05 832.77 1950.6 2707 611.86 792.59 1022.8
1
2
3
Fr eque nc y ( Hz )MODE
Frekuensi Natural Sub-Assy Work Carrier/ Table
Table; EPR, new design 0.5067
Seperti yang disebutkan sebelumnya, perubahan geometri dan jenis material memiliki dampak pada volume dan massa komponen. Desain lama komponen spindle housing dengan bahan FC10 memiliki volume sebesar 172428mm3, dengan massa 1.2329kg. Modifikasi geometri
pada komponen spindle housing dengan bahan epoxy resin memiliki volume 292796 mm3, massa 0.3323 kg. Komponen
ini sendiri mengalami reduksi massa sebesar 73.04%. Desain lama komponen machine table dengan bahan FC10 memiliki volume sebesar 347870mm3, dengan massa
2.4873kg. Modifikasi geometri pada komponen machine table dengan bahan epoxy resin memiliki volume 442425 mm3, dengan massa 0.5067kg. Komponen ini mengalami
reduksi massa sebesar 79.8%.
IV. KESIMPULAN
1. Angka keamanan terendah berdasar distribusi tegangan senilai 4.9716 untuk pemotongan ke arah X+, dengan tegangan berfokus di ujung mata potong, dan tidak ditemukan titik kritis pada struktur, sehingga dinyatakan struktur aman dan over-design.
2. Untuk memperbaiki kekakuan, perlu dilakukan langkah modifikasi desain berupa penambahan volume, mengurangi lubang dan penambahan stiffener.
3. Dengan modifikasi geometri pada komponen berbahan epoxy resin, untuk arah pemotongan X+ terjadi perbaikan kekakuan 36% pada struktur bridge dan 98% pada struktur base, dibandingkan komponen berbahan epoxy resin dengan desain lama.
4. Untuk arah pemotongan X-, telah diperoleh perbaikan kekakuan 39% pada struktur bridge dan 137% pada struktur base.
5. Untuk arah pemotongan Y, telah diperoleh perbaikan kekakuan 257% pada struktur bridge dan 527% pada struktur base.
6. Frekuensi natural bergantung pada jenis material, sehingga untuk bahan yang sama, modifikasi geometri tidak memberikan perubahan signifikan pada frekuensi natural komponen.
7. Deformasi maksimum yang timbul pada ujung mata potong untuk desain baru dengan bahan epoxy resin adalah 0.0244 mm dan masuk ke dalam ambang batas 0.025 mm, sehingga dinyatakan aman.
8. Dengan bahan epoxy resin diperoleh pengurangan berat
73% pada spindle housing & 79% pada moving table
dibandingkan penggunaan besi tuang.
9. Berdasarkan analisa yang dilakukan sejauh ini, material berbasis epoxy resin layak digunakan sebagai bahan
DAFTARPUSTAKA
1) Edmund Isakov Ph.D. Engineering Formulas for Metalcutting [Book]. - [s.l.] : Industrial Press, 2004. 2) Hutton David V. Fundamentals of Finite Element
Analysis [Book]. - New York: Mc Graw-Hill, 2004. - Vol. 1.
3) Jung Do Suh and Dae Gil Lee Design and Manufacture of Composite High Speed Machine Tool Structures [Journal]. - [s.l.] : International journal of Mechanical Material Design, 2008. - Vol. 4.
4) Kovac P. [et al.] Analitycal and Experimental Study of Cutting Force Components in Face Milling [Journal]. - Novi Sad, Serbia : Journal of Production Engineering, 2010. - Vol. 14.
5) Lee D.G, Chang S.H and Kim H.S Damping Improvement of Machine Tool Columns [Journal]. - [s.l.]: Composite Structure, 1998. - Vol. 43.
6) Lee Dai Gil [et al.] Design and Manufacture of Composite High Speed Machine Tool Structure [Journal]. - Daejeon: Elsevier, 2004.
7) M.Gringel Heisel Machine Tool Design Requirements for High Speed Machining [Journal]. - [s.l.] : CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1996. - 1 : Vol. 45. 8) Selvakumar A. and Mohanram P.V. Analysis of
Alternative Composite Material for High Speed Precision Machine Tool Structures [Journal]. - Tamil Nadu: ANNALS of Faculty Engineering HUNEDOARA, 2012. - Vol. Tome X.
9) Swami B.Malleswara and Kumar K.Sunil Ratna Design and Structural Analysis of CNC Vertical Milling Machine Bed [Journal]. - [s.l.] : IJAET, 2012. - Vol. 3. 10) Warfield Bob Calculating and Minimizing Tool
Deflection [Online] // CNC Cookbook. - CNCCookbook, Inc., 2010. - http://www.cnccookbook.com/
11) Zhao Ling [et al.] Structural Bionic Design and Experimental Verification of a Machine Tool Column [Journal]. - [s.l.] : Journal of Bionic Engineering Suppl., 2008.
