DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2018

OPTIMASI KONDISI PEMOTONGAN PADA PEMBUBUTAN KERAS BAJA AISI 4340 MENGGUNAKAN PAHAT KARBIDA

CVD BERLAPIS (Al

2

O

3

/TiCN) DENGAN METODE SIMULATED ANNEALING

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ANDREW J P HSB 120401136

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2018

ABSTRAK

Simulated Anealing (SA) adalah algoritma yang kuat dan mudah diimplementasikan untuk: simulasi material. Berbasiskan probabilitas dan nekanika statistik, algoritma ini dapat digunakan untuk: meneari pendekatan terhadap solusi optimum global maupun local dari suatu permasalahan. Simulated Annealing relatif diukur berdasarkan nilai fungsi tertentu yang mengevaluasi beberapa optimal solusi sementara yang telah diperoleh. Pemesinan keras adalah proses pemesinan pada material baja yang telah dikeraskan, · dengan nilai kekerasan lebih kurang 45 HRC pada proses pemotongan logam. Parut proses pembubutan, kapasitas geram (volume of material removal, VMR) yang dihasilkan mewakili nilai dari produktivitas. Salah satu jenis mata pahat yang tahan terhadap keausan adalah karbida. Untuk: meningkatkan kemampuan pahat karbida (WC-Co) dengan bahan pelapis diantaranya Aluminium Oksida (AI203) dan Titanium Carbon Nitrida (TiCN). Pahat karbida CVD berlapis (AI203/TiCN) digunakan untuk: memotong baja AISI 4340 yang dikeraskan dengan tujuan membuktikan performa pahat. MA TLAB atau yang disebut dengan Matrix Laboratory yaitu sebuah program untuk: menganalisis dan mengkomputasi data numerik, dan MA TLAB juga merupakan suatu bahasa pemrograman matematika lanjutan, yang dibentuk: dengan dasar pemikiran yang menggunakan sifat dan bentuk: matriks. MA TLAB yang juga merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi berbasis pada matriks, sering digunakan untuk teknik komputasi numerik, yang digunakan untuk: menyelesaikan masalah-masalah yang melibatkan operasi matematika elemen, matrik, optimasi, dan aproksimasi. Produktivitas berkaitan dengan kemampuan menghasilkan produk. 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. Untuk: memenuhi hal ini, maka perlu dilakukan pengoptimasian terhadap kondisi pemotongan. Nilai VMR tertinggi dari hasil optimasi 369,939 em³ dengan v

=

90,00 m/min, f

=

0,15 mmlrev, dan a = 2,00 mm. Ini merupakan kondisi pemotongan optimum untuk produktivitas yang tinggi.

Kata Kunci: Simulated Annealing, Produktivitas, Optimasi, Kondisi Pemotongan, Proses Pembubutan.

ABSTRACT

Simulated Anealing (SA) is a robust and easy-to-implement algorithm for material simulation. Based on probability and statistical mechanics, this algorithm can be used to find approaches to · global or local optimum solutions to a problem.

Simulated Annealing is measured relative to the value of a particular function that evaluates some optimal temporary solutions that have been obtained . ., Hard Machining is a machining process in the steel material · has been hardened, with less violence from

45

HRC in the metal cutting process. In the turning process, the volume of material removal (VMR) produced represents the value of the productivity. One of kind cutting tool has a hardeness and resistence wear are Carbide. Improve the ability of cabide tool (WC-Co) coating Aluminium Oxside (AI203) and Titanium Carbone Nitride (TiCN) . Carbide tool coated CVD (AI203ITiCN) used for cutting steel AISI 4340 hardness to prove performance cutting tool. MATLAB or called the Matrix Laboratory is a program to analyze and compute numerical data, and MATLAB is also an advanced mathematical programming language, which is formed with a rationale that uses matrix properties. MATLAB which is also a high-level programming language based on the matrix, often used for numerical computational techniques, which are used to solve problems involving mathematical operations of elements, matrices, optimizations, and approximations. Productivity is related to the ability to produce the product. Thus, high MRR and TL are needed to produce a high VMR so that the value of productivity is also high. However, it is also necessary to observe the final surface conditions of the product. To meet this, it is necessary to optimize the cutting conditions. The highest VMR value of optimization result is 369,939 cm

³

with v = 90,00 m / min, f = 0,15 mm / rev, and a = 2,00 mm. This is an optimum cutting condition for high productivity .

Keywords: Simulated Annealing, Productivity, Optimization, Cutting Conditions

Turning Process.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pemesinan keras umumnya didefinisikan sebagai proses di mana potongan-potongan bagian dengan nilai kekerasan lebih dari 45 HRC, tetapi lebih khas dalam kisaran HRC 58-68, dipotong menggunakan alat yang dipersiapkan khusus dengan cutting edge yang geometris. Material alat pemotong yang digunakan biasanya polikristalin cubic boron nitride (PCBN), campuran (Al2O3TiC) keramik dan cermet. Pilihan perkakas harus disesuaikan dengan aplikasi, tingkat produksi yang diinginkan, dan sasaran biaya operasi. Namun, CBN adalah pilihan yang paling dominan untuk aplikasi yang lebih membutuhkan ukuran dan penyelesaian terutama komponen-komponen yang telah dialihkan dari penggilingan sudah diketahui bahwa dalam aplikasi ekstrim seperti itu, kinerja alat yang lebih baik dapat dicapai dengan menggunakan geometri dengan sudut rate negatif tetapi konfigurasi canggih dan persiapannya juga memainkan peran dominan dalam keberhasilan pemesinan.(J. Paulo Davim,2015)

Pemesinan keras digunakan didalam pahat yang dilapisi karbida dalam memesin benda silindris memiliki beberapa keuntungan, yaitu mengurangi ongkos pemesinan, peningkatan didalam produktivitas, dan juga didalam memperbaiki kndungan sifat didalam bahan.(Suresh,2012)

Didalam perkembangannya teknologi pada pelapisan telah menghasilkan pahat karbida berlapis dengan kinerja yang tinggi, dimana dapat memperbaiki sifat bahan seperti, kekuatan patah, ketangguhan, ketahanan kejut termal, ketahanan aus, serta kekerasan bahan.(Suresh,2012) Umur pahat karbida berlapis (TiCN) kurang lebih 30 kali lebih tinggi jika dibandingkan dengan pahat karbida tanpa lapisan dengan konsisi pemotongan yang sama. Kecepatan menghasilkan geram dari pahat karbida berlapis juga 30 kali lebih tinggi dari pahat karbida tanpa lapisan. Dengan kondisi seperti ini tentunya akan meningkatkan produktivitas .(Ashok,2013)

3 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 seoptimal mungkin. Untuk memenuhi hal ini, maka perlu dilakukan pengoptimasian terhadap kondisi yang tersebut.

Dalam optimasi kondisi pemesinan, diperlukan suatu algoritma (algorithm) yaitu urutan langkah logika dari menggunakan suatu model matematika untuk menghitung harga paling baik atau optimum bagi variabel respon sehingga tujuan proses pemesinan dapat dipenuhi. Pada pengoptimasian ini, metode yang digunakan adalah algoritma Simulated Annealing. 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

4 untuk perpindahan (Ferdian Cahyadi). Proses pada algoritma Simulated Annealing ditujukan untuk mencari solusi-solusi optimum nilai variabel sebagai dampak dari solusi optimum nilai variabel kondisi pemotongan . Pengoptimalan tersebut dapat menghasilkan nilai VMR,TL,dan Ra minimum yang dapat menghasilkan produktivitas suatu proses pemesinan dan dalam hal ini adalah pembubutan keras baja.

1.2. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah yang digunakan adalah:

1. Pembubutan menggunakan pahat karbida PVD berlapis AISI 4340 untuk bahan baku AISI 4340 yang dikeraskan hingga 50 HRC .

2. Metode optimasi yang digunakan adalah Simulated Annealing.

3. Data sekunder dari penelitian yang dilakukan sebelumnya.

4. Perancangan dan analisa sistem yang dibuat menggunakan program bantu software MATLAB.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Mempelajari produktivitas pahat karbida berlapis yang digunakan pada pembubutan baja AISI 4340 yang dikeraskan.

2. Menyusun model matematika dengan metode multi linear regression dari data sekunder terkait produktivitas pahat karbida berlapis AlTiN yang digunakan pada pembubutan baja AISI 4340 yang dikeraskan.

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

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

5 1.4. Sistematika Penulisan

Sistematika 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, batasan masalah, tujuan penelitan, dan sistematika penulisan.

2. Bab II Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan tinjauan pustaka, diantaranya mengenai teori yang berhubungan dengan penelitian, yaitu teori tentang optimasi dan algoritma genetika, teori pembubutan, material pahat dan benda kerja, pemesinan 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 berisi tentang hasil analisa penggunaan algoritma simulated annealing untuk optimasi pemesinan pada mesin bubut (turning)

5. Bab V Kesimpulan dan Saran

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

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pemesinan Bubut

Proses bubut (turning) merupakan proses pemesinan untuk menghasilkan bagian- bagian mesin berbentuk silindris yang dikerjakan dengan menggunakan Mesin Bubut. Bentuk dasarnya dapat didefinisikan sebagai proses pemesinan permukaan luar benda silindris atau bubut rata:

1.Dengan benda kerja yang berputar.

2.Dengan satu pahat bermata potong tunggal (with a single-point Cutting Tool).

3.Dengan gerakan pahat yang sejajar terhadap sumbu benda kerja pada jarak tertentu sehingga akan membuang permukaan luar benda

kerja.(Rahdiyanta 2010)

Parameter pemesinan pada proses bubut dapat dihitung dengan rumus-rumus berikut: (Rochim. 1993).

1. Kecepatan Potong (Cutting Speed)

v = ... (2.1) Dengan;

d = = do ... (2.2) Dimana;

v = Kecepatan pemotongan (m/min) n = Putaran poros utama (rpm) d = Diameter rata-rata (mm) do = Diameter awal (mm) dm = Diameter akhir (mm)

6 2. Kecepatan Makan (Feeding Speed)

vf = f . n ... (2.3) Dimana;

vf = Kecepatan pemakanan (mm/min) f = Gerak makan (mm/rev)

n = Putaran poros utama (rpm)

3. Kedalaman Potong (Depth of Cut)

a = ... (2.4) Dimana;

a = Kedalaman pemotongan (mm) 4. Waktu Pemotongan (Cutting Time)

tc = ... (2.5) Dimana;

tc = Waktu pemotongan (min) lt = Panjang pemesinan

5. Kecepatan Penghasilan Geram (Rate of Metal Removal)

Kecepatan penghasilan geram atau lebih dikenal dengan istilah Material Removal Rate (MRR) dengan rumus:

Z = f . a . v ... (2.6) Dimana;

Z = Kecepatan penghasilan geram (cm³/min)

Perencanaan proses bubut tidak hanya menghitung elemen dasar proses bubut,tetapi juga meliputi penentuan/ pemilihan material pahat berdasarkan material benda kerja, pemilihan mesin, penentuan cara pencekaman, penentuan langkah kerja/ langkah penyayatan dari awal benda kerja sampai terbentuk benda kerja jadi, penentuan cara pengukuran, dan alat ukur yang digunakan. (Rahdiyanta 2010)

7 2.2. Material Pahat

Proses pembentukan geram pada proses pemesinan berlangsung dengan cara mempertemukan dua jenis material, yaitu material alat potong (pahat) dan material benda kerja. Maka, untuk menjamin kelangsungan proses ini diperlukan material pahat yang lebih unggul daripada material benda kerja. Hal ini dapat tercapai dikarenakan pada proses pembuatan material pahat memperhatikan berbagai segi yaitu: (Rochim. 1993).

1. Kekerasan, yang cukup tinggi yang melebihi kekerasan benda kerja, tidak hanya pada temperatur ruang melainkan juga pada temperatur tinggi selama saat proses pembentukan geram berlangsung.

2. Keuletan, yang cukup besar untuk menahan beban kejut yang terjadi sewaktu permesinan dengan interupsi maupun sewaktu pemotongan benda kerja yang mengandung partikel/bagian yang keras.

3. Ketahanan beban kejut termal, diperlukan bila terjadi perubahan temperature yang cukup besar secara berkala/periodik.

4. Sifat adhesi yang rendah, untuk mengurangi afinitas benda kerja terhadap pahat, mengurangi laju keausan, serta penurunan gaya pemotongan.

5. Daya larut elemen/komponen material pahat yang rendah, dibutuhkan demi untuk memperkecil laju keausan akibat mekanisme difusi.

Secara berurutan, material pahat tersebut akan diurutkan dari yang paling lunak tetapi ulet sampai yang paling keras tetapi getas, yaitu: (Rochim. 1993).

1. Baja karbon (High Carbon Steels; Carbon Tool Steels; CTS)

Baja dengan kandungan karbon relative tinggi (0,7%-1,4% C) tanpa unsur lain dengan persentase unsur lain yang rendah (0,2% Mn, W, Cr) mampu mempunyai kekerasan permukaan yang cukup tinggi.

2. HSS (High Speed Steels; Tool Steels)

Pada tahun 1898 ditemukan jenis baja paduan tinggi dengan unsur paduan krom (Cr) dan tungsten/wolfram (W), melalui proses penuangan (molten metallurgy) kemudian diikuti pengerolan ataupun penempahan, baja ini dibentuk menjadi batang atau silinder. Pada kondisi lunak (annealed) bahan tersebut dapat diperoses melalui permesinan menjadi berbagai bentuk pahat potong. Setelah proses perlakuan panas dilakukan, kekerasannya akan cukup tinggi sehingga dapat

8 digunakan pada kecepatan potong yang tinggi (sampai 3 kali kecepatan potong pahat CTS yang dikenal pada saat itu sekitar 10 m/menit, sehingga dinamakan dengan “baja kecepatan tinggi” ; HSS, (High Speed Steel)

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

Sifat-sifat paduan cor 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 sulit misalnya tool bit (sisipan) yang kemudian diasah menurut geometri yang dibutuhkan

4. Karbida (Cemented Carbides; Hardmetals)

Jenis karbida yang “disemen” (cemented carbides) ditemukan pada tahun 1923 (KRUPP WIDIA) merupakan bahan pahat yang dibuat dengan cara menyinter (sintering) serbuk karbida (Nitrida, Oksida) dengan bahan pengikat yang umumnya dari cobalt (Co). Dengan 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 atau campuran serbuk karbida tersebut dicampur dengan bahan pengikat (Co) dan dicetak tekan dengan memakai bahan pelumas (lilin). Setelah itu dilakukan presintering (1000℃ pemanasan mula untuk menguapkan bahan pelumas) dan kemudian sintering (1600℃) sehingga bentuk keeping (sisipan) sebagai hasil proses cetak tekan (Cold, atau HIP) akan menyusut menjadi sekitar 80% dari volume semula.

Hot hardness karbida yang disemen (diikat) ini akan menurun bila terjadi pelunakan elemen pengikat. Semakin besar persentase pengikat Co maka kekerasannya menurun dan sebaliknya keuletannya membaik. Modulus elastisitasnya sangat tinggi demikian pula berat jenisnya (density, sekitar 2 kali baja). Koefisien muainya setengah dari koefisien muai baja dan konduktivitas panasnya sekitar dua atau tiga kali konduktivitas padas HSS. Ada 3 jenis utama pahat karbida sisipan, yaitu :

a. Karbida tungsten (WC+Co), yang merupakan jenis pahat karbida untuk memotong besi tuang (cast iron cutting grade).

9 b. Karbida tungsten paduan (WC-TiC+Co; WC-TaC-TiC+Co; WC-TaC+Co;

WC-TiC-TiN+Co; TiC+Ni, Mo), merupakan jenis pahat karbida untuk pemotongan baja (steel cutting grade).

c. Karbida lapis (coated cemented carbides), merupakan jenis karbida tungsten yang dilapis (satu atau beberapa lapisan) karbida, nitrida, atau oksida lain yang lebih rapuh tetapi hot hardnessnya tinggi.

5. Keramik (Ceramics)

Keramik menurut definisi sempit adalah material paduan metalik dan non metalik, sedangkan menurut definisi yang luas berarti semua material kecuali metal dan material organic. Keramik dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu, keramik tradisional dan keramik industri. Keramik tradisional merupakan barang pecah belah peralatan rumah tangga, sedangkan keramik industri digunakan untuk berbagai keperluan sebagai komponen dari peralatan, mesin dan perkakas termasuk perkakas potong/pahat.

6. CBN (Cubic Boron Nitrides)

CBN termasuk kedalam jenis keramik, diperkenalkan oleh GE (USA, 1957, Borazon). Dibuat dengan penekanan panas (HIP, 60 kbar, 1500⁰ C) sehingga serbut graphit putih nitrida boron dengan struktur atom heksagonal berubah menjadi struktur kubik. CBN memiliki hot hardness yang sangat tinggi. CBN dapat digunakan untuk pemesinan berbagai jenis baja dalam keadaan dikeraskan (hardened steel), besi tuang, HSS maupun karbida semen.

7. Intan (Sintered Diamonds and Natural Diamonds)

Sintered Diamonds (GE, 1995) merupakan proses sintering serbuk intan tiruan dengan bahan pengikat Co (5%-10%). Hot hardness sangat tinggi dan tahan terhadap deformasi plastik. Sifat ini ditentukan oleh besar butir intan serta presentase dan komposisi dari material pengikat. Pahat intan tidak bisa digunakan untuk memotong bahan yang mengandung besi (ferros) dikarenakan intan pada temperatur tinggi akan berubah menjadi graphit dan mudah terdifusi dengan atom besi.

Penentuan material pahat didasarkan pada jenis material benda kerja dan kondisi pemotongan (kekasaran, adanya beban kejut, dan juga kehalusan). Material pahat

10 adalah baja karbon sampai dengan keramik dan intan. Sifat dari beberapa material pahat ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 2.1. Material Pahat Dimana : (a) Kekerasan dari beberapa macam material pahat sebagi fungsi dari temperatur, (b) jangkauan sifat material pahat.

Material pahat dari baja karbon (baja dengan kandungan karbon 1,05%) pada saat ini sudah jarang digunakan untuk proses pada suatu pemesinan, karena bahan ini tidak tahan panas (melunak pada suhu 300- 500 F). Baja karbon ini sekarang hanya digunakan untuk kikir, bilah gergaji, dan pahat tangan.

Pertimbangan pemilihan mesin pada proses bubut adalah berdasarkan dimensi benda kerja yang akan dikerjakan. Ketika memilih mesin perlu dipertimbangkan kapasitas kerja mesin yang meliputi diameter maksimal benda kerja yang bisa dikerjakan (Swing over the bed), dan panjang meja mesin bubut (Length of the bed). Panjang meja mesin bubut bukan berarti panjang maksimal benda kerja yang dikerjakan diantara dua senter. Panjang maksimal benda kerja adalah panjang meja dikurangi jarak yang digunakan kepala tetap dan kepala lepas. Beberapa jenis mesin bubut dari mesin bubut manual dengan satu pahat sampai dengan mesin bubut CNC dapat dipilih untuk proses pemesinan.

Pemilihan mesin bubut yang digunakan untuk proses pemesinan bisa juga

11 dilakukan dengan cara memilih mesin yang ada di bengkel (Workshop). Dengan pertimbangan awal diameter maksimal benda kerja yang bisa dikerjakan oleh mesin yang ada. Setelah langkah pemilihan mesin tersebut, dapat dipilih juga alat dan cara pencekaman/pemasangan benda kerja secara berurut.

Pencekaman/pemegangan benda kerja pada mesin bubut bisa digunakan dengan beberapa cara. Cara yang pertama adalah benda kerja tidak dicekam, yaitu menggunakan dua senter dan pembawa. Dalam hal ini, benda kerja harus ada lubang senternya di kedua sisi seperti gambar berikut :

Gambar 2.2. Benda Kerja 2.2.1. Pahat Karbida Berlapis

Karbida berlapis pertama kali diperkenalkan pada tahun 1968 oleh KRUPP WIDIA dan sampai sekarang terus berkembang dan banyak dimanfaatkan dalam berbagai proses permesinan (di negara-negara maju) dan pemakaiannya sekitar 40% dari seluruh jenis pahat karbida yang digunakan. Hal ini dikarenakan harga yang lebih terjangkau dan kemampuan dari material itu sendiri yakni multi guna terhadap material benda kerja. Umumnya sebagai material dasar karbida tungsten (WC-Co) yang dilapisi dengan bahan keramik (karbida, nitrida, dan oksida yang keras tahan temperatur tinggi serta nonadhesif).

Tabel 2.1 Jenis karbida berlapis (coated cemented carbides) Jenis Material induk Bahan pelapis Keterangan

Single layer WC TiC Pemesinan tanpa

kejutan

TiN Tahan keausan

12 kawah

TiCN Al2O3

Pemesinan besi tuang

HfN

Two layer WC TiC-TiN

TiC-TiCN TiCN-TiN TiC-Al2O3

Pemesinan besi tuang

Multilayer WC TiC-TiCN-TiN

TiN-TiC-TiN Multi guna TiC-TiN-Al₂O₃

TiC-Special ceramics-Al₂O₃

Lapisan setebal 1-8 micron ini diperoleh dengan cara CVD ataupun PVD.

Pelapisan secara CVD (Chemical Vapour Deposition) menghasilkan ikatan yang lebih kuat daripada PVD (Physical Vapour Deposition). CVD dilakukan dengan mengendapkan elemen atau paduan elemen (keramik) yang terjadi akibat reaksi pada fasa uap antara elemen/paduan tersebut dengan gas pereaksi sehingga menempel dengan kuat pada material yang dilapis. PVD dilakukan dengan menguapkan material baik dari bentuk padat maupun cair menjadi bentuk atom ataupun molekul dan diubah menjadi bentuk uap didalam kondisi vakum atau tekanan yang rendah kemudian diendapkan kembali. Proses yang paling umum dari PVD adalah pemercikan (sputtering) dan penguapan (evaporation). Pelapisan dapat diulang untuk kedua atau ketiga kalinya dengan menggunakan elemen pelapis yang berbeda (Rochim. 1993).

Material pahat dari HSS (High Speed Steel) dapat dipilih jenis M atau T.

Jenis M berarti pahat HSS yang mengandung unsur Molibdenum, dan jenis T berarti pahat HSS yang mengandung unsur Tungsten.

Beberapa jenis HSS dapat dilihat pada tabel berikut:

Jenis HSS Standart AISI

13

HSS Konvensional

- Molibdenum HSS M1, M2, M7, M10

- Tungsten HSS T1, T2

HSS Spesial

- Cobald added HSS M33, M36, T4, T5, T6 - High Vanadium HSS M3-1, M3-2, M4, T15

- High Hardness Co HSS M41, M42, M43, M44, M45, M46 - Cast HSS

- Powdered HSS - Coated HSS

Tabel 2.2 Jenis Material Pahat HSS

The thin film hard coating dan Thermal Diffusion adalah metode coating/pelapisan yang paling baru untuk meningkatkan lifetime stamping tool dan meningkatkan qualitas hasil stamping. Applikasi metode ini terus meningkat dan yang paling penting adalah meningkatkan keuntungan kepada pemakai Stamping tool dan alat kerja lainnya. The thin film hard coating (Lapisan keras tipis) adalah Nitride dan Keramik bahan dasar-Carbide dengan ketebalan 0.2- 10µm. Metode ini mempunyai dua teknik, diantaranya :

 Chemical Vapor Deposition (CVD), di mana material coating (contoh : Titanium dan Nitrogen) berbentuk gas, dan reaksi thermochemical untuk membentuk coating tool. Kemudian dipanaskan mendekati. 1,000 °C. yang dikenal sebagai "Hot Process"

 Physical Vapor Deposition (PVD), di mana material coating berbentuk padat (Solid) dengan menggunakan ruang hampa Tinggi. Dan pembuatan metal atom oleh evaporasi, sputter dan metoda pemboman ion, pada

14 temperatur 500°C. yang dikenal dengan "Cold Process".

(Gigarizkyka 2016)

Kegunaan PVD adalah sebagai berikut:

• Meningkatkan kekerasan dan ketahanan terhadap korosi.

• Mengurangi gesekan serta meningkatkan ketahanan temperatur tinggi.

• Meningkatkan kekuatan impak.

Kelebihan proses PVD:

• Material yang telah dilapisi memiliki sifat yang lebih baik jika dibandingkan dengan material yang sebelumnya.

• Proses PVD lebih ramah lingkungan.

Perbandingan PVD dan CVD dapat dilihat pada Tabel 2.2 di bawah ini:(Sreejith.

2000).

Tabel 2.3 Perbandingan PVD dan CVD

PVD CVD

Ikatan tidak terlalu kuat Ikatan lebih kuat Kualitas lebih baik karena lapisan

yang dihasilkan lebih murni

Masih terdapat pengotor pada lapisan yang dihasilkan

Konduktivitas termal lebih baik Konduktivitas termal lebih rendah Tidak ada reaksi kimia pada

permukaan

Terjadi reaksi kimia pada permukaan

2.2.2. Geometri Pahat

Menurut fungsinya pada pahat dapat digunakan 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

15 didefenisikan. Dengan mengetahui defenisinya, maka berbagai jenis pahat yang digunakan dalam proses pemesinan dapat dikethui secara lebih baik.

Beberapa bagian pahat yang dapat didefenisikan adalah sebagai berikut:

1. Elemen Pahat

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

 Pemegang/gagang (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, yakni:

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

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

16

 Bidang bantu/minor (Aα’ auxiliary/minor flank), bidang yang 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. Misalnya ada dua bidang utama, maka bidang tersebut sebagai bidang utama pertama (Aα 1) dan bidang utama kedua (Aα2) sesuai dengan urutan lokasi terhadap mata potong dengan lebar yang tertentu (bα1 , bα 2), 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 (Aγ) dengan bidang utama (Aα).

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

Mata 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:

rε = radius pojok (corner radius/nose radius) ; mm,

atau dipenggal sehingga pojok pahat berupa garis dengan panjang tertentu, yaitu;

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

Radius pojok maupun panjang pemenggalan pojok selain memperkuat pahat bersama-sama dengan kondisi pemotongan yang dipilih akan menentukan kehalusan permukaan hasil proses pemesinan.

Beberapa jenis pahat dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu pahat kanan (right hand) dan pahat kiri (left hand). Perbedaan antara kedua jenis pahat tersebut adalah terletak pada lokasi mata potong utama. Pahat kanan mempunyai mata

17 potong 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

Didalam kehidupan sehari-hari baja merupakan material yang sangat berpengaruh didalam kehidupan manusia dan kemajuan zaman terutama didalam bidang teknik. Sulit untuk menemukan kegiatan manusia baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak berkaitan terhadap produk baja. Hampir 50%

dari produk baja digunakan pada bidang teknik sipil, 15-20% pada bidang transportasi, dan 30-35% pada industri berat, produksi pipa, aplikasi rumah tangga, kawat, dan sebagainya (Masduki. 2002).

Pada umumnya didalam baja terdapat sifat yang sangat dipengaruhi oleh persentase karbon dan struktur mikro. Struktur mikro pada baja karbon dipengaruhi oleh perlakuan panas dan komposisi baja. Karbon dengan unsur campuran lain dalam baja membentuk karbid yang dapat menambah kekerasan, tahan gores dan tahan suhu baja. Perbedaan persentase karbon dalam campuran logam baja karbon menjadi salah satu cara mengklasifikasikan baja. Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi menjadi tiga macam, yaitu: (Nevada. 2012)

1. Baja karbon rendah

Baja kabon rendah (low carbon steel) mengandung karbon dalam campuran baja karbon kurang dari 0,3%. Baja ini bukan baja yang keras karena kandungan karbonnya yang rendah kurang dari 0,3%C. Baja karbon rendah tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnya tidak cukup untuk membentuk struktur martensit.

2. Baja karbon menengah

Baja karbon sedang mengandung karbon 0,3%C – 0,6%C (medium carbon steel) dan dengan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon sedang lebih

18 keras serta lebih lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah.

3. Baja karbon tinggi

Baja karbon tinggi mengandung 0,6%C – 1,5%C dan memiliki kekerasan tinggi namun keuletannya lebih rendah, hampir tidak dapat diketahui jarak tegangan lumernya terhadap tegangan proporsional pada grafik tegangan regangan.

Berkebalikan dengan baja karbon rendah, pengerasan dengan perlakuan panas pada baja karbon tinggi tidak memberikan hasil yang optimal dikarenakan terlalu banyaknya martensit sehingga membuat baja menjadi getas.

Perlakuan panas merupakan suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat-sifat dari suatu material. Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya pada suhu ekstrim, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Yang termasuk ke dalam perlakuan panas antara lain, Annealing, Hardening, Tempering, Quenching, dan Strengthening (Geroger. 1983)

1. Annealing

Annealing merupakan proses pelunakan material (baja) dimana material tersebut dipanaskan lebih dari titik kritis atas. Dengan demikian seluruh karbonnya diserap oleh besi γ, membentuk austenite. Kemudian tersebut dibiarkan dingin perlahan-lahan didalam tanur. Pendinginan lambat adalah hal yang utama didalam proses, yang membuat baja selunak mungkin dan menghindari terjadinya tegangan-tegangan dalam. Dalam baja yang diannealing, struktur butiran termasuk kasar, ferrite dan pearlite ditemukan terbagi, membentuk area-area yang terpisah.

2. Hardening

Bila baja didinginkan dari atas titik kritis atas, pendinginan berjalan cepat, endapan karbon akan ditekan dan struktur dibekukan dalam suatu larutan padat.

Baja tersebut amat keras dan regas; bila dilihat dengan mikroskop akan terlihat seperti struktur seperti jarum dikenal dengan martensite. Baja-baja karbon biasa,biasanya didinginkan dengan air maka hasilnya keras dan regas sehingga kegunaannya tidak begitu banyak.

Sifat-sifat yang dihasilkan dari pendinginan cepat (quenching) dari panas

19 yang merah sekali adalah kerapuhan dan amat keras. Hal ini bukanlah kombinasi yang baik (terutama dalam pembuatan perkakas) tetapi bisa diperbaiki dengan pemanasan kedua.

3. Tempering

Pada pemanasan kedua baja ini, baja tersebut dipanaskan sampai dibawah titik kritis bawah, dan ini akan menyebabkan pengendapan sebagian dari karbon, buka sebagai pearlite, tetapi dalam bentuk pembagian yang halus dan dikenal dengan sorbite. Disini kekerasan sedikit diturunkan, tetapi baja tersebut menjadi lebih kuat. Setelah dinaikkan sampai panas penyepuhan (tempering heat), baja dibiarkan dingin secara perlahan-lahan. Tingkat kekerasan yang dicapai setelah pendinginan tergantung pada kandungan kandungan karbon dalam baja, yang mengandung kurang dari 0,3% C tidak memperlihatkan perubahan yang nyata.

Kekerasan maksimum dicapai bila baja itu mengandung 1,2% C.

4. Quenching

Pendinginan baja secara mendadak dari 700⁰ C lebih adalah suatu pengerjaan yang sangat drastis dan pendinginan yang cepat ini sering mengakibatkan keretakan dan pergeseran benda kerja. Karena pendinginan itu mulai dari luar sewaktu pencelupan, penyusutan dan pengerasan dengan cepat terbentuk pada lapisan sekitar teras yang tidak terjadi pendinginan dan penyusutan dalam waktu yang sama. Waktu panas merambat keluar, teras tersebut mulai dingin dan ketika melalui titik kritis atas, terjadilah ekspansi (berhubungan dengan perubahan dari besi γ ke besi α). Lapisan keras telah dipengaruhi oleh perubahan ini lalu terjadilah penyusutan, sedang pada teras berlangsung sedikit ekspansi. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya keretakan.

5. Strengthening

Pada strengthening (penyebuhan) baja-baja karbon dikeraskan kulitnya dengan jalan permukaannya dikarburasi (bersenyawa dengan zat arang), jadi teras yang lunak dibungkus dengan baja karbon tinggi. Benda-benda kerja tersebut akan mempertahankan kekenyalannya pada baja lunak, jadi bisa tahan terhadapan kejutan, sedangkan permukaan yang dikeraskan akan tahan sewaktu dipakai.

Selama pemanasan, karbon diserap kedalam yang tergantung pada lamanya pemanasan dan metode pelaksanaanya.

20 2.3.1. Baja AISI 4340

Material AISI 4340 dikenal sebagai material HSLA (High Strength Low Alloy).Material ini termasuk kedalam baja karbon medium dengan paduan rendah Ni-Cr dan Mo. Baja AISI 4340 memiliki sifat yang baik dalam hal ketahanan impak dan sifat tahan abrasinya. Secara umum material ini diperoleh dalam kondisi annealing atau pre-hardened. Dapat juga diberikan perlakuan hardening dan tempering apabila diinginkan kekerasan yang tinggi. Pada kondisi dikeraskan menggunakan celup oli dan tempering pada 540 ^oC baja AISI 4340 memiliki sifat kekuatan 1172 Mpa dengan kekuatan yield sebesar 1076 Mpa. Pengembangan baja AISI 4340 banyak dilakukan oleh para peneliti dunia untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhannya.Perkembangan penilitian yang telah dilakukan untuk mendapatkan material AISI 4340 dengan komposisi persentasi suhu pada ferrit-bainit (30 ^oC-70 ^oC) dengan metode perlakuan panas.

2.4. Pemesinan Keras

Didalam proses pembubutan keras terdapat pemesinan keras terhadap material ferrous dengan kekerasan lebih dari 45 HRC untuk mencapai penyelesaian benda kerja secara langsung setelah dilakukan proses pelakuan panas. Perkembangan dari proses pembubutan keras muncul ketika ditemukannya bahan baru seperti CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN, CVD, PVD dan keramik sejak tahun 1970.

Pengurangan ongkos produksi, menghilangkan cairan pemotongan, meningkatkan fleksibilitas dan efisiensi, peralatan dan perkakas dan mengurangi waktu pemasangan serta penyetelan ulang benda kerja ketika dibandingkan dengan proses gerinda. Dalam proses pembubutan keras terdapat keuntungan Keuntungan pada lingkungan yang kering serta tidak menggunakan pelumasan maupun pada cairan pemotongan yang digunakan. (Varaprasad. 2014).

Pemesinan keras umumnya didefinisikan sebagai proses di mana potongan- potongan bagian dengan nilai kekerasan lebih dari 45 HRC, tetapi lebih khas dalam kisaran HRC 58-68, dipotong menggunakan alat yang dipersiapkan khusus dengan cutting edge yang geometris. Material alat pemotong yang digunakan biasanya polikristalin cubic boron nitride (PCBN), campuran (Al2O3TiC) keramik dan cermet. Pilihan perkakas harus disesuaikan dengan aplikasi, tingkat

21 produksi yang diinginkan, dan sasaran biaya operasi. Namun, CBN adalah pilihan yang paling dominan untuk aplikasi yang lebih membutuhkan ukuran dan penyelesaian terutama komponen-komponen yang telah dialihkan dari penggilingan sudah diketahui bahwa dalam aplikasi ekstrim seperti itu, kinerja alat yang lebih baik dapat dicapai dengan menggunakan geometri dengan sudut rate negatif tetapi konfigurasi canggih dan persiapannya juga memainkan peran dominan dalam keberhasilan pemesinan.(J. Paulo Davim,2015)

Pemesinan keras dapat dilakukan dalam material dengan kekerasan diantara 45 sampai 68 Rockwell menggunakan variasi mata potong yang solid, seperti CBN (carbon boron nitride). Kemampuan pada alat mesin harus mencakup antara lain;

kekakuan alat pemesinan, kecepatan potong yang tinggi, permukaan yang tetap untuk membentuk permukaan akhir yang baik dan akurasi yang tinggi. Secara umum pemesinan keras dilakukan tanpa mengandung unsur yang berkaitan dengan penggunaan pada cairan pendingin. (Bartarya. 2011)

Namun jika dikaitkan pada proses yang dinamakan gerinda, pemesinan keras memiliki keuntungan mencakup; pengurangan harga yang cukup besar dari proses manufaktur, waktu proses yang lebih singkat, meningkatkan kualitas kekasaran permukaan akhir termesin dan lebih ramah lingkungan yang disebabkan tidak menggunakan cairan pendingin yang berbahaya. Pembubutan keras juga dapat mengurangi proses pada waktu pemesinan yang panjang dikarenakan dapat meningkatkan produktivitas (Ashok. 2013).

2.5. Produktivitas Pada Proses Pemesinan 2.5.1. Waktu produksi Produktivitas mesin

Waktu untuk menghasilkan benda kerja atau waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan suatu pekerjaan (memotong bagian tertentu benda kerja) dengan cara tertentu (menggunakan suatu jenis pahat) adalah merupakan variabel yang penting dalam rangka penentuan kondisi pemesinan optimum. Untuk jumlah produk yang cukup besar maka secara kasar dapat ditentukan waktu pemesinan rata-rata untuk mengerjakan satu benda kerja,yaitu dengan cara membagi seluruh waktu yang digunakan dengan jumlah produk yang dihasilkan. Akan tetapi, cara ini tidak baik untuk dilaksanakan karena tidak memberikan informasi yang jelas

22 mengenai komponen waktu (bagian waktu total) yang berkaitan dengan setiap langkah pengerjaan. Sesuai dengan tujuan optimisasi maka diinginkan pembagian waktu menurut komponennya sehingga dapat diketahui komponen waktu yang mana yang mungkin dapat diperkecil. Secara garis besar dapat dikelompokkan 2 macam komponen waktu yaitu :

1. Komponen waktu yang dipengaruhi oleh variabel proses 2. Komponen waktu yang bebas

Dengan demikian untuk menaikkan produktivitas, maka perlu diusahakan pengecilan waktu pemesinan,yaitu dengan cara:

a. Memperkecil waktu non produktif

Waktu non produktif mungkin masih dapat diperkecil dengan menggunakan fixture untuk mempermudah dan mempercepat pemasangan dan pembongkaran benda kerja serta menaikkan jumlah produksi. Apabila produksi belum pernah dilakukan, maka dapat dilakukan pengamatan secara langsung (time and motion study) sehingga dapat diketahui harga rata-ratanya dan sekaligus bila perlu dapat diusulkan rencana benda kerja.

b. Menurunkan waktu pemotongan

Waktu pemotongan dapat diturunkan dengan memperbesar kecepatan makan.

Bagi proses bubut (turning, boring, facing), mengurdi (drilling dengan mesin bubut atau mesin gurdi dengan gerak makan otomatik) dan menyekrap (scrub) hal ini dpat dicapai dengan menaikkan gerak makan f atau putaran spindel n.

Pembesaran gerak makan akan menaikkan gaya potong dan permukaan produk akan makin kasar, sedangkan pembesaran putaran spindel akan menaikkan daya potong. Apabila hal ini memungkinkan masih harus dipertimbangkan pengaruh penurunan umur pahat karena pembesaran v atau n dan f. Semakin besar harga yang dipilih umur pahat akan semakin pendek dan semakin sering diganti.

Akibatnya pada suatu kondisi tertentu produktivitas tidak mungkin dinaikkan lagi malah akan menurun dengan diperkecilnya waktu pemotongan.

23 Harus diingat pula bahwa semakin sering pahat diganti/diasah maka ongkos pemakaian pahat akan semakin tinggi, sehingga pada suatu kondisi tertentu ongkos produksi tidak lagi mengecil, melainkan membesar kembali. Hal ini menunjukkan suatu gambaran bahwa pada suatu kondisi pemotongan yang memberikan suatu harga tententu yang menghasilkan produktifitas tertinggi atau ongkos pemesinan termurah.

c. Mempercepat cara penggantian pahat

Kemudahan penggantian pahat yang telah aus dengan pahat yang baru (tajam) ditentukan oleh jenis pahat dan sistem pemegangnya. Penggantian pahat bubut HSS atau karbida yang dipatri keras (brazed carbide tip) pada mesin bubut jelas akan lebih lama dibandingkan dengan mengganti sisipan karbida (throwaway carbide tip) pada bahan pahat (tool shank). Apabila pahat yang baru tidak tersedia didekat mesin, maka berarti operator harus mencari penggantinya atau mengasah sendiri, dan waktu yang hilang ini akan termasuk dalam waktu penggantian pahat.

Oleh sebab itu perlu dipertimbangkan untuk menyediakan pahat cadangan atau mewujudkan bagian pabrik yang mengurus mata pahat.(Taufiq Rochim 1993) 2.5.2. Produktivitas mesin

Pemesinan produk saling berkaitan pada 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.

Pertumbuhan aus pahat dapat diperbesar dengan bertambahnya waktu pemotongan sampai pada suatu saat pahat tersebut dianggap tidak dapat digunakan lagi karena telah ada tanda-tanda tertentu yang menunjukkan bahwa

24 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).

Dalam peningkatan nilai produktivitas maka dapat dilakukan dengan peningkatan pada MRR. Dalam proses 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.

Kesimpulannya jika semakin tinggi nilai MRR maka umur pahat juga akan semakin kecil.

Selain itu keausan pahat juga dapat memengaruhi kualitas pada kekasaran 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.

Konsep yang mewakili produktivitas dimana Volume of material removal (VMR) 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

25 pemotongan (v, f, dan a). Akan tetapi nilai dari MRR dan T_L berbanding terbalik sehingga kita tidak dapat sembarangan menaikkan MRR maupun TL dikarenakan pengubahan ini akan saling memengaruhi kondisi yang lain. Terdapat tiga fungsi parameter pada nilai optimum (v, f, dan a) sangat berpengaruh dalam perhitungan untuk menentukan niali dari VMR maksimum didalam bagian produktivitas yang dihasilkan.

2.6. Optimasi dan Algoritma Simulated Annealing 2.6.1. Optimasi

Optimasi adalah suatu disiplin ilmu dalam matematika yang fokus untuk mendapatkan nilai minimum atau maksimum secara sistematis dari suatu fungsi, peluang maupun pencarian nilai lainnya dalam berbagai kasus. Banyak cara yang dapat dilakukan dalam menyelesaikan masalah untuk memberikan hasil yang terbaik. Cara untuk memberikan hasil terbaik ini disebut sistem optimasi. Sistem optimasi ini umumnya mengacu kepada teknik program matematika yang biasanya membahasa atau mengacu kepada jalannya program penelitian (research programming) tentang masalah yang sedang dihadapi. Teknik ini diharapkan dapat memberikan solusi yang terbaik dari hasil keputusan yang telah diambil dari permasalahan yang sedang dihadapi tersebut. Teknik optimasi digunakan untuk memberikan hasil terbaik dari hal yang terburuk atau hal yang terbaik, tergantung masalah yang dihadapi. Hasil optimasi mungkin hasil tertinggi (misalnya keuntungan) atau hasil terendah (kerugian). Optimasi memerlukan strategi yang bagus dalam mengambil keputusan agar diperoleh hasil yang optimum.(Sugioko 2012)

Pada kasusnya dalam kehidupan sehari-hari, biasanya dihadapkan pada berbagai pilihan kebiasaan yang perlu dioptimasi. Misalnya, waktu yang tepat untuk bangun di pagi hari dalam kondisi yang segar, berangkat kerja tepat waktu, jalur jalan yang harus ditempuh untuk mencapai tempat bekerja sehingga mempercepat waktu perjalanan, pekerjaan mana yang harus didahulukan, menyusun barang- barang, dan sebagainya. Apalagi dalam hal yang bersifat teknik, misalnya, ukuran dan berat ideal suatu telepon genggam yang paling nyaman untuk digunakan, manajemen didalam pengaturan alat-alat(mesin), beserta hal lainnya.

26 2.6.2. Simulated Annealing

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:

27 1. Representasi permasalahan ke dalam suatu solusi

Dalam keadaan sebenarrya, baja terdiri dari logam besi dengan memvariasikan keadaan atom pada unsur pembuat baja dibuat sesuai dengan kebutuhan. Dalam Simulated Annealing dapat direpresentasikan dengan ruang solusi.

2. Proses modifikasi solusi ke dalam solusi baru

Perubahan n 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. Simulated 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

28 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) adaa 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 :

29 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.

2.6.2.1. Langkah-langkah Metode Simulated Annealing

Metode simulated annealing (SA) dikembangkan dari nalogi 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 untuk mengatur diri sendri sehingga diperoleh suatu keadaan stabil dengan tingkat energi yang minimum. Penurunan temperatur secara perlahan tersebut disebut proses annealing yang digunakan untuk menyelesaikan masalah sehingga diperoleh solusi optimal.(Samana 2015)

Didalam simulated annealing memiliki tujuh langkah proses perhitungan untuk mencapai solusi optimal, antara lain (Suyanto. 2010):

1. Membangkitkan kondisi (state) awal dan temperatur.

2. Menghitung energi awal yang dihasilkan pada kondisi awal.

30 3. Update state dan hitung kembali energi yang dihasilkan setelah melakukan

update.

4. Bangkitkan bilangan random berdistribusi uniform [0,1].

5. Uji kriteria, bila p <exp update state diterima, selain dari kondisi ini ditolak. Nilai E dapat dicari dengan menggunakn persamaan

6. Turunkan temperatur (T) dengan fungsi cooling schedule

7. Ulangi langkah ke 3 sampai mencapai kriteria. Jika telah mencapai kriteria maka berhenti.

2.6.2.2. Aplikasi Simulated Annealing

Simulated Annealing (SA) adalah suatu varian dari teknik Heurustic Seach Hill Climbing dimana variasi ini merupakan kebalikan dari Steepest Hill Climbing.

Variasi rute yang dipilih untuk diobservasi adalah rute yang terendah (terkecil nilai bobotnya). Meskipun Algoritma SA secara konsep sangat sederhana, namun untuk mencari parameter optimal seperti inisialisasi temperatur, annealing schedule, parameter fungsi penerimaan, dan sebagainya ini tidak berarti sederhana atau mudah. Pertama-tama yang dilakukan adalah menetapkan parameter untuk SA. Selain itu, banyak penelitian telah menunjukkan bahwa algoritma SA sangat sensitif terhadap parameter dan sangat tergantung pengaturan parameternya.

Berikut tabel pemetaan dari physical annealing kedalam SA:

Fisika (Termodinamika) Simulated Annealing

Keadaan sistem Solusi yang mungkin

Energi Biaya

Perubahan keadaan Solusi tetangga

Temperatur Parameter kontrol

Keadaan beku Solusi heurustik

Tabel 2.4 Physical Annealing

31 Hal-hal yang harus diperhatikan dalam pelaksanaan proses SA yaitu sebagai berikut ;

1. Inisialisasi rute awal secara random sebagai posisi awal iterasi dalam proses SA.

2. Parameter awal harus memiliki nilai yang cukup besar agar mampu terhindar dari bad local optimal

3. Mekanisme pertukaran dengan menentukan kota yang dibutuhkan untuk menentukan pertukaran solusi yang dianggap sebagai iterasi.

4. Mengevaluasi setiap fungsi biaya yang berubah karena proses iterasi dari mekanisme pertukaran.

5. Fungsi Annealing Schedule yang umum digunakan adalah Ti + 1 = a * Ti

a adalah konstanta untuk menurunkan parameter kontrol dengan a<1

6. Ada beberapa metode yang biasa digunakan untuk mengontrol penghentian algoritma yaitu dilihat dari :

1. Maksimum jumlah iterasi.

2. Nilai minimum parameter kontrol.

3. Nilai minimum fungsi objektif.

4. Nilai minimum dari tingkat penerimaan.

Simulated Annealing telah banyak diaplikasikan untuk penyelesaian masalah dan pemodelan dalam bidang teknologi, bisnis dan entertainment , seperti (Suyanto.

2010):

a. Optimasi

Simulated Annealing digunakan untuk optimasi numerik dan optimasi kombinatorial seperti Traveling Salesman Problem (TSP), perancangan Integrated Circuit atau IC, Job Shop Scheduling, optimasi video, suara.

b. Pemrograman otomatis

Simulated Annealing telah digunakan untuk melakukan proses evolusi terhadap program komputer untuk merancang struktur komputasional, seperti cellular automata dan sorting networks.

c. Machine learning

32 Simulated Annealing telah berhasil diaplikasikan untuk memprediksi struktur protein. Simulated Annealing juga berhasil diaplikasikan dalam perancangan neural networks (Jaringan syaraf tiruan) untuk melakukan proses evolusi terhadap aturan-aturan pada learning classifier systems atau symbolic production systems.

Simulated Annealing juga digunakan untuk mengontrol robot.

d. Model ekonomi

Simulated Annealing telah digunakan untuk memodelkan proses-proses inovasi dan pembangunan bidding strategies.

e. Model sistem imunisasi

Simulated Annealing telah berhasil digunakan untuk memodelkan berbagai aspek pada sistem imunisasi alamiah, termasuk somatic mutation selama kehidupan individu dan menemukan keluarga dengan gen ganda (multi-gene families) sepanjang waktu evolusi.

f. Model ekologis

Simulated Annealing telah berhasil digunakan untuk memodelkan fenomena ekologis seperti host-parasite co-evolutions, simbiosis dan aliran sumber day dalam ekologi.

g. Interaksi antara evolusi dan belajar

Simulated Annealing telah digunakan untuk mempelajari bagaimana proses belajar suatu individu bisa memengaruhi proses evolusi suatu spesies dan sebaliknya.

2.6.2.3 Simulated Annealing dalam MATLAB

Matlab (singkatan dari matrix laboratory), adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemograman komputer generasi keempat.

Dikembangkan oleh the Mathworks.Inc, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pemplotan fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan pengantar mukaan dengan program dalam bahasa lainnya. Meskipun hanya bernuansa numerik, sebuah toolbox yang menggunakan

33 mesin simbolik MUPAD, memungkinkan akses terhadap kemaampuan aljabar komputer. Sebuah paket tambahan, Simulink, menambahkan simulasi grafis multi ranah dan desain berdasar model untuk sistem terlekat dan dinamik.(Ariyanto.

2011)

Pada tahun 2004, Math Works mengklaim bahwa MATLAB telah dimanfaatkan oleh lebih dari satu juta pengguna di dunia pendidikan dan industri.

Matlab pertama kali diadopsi oleh insinyur kontrol, tapi lalu menyebar secara cepat ke berbagai bidang lain. Kini juga digunakan di bidang pendidikan, khususnya dalam pengajaran aljabar linear dan analisis numerik, serta populer di kalangan ilmuwan yang menekuni bidang pemrosesan citra.

Berikut dibawah ini merupakan karakteristik dari MATLAB:

1. Bahasa pemogramannya berdasarkan pada matriks (baris dan kolom) 2. Tersedia banyak toolbox untuk aplikasi-aplikasi khusus seperti : Simulink,

Neural Network, State Flow, Signal Processing Blockset, dan lain sebagainya.

3. Dalam menulis kode programnnya, tidak harus mendeklarasikan array terlebih dahulu.

4. Memiliki waktu pengembangan program yang lebih cepat dibandingkan dengan pemograman traditional seperti Fortran, dan C.

Membuka program MATLAB dapat dilakukan dengan mengeksekusi ikon MATLAB di layar komputer ataupun melalui tombol start di windows. Setelah proses loading prograam, jendela utama MATLAB akan muncul seperti dibawah ini.

34

Gambar 2.3 Lingkungan kerja MATLAB

32

BAB III METODOLOGI

3.1. Diagram alir

Mulai

Menetapkan sumber data yang akan

digunakan

Pengumpulan data

Studi Pustaka

Analisis data untuk menyusun model

matematika

Model matematika (fitness function)

A Data VMR dan TL.

Fadlan(2018)

Data Ra. Bayu (2018)

Multiple linear regression (MLR)

33

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian A

Analisis dengan metode Simulated

Annealing

Analisis lanjutan dengan bantuan Software

MATLAB

Hasil analisis:

1. VMR maks 2. v, f, a optimum

Kesimpulan

Selesai