PENGARUH KECEPATAN MAKAN PADA
GERAKAN INTERPOLASI LINIER DALAM PROSES PEMESINAN MILLING CNC
Rosehan 1), Triyono 2), Ruby Sumardi 3)
Abstrak
Teknologi CNC sudah banyak digunakan operasi manufaktur. CNC adalah proses dari bagian mesin manufaktur pada suatu produk, sebagaimana dikontrol dan ditentukan oleh kontrol komputer dengan menggunakan motor untuk mengendalikan gerak sumbu. Diantara kondisi pemotongan pada proses pemesinan adalah kecepatan makan. Pemrograman kecepatan makan dilakukan bagian program, yang berhubungan dengan akurasi dari benda kerja.
Kata kunci: kecepatan makan
1. Pendahuluan
Kemajuan teknologi membuat industri manufaktur berkembang dengan pesat. Salah satu kemajuan teknologi digunakan pada industri manufaktur adalah teknologi CNC (Computer Numerical Control). Mesin perkakas CNC pengembangan dari mesin konvensional yang menggunakan kontrol menggantikan fungsi operator mesin perkakas konvensional.
Penggunaan teknologi CNC sebagai pengganti mesin-mesin perkakas konvensional pada proses pemesinan memiliki beberapa keunggulan, antara lain; ketelitian, ketepatan, dan produktivitas tinggi serta kompleksitas pekerjaan yang rumit. Salah satu dari proses pemesinan menggunakan mesin CNC adalah proses pengefraisan (milling processes). Komponen-komponen dihasilkan melalui proses pengefreisan memerlukan pengerjaan dengan ketelitian dimensi yang diinginkan. Ketelitian tinggi mempunyai makna bahwa kesalahan kecil, berarti produk dengan ukuran yang cermat. Salah satu faktor menentukan ketelitian dalam proses pemesinan adalah kecepatan makan Vf. Kecepatan makan Vf yang tinggi akan mempercepat waktu produksi, tetapi tingkat ketelitian produk dihasilkan rendah.
Sebaliknya jika kecepatan makan rendah akan memperoleh hasil produksi dengan tingkat ketelitian baik, tetapi memerlukan waktu produksi lebih lama.
2. Mesin Freis (Milling Machine)
Mesin Freis merupakan salah satu mesin yang mampu melakukan pengerjaan bermacam-macam sesuai dengan jenisnya.
Mesin Freis dapat dibedakan menurut arah sumbu spindel, antara lain:
a. Mesin freis horizontal b. Mesin freis vertikal c. Mesin freis universal
Proses pengefreisan, pahat freis mempunyai gerak putar sedangkan benda kerja terpasang pada meja bergerak translasi. Gerak pemakanan pada proses freis dilakukan oleh benda kerja yang terpasang pada meja.
Dua macam cara pengefreisan yaitu; pengefreisan datar (slab milling) dengan sumbu putar pahat freis selubung sejajar dengan permukaan benda kerja, dan pada pengefreisan tegak (face milling) dengan sumbu putar pahat freis tegak lurus permukaan benda kerja. Pengefreisan datar dibedakan menjadi dua macam cara, yaitu: mengefreis naik (conventional milling) dan mengefreis turun (climb milling) (Kalpakjian. S, 1995).
1 ) Staf Pengajar Jur. Mesin Fak Tek. Universitas Tarumanagara.
2 ) Staf Pengajar Jur. Mesin Fak Tek. Universitas Trisakti.
3 ) Alumni Jur. Mesin Fak Tek. Universitas Tarumanagara.
3. Pahat freis (Milling cutter)
Pahat freis berputar pada porosnya dan mempunyai banyak mata potong, yang masing-masing memotong hanya pada bagian rotasinya. Dalam proses pengefreisan, pahat melakukan pengurangan tebal, menghaluskan permukaan benda kerja, membuat roda gigi, pembuatan alur dan lain-lain.
Bahan pahat digunakan, antara lain ( Kalpakjian. S, 1995) : a. Baja Karbon Perkakas (Carbon Tool Steels)
b. HSS (High Speed Steels)
c. Paduan Cor Nonferro (Cast Nonferrous Alloys) d. Karbida (Cemented Carbides)
e. Keramik (Ceramics)
f. CBN (Cubic Boron Nitrides) g. Intan (Diamonds)
Diantara bahan-bahan tersebut, hanya jenis karbida dan keramik berfungsi dengan baik pada kecepatan potong dan temperatur tinggi.
4. Elemen dasar proses pemesinan
Dalam suatu proses pemesinan, ada beberapa elemen dasar yang perlu dalam setiap perancangan proses. Elemen dasar proses pengefreisan adalah (Kalpakjian. S, 1995):
Kecepatan potong (speed cutting) ; Vc [m/min]
Gerak makan pergigi (feeding speed) ; fz [mm/r]
Kedalaman potong (defth of cut) ; a [mm]
Waktu pemotongan (cutting time) ; tc [min]
Kecepatan menghasilkan geram (rate of metal removal) ; z [cm3/min]
Elemen dasar proses pemesinan terdiri dari gerak makan dan kecepatan potong sangat berpengaruh terhadap hasil pemotongan yang berkualitas dan proses pemesinan yang lebih ekonomis.
Karenanya, nilai dan variabel pemotongan tersebut harus tepat sesuai dengan perancangan pemotongan akan dilakukan.
4.1. Kecepatan potong
Kecepatan potong sangat mempengaruhi kenaikan temperatur pemotongan dibandingkan dengan variabel lainnya. Kenaikan temperatur pemotongan akan mengakibatkan berpengaruhnya kekerasan material pahat yang dipergunakan.
Besarnya kecepatan potong tergantung dari diameter rata-rats pahat dan putaran poros utama mesin perkakas. Hal tersebut diperlihatkan dalam rumus di bawah ini;
1000 . . nd Vc π
= (1)
di mana, Vc : kecepatan potong ; m/min d : diameter pahat freis ; mm n : putaran poros utama ; min-1 4.2. Gerak makan
Gerak makan merupakan jarak ditempuh oleh pahat sepanjang benda kerja pada sumbu utama mesin perkakas. Gerak makan sangat mempengaruhi pertumbuhan keausan pahat, di mana pada dasarnya keausan menentukan batas umur pahat, dengan demikian kecepatan pertumbuhan keausan semakin tinggi saat berakhir masa guna pahat. Semakin besar keausan/kerusakan yang diderita pahat maka kondisi pahat akan semakin kritis.
Keausan pahat dapat menimbulkan efek sampingan, yaitu:
- kenaikan gaya potong - getaran
- perubahan dimensi/geometri produk
Besarnya harga atau nilai gerak makan tergantung dari kehalusan permukaan dan ketelitian dimensional ingin dihasilkan. Untuk pemotongan kasar (roughing cut) dengan kehalusan permukaan
dan ketelitian dimensional yang tidak terlalu tinggi, kecepatan makan akan besar apabila dibandingkan dengan pemotongan halus (finishing cut) yang menginginkan hasil pemotongan kehalusan dan ketelitian yang tinggi.
Besar gerak makan akan mempengaruhi besar kecepatan makan, dengan rumusn;
z n f
Vf = z. . (2)
di mana, Vf : kecepatan makan ; mm/min fz : gerak makan per-gigi ; mm/gigi n : putaran poros utama ; min-1 z : jumlah mata potong pahat ; gigi 4.3. Waktu Pemotongan
Waktu pemotongan diperlukan untuk menyelesaikan suatu proses pemesinan, peningkatan gerak makan akan mengurangi waktu pengerjaan, dirumuskan:
f
c Vt
t = l (3)
di mana, lt = lf + lw + ln
tc : waktu pemotongan ; mm lt : panjang pemesinan ; mm lv : panjang pengawalan ; mm ln : panjang pengakhiran ; mm lw : panjang pemotongan pada
benda kerja ; mm
Vf : kecepatan makan ; mm 4.4. Kecepatan penghasilan geram
Kecepatan penghasilan geram dapat dituliskan dalam rumus (Geoffrey. B, 1975)
1000 . . wa
z=Vf (4)
di mana, z : kec. penghasilan geram ; cm3/min Vf : kecepatan makan ; mm/min
a : kedalaman potong ; mm
w : lebar pemotongan ; mm
5. Mesin Perkakas CNC
Mesin Perkakas NC dilengkapi dengan kontrol berfungsi membaca data program dibuat dengan beberapa cara, antara lain; pemrograman manual (manual programming) dan menggunakan sistem CAD/CAM. Program NC pada garis besarnya berisi perintah untuk menggerakkan pahat relatif terhadap benda kerja. Dalam hal ini pemrograman NC menggunakan sistem koordinat pada saat membuat perintah untuk mesin NC melaksanakan gerak tersebut.
Sumbu mesin NC memegang peranan penting karena menentukan gerak pahat relatif terhadap benda kerja sehingga berkaitan dengan komplesitas pekerjaan yang bisa ditangani mesin perkakas NC.
Untuk mempermudah pembuatan program maka sistem sumbu digunakan untuk mendifinisikan geometri produk disamakan atau disetarakan dengan sistem sumbu mesin perkakas NC yang digunakan untuk pembuatan program (Rochim, Taufiq, 1990).
Mesin freis digunakan dalam penelitian ini adalah mesin freis CNC; Miling MAZAK type V-414/22 dengan kontrol MAZATROL M32, mesin dapat dioperasikan dengan dua pilihan program, yaitu; Mazatrol programming dan G code programming. Mesin freis ini dapat bergerak ketiga sumbu secara simultan, atau berkemampuan bergerak tiga dimensi.
5.1. Kemampuan komputer pengontrol dalam geometrik
Kemampuan komputer pengontrol dalam perhitungan geometri merupakan hal terpenting agar mesin perkakas dapat mengerjakan proses pemesinan sesuai dengan jenis dan dimensi pahat akan digunakan.
Beberapa hal perlu diperhatikan, antara lain:
5.1.1. Interpolation movement
Interpolation movement (gerakan interpolasi) merupakan gerakan pemesinan yang dilakukan dengan mengkoordinasikan arah dan kecepatan beberapa sumbu mesin sedemikian rupa sehingga gerakannya mengikuti pola dinginkan seperti; lurus (linier interpolation), melingkar (circular interpolation), sinus (sine interpolation), atau eksponensial (exponential interpolation)
5.1.2. Positioning movement
Gerak pemosisian diperlukan untuk menggerakkan pahat dari suatu lokasi menuju lokasi diinginkan secara cepat. Gerak pemosisian biasanya mengunakan kecepatan gerak maksimum, sehingga tidak dapat dilakukan proses pemotongan.
5.1.3. Linier Acceleration Deceleration
Untuk menjaga kesinambungan gerak makan pada gerakan melingkar sering diterapkan perlambatan atau percepatan sumbu gerak yang terlibat. Akibatnya gerakan dapat merupakan gerak melingkar.
5.1.4. Cutter radius compensation dan Tool length compensation
Cutter radius compensation pergeseran titik sesuai dengan dimensi pahat digunakan sehingga mata potong pahat berimpit dengan permukaan terpotong, sedangkan tool length compensation mengkonpensasi panjang pahat.
5.1.5. Cutter radius offset
Perintah untuk menggeser pahat lebih maju atau lebih mundur sebesar harga tersimpan pada parameter radius pahat relatif terhadap posisi akhir titik dituju.
5.2. Interpolasi sirkular
Interpolasi sirkular adalah gerakan pahat dari titik awal (start point) menuju titik akhir (end point) mengikuti lintasan garis lengkung. Beberapa sumbu mesin terlibat dikoordinasikan agar menghasilkan vektor kecepatan yang menyinggung (berhimpitan) lintasan gerak yang berupa garis lengkung.
6. Penyimpangan Geometris
Penyimpangan geometris terjadi pada proses pemesinan dengan kecepatan makan berbeda-beda dapat dihitung. Penyimpangan geometris meliputi penyimpangan dimensi dan penyimpangan ketegaklurusan. Pada proses interpolasi sirkular merupakan gabungan dari segmen-segmen kecil pada proses interpolasi linier mempunyai kesamaan rumus perhitungan. Hanya saja untuk mencari harga koordinat x, y dan harga Vfx dan Vfy memerlukan rumus tersendiri.
Bentuk rancangan yang akan diteliti penyimpangannya, berupa alur berbentuk seperempat lingkaran sebanyak sepuluh buah. Alur dibentuk dengan menggunakan endmill cutting tool berdiameter 12 mm. Geometri bentuk rancangan tersebut seperti berikut ini:
R 20
12
Gambar 6.1. Geometri exprimen
6.1. Rumus perhitungan untuk koordinat x dan y
Gambar 6.2. Grafik Perhitungan untuk koordinat x dan y di mana, r : jari-jari lingkaran
S : start point E : End point x1 = r – r . Cos θ1
x1 = r (1 - Cos θ1)
x2 = (r – r Cos θ2) – (r – r Cos θ1) x2 = r (1 – Cos θ2 – 1 + Cos θ1) x2 = r (Cos θ2 – Cos θ1)
x2 = (r – r Cos θ3) – (r – r Cos θ1) – (r Cos θ1 – r Cos θ2) x2 = r (1 – Cos θ3 – 1 + Cos θ1 – Cos θ1 + Cos θ2) x2 = r (Cos θ2 – Cos θ3)
jadi, xn = r (Cos θ(n – 1) – Cos θn) (5)
Rumus ini berlaku untuk seluruh harga x.
y1 = r Sin θ1
y2 = r Sin θ2 – r Sin θ1
y2 = r (Sin θ2 – Sin θ1)
y3 = r Sin θ3 – (r Sin θ1) – (r Sin θ2 – r Sin θ1) y3 = r Sin θ3 – r Sin θ1 – r Sin θ2 + r Sin θ1 y3 = r Sin θ3 – r Sin θ2
y3 = r (Sin θ3 – Sin θ2)
jadi, yn = r (Sin θn – Sin θ(n –1)) (6)
Rumus ini berlaku untuk seluruh harga y.
6.2. Rumus perhitungan untuk harga Vfx dan Vfy.
Gambar 6.2. Grafik perhitungan untuk harga Vfx dan Vfy.
dimana, Vf : Kecepatan makan
Vfx : Kecepatan makan sumbu x Vfy : Kecepatan makan sumbu y Vfx1 = Vf Sin θ1
Vfx2 = Vf Sin θ2 Vfx3 = Vf Sin θ3
jadi, Vfxn = Vf Sin θn (7)
Rumus ini berlaku untuk seluruh harga Vfx
Vfy1 = Vf Cos θ1 Vfy2 = Vf Cos θ2 Vfy3 = Vf Cos θ3
Jadi, Vfyn = Vf Cos θn (8)
Rumus ini berlaku untuk seluruh harga Vfy
6.3. Penyimpangan dimensi untuk kecepatan makan Vf. Jumlah pulsa untuk gerakan pada sumbu x
acc
x l
p = x [pulsa] (9)
Iacc : tingkat ketelitian mesin freis mm x : jarak sumbu x
Jumlah pulsa untuk gerakan pada sumbu y
acc
y l
p = y [pulsa] (10)
Iacc : tingkat ketelitian mesin freis mm y : jarak sumbu y
Waktu yang dibutuhkan gerakan pahat pada sumbu x
fx
x V
t = x⋅60 [detik] (11)
Vfx : kecepatan makan pada sumbu x mm/min
x x tx
t' = p [pps] (12)
Waktu yang dibutuhkan gerakan pahat pada sumbu y
fy
y V
t = y⋅60 [detik] (13)
Vfy : kecepatan makan pada sumbu y mm/min
y y
y t
t' = p [pps] (14)
Penyimpangan pada gerakan sumbu x
〉
⋅
⋅
〈
−
=
∆x x tx t'xlacc [mm] (15)
Penyimpangan pada gerakan sumbu y
〉
⋅
⋅
〈
−
=
∆y y ty t'ylacc [mm] (16)
7. Perhitungan dan analisa data
Menggunakan persamaan-persamaan di atas dengan interval sudut sebesar satu derajat, pada enam tingkat kecepatan makan, maka dapat dihitung seperti pada tabel berikut ini:
Tabel 7.1, Hasil perhitungan penyimpangan gerak sumbu x dan y pada berbagai kecepatan makan secara teoritis.
Kecepatan makan [mm/min]
Sumbu 350 400 450 500 550 600
x [mm] 0.00542 0.005036 0.004496 0.003764 0.003548 0.003428 y [mm] 0.008552 0.008312 0.007916 0.006884 0.006392 0.00656 Dengan menggunakan trendline dapat dilihat hubungan antara penyimpangan gerak sumbu x dan y secara teoritis terhadap kecepatan makan, seperti pada gambar 7.1.
R2 = 0.9175
0.006 0.0065 0.007 0.0075 0.008 0.0085 0.009
300 350 400 450 500 550 600 650
Kecepatan makan [mm/min]
Penyimpangan Y [mm]
R2 = 0.9601
0.003 0.0035 0.004 0.0045 0.005 0.0055
300 350 400 450 500 550 600 650
Kecepatan makan [mm/min]
Penyimpangan X [mm]
Gambar 7.1. Grafik Penyimpangan gerak sumbu x dan y secara teoritis terhadap kecepatan makan Dari gambar terlihat pengaruh kecepatan makan (Vf) terhadap penyimpangan gerak sumbu secara teoritis, pada sumbu x sebesar 96 %, sedangkan pada sumbu y sebesar 91,75%. Faktor-faktor lain yang mempengaruhi gerak sumbu secara teoritis ini sebesar 4% untuk sumbu x dan 8,25% untuk sumbu y, ini dikarnakan adanya pembulatan pada perhitungan.
Data hasil pengukuran sumbu x, y pada titik awal dan akhir dari alur yang dibuat, sebanyak tiga kali pengukuran untuk setiap titik. Alur yang dilakukan pengukuran sebanyak sepuluh buah. Sehingga hasil rata-rata dari pengukuran dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 7.2, Data hasil pengukuran
Kecepatan makan [mm/min]
Sumbu 350 400 450 500 550 600
x [mm] 0.2499067 0.1272833 0.18251 0.2437357 0.2434433 0.2750867 y [mm] 0.2544733 0.1207567 0.1508 0.26295 0.1852367 0.12285 Dengan menggunakan trendline dapat dilihat hubungan antara penyimpangan gerak sumbu x dan y secara teoritis terhadap kecepatan makan, seperti pada gambar 7.2. berikut ini:
R2 = 0.0919
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
300 350 400 450 500 550 600 650
Kecepatan makan [mm/min]
Penyimpangan Y' [mm]
R2 = 0.5112
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
300 350 400 450 500 550 600 650
Kecepatan makan [mm/min]
Penyimpangan X' [mm]
Gambar 7.2. Grafik Penyimpangan gerak sumbu x dan y hasil pengukuran terhadap kecepatan makan
Terlihat pada gambar 7.2. hubungan antara penyimpangan gerak hasil pengukuran sumbu x dan sumbu y terhadap kecepatan makan hampir tidak berkorelasi. Pada sumbu x mempunyai pengaruh 51,12%
terhadap gerak makan sedangkan sumbu y mempunyai pengaruh 9,2% terhadap gerak makan. Faktor lain yang mempengaruhi sangat besar sekali, untuk sumbu x sebesar 48,88%, sumbu y sebesar 91,8%.
Penyimpangan gerak yang jauh lebih besar dari penyimpangan teoritis ini dipengaruhi oleh faktor- faktor lain, antara lain:
− kondisi kedataran permukaan mesin,
− proses pemotongan pembuatan alur,
− keausan pahat dan
− kondisi dan cara pengukuran.
7. Kesimpulan
Dari gambar 7.1. menunjukkan hubungan antara kecepatan makan dan penyimpangan gerak teoritis sumbu x, y, terlihat bahwa semakin besar harga kecepatan makan, maka penyimpangan teoritis semakin rendah.
Hubungan antara kecepatan makan dan penyimpangan gerak hasil pengukur sangat kecil, lihat gambar 7.2.
Ketelitian geometri yang dihasilkan dipengaruhi oleh faktor penyelarasan dari gerakan sumbu, akselerasi dan deselerasi serta ketelitian dari gerakan mesin perkakas.
Penyimpangan dapat terjadi karna faktor; mesin perkakas, pahat potong, proses pemesinan, parameter pemesinan dan kondisi/cara pengukuran
8. Saran
Perlu dikaji lagi pengaruh terhadap faktor; proses pemesinan, parameter pemesinan dan pahat potong
DAFTAR PUSTAKA
Edward M. Mielnik. Metalworking Science and Engineering. New York: McGraw-Hill, inc. 1993 Geoffrey. B. Fundamentals of Metal Machining and Tools. Washington D.C. McGraw-Hill Kogakusha, ltd. 1975
Ghosh. A. dan Mallik A.K. Manufacturing Science. England: Ellis Horwood Limited. 1986
Kalpakjian. S. Manufacturing Processes for Engineering Materials. Chicago: Addison Wesley Publishing Company. 1991
Kalpakjian. S. Manufacturing Engineering and Technology. Chicago: Addison Wesley Publishing Company. 1995
Rochim, Taufiq. Pemrograman NC, Lab. Teknik Produksi Pemesinan, Jurusan Teknik Mesin, FTI – ITB, Bandung, 1990.
