PENGARUH KECEPATAN POTONG TINGGI TERHADAP KUALITAS PERMUKAAN BENDA KERJA PADA PROSES BUBUT

PENGARUH KECEPATAN POTONG TINGGI TERHADAP KUALITAS PERMUKAAN BENDA KERJA

PADA PROSES BUBUT

Rosehan

ABSTRACT

This papers is to investigate the effect of high cutting speed to the surface quality with the help of MAZAK QUIK TURN 8N machine tools. The data get from this research are the load of respective machine axis, surface roughness, and chips formation.

Machining process is defined as material removal from the surface of the work pieces using cutting tools.

The cutting speed that are higher than 600 m/min could increase the rate of chips removal. Generally, machining process mush influences such as: tool wear, cutting force, cutting temperature, chips formation, surface finish and production cost.

High speed cutting will produces chips that affect the surface finish of the work pieces. In addition to influenced by machining parameter, the surface quality is affected by geometry as well.

Keywords: High Cutting Speed

PENDAHULUAN 1. Latar Belakang

Proses pemesinan adalah pelepasan material dari permukaan benda kerja menggunakan pahat potong. Bertambahnya permintaan untuk memperbesar produktivitas dengan biaya produksi rendah, maka dilakukan pemesinan dengan cara meningkatkan kecepatan potong (cutting speed) di atas 600 m/min. Teknologi kecepatan potong tinggi (high speed cutting) merupakan salah satu cara untuk meningkatkan produktivitas. Pemesinan komponen dilakukan dengan meningkatkan volume pelepasan material benda kerja, merupakan suatu pengurangan waktu pemesinan yang sangat berarti.

Proses pemesinan dengan kecepatan tinggi dapat dilakukan mesin bubut, mesin frais, mesin drilling dan mesin boring. Pada proses pemesinan ini banyak pengaruh yang akan timbul seperti;

keausan pahat, gaya pemotongan, temperatur pemotongan, bentuk geram yang akan dihasilkan, hasil akhir dari permukaan benda kerja dan biaya produksi. Pengaruh yang ditimbulkan saling berkaitan satu sama lain.

Pada mesin perkakas, bidang utama riset adalah perkembangan dari pengaruh material alat potong, geometri alat potong dan kondisi pemotongan terhadap kualitas benda kerja. Riset dilakukan Dipl.-Ing. Philipp Andrae dengan judul “High Speed Cutting”, yaitu meneliti tentang alat potong end mills menggunakan mata potong spiral terbuat dari polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) yang baru dikembangkan dari jenis mata potong end mills PCBN dengan mata potong lurus ¹⁴). Sedangkan Essam El-Magd dan Christoph Treppmann, mensimulasikan pemeriksaan dari bentuk geram pada proses pemotongan kecepatan tinggi menggunakan Split Hopkinson Bar Test dengan judul riset

“Simulation of Chip Root Formation at High Cutting Rates by Means of Split-Hopkinson Bar Test”, Hasil photomicrographts bentuk geram pada kecepatan potong tinggi, merupakan dasar dari penelitian pembentukan geram selama proses kecepatan potong tinggi ¹⁵). Penelitian dilakukan oleh Hans Kurt Tonshoff, Raouf Ben Amor dan Philipp Andrae berjudul “Chip Formation in High Speed Cutting (HSC)”, yaitu menghitung dan mengevaluasi karateristik dasar gaya pemotongan dan bentuk geram pada kecepatan potong tinggi. Perubahan gaya pemotongan, aliran material, dan geseran material berlebihan pada kecepatan potong dianalisis ¹⁶). D.Y. Jang dan A. Seireg dengan judul, “Machining Parameter Optimization for Specified Surface Conditions” meneliti prosedur umum pemilihan parameter pemesinan pada mesin yang melakukan pelepasan material maksimum untuk beberapa ketentuan kualitas permukaan dan umur pahat ⁶).

2. Pokok Permasalahan

Proses pembubutan termasuk dalam klasifikasi proses pemotongan dengan mesin perkakas menggunakan pahat bermata potong tunggal. Komponen mesin banyak diproduksi dari proses pembubutan yang memerlukan ketelitian. Adapun ketelitian ini meliputi karateristik geometri mencakup dimensi bentuk sempurna dan kekasaran permukaan benda kerja. Secara teoritis kekasaran permukaan (R_a) merupakan fungsi dari gerak makan (f_n) dan geometri pahat untuk berbagai kecepatan potong (V_c). Berdasarkan pada suatu simulasi dinamik, kekasaran permukaan merupakan fungsi kecepatan potong (V_c), kedalaman potong (a_p), gerak makan (f_n), radius pahat (r_β) dan frekwensi pribadi pahat ⁶). Kekasaran permukaan benda kerja juga dipengaruhi oleh kekerasan material, geometri produk, keausan pahat, cairan emulsi dan kemampuan mesin perkakas melakukan pemotongan. Kecepatan potong tinggi akan mempengaruhi sudut geser (φ), sudut geser merupakan fungsi dari gaya pemotongan yang mempengaruhi kekasaran permukaan.

3. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada kecepatan potong (Vc) bervariasi antara 600 m/min sampai 1350 m/min, menyelidiki pengaruh kecepatan potong tinggi terhadap kekasaran permukaan benda kerja.

Besar beban pemotongan pada sumbu utama, sumbu X dan sumbu Z didapat dari kontrol mesin, sedangkan tebal geram diperoleh dari pengukuran geram dihasilkan. Data-data diperoleh akan dianalisa untuk menyelidiki sejauh mana kecepatan potong tinggi mempengaruhi kekasaran permukaan. Diharapkan dari penelitian ini akan diperoleh data pemesinan diperlukan untuk perencanaan proses pemesinan maupun kemampuan dari mesin perkakas tersebut.

Penelitian terdiri dari tiga tahap percobaan, yaitu:

1. Percobaan pertama, melakukan proses pembubutan memanjang dengan parameter, kedalam potong (ap) dan gerak makan (fn) konstan, sedangkan kecepatan potong (Vc) bervariasi, melakukan pembacaan beban sumbu-sumbu mesin.

2. Percobaan Kedua, melakukan pengukuran terhadap benda kerja dan melakukan analisis terhadap data diperoleh dari hasil pengukuran.

3. Percobaan Ketiga , melakukan pengukuran tebal geram dari hasil pemotongan.

Alat digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. mesin bubut CNC Mazak Turn 8N, kontrol type Maztrol Tplus,

2. pahat negative wiper insert, kode CNMG 120408-WF new grade 4015, 3. alat ukur kekasaran permukaan Surftest 211, merk Mitutoyo,

4. alat ukur dimensi, outside micrometers,

5. material benda kerja S50C, baja dengan kekerasan 177 BHN, TINJAUAN PUSTAKA

1. Pengertian Proses Pemesinan.

Mesin bubut merupakan salah satu mesin pekakas industri digunakan untuk memotong benda kerja berbentuk silinder dengan pahat bermata potong tunggal. Selain memotong, mesin bubut dapat pula digunakan untuk membuat ulir, menghaluskan permukaan, membuat profil, dan untuk membuat lubang dalam dan sebagainya.

Prinsip kerja mesin bubut, yaitu benda kerja dipegang oleh pencekam yang terdapat pada poros utama (spindle). Benda kerja ini bergerak berputar pada poros utama, sedangkan pahat ditempatkan pada dudukan pahat bergerak translasi melakukan gerak potong (feed). Pada mesin bubut CNC gerak potong, putaran spindel, kecepatan potong konstan dan kedalaman potong diatur melalui kontrol terprogram, sehingga mesin dapat melakukan proses pemotongan presisi tinggi.

2. Elemen Dasar Proses Pemesinan.

Kondisi pemotongan pada mesin bubut dapat ditentukan dengan Rumus-rumus elemen dasar mesin bubut adalah sebagai berikut:

Kecepatan potong:

Kecepatan potong dikelompokan menjadi tiga tingkatan, yaitu; 600 m/min – 1800 m/min, disebut kecepatan tinggi (high speed); 1800 m/min – 18.000 m/min , kecepatan sangat tinggi (very high speed); lebih besar 18.000 m/min kecepatan teramat sangat tinggi (ultra high speed) ¹).

1000 π..d.n

c =

V 1

Gambar 1. Parameter proses bubut.

dm

do

fn

n

a_p

κ γ

Kecepatan gerak potong:

V_f = f_n.n 2

Waktu pemotongan:

f c t

V

t = L 3

3. Mekanisme Pembentuk Geram.

Pemotongan terjadi karena adanya gerakan relatif antara pahat dengan benda kerja, di mana sisi potong pahat melakukan penestrasi pada benda kerja disebabkan oleh tekanan yang besar diberikan kepada benda kerja melalui sisi potong pahat. Akibat dari pergerakan relatif dan penestrasi dilakukan oleh pahat pada benda kerja, maka bagian logam yang terkena penestrasi tadi akan terlepas.

3.1. Komponen gaya pembentukan geram

Ditinjau dari sistem pemotongan pahat bubut terbagi menjadi:

1. sistem pemotongan miring (oblique cutting system) 2. sistem pemotongan tegak (orthogonal cutting system)

Pada sistem pemotongan tegak merupakan penyederhanaan dari sistem pemotongan miring di mana gaya dan komponennya hanya dianalisis pada satu bidang, maka gaya total (R) diuraikan menjadi dua komponen gaya yang saling tegak lurus, antara lain ²):

1. Terhadap proses deformasi material, yaitu; gaya geser (Fs) dan gaya normal (Fn) pada bidang geser.

2. Dapat diketahui arah dan besarnya dengan cara membuat dinamometer (alat ukur gaya) yang mengukur dua komponen, yaitu; gaya potong (Fc) yang searah dengan kecepatan potong dan gaya makan (F_f) searah dengan kecepatan gerak potong.

3. Gaya total (R) bereaksi pada bidang geram, yaitu gaya gesek (F) dan gaya normal (N) pada bidang geram.

c

F_f

F_s F_c

F_n

R F

N

benda kerja pahat α

φ

β

Gambar 2. Diagram gaya pemotongan (lingkaran Merchant).

Lihat diagram gaya pada gambar 2., dapat dinyatakan persamaan gaya-gaya yang terjadi ²):

φ 4

⋅

− φ

⋅

=F cos F sin

Fs c f

φ 5

⋅ + φ

⋅

=F sin F cos

F_{n c f}

α 6

⋅ + α

⋅

=F sin F cos

F _{c f}

α 7

⋅

− α

⋅

=F cos F sin

N _{c f}

di mana: F_f =F_c⋅tan(β−α) 8

Koefisien gesek pada geram-muka pahat dapat diperoleh sebagai berikut:

β α =

⋅

− α

⋅

α

⋅ + α

= ⋅

=

µ tan⁻¹

sin F cos F

cos F sin F N F

f c

c f

maka:

α

⋅

−

α

⋅

= +

µ F F tan

tan F F

f c

f c

9

Kekuatan geser dari material sepanjang bidang geser selama berlangsung operasi pemotongan.

Tegangan geser (dinamik), dengan demikian kekuatan benda kerja merupakan faktor penentu pada proses pemesinan. Persamaan tegangan geser bekerja sepanjang bidang geser dapat dihitung:

s s s

A

= F τ

Di mana A_s adalah luas dari bidang geser; A_s = A_g / sin φ , A_g adalah luas penampang potong. Dengan mensubsitusikan persamaan 2.4, maka:

g c f

s A

sin ] sin F cos F

[ ⋅ φ− ⋅ φ φ

=

τ 10

Dari gambar 2., terlihat bahwa, Fs =R⋅cos(φ+β−α) sehingga,

) cos(

R F^s

α

− β +

= φ di mana ,

τ φ

=

⋅ τ

= sin

A A

F_{s s s} ^g

maka,

) cos(

sin R ^s A^g

α

− β +

⋅ φ φ

⋅

= τ 1

11 Dari gambar 2., terlihat bahwa,

12 )

cos(

R

F_c = ⋅ β−α maka,

) cos(

) cos(

sin F_c ^s A^g

α

− β + φ

α

−

⋅ β φ

⋅

= τ 13

3.2. Sistem pemotongan miring (oblique cutting)

Sistem pemotongan tegak (orthogonal cutting) terjadi bila sudut potong utama κ = 90^o, seperti pada gambar 3.(a). Sistem pemotongan tegak dapat dianalisa komponen gaya yang terjadi dianggap pada suatu bidang. Sedangkan dalam sistem pemotongan miring (oblique cutting) sudut potong κ ≠ 90^o, seperti pada gambar 3.(b). komponen gaya terjadi dianggap dalam ruang.

benda kerja pahat

geram

(a) (b)

Gambar 3. Pemotongan tegak dan miring.

(a) Tegak. (b) Miring

Dalam sistem pemotongan miring gaya pemotongan dianggap dalam ruang yang akan diuraikan menjadi tiga komponen seperti pada gambar 4. Besarnya komponen gaya dapat diukur dengan menggunakan dinamometer yang diletakkan pada pemegang pahat sisipan atau mesin dilengkapi dengan pengukuran beban pada sumbu-sumbu. Tiga komponen gaya pemotongan yang terjadi di dalam ruang; Fc, Ff, dan Fr, seperti ditunjukkan pada gambar 4.

Gaya potong (F_c) searah dengan kecepatan potong, gaya potong merupakan komponen yang menghasilkan gaya terbesar dari komponen gaya lainnya, yaitu ± 99% dari energi yang dibutuhkan selama proses. Gaya makan (F_f) searah dengan gerak memanjang, gaya makan (feed force) ini merupakan gerakan pahat melakukan pemotongan yang menentukan hasil akhir permukaan benda kerja. Besarnya gaya makan ini berkisar 40% dari gaya potong. Gaya radial (F_r) terjadi searah sumbu X atau kedalaman potong. Gaya ini secara nyata sangat kecil, yaitu 20% dari gaya potong atau 50%

dari gaya makan. ²).

Gambar 4. Komponen gaya potong dalam ruang.

Fc F_r Ff

Vf

Vc

pahat geram benda kerja

3.3. Daya pemotongan

Daya pemotongan dalam proses pembentukan geram ditentukan oleh gaya pemotongan dengan kecepatan pemotongan, atau momen puntir pada pahat dengan putaran sumbu utama. Momen puntir dan gaya potong dapat diukur secara langsung dengan memakai dinamometer. Daya potong untuk proses bubut terlihat pada persamaan berikut ³):

000 60.

V P_c F^c ⋅ ^c

= 14

dan

000 000 60. .

V P_f F^f ⋅ ^f

= 15

4. Rasio Pemotongan.

Selama dilakukan pemotongan, material benda kerja dibagian ujung pahat menerima pemampatan, dan mengakibatkan tebal geram menjadi lebih besar dari tebal geram sebelum terpotong (gambar 5.). Rasio dari t_o/t disebut rasio pemotongan (r_c) dan dapat dijabarkan sebagai berikut ²):

) cos(

sin )

cos(

t

sin t t

r t

s s

c o φ−α

= φ α

− φ

⋅

φ

= ⋅

= 16

Persamaan di atas dapat ditulis berikut ini:

α

⋅

− α

= ⋅

φ r sin

cos tan r

c c

1 17

α

φ α (φ-α)

t_o

benda kerja pahat t_s

t_c

Gambar 5. Geometri geram terhadap kedalaman potong

Hubungan antara kecepatan terhadap tebal geram dengan menganggap lebar geram konstan, maka dapat dilihat persamaannya sebagai berikut ²):

t V t

V_c⋅ _o = _g⋅ atau

o c c

g r

t t V

V = = 18

dapat ditulis juga seperti berikut ini:

) cos(

V sin r V

V_{g c c c}

α

− φ

= φ

⋅

= 19

t_o φ t_c

(90°-φ+α) (φ-α)

(90°-α) Vc

V_g Vs

φ

(φ-α)

α

Gambar 6. Kinematika dari proses pelepasan geram

Karena adanya pemampatan tebal geram, maka kecepatan aliran geram selalu lebih rendah daripada kecepatan potong. Pada gambar 6. menunjukkan kecepatan aliran geram Vg dan kecepatan potong Vc. Berdasarkan penjumlahan vektor kecepatan, maka kecepatan elemen geram ditunjukkan oleh vektor kecepatan geser Vs. Berdasarkan segitiga kecepatan maka dapat dibuat persamaan sebagai berikut ²):

= φ α

= − α + φ

− sin

V ) sin(

V )

sin(

Vc s g

90 90

Persamaan ini dapat juga ditulis dalam bentuk:

= φ

= α α

−

φ sin

V cos

V ) cos(

Vc s g

maka kecepatan geser dapat dihitung dengan persamaan:

φ

= α sin V cos

V_{s g} 20

5. Geometri Pahat.

Pada mesin perkakas, pahat dibagi menjadi dua jenis, yaitu; pahat bermata potong tunggal (single point cutting tool) dan bermata potong majemuk (multi point cutting tool). Pahat bermata potong tunggal umumnya digunakan untuk pahat bubut dan pahat sekrap, sedangkan bermata potong majemuk umumnya digunakan pada mesin frais dan mesin drilling.

5.1. Bagian-bagian pahat

Secara sistematik pahat dibedakan menjadi tiga bagian pokok, yaitu; eleman, bidang aktif, dan mata potong pahat. Beberapa bagian dari pahat dapat didifinisikan sebagai berikut (lihat gambar 7) :

a b c

Aκ

Sκ

Aγ

Sγ

Aα

Aα

A’α

Gambar 7., Pahat dan sisispan pahat ⁴)

Elemen pahat:

a : pemegang/gagang (shank), bagian pahat untuk dipasang pada mesin pekakas sekaligus pemegang pahat sisipan.

b : pahat sisipan (inserts tool) c : dudukan (shim) pahat sisipan

Bidang pahat merupakan permukaan aktif pahat, setiap pahat mempunyai bidang aktif ini sesuai dengan jumlah mata potongnya. Tiga bidang aktif dari pahat:

A_κ : bidang utama (mayor flank), bidang yang menghadap permukaan transien dari benda kerja.

A_γ : bidang bantu (minor flank), bidang yang menghadap permukaan terpotong dari benda kerja.

A_α : bidang geram (face), bidang di atas di mana geram mengalir.

Mata potong pahat adalah tepi dari bidang geram aktif memotong. Ada dua jenis mata potong yaitu:

Sκ : mata potong utama (mayor cutting edge), garis perpotongan antara bidang geram (Aα) dan bidang utama (A_κ).

S_γ : mata potong bantu (minor cutting edge), garis perpotongan antara bidang geram (A_α) dan bidang bantu (A_γ).

Pertemuan antara mata potong utama dan mata potong bantu pada pojok pahat. Untuk memperkuat pahat maka pojok pahat dibuat melingkar dengan jari-jari tertentu . Radius pahat (r_β) secara bersamaan dengan kondisi pemotongan yang dipilih akan menentukan kehalusan permukaan hasil proses pemesinan.

5.2. Luas penampang potong

Berdasarkan geometri pahat radius, kedalaman potong dan kecepatan gerak, maka luas penam- pang geram sebelum terpotong dapat dihitung dengan persamaan berikut ⁵):

) ) f . ( r r ( f . a f

A_g = _n⋅ _p −05⋅ _n⋅ _β− _β2− 05⋅ _n 2 21

6. Kekasaran Permukaan.

Kualitas permukaan komponen dapat dicapai teknologi kecepatan potong tinggi yang dipergunakan pada banyak bidang manufaktur. Kecepatan potong tinggi mengurangi waktu kontak antara pahat dengan benda kerja, Dikarnakan kontak yang rendah dapat dicapai, beban panas pada bahan pahat berkurang dan mengakibatkan umur pahat bertambah.

Kemampuan mencapai suatu ketentuan kekasaran pada permukaan yang dibubut kerapkali merupakan kebutuhan utama, pada pembubutan memanjang didifinisikan profil puncak ke profil dasar, nilai hmax didapat berdasarkan pada suatu simulasi dinamik yang merupakan fungsi kecepatan potong (Vc), kedalaman potong (ap), gerak makan (fn), radius pahat (r_β) dan frekwensi pribadi (x), sebagaimana ditunjukan pada persamaan berikut ini ⁶):

Untuk x lebih besar 150 Hz:

β

= ⋅ r

f

h_max . ⁿ

3 2

124 22

6.1. Kekasaran Ideal

Kekasaran ideal menunjukan hasil akhir yang baik dapat diberikan oleh proses pemesinan, gambar 8. berikut ditunjukan geometri permukaan dari pembubutan permukaan menggunakan pahat tanpa radius dan pahat dengan radius, tinggi maksimum ketidakrataan dapat dihitung dengan.

persamaan:

Pahat tanpa radius, tinggi maksimum ⁷):

γ +

= κ

cot cot

fn

hmax 23

Pahat radius, tinggi maksimum ⁸):

⋅ β

= r

fn hmax

8 2

24

(a) pahat tanpa radius (b) pahat radius Gambar 8. Geometri permukaan kekasaran ideal pada pembubutan 6.2. Kekasaran sesungguhnya

Pada operasi sebenarnya, beberapa variasi faktor yang merugikan mempengaruhi hasil akhir.

Diantaranya yang sangat penting; pembentukan dari BUE (built-up edge) dan getaran. Bila kondisi pemotongan dipilih dengan tepat, chatter (getaran) dapat dihindari. Setelah formasi BUE tergantung pada kondisi pemotongan (kering atau basah) dan kecepatan potong itu diperkirakan. Untuk suatu kondisi pemotongan, kekasaran sesungguhnya akan berubah-ubah terhadap kecepatan potong. Kecuali untuk kecepatan potong sangat rendah, intensitas formasi BUE berkurang terhadap kecepatan potong, dan juga tinggi maksimum dari ketidakrataan permukaan juga diakibatkan penurunan kecepatan potong ⁸).

6.3. Parameter permukaan

Untuk memperoleh profil suatu permukaan, maka jarum peraba (stylus) dari alat ukur harus digerakkan mengikuti lintasan yang berupa garis lurus dengan jarak yang telah ditentukan terlebih dahulu. Panjang lintasan ini disebut dengan panjang pengukuran (tranversing length). Sesaat setelah jarum bergerak dan sesaat sebelum jarum berhenti maka secara elektronis alat ukur melakukan perhitungan berdasarkan data yang dideteksi oleh jarum peraba. Bagian dari panjang pengukuran dilakukan analisa dari profil permukaan disebut dengan panjang sampel (sampling length).

profil terukur panjang sampel, L(mm) Rt

Rp

profil referensi profil tengah

profil dasar

Gambar 9. ilustrasi profil permukaan ⁹)

Berdasarkan profil-profil seperti pada gambar 9., maka dapat didefinisikan beberapa parameter permukaan, yaitu yang berhubungan dengan dimensi pada arah tegak, yaitu ⁹):

1. kedalaman total (peak to valley height/total height), R_t (µm); adalah jarak antara profil referensi dan referensi dasar,

2. kedalaman perataan (depth of surface smoothness/peak to mean line), R_p (µm); adalah jarak rata- rata antara profil referensi dengan profil tengah,

3. kekasaran rata-rata aritmetis (mean roughness index/center line average, CLA), R_a (µm); adalah harga rata-rata aritmetis dari harga absolutnya jarak antara profil terukur dengan profil tengah, 4. kekasaran rata-rata kwadratis (root mean square height), Rg (µm); adalah akar dari jarak kwadrat

rata-rata antara profil terukur dengan profil tengah.

Secara teoritis dapat dimisalkan bentuk suatu profil permukaan, kemudian menghitung parameter permukaan berdasarkan rumus matematisnya. Tabel 1. berikut ini adalah contoh beberapa bentuk profil teoritis dengan perbandingan harga-harga parameter.

Panjang sampel yang harus digunakan sewaktu mengukur kekasaran permukaan adalah 0.8 mm.

Harga suatu parameter permukaan dapat berubah jika dipergunakan panjang sampel yang berlainan.

Oleh karena itu dianjurkan untuk menggunakan suatu panjang sampel yang tertentu sesuai dengan tingkat harga kekasaran Ra sebagaimana tabel 2.

Tabel 1. Beberapa profil teoritis dengan harga parameter ⁹) Bentuk profil teoritis

t p

R R

t a

R R

t g

R R

a g

R R

profil sinusiodal 0.5 0.318 0.353 1.11 profil segitiga 0.5 0.25 0.289 1.15 profil parabolis

orde ke 2

0.33 0.667

0.256 0.256

0.298 0.298

1.16 1.16 profil parabolis

orde ke 4

0.2 0.8

0.214 0.214

0.266 0.266

1.23 1.23

profil distribusi gauss 0.5 0.25 0.33 1.25

Tabel 2. Panjang sampel terhadap kekasaran permukaan ⁹)

Harga kekasaran, Ra [mm] Angka kelas kekasaran Panjang sampel [mm]

50

25 N 12

N 11 8

12.5

6.3 N 10

N 9 2.5

3.2 1.6 0.8 0.4

N 8 N 7 N 6 N 5

0.8 0.2

0.1 0.05

N 4 N 3

N 2 0.25

0.025 N 1 0.08

PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

Mesin perkakas yang digunakan dalam mengerjaan akhir (finishing) pada proses pemesinan pembubutan memanjang (turning), menggunakan mesin CNC Mazak Turn 8N dengan kontrol Mazatrol TPlus dan pahat sisipan CNMG 120408-WF new grade GC4015. Kontrol mesin dilengkapi dengan kontrol beban pada sumbu X, Z dan sumbu utama.

1. Data Mesin.

Mesin perkakas digunakan pada penelitian ini mempunyai data sebagai berikut:⁴):

mesin bubut CNC : Mazak

tipe : Turn 8N

kontrol : Mazatrol T Plus

putaran maximum : 6000 min^-1

daya motor, (P) : 7.5 kW, pada putaran 750 min^-1 sampai 6000 min^-1 torsi konstan, (T) : 9.0 kgf-m, pada putaran 60 min^-1 sampai 750 min^-1 2. Data material.

Data material S50C diperoleh dari hasil uji kekerasan dan uji tarik pada laboratorium.

Kekerasan : 177 BHN

Tegangan tarik : 597 N/mm² 3. Data Pemesinan.

Kondisi operasi pemesinan untuk pengerjaan akhir pada proses pembubutan memanjang dengan material S50C adalah sebagai berikut:

Tabel 3. Data pemesinan

mesin : Turning CNC gerak makan : 0.2 mm/r tipe mesin : Turn 8N dalam pot. : 0.5 mm kontrol : : Mazatrol Tplus panjang pot. : 80 mm

No. Vc [m/min] d [mm] n [r/min] Vf [mm/min

1 1350 88 4883.15 976.63

2 1300 86 4811.65 962.33

3 1250 84 4736.74 947.35

4 1200 82 4658.18 931.64

5 1150 80 4575.69 915.14

6 1100 78 4488.98 897.80

7 1050 76 4397.69 879.54

8 1000 74 4301.47 860.29

9 950 72 4199.91 839.98

10 900 70 4092.55 818.51

11 850 68 3958.29 795.77

12 800 66 3858.29 771.66

13 750 64 3730.19 746.04

14 700 62 3593.61 718.76

15 650 60 3448.35 689.67

16 600 58 3292.85 658.57

4. Data Pahat.

Dari refrensi didapat data pahat sisipan, dengan gagang pemegang sebagai berikut:

pembuat : Sandvik Coromont

material : Cemented Carbide

kode sisipan : CNMG 120408-WF new grade GC4015 kode pemegang pahat : PCLNR 2020K12

sudut potong bantu (γ) : 3^o

sudut potong utama (κ) : 92^o radius pahat (r_β) : 0.8 mm sudut potong samping (ε_r) : -3^o sudut geram (α) : -4^o 5. Data Hasil Pengamatan.

Data hasil percobaan berikut ini adalah data hasil pembacaan rata-rata dari lima sampel pengukuran setiap percobaan yang dilakukan. Percobaan dilakukan sebanyak delapan kali untuk setiap tingkat kecepatan potong. Data pengamatan pada tabel 4. merupakan hasil rata-rata.

Tabel 4. Data pengamatan

No. Vc [m/min] Px [%] Pz [%] Ps [%] Ra [mm] t [mm]

1 1350 15.90 15.90 120.38 0.32 0.333 2 1300 16.00 14.60 114.63 0.34 0.337 3 1250 16.10 14.00 117.25 0.41 0.341 4 1200 16.40 14.10 115.50 0.57 0.351 5 1150 16.60 14.90 108.00 0.62 0.342 6 1100 17.00 13.30 104.38 0.66 0.349 7 1050 17.60 12.50 98.75 0.77 0.364 8 1000 18.60 12.40 97.38 0.82 0.365 9 950 19.00 12.40 94.50 0.88 0.361 10 900 19.80 12.00 88.63 0.94 0.351 11 850 19.10 12.00 85.00 0.98 0.381 12 800 19.80 11.90 80.75 1.00 0.383 13 750 20.10 12.30 79.38 1.07 0.384 14 700 21.90 11.50 65.50 1.11 0.389 15 650 21.40 11.60 62.38 1.28 0.378 16 600 22.20 11.40 57.40 1.38 0.383

6. Analisa model regresi.

Untuk melihat hubungan antara variabel satu dengan yang lain digunakan model regresi.

Hubungan linier antara variabel satu dengan lainnya dalam bentuk ketergantungan (dependency) satu dengan yang lain. Di mana variabel x disebut variabel independen dan variabel y disebut variabel dependen karena nilai x tergantung pada y, sedangkan nilai x bebas. Garis regresi populasi dalam praktek tidak dapat ditentukan secara tepat, oleh karena itu perlu dicari estimatsi dari garis tersebut dengan menggunakan data yang ada. Garis estimasi dapat dihitung dengan persamaan power sebagai berikut;

xb

c y= ⋅

Koefisien determinasi R² , ini merupakan proporsi variabilitas dependen dari sampel yang diterangkan oleh hubungan linier-nya dengan variabel independen. Dan nilai R² ini adalah kuadran koefisien korelasi sampel.

Koefisien determinasi;

(

^{SSE SST}

)

R² = 1−

di mana: SSE=∑(Y_i −Yˆ_i)² dan

∑ − ∑

=( Y ) (( Y ) /n)

SST _i² _i ²

Untuk mencari hubungan antara x dan y dapat digunakan model regresi, perlu dicari nilai estimasi-nya diperoleh dengan menggunakan prosedur yang sudah dibahas atau juga digunakan program komputer.

Dari pengolahan data didapat koefisien determinasi dan persamaan hubungan antara x dan y, seperti berikut ini.

Beban pada sum

y = 389.28 (x) bu X, P_x :

-0.4447

R² = 0.9607 Beban pada sumbu Z, P_z :

y = 1.0772 (x)^0.3618 R² = 0.8033 Beban pada sumbu utama, Ps :

y = 0.1863 (x)^0.9032 R² = 0.9732

Kekasaran permukaan, R_a :

y = 61601 (x)^-1.6503 R² = 0.8759 Tebal geram, t :

y = 1.3117 (x)^-0.1881 R² = 0.8234

Dengan menggunakan persamaan di atas., dapat dihitung data prediksi seperti pada tabel 5, berikut ini:

Tabel 5. Data prediksi

No. Vc [m/min] Px [%] Pz [%] Ps [%] Ra [mm] t [mm]

1 1350 15.78 14.62 125.18 0.420 0.338 2 1300 16.05 14.62 120.98 0.447 0.340 3 1250 16.33 14.22 116.77 0.477 0.343 4 1200 16.63 14.01 112.55 0.511 0.346 5 1150 16.95 13.79 108.30 0.548 0.348 6 1100 17.29 13.57 104.04 0.589 0.351 7 1050 17.65 13.35 99.76 0.636 0.354 8 1000 18.04 13.11 95.46 0.690 0.358 9 950 18.45 12.87 91.14 0.751 0.361 10 900 18.90 12.62 86.79 0.821 0.365 11 850 19.39 12.36 82.43 0.902 0.369 12 800 19.92 12.10 78.03 0.997 0.373 13 750 20.50 11.82 73.62 1.109 0.378 14 700 21.14 11.53 69.17 1.243 0.383 15 650 21.85 11.22 64.69 1.404 0.388 16 600 22.64 10.90 60.18 1.603 0.394

7. Pengolahan Data.

Untuk menganalisa sejauh mana yang mempengaruhi kualitas kekasaran permukaan benda kerja pada kecepatan potong tinggi, maka kecepatan geram mengalir dan kecepatan geser terjadi harus diketahui. Kecepatan geram dan kecepatan geser dapat dihitung dengan persamaan 18. dan 19. yang terlebih dahulu diketahui sudut geser dan sudut gesek. Sudut gesek dan sudut geser dihitung menggunakan persamaan 17. Hasil perhitungan kecepatan geram dan kecepatan geser dapat dilihat pada tabel 6. Selain kecepatan geram dan kecepatan geser juga dianalisis pengaruh dari gaya-gaya berkerja pada pahat potong serta tegangan geser terjadi pada benda kerja, guna perhitungan ini diperlukan daya potong terjadi dihitung menggunakan persamaan 25., gaya potong dapat dihitung.

Ps c P

P = ⋅ . 25

Hasil perhitungan daya aktual dan gaya-gaya pemotongan pada tabel 7 berikut:

Tabel 6. Hasil perhitungan kecepatan geram dan kecepatan sudut.

No. Vc [m/min] φ [deg] β [deg] Vg [m/min] Vs [m/min]

1 1350 31.62 30.76 798.82 1519.92 2 1300 31.46 31.07 764.71 1461.53 3 1250 31.23 31.54 728.86 1402.37 4 1200 31.00 32.00 693.64 1343.51 5 1150 30.85 32.30 660.92 1285.80 6 1100 30.62 32.75 626.78 1227.46 7 1050 30.40 33.20 593.22 1169.41 8 1000 30.11 33.78 558.66 1110.93 9 950 29.89 34.21 526.32 1053.45 10 900 29.61 34.78 493.15 995.63 11 850 29.33 35.33 460.70 938.14 12 800 29.06 35.88 428.95 880.98 13 750 28.72 36.55 396.83 823.68 14 700 28.40 37.21 365.54 766.76 15 650 28.07 37.85 335.05 710.19 16 600 27.70 38.60 304.57 653.66 Tabel 7. Hasil perhitungan daya potong aktual dan gaya-gaya pemotongan.

No. Vc [m/min] Pc [ Nm ] Fc [N] Ff [N] R [N] Fs [N] Fn [N]

1 1350 9.39 417.27 210.41 467.32 245.01 397.94 2 1300 9.07 418.78 214.06 470.31 245.48 401.17 3 1250 8.76 420.37 219.21 474.09 245.80 405.40 4 1200 8.44 422.06 224.42 478.02 246.20 409.74 5 1150 8.12 423.78 228.22 481.33 246.81 413.23 6 1100 7.80 425.62 233.54 485.48 247.30 417.77 7 1050 7.48 427.54 238.93 489.77 247.85 422.43 8 1000 7.16 429.57 245.83 494.94 248.29 428.16 9 950 6.84 431.72 251.39 499.57 248.99 433.11 10 900 6.51 433.95 258.46 505.09 249.57 439.12 11 850 6.18 436.39 265.69 510.91 250.29 445.41 12 800 5.85 438.92 273.00 516.89 251.06 451.82 13 750 5.52 441.72 281.96 524.04 251.85 459.55 14 700 5.19 444.66 291.06 531.45 252.74 467.51 15 650 4.85 447.85 300.38 539.26 253.79 475.81 16 600 4.51 451.35 311.41 548.36 254.88 485.52 ANALISA

1. Gaya Pemotongan.

Gaya pemotongan bereaksi pada pahat dan benda kerja, selanjutnya akan mempengaruhi mesin perkakas dan juga mengakibatkan lenturan pada benda kerja itu sendiri. Lenturan diakibatkan gaya pemotongan yang besar akan berakibat kesalahan bentuk produk dan terkadang mengakibatkan getaran (chatter) yang dapat mempercepat keausan pahat. Besar gaya-gaya pemotongan ini sangat

dipengaruhi oleh goemetri pahat, kedalaman potong dan material benda kerja. Pahat yang sudah aus akan meningkatkan gaya pemotongan dan kualitas permukaan benda kerja kurang baik. Dari kenaikan gaya-gaya pemotongan dan kualitas kekasaran permukaan dapat di tentukan saat penggantian pahat.

Pada gambar 10. grafik gaya-gaya pemotongan makin menurun pada kecepatan potong tinggi. Tanda- tanda keausan pahat dapat dilihat dari perubahan peningkatan tajam gaya gerak makan dan beban

200 250 300 350 400 450 500

550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450

Kecepatan potong; Vc [m/min]

Gaya-gaya, Fc, Ft, Fs, Fn

Fs Fc Ff Fn

Gambar 10. Grafik gaya-gaya pemotongan terhadap kecepatan potong

spindel akan menurun, selanjutnya berakibat kualitas kekasaran permukaan tidak merata. Penurunan gaya-gaya pemotongan pada kecepatan potong tinggi disebabkan motor spindel bekerja dengan daya konstan pada putaran antara 750 min^-1 sampai 6000 min^-1. Ini dapat dibuktikan dengan persamaan 14.

Pengurangan gaya gerak makan pada putaran tinggi berpengaruh positip terhadap kehalusan permukaan pada kasus gerak makan memanjang. Penurunan gaya gerak makan berpengaruh dengan pengurangan beban mekanik pada pahat potong di zona geser pada tepi potong (cutting edge) pahat.

Sebagai pembanding dari gaya-gaya potong tersebut dapat dilihat pada tabel berikut ini:

Tabel 8. Gaya-gaya pemotongan terhadap kecepatan potong.

Gaya-gaya pemotongan

No. Vc [m/min] Fc [N] Ft [N] Fs [N] Fn [N]

1 1350 417.27 210.41 340.02 243.61 2 1100 425.62 233.54 351.10 242.42 3 850 436.39 265.69 365.49 240.39 4 600 451.35 311.41 384.96 237.74 2. Sudut Geser.

Sudut geser(φ) dihitung dengan mengukur rasio pemotongan (rc) di mana sudut geram (α) sudah diketahui. Sudut geser akan mengecil jika tebal geram membesar ini disebabkan pada kecepatan potong tinggi ratio pemotongan meningkat (lihat persamaan 16). Besar sudut geser akan mempengaruhi gaya potong, karna gaya potong (F_c) merupakan fungsi dari sudut geser (lihat persamaan 13). Perubahan ratio pemotongan sangat dipengaruhi sekali oleh kecepatan potong ini terlihat dari perubahan tebal geram dihasilkan. Pada pembentukan geram pahat bergerak dengan kecepatan potong (V_c) dan geram mengalir dengan kecepatan geram (V_g) pada sisi pahat dengan sudut geram (α).

Berdasarkan penjumlahan vektor kecepatan, maka kecepatan elemen geram yang baru terbentuk relatif terhadap benda kerja ditunjukan oleh kecepatan geser (Vs) dengan sudut geser (φ). Peningkatan kecepatan potong, akan diikuti dengan peningkatan kecepatan geram, sehingga kecepatan geser dan sudut geser meningkat (lihat tabel 9.).

Pada tabel 9., kecepatan geser lebih besar dibandingkan dengan kecepatan potong, ini disebabkan sudut geram negatif 4^o atau sama dengan 0^o. Sudut geser meningkat diakibatkan kecepatan potong tinggi pada material dipotong. Sudut geser merupakan tempat terjadi proses geser terus menerus setiap

Tabel 9. Kecepatan geram, kecepatan geser, sudut geser dan sudut gesek terhadap kecepatan potong No. Vc [m/min] φ [deg] β [deg] Vg [m/min] Vs [m/min]

1 1350 31.62 30.76 798.82 1519.92 2 1100 30.62 32.75 626.78 1227.46

3 850 29.33 35.33 460.70 938.14

4 600 27.70 38.60 304.57 653.66

mulai memotong pada bentuk yang baru, yang merupakan proses deformasi plastis. Sebelum terbentuk deformasi plastis pada benda kerja terlebih dahulu terjadi proses yield, yaitu antara elastis dan plastis.

Semakin besar sudut geser terbentuk maka lapisan yield akan semakin mendekati titik potong pahat.

3. Kekasaran Permukaan.

Seperti telah dibahas kekasaran permukaan sangat dipengaruhi oleh geometri pahat, pengaruh ini disebut dengan kekasaran permukaan ideal. Mengingat bentuk pahat tidak sama dengan pahat digunakan pada penelitian, maka persamaan 23 dan 24 tidak dapat digunakan. Untuk pendekatan kedalaman total sesungguhnya, maka dapat digambarkan geometri permukaan terhadap posisi radius pahat seperti pada gambar 11.

h rβ

fn

γ

Gambar 11. Geometri permukaan terhadap radius pahat Sehingga diturunkan rumus sebagai berikut:

1000 )) o ))

sin(90 r

) tan(

f r ( sin(arcsin r

(r

h_mak − ⁿ⋅ γ ⋅ +γ +γ ⋅

⋅

−

=

β β β

β 26

Bila diketahui; r : 0.8 mm, f : 0.2 mm/r, dan γ : 3^o, maka:

hmak = 5.551 µm

Kekasaran permukaan rata-rata dapat dihitung dengan pendekatan sebagai berikut ⁹):

Rt ) .

teoritis (

Ra = 2560 ⋅ 27

di mana : Rt = hmax

Sehingga:;

Ra(teoritis)= 1.421 µm

y = 61601x^-1.6503

0.350 0.550 0.750 0.950 1.150 1.350 1.550 1.750

550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450

Kecepatan potong; Vc [m/min]

Kekasaran, Ra [um]

Ra

Gambar 12. Grafik kekasaran permukaan terhadap kecepatan potong

Pada tabel 5. dan gambar 12., Ra = 1.421 µm berada pada kecepatan potong kurang dari 650 m/min. Kecepatan potong lebih tinggi 650 m/min sampai dengan 1350 m/min, kekasaran permukaan rata-rata menurun tajam sekali mengikuti peningkatan kecepatan potong. Kestabilan kekasaran ideal sangat dipengaruhi oleh material benda kerja dan rigiditas pemegang pahat sisipan. Geometri pahat sisipan akan mempengaruhi gaya yang bekerja pada titik potong. Pahat yang digunakan mempunyai sudut potong utama 92^o, sudut potong bantu 3^o dan sudut potong samping negatif 3^o.(lihat gambar 13.) Sudut potong samping (side cutting edge angle) ini mengakibatkan gaya radial relatip kecil atau beban terhadap sumbu X relatif lebih kecil, sehingga bagian pahat lebih rigid, mengakibatkan getaran ditimbulkan relatif kecil ³). Pada kecepatan potong lebih tinggi 650 m/min kekasaran permukaan dipengaruhi kecepatan potong, sehingga kekasaran permukaan tidak tergantung geometri pahat atau disebut dengan kekasaran sesungguhnya.

Gambar 13. Geometri pahat insert.⁶)

Peningkatan kecepatan potong akan memperbesar sudut geser terjadi (lihat tabel 9.), sehingga penampang bidang geser mengecil (lihat gambar 14). Pengecilan bidang geser akan mengakibatkan gaya potong akan menurun pada kecepatan potong yang sama. Pada gaya potong yang sama, dengan bidang geser mengecil akan mengakibatkan tegangan geser dinamik terjadi meningkat. Hal ini kekuatan benda kerja seakan-akan menjadi lebih rendah, dibanding saat kecepatan potong rendah.

Gambar 14. Ilustrasi sudut geser pada benda kerja

KESIMPULAN

1. Sudut geser membesar seiring dengan peningkatan kecepatan potong (tabel 6.), ini terlihat dari mengecilnya tebal geram (t) pada kecepatan potong lebih tinggi (tabel 5.).

2. Kekasaran permukaan (R_a) pada kecepatan potong antara 600 m/min sampai 1350 m/min menurun sangat tajam (gambar 12.), tidak tergantung geometri pahat.

3. Korelasi antara R_a vs V_c pada kecepatan potong antara 600 m/min sampai 1350 m/min dengan kekerasan material 177 BHN, sebagai berikut:

6503

61601 _c 1^.

a V

R = ⋅ ⁻

DAFTAR SIMBOL

α : sudut geram [ ^o ] β : sudut gesek [ ^o ] γ : sudut potong bantu [ ^o ] ε_r : sudut potong samping [ ^o ] κ : sudut.potong utama [ ^o ] φ : sudut geser [ ^o ]

n : putaran poros utama [min^-1] N : gaya normal pada bid. Geram [N]

P : daya motor [kW]

Pc : daya potong [kW]

Pf : daya gerak makan [kW]

Px : beban sumbu X [ % ] Ps : beban poros utama [ % ]

3°

80°

19° 0.1 4°

95°

φ1 Pahat

Geram

Tegangan Tarik Tegangan Tekan

Lapisan Elastis-Plastis

φ2

µ : koefisien gesek

τs : teg. geser pada bid. geser [N/mm²] Ag : luas penampang geram [mm²] As : luas bidang geser [mm²] ap : kedalaman potong [mm]

d : diameter rata-rata [mm]

do : diameter mula [mm]

dm : diameter akhir [mm]

F : gaya gesek [N]

Fc : gaya potong [N]

Ff : gaya makan [N]

Fn : gaya normal pada bid. geser [N]

fn : gerak makan (feed) [mm/r]

Fr : gaya radial [N]

Fs : gaya geser [N]

hmax : tinggi mak. Ketidakrataan [µm]

Lt : panjang potong [mm]

Pz : beban sumbu Z [ % ] R : gaya total [N]

Ra : kekasaran permukaan [µm]

Rg : kedalaman perataan [µm]

Rp : kekasaran rata-rata kwadratis [µm]

Rt : kekasaran total [µm]

rc : rasio pemotongan [mm]

rβ : radius pahat [mm]

t : tebal geram setelah dipotong [mm]

to : tebal geram sebelum dipotong [mm]

ts : tebal geram pada daerah geser [mm]

tc : waktu pemotongan [menit]

T : torsi [kgf-m]

Vc : kecepatan potong [m/min]

Vf : kecepatan gerak makan [mm/min]

Vg : kecepatan alir geram [m/min]

Vs : kecepatan geser [m/min]

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kalpakjian. S., “Manufacturing Engineering and Technology”, Addison Wesley Publishing Company, Chicago, (1995)

[2] Sherif D. EL Wakil, “Processes and Design for Manufacturing”, Prentice-Hall, Inc Englewood Cliffs, New Jerey, (1989)

[3] Rochim Taufiq, “Teori & Teknologi Proses Pemesinan”. FTI ITB, Bandung, (1993)

[4] Sandvik Coromant, “Metalworking Products Turning Tools”, Stibo Graphic, Denmark, (2001) [5] Nair R., Danai. K. and Malkin S., “Turning Process Indentification Through Force Transients”,

Journal Engineering for Industry, Vol. 114, (1992)

[6] Jang. D.Y. and Seireg. A, “Machining Parameter Optimization for Specified Surface Condition”, Journal Engineering for Industry, Vol. 114, (1992)

[7] Venkatesh. V.C, Kattan. I.A, Hoy. D, Ye. C.T. and Vankirk. J.S, “An Analysis Cutting Tools with Negative Side Cutting Edge Angles”, Journal Materials Processing Technology, Vol. 58, (1996)

[8] Ghosh A. and Mallik A.K., “Manufacturing Science”, Ellis Horwood Limited, England, (1986) [9] Rochim Taufiq dan Sri Hardjoko W., “Spesifikasi Geometris Metrologi Industri & Kontrol

Kualitas”. FTI ITB, Bandung, (1985)

[10] Mazak, “Operating Manual for Quick Turn 8N”, Yamazaki Mazak Corporation, publication no.

H147SG0010E, (1994)

[11] Adiningsih Sri, Dr., “Statistik”, BPFE-Yogyakarta, Yogyakarta, (1998)

[12] Black J.T., “Mechanics of Chip Formation”, Metals Handbook Ninth Editon, Vol. 16, Machining, ASM International, USA, (1998)

[13] Cohen Paul H., “Force, Power, and Stresses in Machining”, Metals Handbook Ninth Editon, Vol. 16, Machining, ASM International, USA, (1998)

[14] Philipp Andrae, Dipl.-ing. “High Speed Cutting (HSC)”,

http://ifwpc8.ifw.unihannover.de/Bereich3/-Forschen/36_le.htm

[15] Essam El-Magd, Cristoph Treppmann, “Simulation of Chip Formation at High Speed Cutting Rates by Means of Split-Hopkinson Bar Test ”, http://www.ndt.net/abstract/mp/data/1999113.htm.

[16] Hans Kurt T., Raouf Ben Amor, Philipp Andrae, “Chip Formation in High Speed Cutting (HSC)”, Technical Paper, Society Manufacturing Engineers, Dearborn, (1999)

[17] Kalpakjian. S., “Manufacturing Processes for Engineering Material”, Addison Wesley Publishing Company, Chicago, (1991)