PERANCANGAN TOOL DYNAMOMETER PADA MESIN FRAIS
KONVENSIONAL UNTUK MENGUKUR GAYA POTONG
Hafis Rizka Mustafa(1), Duskiardi(2),Hendra Suherman(3) Jurusan Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri
Universitas Bung Hatta Padang 2016
Kampus III : Jl. Gajah Mada, No 19. Olo Nanggalo Padang 25143 E-mail : Hafistanjung@rocketmail.com
ABSTRAK
Mesin freis adalah proses penyayatan benda kerja dengan alat potong dengan mata potong jamak yang berputar. Proses penyayatan dengan gigi potong yang banyak yang mengitari pahat ini bisa menghasilkan proses pemesinan lebih cepat.Saat proses pengefraisan berlangsung, material yang terpotong akan menghasilkan gaya potong. Alat yang digunakan untuk mengukur besarnya gaya potong yang terjadi dinamakan dynamometer. Komponen-komponen penyusun dalam pembuatan
dynamometer adalah strain gauge, jembatan wheatstone, ampliflier dan akuisisi data. Adapun tujuan
dalam perancangan dynamometer adalah merancang sebuah tool holder untuk mendapatkan spesifikasi fungsional dan spesifikasi geometris dengan memperoleh gambar teknik sebagai acuan dalam proses pembuatan. Dynamometer yang didesain ini adalah untuk menentukan besarnya gaya potong ) gaya makan ) dan gaya horizontal( . Pada gaya potong ) didapatkan gaya sebesar 39,44 N dan gaya makan ) didapatkan besarnya gaya 39,44 N dan gaya horizontal( didapatkan sebesar 39,44 N. Dalam dinamometer ini, pemotongan pengukuran gaya terutama didasarkan pada deformasi elastis dari bahan. Berbagai penelitian mengenai desain dinamometer dan konstruksi dapat ditemukan menggunakan oktagonal-ring jenis dinamometer atau berbentuk cincin segi delapan, bahan cincin segi delapan atau octogonal ring yang digunanakan dalam perancangan dinamometer ini menggunakan allumunium. Dynamometer dapat mengukur kekuatan maksimum yang diizinkan 250
⁄ . Untuk Dimensi dynamometer dirancang dengan panjang 150 mm,lebar 150 mm dan tinggi 15 mm.
Kata kunci : Mesin Frais, Tool Dynamometer, Gaya Potong ), Gaya Makan ) dan gaya horizontal( .
ABSTRACT
Machine Freis is the process of slicing the workpiece with the cutting tool to cut plural rotating eye. The process of slicing with teeth cut into the many surrounding the chisel can generate machining process more cepat.Saat pengefraisan process takes place, the material cut will result in cutting forces. The tools used to measure the cutting force that occurs is called a dynamometer. The constituent components in the manufacture of the dynamometer is a strain gauge, Wheatstone bridge, ampliflier and data acquisition. The objectives in the design of the dynamometer is designing a tool holder to acquire functional specifications and geometric specifications by obtaining a technical drawing as a reference in the manufacturing process. Dynamometer is designed to determine the magnitude of cutting forces (Ft) style of eating (Fz) and the horizontal force (fy). In the style of cut (F_) obtained a force of 39.44 N and a style of eating (Fz) got the force 39.44 N and a horizontal force (fy) obtained amounted to 39.44 N. In this dynamometer, cutting force measurement is mainly based on deformation elastic material. Various studies on the dynamometer design and construction can be found using the octagonal-shaped ring type dynamometer or octagonal ring, the material octogonal ring that in the design of this dynamometer using allumunium. Dynamometer can measure the
strength of the maximum permissible 250 ⁄ Dimensions dynamometer designed for a length of 150 mm, width 150 mm and height 15 mm.
Keywords: Frais Machine, Tool Dynamometer, Style Cut (Ft), Style Spot (Fz) and style
Horizontal (fy).
I . PENDAHULUAN
Mesin freis adalah proses penyayatan benda kerja dengan alat potong dengan mata potong jamak yang berputar. Proses penyayatan dengan gigi potong yang banyak yang mengitari pahat ini bisa menghasilkan proses pemesinan lebih cepat. Permukaan yang disayat bisa berbentuk datar, menyudut, atau melengkung. Permukaan benda kerja bisa juga berbentuk kombinasi dari beberapa bentuk.
Proses pengefreisan merupakan salah satu proses permesinan yang cukup penting di dunia industri. Saat proses pengefreisan berlangsung, material yang terpotong akan menghasilkan gaya potong. Besarnya gaya potong di pengaruhi oleh beberapa parameter diantaranya kecepatan pemotongan, rata-rata pemakanan, kedalaman pemotongan, geometri alat potong dan jenis material benda kerja.
Perhitungan gaya potong secara teoritis tidak bisa mendapatkan hasil yang akurat karena banyak sekali parameter yang mempengaruhi besar nya gaya potong. Selain itu, perhitungan gaya potong secara teoritis juga hanya bisa digunakan untuk mengukur gaya potong utama.
Alat yang digunakan untuk mengukur besar nya gaya potong yang terjadi dinamakan
dynamometer. Dynamometer dipasangkan pada pahat potong sehingga ketika proses pengefreisan berlangsung, pahat yang memotong benda kerja akan menimbulkan regangan dari strain gauge pada dynamometer.
Regangan dari strain gauge pada
dynamometer akan dibaca oleh komputer
melalui sistem akuisisi data. Sehingga gaya potong pada proses permesinan bisa diketahui besar nya (IIT karagpur, 2004).
Harga dynamometer buatan pabrik cukup mahal. Salah satu univesal
dynamometer piezzoelektrik buatan pabrik
yang ada di pasaran merek Kistler, harganya mencapai 616 juta rupiah (PT. Taharica,2012).
Univesal dynamometer piezzoelektrik ini bisa
mengukur 3 arah gaya yang bisa digunakan untuk pengukuran gaya potong di mesin freis/milling, mesin bubut, mesin bor maupun mesin gerinda. Karena mahalnya dynamometer buatan pabrik dan adanya beberapa kelemahan perhitungan gaya potong secara teoritis, maka pelu dirancang dan dibuat dynamometer. II.TINJAUAN PUSTAKA
Prof. A.B Chattophadyay IIT karagpur (2004) menyatakan Dynamometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kekuatan memotong dalam operasi mesin freis. Gaya pemotongan tidak dapat dideteksi atau diukur secara langsung tetapi efeknya dapat dirasakan menggunakan,tranducer.Sebagai contohsebuah kekuatan yang dapat tidak terlihat atau digenggam tetapi dapat dideteksi dan juga masing-masing diukur dengan efeknya, dan jumlah efek (pada beberapa material) seperti defleksi elastis , deformasi , tekananan , regangan dll .Efek ini disebut sinyal.
Menurut Korkut, (2008) saat proses pembubutan berlangsung, material yang terpotong akan menghasilkan gaya potong. Besarnya gaya potong dipengaruhi oleh beberapa parameter diantaranya kecepatan pemotongan, rata-rata pemakanan, kedalaman pemotongan,geometri alat potong, jenis material benda kerja dan cara pendinginan benda kerja.
Gaya-gaya potong ini biasanya diukur dengan suatu alat yang bernama dinamometer. Alat ini adalah salah satu dari metoda-metoda paling terandalkan mengukur gaya potong karena efisiensi mekanis dari motor dan mesin dihapuskan. Alat ini diletakkan antara pahat
dan mesin sebagai suatu dynamometer magnetik toolholder atau antara pekerjaan dan mesin sebagai suatu dinamometer
work-holding-type.
Dynamometer- dynamometer bisa
mengukur dua atau tiga komponen gaya dari waktu yang sama, tergantung atas kompleksitas dinamometer. Daya neto di pemotong dan faktor yang lain dapat ditentukan dari komponen gaya ini.skema pembuatan tool dynamometer pada mesin freis dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 1. Skema dynamometer pada mesin freis
Pemilihan Dynamometer
Metode pemilihan desain dynamometer ini menggunakan metode perbandingan relatif sehingga menghasilkan beberapa penilaian. Tabel 1. Pemilihan dynamometer terbaik
Keterangan Bobot :
- 0 : tidak penting - 3 : penting - 1 : kurang penting - 4 : sangat penting -2 : cukup penting
Berdasarkan tabel 1, dynamometer terbaik terdapat pada dynamometer strain gauge karena mendapatkan poin penilaian
yang paling tinggi dibandingkan dengan dynamometer dial indikator.
Komponen- Komponen Penyusun Pembuatan Tool Dynamometer 1. Strain Gauge
Adalah alat sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya gaya-gaya yang bekerja pada suatu proses mekanis yang tidak dapat dilihat namun dapat dirasakan.alat strain gauge digunakan untuk mengukur gaya yang bekerja pada gaya tangensial, aksial, radial. Deformasi pada suatu material akibat pemberian gaya pada suatu sistem.
strain gauge yang akan digunakan pada
penelitian ini adalah strain gauge jenis
Resistance Strain Gage karena paling banyak
digunakan.
Gambar 2. Resistance strain gauge 2. Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone merupakan suatu susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui besarnya. Prinsip kerjanya yaitu membandingkan besar hambatan yang belum diketahui dengan besar hambatan yang sudah diketahui.Prinsip dasar dari jembatan wheatstone adalah keseimbangan. Sifat umum dari arus listrik adalah arus akan mengalir menuju polaritas yang lebih rendah. Jika terdapat persamaan polaritas antara kedua titik maka arus tidak akan mengalir dari kedua titik tersebut.
Dalam kondisi zero (seimbang), semua besar hambatan harus sama sehingga arus yang mengalir di cabang “c” sama dengan arus yang mengalir di cabang “d”.Dalam kondisi tidak seimbang, ada beberapa macam
jalur untuk aliran arus dalam rangkaian tersebut. Aliran arus yang melewati titik “c” dan “d” adalah hasil dari perbedaan potensial kedua titik tersebut, sehingga semakin besar beda potensial maka aliran arus semakin besar pula.
Gambar 3. Rangkaian jembatan wheatstone 3. Ampliflier
Amplifier adalah komponen elektronika
yang di pakai untuk menguatkan daya atau tenaga secara umum. Dalam penggunaannya,
amplifier akan menguatkan signal suara yaitu
memperkuat signal arus I dan tegangan V listrik dari inputnya. Sedangkan outpunya akan menjadi arus listrik dan tegangan yang lebih besar.
Pengertian amplifier pada umumnya terbagi menjadi 2, yaitu power amplifier dan
integrated amplifier. Power Amplifier adalah
penguat akhir yang tidak sertai dengan tone control (volume, bass, treble), sebaliknya integrated amplifier adalah penguat akhir yang telah disertai dengan tone control.
4. Data Akuisisi
Output voltase yang keluar dari strain amplifier merupakan sinyal analog. Agar output tegangan bia ditampilkan ke monitor
dibutuhkan data akuisisi yang merupakan alat penyimpanan data yang berfungsi untuk merubah signal analog menjadi signal digital.
Data akuisisi dihubungkan pada komputer untuk melihat hasil seperti grafik dan data digital. Hardware akusisi data yang digunakan adalah jmida MF-126 software yang digunakan jmida Mf -126.
Gambar 4. Data Akuisisi III METODOLOGI PERANCANGAN
Diagram alir perancangan
Alat dan bahan yang digunakan tool holder
dynamometer meliputi : A. Alat Mesin freis Strain gauge B. Bahan Baja ST-37 Alumunium START
T
Study LiteraturPemilihan Jenis Tool dynamometer
Perancangan Komponen Utama
Pemilihan Komponen Pendukung
Strain Gauge
Strain Amplifier
monitor
Spesifikasi dan Gambar Teknik
Perancangan Tool Holder Dynamometer
Gambar 5. Tool holder dynamometer Keterangan:
1. Tool holder down 2. Base strain gauge 3. Ring 4. Tool holder up 5. Ragum 6. Baut ragum 7. Rahang ragum 8. Tangkai ragum x y
Gambar 6. Gaya yang bekerja pada tool holder
dynamometer
Karena adanya gaya pemotongan, elemen elastik menderita stess dan strain yang timbul pada permukaan cincin akan menimbulkan regangan pada strain gauge.
Perubahan strain ini mengakibatkan perubahan tahanan listriknya. Perubahan tahanan dari empat strain gauge yang dihubungkan sehingga membentuk jembatan wheat stone akan menyebabkan ketidak seimbangan yang mana mengakibatkan timbulnya perbedaan voltase pada kedua titik
input.
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN IV.I Analisa gaya potong
Sebagaimana yang telah kita ketahui besarnya gaya potong ditentukan oleh luas penampang geram dan gaya potog spesifik. gaya potong spesifik tersebut dipengaruhi oleh gerak makan f atau lebih tepatnya tebal geram sebelum terpotong h, yaitu sebagaimana rumus korelasi yang telah dibahas dalam proses bubut,gurdi dan mesin freis. Semakin tebal h maka gaya potong spesifik atau material yang dipotong akan menurun.
Dalam proses freis tegak maka beberapa rumus gaya tangensial pergigi diturunkan sebagai berikut.Untuk setiap sudut posisi ,karena ; Ft = k . A K = k h Maka : Ft = C (sin ; N Dimana : C = Oleh karena itu gaya tangensial pergigi pada berbagai sudut posisi adalah :
Dimana : material
yang akan dipotong
P dipengaruhi oleh material benda kerja ,dan kecepatan potong rata - rata berharga 0,25. Keterangan pada rumus diatas dapat dilihat dan diketahuii dengan jelas pada gambar atau sketsa dibawah ini:
Gambar 7. sketsa gaya potong pada mesin freis
Gaya geser pada cincin segi delapan
Gambar 8. Menetukan ƩF
Untuk menetukan gaya yang bekerja pada
empat buah cincin menggunakan rumus sebagai berikut0
IV.II Penentuan Dimensi Cincin Segi Delapan
Penentuan dimensi cincin segi delapan dengan ketebalan, jari-jari ( r ), dan lebar ( b ) ketegangan cincin melingkar adalah tiga dasar parameter terkendali yang mempengaruhi kekakuan dan sensitivitas.
Karena tidak ada efek lebar cincin b dan modulus elastisitas (E) defleksi. Lebar minimal pada cincin per unit dapat diambil 20 mm dan tebal cincin 3 mm untuk mengatur cincin aman dan sensitivitas yang tinggi dan r atau jari – jari 24 mm. material yang digunakan dalam perancangan ini adalah allumunium dapat dilihat dari table dibawah ini :
Tabel 2. Tegangan tarik pada alumunium
Gambar 9. Cincin segi delapan tool hoder
dynamometer
Untuk menentukan dimensi cincin yang berbentuk segi delapan atau tempat dudukan dari strain gauge maka, dihitung kekakuan dan sensitivitas pada cincin yang dapat dilihat pada gambar diatas dengan menggunakan rumus dibawah ini:
Tegangan yang terjadi pada cincin yang disebabkan oleh gaya dorong(Fz) dan gaya potong utama (Ft) dapat dihitung dengan menempatkan nilai-nilai rasio regangan elastis dalam Persamaan dibawah ini :
= E = E
Karena gaya potong sama nilainya dengan gaya makan maka persen dari kedua gaya tersebut sama yaitu 55 . Jadi, gaya potong total yang dibaca oleh sensor strain gauge pada empat cincin segi delapan adalah 55 dari 216,7 N.
Rangkaian Wheatstone
Gambar 10. Rangkaian wheastone Keterangan : nilai dari = = di dapat dari tegangan strain gauge
untuk menentukan tegangan wheastone pada saat setimbang adalah
= + - +
Jadi apabila tegangan yang terjadi pada
wheatstone 0 maka wheatstone dalam keadaan
setimbang tanpa diberikan gaya.
Definisi modulus Young yaitu perbandingan stress dengan strain adalah
Dimana : L = panjang mula-mula ∆L = pertambahan panjang Tegangan yang muncul dari ketidakseimbangan jembatan wheatstone oleh karena perubahan resistansi sensor strain gauge sangatlah kecil karena perubahan resistansinya juga kecil. Pada rangkaian listrik sensor.
selain menggunakan jembatan
Wheatstone pastilah menggunakan penguat
tegangan agar tegangan yang kecil ini diperbesar beberapa ribu kali dan kemudian dapat lebih mudah di baca oleh alat ukur.
Maka persamaan untuk tegangan jembatan wheatstone tidak seimbang adalah
= F
Setelah didapatkan tegangan listrik pada
wheatstone yang tidak setimbang maka kita
dapat menghitung besarnya gaya yang muncul akibat tegangan listrik tersebut adalah
(Faktor konversi) F = V. HASIL DAN KESIMPULAN
Dari hasil analisa perhitungan dan perancangan tool holder dynamometer atau alat ukur gaya potong dapat dihasilkan sebagai berikut:
1. Analisa gaya potong
Tegangan max material yang akan dipotong = 185 Kecepatan potong (V) =
⁄
Jumlah gigi yang efektif bekerja(ze) = 1 buah
Pangkat Lebar geram rata – rata (p) = 0,5
Gaya maksimum yang di izinkan adalah sebesar 250 ⁄ Gaya potong (Ftm) = 39,44 N Gaya makan (Fz) = 39,44 N Gaya horizontal (Fy) = 39,44 N Torsi (T) = 1295 ⁄
Untuk persen dari gaya potong dan gaya makan adalah 55 . 2. Analisa pada cincin segi delapan
(base strain gauge)
Strain elatis gaya potong ( ) = 0,0082
Strain elatis gaya makan ( ) = 0,0082
Tegangan yang terjadi pada cincin yang mengalami gaya potong ( ) =
Tegangan yang terjadi pada cincin yang mengalami gaya potong ( ) 3. Analisa pada jembatan wheatstone
Rangkaian A = 700Ω Rangkaian B = 700Ω
Apabila jembatan dalam keadaan setimbang maka vab adalah 0
Vab = 0,000258 volt
Besarnya gaya potong dan gaya makan pada cincin segi delapan 1 ,2 ,3 dan 4 akibat adanya tegangan adalah 216,7 N.
KESIMPULAN
Dari perancangan dan perhitungan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa komponen-komponen utama yang dibutuhkan dalam pembuatan tool holder
dynamometer adalah sebagai berikut :
1. Base strain gauge dibuat dari aluminium yang berbentuk cincin segi delapan dengan diameter 30 mm, lebar (b) 20 mm ,penampang cincin atau base strain gauge diberi cuakan jadi
luas penampang tempat strain gauge adalah 10 mm, dan tebal (t) 3 mm, dengan jari – jari 24 mm.
2. Tool holder up dan down dibuat dari ST-37 dengan panjang 150 mm dan lebar 150 mm dengan ketebalan 15 mm.
3. Ragum dibuat menggunakan plat u dengan panjang 100 mm,tebal 10 mm dan tinggi 35 mm.
4. Baut ragum dibuat dengan ST -37 dengan diameter 12 mm,dan panjang ulir 70 mm dengan ukuran M12 x 1,75.
5. Baut untuk menghubungkan base
strain gauge atau cincin segi delapan
dipilih baut baja dengan diameter 8 mm.
6. Tangkai ragum dengan panjang 100 mm dengan diameter 12 mm.
7. Strain gauge yang digunakan adalah 350 ohm
8. Menggunakan akuisisi data Jmida-126 dan ampliflier.
DAFTAR PUSTAKA
Baldoukas, . Κ., Soukatzidis, F. A., Demosthenous, G. A., and Lontos, A. E., 2008, Experimental investigation of the effect of cutting depth, tool rake angle and workpiece material type on the main cutting force during a turning process, 3rd International Conference on Manufacturing Engineering.
Brianti satrianti utama. Proses manufaktur dan optimasinya . FT Universitas Indonesia . 2008.
Dandage R. V.1, Bhatwadekar S.G.2, Bhagwat M.M.,2012, Design, Development and testing of a four component milling
tool dynamometer , International
Journal of Applied Engineering and Technology,volume 2.
Elektronika dasar . web.com.
Ery yulian t adesta. Tool life estimation model based on simulated flank wearduringhigh speed hard turning. Internasional islamic universit malaysia . 2010.
e.p. popov mekanika teknik (mekanika of materials) ,penerbit Erlangga ,1983 Gandum sam p. Rancang bangun
dynamometer untuk pengukuran gaya potong mesin bubut. Universitas sebelas maret. 2013.
Korkut, I., and Boy, M., 2008, Experimental Examination of Main Cutting Force and Surface Roughness Depending on Cutting Parameters, Journal of Mechanical Engineering 54, hal. 531 – 328.
Kistler Instrument Corp. Force Sensors: High-resolution Measurement of Force, Torque and Strain, US, 2004. Liu mingyao dkk, A dynamometer design and analisis for measurement the cutting force on turning based on optical fiber brag gratting sensor.university wuhan cina. 2012.
Prof.a.b.Chattopadhyay Indian Institute of Technology Kharagpur. India,
2011, dynamometer for measuring cutting force.
Ramang magga. Pengunaan strain gauge untuk analisa tegangan pada pembebanan statik batang aluminium. Universitas Tadulako . 2011.
Raldi artono . teknik pengukuran untuk
mahasiswa. Universitas
indonesia.ISBN.1998.
Rochim Taufiq ., Teori dan teknologi proses permesinan, bandung 1993.
Sularso.,Dasar perencanaan dan pemilihan,elemen mesin,bandung 1997.
S. shigley.perancangan teknik mesin.ISBN 1991.
Sularso,dan Kiyokatsu Suga.1987.Dasar Perencanaan dan Pemlihan Elemen Mesin.Jakarta : PT. PRANDNY PARAMTA
Saglam Haci., and Isic Hacan .,2007, Design ,development and testing of a four- component milling dynamometer for the measure of cutting force and torque
Yaldız, S., and Ünsaçar, F., 2006, A dynamometer design for measurement the cutting forces on turning, Journal of Measurement, Volume 39.
Zhao you dkk, A high performance sensor for tri axial cutting forcemeasurement in turning. 2015.
