Pengaruh Putaran Elektroda EDM-Mikro terhadap Ketirusan Lubang pada Penggurdian Baja SKD 61

(1)

Pengaruh Putaran Elektroda EDM-Mikro terhadap Ketirusan

Lubang pada Penggurdian Baja SKD 61

Triyonoa_{, Nanda Prayoga}b_{, Jamal M. Affif}c_{dan Sofia Deby Puspa}d Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti, Jakarta

a_{Corresponding Author. Email: [email protected]} b_{Email: [email protected]}

c_{Email: [email protected]} d_{Email: [email protected]}

ABSTRACT. Micro Electrical Discharge Machining is the development of EDM machines. The purpose of this study is about tapering holes, the results of the drilling process with a micro-EDM machine equipped with a rotating electrode. The difficulty of machining with micro-EDM is that there is often a short circuit between the electrode and the workpiece. For this reason, this research was carried out with a rotating electrode to minimize short circuit. However, electrode rotation can cause deviation or deflection of the electrode tip. The effect of this deviation in the drilling process can cause holes to become taper. The data obtained does indicate this. Furthermore the data is to complement the characteristics of the developed EDM micro machines.

Keywords: Electrodes; Short circuit; Micro-Electrical Discharge Machining (EDM); Rotary Electrode; drilling 1. PENDAHULUAN

Menurut College International pour la Recherche en Productique (CIRP) [1] pemesinan mikro definisinya adalah proses pembuatan komponen yang memiliki dimensi antara 1µm sampai dengan 999 µm. EDM-mikro memiliki kemampuan menghasilkan benda kerja yang bebas tegangan sisa, membuat rongga dengan ukuran mikro pada material konduktor maupun semikonduktor. Proses EDM-mikro dapat dibagi menjadi 4 kelompok jika didasarkan pada jenis elektroda dan kinematika dari elektroda. Keempat kelompok tersebut adalah wire EDM-mikro, die sinking EDM-EDM-mikro, milling EDM-mikro dan drilling EDM-mikro [2].

Telah berhasil dibuat mesin EDM-mikro [3] di Jurusan Teknik Mesin Universitas Trisakti, namun demikian mesin tersebut masih perlu dikembangkan lebih lanjut [3]. Mengacu pada Peta Jalan Penelitian, Gambar 1, salah satu pengembangan selanjutnya adalah menambahkan mekanik elektroda berputar.

Elektroda berputar memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan elektroda statis, yaitu[4]:

1. Keausan elektroda seragam disemua sisi, sehingga geometri hasil pemotongan lebih terjamin.

2. Mengurangi arcing & short circuit karena geram tidak mudah menempel ke elektroda yang berputar. Oleh karenanya laju pemotongan lebih ajeg, pembentukan geram lebih besar dengan laju keausan elektroda lebih kecil [4]. Pada gilirannya akan meningkatkan produktifitas mesin EDM-mikro tersebut.

Makalah ini membahas pengaruh putaran elektroda terhadap ketelitian geometri lubang, khususnya kekonisan/ketirusan hasil proses penggurdian (drilling).

2. MATERIAL DAN METODE

Penelitian dilakukannya di Laboratorium Proses Produksi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti, Jakarta.

Material

Digunakan elektroda Tungsten yang umumnya dipakai pada mesin las TIG Argon. Elektroda ini untuk pengelasan baja karbon, baja tahan karat, paduan nikel, titanium, tembaga, AWS klas EWTH-2, dengan spesifikasi AWS A5. 12-80 panjang 175 mm, diameter 1,6 mm. Dilakukan pemesinan dengan mesin gerinda untuk memperkecil diameternya hingga mencapai 0,8 mm. Dalam hal ini digunakan three jaw chuck punch former perkakas bantu pegang dari mesin gerinda rata[6]. Baja perkakas SKD 61 dipilih sebagai benda kerja, merupakan baja paduan dengan sejumlah besar unsur paduan seperti C, W, Mo, V, Mn, dan Cr. Baja SKD 61 jenis baja paduan tinggi hypoeutektroid, menurut standar JIS baja paduan ini dihasilkan dari proses hot work tools steel dan memiliki austenisasi, dengan komposisi eutektoid keunggulan operasi ketahanas panas tinggi, ketangguhan dan ketahanan aus yang baik [6]. Benda kerja berupa koin berdiameter 20 mm, sebanyak tiga buah dengan tebal 1 mm; 1,2 mm dan 1,4 mm. Semula merupakan batang silinder (rod) kemudian dibuat koin, menggunakan mesin bubut, dan selanjutnya proses pengakhiran menggunakan mesin gerinda rata (surface grinding) agar diperoleh ketebalan yang seragam.

Mesin yang digunakan adalah mesin EDM-Mikro hasil rancang bangun Jurusan Teknik Mesin, Universitas Trisakti. Tiga sumbu gerak X, Y dan Z menggunakan poros ulir bola (Recirculating Ball Screw) dan Linear Bearing tipe V. Setiap sumbu dengan pengendali terpisah. Adapun spesifikasinya sebagai berikut[7]:

(2)

Pengaturan I, V Karakteristik bunga api listrik/plasma Arah Frontal Arah Lateral Pengaturan pulse on/off time Mesin mikro EDM

Ketelitian mesin

perkakas EDM Sistem kendali

Tipe produk Sistem pembilasan (flushing) Ketelitian produk Lapisan Putih (white layer) Material elektroda Fluida dielektrik Kekasaran permukaan Dimensi elektroda sinking drilling elektrodakomposite

Interpolasi linier & Sirkuler Laju pembentukan geram Keausan elektroda Konsentrasi serbuk Linier encoder Rotary Elektroda

Material benda kerja

milling Wire EDM Mikro

Gambar 1. Peta jalan penelitian EDM-mikro [3,5].

Metode

Parameter proses ditunjukkan pada Tabel 1. Selain itu besaran pemotongan yang lain konstan, yaitu pulse-on/off time, tegangan 35 volt, pembilasan injeksi menggunakan fluida dielektrik EDM-85 dan diameter elektroda 0,8 mm. Proses penggurdian (drilling) dengan kombinasi parameter proses yang telah ditetapkan tersebut sebanyak 27 lubang. Masing-masing dilakukan replikasi sebanyak tiga kali sehingga keseluruhannya sejumlah 81 lubang [7].

Tabel 1. Kondisi pemotongan [7].

Kuat Arus Putaran Elektroda Tebal Benda Kerja

Gambar 2. Benda kerja hasil penggurdian [7]. Ukuran elektroda maksimal: 999 µm

Celah elektroda ke benda kerja: ≤ 10 µm Tegangan maksimal: 35 V

Kuat Arus maksimal: 3 A Pulse on-time: 50 s.d 100 ms Motor penggerak: Stepper Motor

Simpang putar (run out) poros utama (spindel) 85µm. Putaran spindel maksimal: 75 rpm

(3)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Putaran poros utama akan menimbulkan gaya sentrifugal pada elektroda yang salah satu ujungnya bebas bergerak. Semakin tinggi putarannya, gaya sentrifugal juga semakin besar. Ditinjau dari aspek kelancaran berlangsungnya proses pemotongan efeknya akan lebih baik karena dapat menghilangkan terjadinya hubung singkat. Akan tetapi dari aspek lain semakin besar putaran, elektroda akan mengalami simpangan (defleksi) yang semakin besar pula, yang selanjutnya dapat mempengarui besarnya diameter lubang.

Hasil pemotongan ditunjukkan pada Gambar 2. Data pengukuran dari setiap pemotongan yang diperoleh adalah diameter awal (D1) dan diameter akhir (D2). Total keseluruhan pengukuran diperoleh 81 data termasuk replikasi tiga kali, yang selanjutnya diolah ataupun dikelompokkan sehingga dapat diketahui besarnya ketirusan.

Perbedaan nilai antara D1 dengan D2 dalam orde micrometer, oleh karena itu pengukurannya menggunakan proyektor profil. Set-up pengukuran ditunjukkan pada Gambar 3, sedangkan data pengukuran

dan pengolahannya ditunjukan pada Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4 [7].

Perbedaan tersebut disebabkan adanya efek kekonisan (tapering) yang lazim terjadi pada proses EDM sinking maupun penggurdian (drilling). Efek kekonisan terjadi karena adanya loncatan bunga api listrik ke arah transversal disepanjang selubung elektroda [8]. Dengan demikian awal lubang yang terbentuk mengalami erosi/pengikisan lebih lama dari pada lubang yang terbentuk lebih akhir, sehingga lubang awal cenderung lebih besar dari pada diameter yang terbentuk terakhir. Namun demikian dari Gambar 4 a), b) dan c) terdapat pula diameter akhir yang hampir sama atau lebih besar. Hal ini diduga karena efek putaran yang menyebabkan timbulnya simpangan pada ujung elektroda. Dengan demikian dalam proses EDM-Mikro juga terjadi kekonisan sebagaimana dalam EDM (makro). Ketelitian geometri mesin perkakas, misalnya simpang putar (runout) spindel dalam arah radial juga akan berpengaruh terhadap adanya penyimpang geometri hasil pemotongan. Dalam hal ini akan berpengaruh terhadap kebulatan lubang. Akan tetapi pengukuran kebulatannya tidak dilakukan.

Tabel 2. Hasil pengukuran diameter D1 (atas), D2 (bawah) untuk panjang lubang 1 mm.

1 2 3 D1 D2 D1-D2 (D1-D2)/2 tg α α (menit) D1 0,970 0,998 1,021 0,996 0,027 0,0135 0,014 46 D2 0,942 0,971 0,994 0,969 D1 0,978 1,021 1,022 1,007 0,021 0,0105 0,011 36 D2 0,979 0,983 0,996 0,986 D1 1,015 1,014 1,001 1,010 0,031 0,0155 0,016 53 D2 0,991 0,982 0,965 0,979 D1 0,948 0,953 0,979 0,960 -0,018 -0,0090 -0,009 -31 D2 0,979 0,989 0,966 0,978 D1 0,930 0,915 0,949 0,931 -0,001 -0,0005 -0,001 -2 D2 0,929 0,918 0,948 0,932 D1 0,953 0,918 0,997 0,956 0,015 0,0075 0,008 26 D2 0,953 0,905 0,964 0,941 D1 1,051 1,080 1,046 1,059 -0,010 -0,0050 -0,005 -17 D2 1,078 1,083 1,045 1,069 D1 1,134 1,050 0,983 1,056 -0,014 -0,0070 -0,007 -24 D2 1,148 1,049 1,013 1,070 D1 1,151 1,139 1,141 1,144 -0,002 -0,0010 -0,001 -3 D2 1,167 1,138 1,132 1,146 Kuat Arus (Amp) Putaran (rpm) Obyek ukur Replikasi Diameter Rata-rata (mm) 1 35 50 75 2 35 50 75 3 35 50 75

(4)

Tabel 3. Hasil pengukuran diameter D1 (atas), D2 (bawah) untuk panjang lubang 1,2 mm. 1 2 3 D1 D2 D1-D2 (D1-D2)/2 tg α α (mm) (mm) (mm) (mm) (menit) D1 0,961 0,925 0,934 0,940 0,001 0,0005 0,000 1 D2 0,950 0,936 0,931 0,939 D1 0,966 0,977 0,975 0,973 0,003 0,0015 0,001 4 D2 0,966 0,966 0,976 0,969 D1 0,941 0,964 0,956 0,954 -0,005 -0,0025 -0,002 -7 D2 0,963 0,969 0,945 0,959 D1 0,971 0,976 1,008 0,985 0,022 0,0110 0,009 32 D2 0,957 0,960 0,973 0,963 D1 1,081 1,052 1,065 1,066 -0,010 -0,0050 -0,004 -14 D2 1,092 1,070 1,067 1,076 D1 1,078 1,046 1,074 1,066 0,021 0,0105 0,009 30 D2 1,056 1,033 1,047 1,045 D1 1,049 1,075 1,085 1,070 0,022 0,0110 0,009 32 D2 1,037 1,067 1,040 1,048 D1 1,094 1,060 1,095 1,083 0,025 0,0125 0,010 36 D2 1,074 1,048 1,052 1,058 D1 1,075 1,123 1,059 1,086 0,028 0,0140 0,012 40 D2 1,04 1,102 1,031 1,058 Obyek ukur Replikasi Diameter Rata-rata Kuat Arus (Amp) Putaran (rpm) 1 2 3 35 50 75 35 50 75 35 50 75

Tabel 4. Hasil pengukuran diameter D1 (atas), D2 (bawah) untuk panjang lubang 1,4 mm.

1 2 3 D1 D2 D1-D2 (D1-D2)/2 tg α α (mm) (mm) (mm) (mm) (menit) D1 1,046 1,070 1,061 1,059 -0,019 -0,0093 -0,007 -23 D2 1,079 1,080 1,074 1,078 D1 1,045 1,054 1,070 1,056 -0,017 -0,0087 -0,006 -21 D2 1,058 1,081 1,082 1,074 D1 1,070 1,062 1,075 1,069 0,002 0,0010 0,001 2 D2 1,073 1,069 1,059 1,067 D1 1,072 1,086 1,089 1,082 -0,001 -0,0003 0,000 -1 D2 1,067 1,093 1,089 1,083 D1 1,017 1,040 1,084 1,047 -0,023 -0,0113 -0,008 -28 D2 1,060 1,065 1,084 1,070 D1 1,088 1,041 1,070 1,066 -0,006 -0,0030 -0,002 -7 D2 1,082 1,065 1,070 1,072 D1 1,073 1,060 1,117 1,083 -0,026 -0,0132 -0,009 -32 D2 1,112 1,094 1,123 1,110 D1 1,076 1,090 1,082 1,083 -0,025 -0,0127 -0,009 -31 D2 1,112 1,112 1,100 1,108 D1 1,095 1,138 1,100 1,111 0,018 0,0090 0,006 22 D2 1,115 1,105 1,059 1,093 Kuat Arus (Amp) Putaran (rpm) Obyek ukur Replikasi Diameter Rata-rata 3 1 2 35 50 75 75 35 50 75 35 50

(5)

Gambar 4. Perbedaan D1 (awal) terhadap D2 (akhir), a) untuk panjang lubang 1 mm, b) panjang lubang 1,2 mm, dan c) untuk panjang lubang 1,4 mm

Selanjutnya pada Gambar 5, 6, dan 7, memperlihatkan kekonisan terhadap putaran elektroda. Setiap koin diuji dengan tiga tingkat putaran dan setiap putaran dengan tiga tingkat Kuat Arus. Pada panjang lubang 1 mm kekonisan cenderung membesar dengan bertambahnya putaran elektroda. Selain itu, terdapat 3 data yang terletak didaerah negatif, hal ini menunjukkan bahwa diameter awal lebih kecil dari pada diameter akhir. Kuat Arus 3 Amp merupakan yang terbesar dalam penelitian ini, namun menghasilkan kekonisan terkecil. Hasil ini, D1D2 merupakan anomali proses EDM. Kekonisan terkecil terjadi pada Kuat Arus 3 Amp, yang berarti kondisi pemotongan ini menghasilkan geometri yang terbaik. Selain itu, dari garis trendline linier menunjukkan bahwa kekonisan cenderung meningkat dengan bertambahnya putaran elektroda.

Selanjutnya, untuk panjang lubang 1,2 mm kekonisan terkecil saat pemotongan dengan Kuat arus 1 Amp dengan nilai 4 sampai dengan 7 menit. Nilai ini jauh lebih kecil dari pada Kuat Arus 2 dan 3 Amp. Pada kedua kuat arus ini kekonisan juga membesar dengan kenaikan putaran, sedangkan pada kuat arus 1 Amp hampir tidak terjadi

perubahan. Pada panjang lubang 1,4 mm kenaikan kekonisan jauh lebih tajam dari pada panjang lubang yang 1 dan 1,2 mm, dan yang menarik pada kasus ini adalah 80% data yang diperoleh D1D2. Hal ini menunjukkan bahwa konis membesar ke bawah (D2) serta mengungkapkan bahwa semakin panjang lubangnya terjadi anomali proses dikarenakan putaran elektroda.

Dari ketiga grafik Gambar 8, 9, dan 10 yaitu grafik antara kekonisan terhadap panjang lubang pada berbagai putaran, dan Kuat Arus konstan terlihat bahwa putaran semakin besar pada umumnya ketirusan semakin membesar ke bawah. Terlihat bahwa kondisi pemotongan Kuat Arus 1 Amp, panjang lubang 1,2 mm dengan putaran 35, 50 dan 75 rpm memberikan nilai terbaik masing-masing maksimal hanya 4; 1 dan 7 menit, lihat Gambar 8. Pada panjang lubang 1 mm efek ketiga putaran tidak signifikan dibandingkan dengan erosi dalam arah transfersal, hal ini terlihat dari diameter awal lebih besar dari pada diameter akhir. Sebaliknya terjadi pada panjang lubang 1,4 mm yaitu diameter awal lebih kecil dari pada diameter akhir. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 (mm) D2 (mm) 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 (mm) D2 (mm) 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 (mm) D2 (mm)

a)

b)

c)

(6)

Gambar 5. Putaran VS Kekonisan, panjang lubang 1 mm pada berbagai Kuat Arus.

Gambar 6. Putaran VS Kekonisan, panjang lubang 1,2 mm pada berbagai Kuat Arus.

Gambar 7. Putaran VS Kekonisan, panjang lubang 1,4 mm pada berbagai Kuat Arus.

-40 -20 20 40 60 0 20 40 60 80 Kek o n is an ( m en it) Putaran Elektroda (rpm)

Kuat Arus 1 Amp Kuat Arus 2 Amp Kuat Arus 3Amp

-40 -20 20 40 60 0 20 40 60 80 Kek o n is an ( m en it) Putaran Elektroda (rpm)

Kuat Arus 1 Amp Kuat Arus 2 Amp Kuat Arus 3Amp -40 -20 20 40 60 0 20 40 60 80 Kek o n is an ( m en it) Putaran Elektroda (rpm)

Kuat Arus 1 Amp Kuat Arus 2 Amp Kuat Arus 3Amp

(7)

Gambar 8. Panjang lubang VS Kekonisan, pada Kuat Arus 1 Amp dengan berbagai putaran elektroda.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Ketir u san ( m en it) Panjang lubang (mm) Putaran 35 rpm Putaran 50 rpm Putaran 75 rpm -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Ketir u san ( m en it) Panjang lubang (mm) Putaran 35 rpm Putaran 50 rpm Putaran 75 rpm -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Ketir u san ( m en it) Panjang lubang (mm) Putaran 35 rpm Putaran 50 rpm Putaran 75 rpm

(8)

4. KESIMPULAN

Dalam proses penggurdian dengan EDM-Mikro menggunakan elektroda berputar, selalu terjadi ketirusan. Arah perubahan diameter dapat membesar ke bawah atau ke atas yang disebabkan kombinasi pengaruh erosi dalam arah transversal dan simpangan elektroda yang berputar. Nilai ketirusan juga dipengaruhi besarnya Kuat Arus serta panjang lubang.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Universitas Trisakti yang telah membiayai penelitian ini melalui Anggaran tahun 2019-2020. Kepada 4 mahasiswa Program Sarjana, Jurusan Teknik Mesin yang terlibat dalam penelitian ini, juga diucapkan terima kasih.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Leera Raju, Somashekhar S. Hiremath, “A State-of-the-art Review on Micro Electro-Discharge Machining.” Procedia Technology 25, pp 1281–1288, 2016. Available: www.sciencedirect.com2212-0173 [2020].

[2] J. Richard, R. Demellayer. ”Micro-EDM-milling Development of new machining technology for micro-machining.” The Seventeenth CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM), Procedia CIRP 6, pp. 292 – 296, 2013.

[3] B. Sukoco, dkk. “Design of Micro-EDM Machines.” In Proc. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin, SNTTM, pp. 1-9, 2018.

[4] G.P. Jadhav & N. Narve. “A Review Paper on Rotary Electro-Discharge Machining”. International Journal of Scientific and Engineering Research, Vol 1, pp. 32, 2016. [5] Muhammad Adi Nugroho M. R, “Rancang Bangun Mekanik

Elektroda Berputar Untuk Proses Sinking Pada Mesin Edm-Mikro.” Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Trisakti, Jakarta, Indonesia, 2019.

[6] Muhammad Irfan Naufal. “Perbandingan Keausan Antara Elektroda Tungsten, Tembaga dan Stainless Steel Pada Proses Pemesinan Baja Perkakas SKD 61 dengan Mesin Micro-EDM (Microelectrical Discharge Machining)”Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Trisakti, Jakarta, Indonesia, 2019.

[7] Nanda Prayoga. “Pengaruh Putaran Elektroda Terhadap Ketirusan Pada Proses Mikro-EDM.” Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Trisakti, Jakarta, Indonesia, 2019.

[8] G. Semon, A Practical Guide to Electro-Discharge Machining, Ateliers des Charmilles, 1975.