KAJIAN SUB – PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING
MENGGUNAKAN PAHAT CBN TESIS OLEH E N Z O W B S 087015011/MTM FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
KAJIAN SUB – PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING
MENGGUNAKAN PAHAT CBN
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik (MT) Dalam Program Studi Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
E N Z O W B S 087015011/MTM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Judul Tesis : KAJIAN SUB – PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING MENGGUNAKAN PAHAT CBN
Nama Mahasiswa : Enzo W B S
Nomor Pokok : 087015011/MTM
Program Studi : MAGISTER TEKNIK MESIN
Menyetujui,
Komisi Pembimbing
Ketua
Prof. Dr. Ir.Armansyah Ginting, M.Eng.
Dr. Nasruddin Noer, M.Eng,Sc Ir. Syahrul Abda, MSc. Anggota Anggota
Ketua Program Studi, Dekan Fakultas Teknik
Dr. Eng. Ir. Indra, M.T Prof. Dr. Ir. H.Bustami Syam, MSME.
Telah diuji pada
Tanggal : 14 Januari 2012
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting. M.Eng. Anggota : 1. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng,Sc
2. Ir. Syahrul Abda, M.Sc 3. Dr. Eng. Ir. Indra, M.T 4. Ir. Alfian Hamsi, M.Sc
ABSTRAK
Keutuhan sub-permukaan memegang peranan penting dalam kualitas produk. Dalam penelitian ini, dampak laju pemotongan, gerak makan, kedalaman potong, dan keausan pahat terhadap sub – permukaan baja AISI 4140 pada pemesinan akhir untuk pemesinan laju tinggi, pemesinan keras dan pemesinan kering dikaji secara eksperimen menggunakan material pahat CBN. Empat parameter uji dengan tiga tingkatan kecepatan potong yaitu rendah, sedang dan tinggi. Analisa data dilakukan secara kuantitatif dan kualitatif. Analisa kuantitatif didasarkan pada variabel terikat yaitu perubahan kekerasan mikro yang diperoleh dari variabel bebas yaitu laju pemotongan, laju pemakanan, kedalaman pemotongan dan keausan pahat. Analisa data kualitatif dilaksanakan atas dasar variabel terikat yaitu perubahan kekerasan mikro, perubahan struktur mikro, dan kemungkinan munculnya lapisan putih pada sub –permukaan baja AISI 4140. Interaksi laju pemotongan, gerak makan, kedalaman pemotongan serta keausan pahat tampak berpengaruh. Secara khusus ditemukan bahwa pada range keausan pahat CBN 0,16 mm sampai dengan 0,31 mm mampu menghasilkan perubahan struktur mikro ferit dan perlit, perubahan kekerasan mikro dan tidak menampakkan lapisan putih pada benda kerja baja AISI 4140 dengan ketebalan sampel setebal 0,5 mm.
Kata Kunci: Laju Pemotongan, Gerak Makan, Kedalaman Pemotongan, Keausan Pahat, Struktur Mikro, Kekerasan Mikro
ABSTRACT
The integrity of the sub - surface plays an important role in product quality. In this study, the impact of rate cuts, feed motion, depth of cut, cutting tool wear and tear on the sub - surface machining of steel AISI 4140 on the end for high speed machining, hard machining and dry machining studied experimentally using CBN cutting tool material. Four test parameters with three levels of cutting speed is low, medium and high. Conducted the data analysis of quantitative and qualitative. Quantitative analysis is based on the dependent variable is the change of micro hardness obtained from the independent variable is cutting speed, feed rate, depth of cut, tool wear. Qualitative data analysis conducted on the basis of the dependent variable is the micro hardness alternation, microstructure alternation, and the possible emergence of a white layer on the sub-surface of AISI 4140 steel. Interaction cutting speed, feed rate, depth of cut, tool wear visible effect. In particular it was found that the range of CBN cutting tool wear of 0.16 mm to 0.31 mm is capable of producing changes in the ferrite and pearlite microstructure, micro hardness alternation and did not show the white layer on AISI 4140 steel workpiece with a thickness of 0.5 mm thick
Keywords: Cutting Speed, Feed Rate, Depth Of Cut, Tool Wear, Microstructure, Microhardness
samples.
RIWAYAT HIDUP
N a m a : Enzo Wiranta Battra Siahaan Jenis Kelamin : Laki - laki
Tempat / Tanggal lahir : Medan / 24 Agustus 1984
Kebangsaan : Indonesia
Agama : Kristen Protestan
Alamat : Jalan Dahlan Tanjung No.86A, Kelurahan Pekan Tanjung Morawa,
Kecamatan Tanjung Morawa, 20362. e-mail : [email protected] Pendidikan Formal
Tahun
Jenjang Pendidikan
Masuk Tamat1990 1996 Sekolah Dasar (SD) Methodist Tanjung Morawa
1996 1999 Sekolah Menengah Pertama (SMP) Methodist Tanjung Morawa 1999 2002 Sekolah Menengah Atas (SMA) Methodist Tanjung Morawa
2002 2005 Diploma III Politeknik Negeri Medan
2005 2008 Sarjana Teknik, Universitas Sumatera Utara
Pendidikan Non Formal
Tahun
Bidang Pendidikan/Kursus
Mulai Sampai04/06/2004 11/08/2004 Paket Khusus Konstruksi Autocad
April 2005 April 2005 Upper Elementry Conversation
Pengalaman Pekerjaan :
No
Tahun
Diskripsi
Posisi
Mulai Sampai1. 06/02/2008 08/07/2008 Maintenance Mesin Cup Staf Maintenance
2. 17/07/2008 Sekarang
Tenaga Pengajar Tingkat SMK Teknologi Industri Jurusan Teknik Kendaraan
Ringan (YP. Wira Jaya)
Guru Bidang Studi
3. 17/11/2008 Sekarang
Tenaga Pengajar di Universitas Setia Budi
Mandiri. Dosen Tidak Tetap
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena Berkat, Rahmat dan KaruniaNya yang telah diberikan kepada penulis sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan judul ”KAJIAN SUB-PERMUKAAN BAJA PADUAN KEKERASAN TINGGI AISI 4140 HASIL PEMBUBUTAN LAJU TINGGI DAN KERING DENGAN MENGGUNAKAN PAHAT CBN”.
Penulisan tesis ini adalah sebagai hasil penelitian dalam rangka menyelesaikan pendidikan Magister Teknik Mesin bidang Manufaktur, pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam suka dan duka ketika penyusunan tesis ini banyak bantuan, dorongan saran telah diberikan kepada penulis dan untuk ini penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan kepada: Bapak Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting,M.Eng, selaku ketua komisi Pembimbing, Bapak Dr.Nasruddin Noer,M.Eng,Sc, dan Bapak Ir.Syahrul Abda,M.Sc yang masing-masing sebagai anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan arahan dan petunjuk kepada penulis mulai dari pembuatan proposal hingga menjadi tesis. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME selaku Dekan Fakultas Teknik, Bapak Dr.Eng.Ir.Indra,M.T selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan masukan, saran dan dukungan serta penggunaan fasilitas dalam melakukan penelitian ini. Seluruh Dosen dan staf administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan membantu terlaksananya proses penyelesaian tesis ini serta rekan dan para sahabat mahasiswa Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih kepada kedua orang tua Ayahanda dan Bunda serta saudara-saudaraku yang telah memberikan doa, dukungan dan semangat kepada penulis dalam menyelesaikan tesis ini.
Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dalam penulisan tesis ini maka kritik dan saran demi perbaikan sangat diharapkan sehingga tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Semoga Tuhan membalas semua kebaikan yang telah diberikan. Amin.
Medan, Desember 2011 Penulis
Enzo Wiranta Battra Siahaan
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTACT ... ii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... iii
KATA PENGANTAR ... ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR LAMPIRAN ... .. xiv
DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 4
1.3. Tujuan Penelitian ... 5
1.4. Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Proses Pemotongan dengan Bubut ……….…………... 6
2.2. Kondisi Pemotongan ……….……….. 10
2.2.1. Kedalaman Potong ……… 10
2.2.2. Kecepatan Potong ………. 11
2.2.3. Gerak Makan ………. 11 vii
2.3. Metalurgi Sub-Permukaan ……..……….. 12
2.3.1. Perubahan Struktur Mikro (Microstructure) ..………... 12
2.3.2. Perubahan Kekerasan Mikro (Microhardness) ……….….… 16
2.3.3. Pembentukan Lapisan Putih (White Layer)……….…... 19
2.4. Konsep Pemesinan Terkini ………..………. 22
2.4.1. Pemesinan Laju Tinggi ... 22
2.4.2. Pemesinan Keras ... 23
2.4.3. Pemesinan Kering ... 25
2.5. Pahat Potong ... 27
2.5.1. Umur Pahat ... 30
2.5.2. Suhu Pemotongan dan Aus Pahat ... 31
2.6. Bahan Teknik ... 32
2.6.1. Sifat dan Karakteristik Logam ... 33
2.7. Pemilihan Bahan ... 34
BAB III METODE PENELITIAN ... 37
3.1. Tempat dan Waktu ………. 37
3.2. Bahan ………. 37
3.2.1. Material Benda Uji ……… 37
3.2.2. Material Pahat ……… 39
3.3. Peralatan ………. 40
3.3.1. Mesin Bubut Konvensional ………... 40
3.3.2. Fixed Steady……… 41
3.3.3. Tool Holder ……… 42
3.3.4. Mikroskop USB Digital Rax Vision ……….. 42
3.3.5. Scanning Electron Microscopy (SEM) ……….. 43
3.3.6. Mikroskop Optik ………... 44
3.3.7. Microhardness Test ……….….. 45
3.4. Metode Penelitian ………... 46
3.4.1. Variabel yang diamati ... 47
3.4.2. Pengumpulan Data ... 47
3.4.3. Rancangan Kegiatan Pemesinan ... 49
3.4.4. Kerangka Konsep Penelitian ... 52
3.5. Persiapan Material Benda Uji ……….….….. 53
3.5.1. Proses Pemotongan Sampel Uji ………...… 53
3.5.2. Proses Pencetakan Sampel (Mounting Process)………. 53
3.5.3. Proses Penghalusan (Grinding Process) ………..….. 54
3.5.4. Proses Pemolesan (Polishing Process) ……….. 55
3.5.5. Proses Etsa (Etching Process) ……… 55
3.6. Teknik Pengukuran, Pengolahan Data dan Analisa Data ………… 56
3.6.1. Pengukuran Kekerasan Mikro ... 56
3.6.2. Analisa Metalurgi Sub-Permukaan Termesin ... 56
3.6.3. Pengolahan Data dan Analisa Data ... 57
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ……….. 58
4.1. Data Hasil Pengujian ... 58
4.2. Hasil Pengujian Metalography Baja AISI 4140 ………....…….…. 60
4.2.1. Hasil Metalurgi Sub-Permukaan ………....……… 60
4.2.2. Hasil Kekerasan Mikro (Microhardness) ……….……. 68
4.3. Analisa Gangguan-Gangguan Pada Sub-Permukaan ……….. 69
4.3.1 Pemeriksaan Kemungkinan Terbentuknya Lapisan Putih (White Layer) ………...……… 69
4.3.2 Pengaruh Perubahan Struktur Mikro terhadap Laju Pemotongan dan Keausan Pahat ………..… 70
4.3.3 Perubahan Kekerasan Mikro (Microhardness) ……….. 73
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ……… 81
5.1 Kesimpulan ... 81
5.2 Saran ……….……….……… 82
DAFTAR PUSTAKA……….………..………...……. 83
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1. Perbandingan Sifat Pahat ……….… 29
2.2. Komposisi AISI 4140 ... 35
2.3. Sifat Mekanik AISI 4140 ... 36
3.1. Komposisi Kimia Bahan AISI 4140 ... 38
3.2. Sifat Mekanik AISI 4140 ... 38
3.3. Sifat Mekanik dan Sifat Thermal dari Pahat CBN …………. 40
3.4 Spesifikasi Mesin Bubut Konvensional Merk EMCO Tipe Maximat V13 ………. 41
3.5 Desain Pengujian dengan Metode CCF ……….. 48
4.1 Data Hasil Pengujian ……….. 58
4.2 Data Kondisi Pemotongan Untuk Pembahasan …………. 59
4.3 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm ………... 68
4.4 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm ………. 68
4.5 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm ………... 68
4.6 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,16 mm/put , a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm ………. 68
4.7 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm ……… 68
4.8 Data Kekerasan Mikro Dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm ……….. 69
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Skematis Proses Bubut ……….. 7
2.2. Pahat Potong dan Tool Holder ………. 8
2.3. Proses Bubut ... 9
2.4 Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3 2.5 Diagram TTT Untuk Baja Hypoeutectoid ……….. 16
C) …………. 14
2.6 Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Tempering Baja Hardened dan dengan Nital 2% ………... 20
2.7 Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Baja Normalized d engan Nital 2% ……….……… 20
2.8 Lapisan Putih yang Etsa pada Permukaan Baja Cor Adamite dengan berubah menjadi Ledeburite dengan Nital 2% ………..…… 21
2.9 Kecepatan Potong Pada Proses Laju Tinggi ... 23
2.10 Kekerasan Panas dan Ketahanan Aus Pahat Terhadap Kekuatan dan Ketangguhan ... 28
2.11 Tingkat Kekerasan dan Ketahanan Aus Pahat Terhadap Temperatur ... 29
2.12 Perbandingan Panas yang Diserap Pahat ………. 31
2.13 Diagram Pembagian Material Teknik ... 32
3.1. Material Benda Kerja ... 38
3.2. Pahat CBN (Cubic Boron Nitride) ………. 39
3.3. Geometri Pahat CBN (Cubic Boron Nitride) ………. 39
3.4. Mesin Bubut Konvensional Merk EMCO Tipe Maximat V13………40
3.5 Fixed Steady ………... 41
3.6 Tool Holder Sandvick Coromant ……… 42
3.7 Mikroskop USB Digital Rax Vision ………... 43
3.8. Scanning Electron Microscopy (SEM) ………... 44
3.9 Mikroskop Optik ……….. 45
3.10. Microhardness Test ……… 45
3.11 Metode Pemotongan Orthogonal dan Miring (Oblique) ………….. 47
3.12 Set-Up Mesin ……….. 51
3.13. Kerangka Konsep Penelitian ………. 52
4.1. Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm ……… 60
4.2 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm ……….…… 61
4.3. Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm ………... 61
4.4 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm ………. 62
4.5 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm ………... 62
4.6 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min, f = 0,16 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm ………. 63
4.7. Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Menggunakan Peralatan SEM untuk Kondisi Tanpa Permesinan ……….….. 63
4.8 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min, f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,31 mm ……… 64
4.9 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 200 m/min,
f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,16 mm ……….…… 65
4.10 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min,
f = 0,1 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,14 mm ……….. 65
4.11 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 225 m/min,
f = 0,16 mm/put, a = 0,7 mm, VB = 0,20 mm ………. 66
4.12 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min,
f = 0,1 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,30 mm ………... 66
4.13 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Kondisi v = 250 m/min,
f = 0,15 mm/put, a = 0,3 mm, VB = 0,10 mm ………. 67
4.14 Hasil Pengujian Mikrostruktur dengan Menggunakan Mikroskop
Optik untuk Kondisi Tanpa Permesinan ……….. 67
4.15 Grafik Perubahan Kekerasan Mikro ………. 75
4.16 Perbandingan Perubahan Kekerasan Mikro ……….… 76
4.17 Perbandingan antara Kecepatan Potong dengan Nilai Kekerasan ... 77 4.18 Perbandingan antara Kedalaman Potong dengan Nilai Kekerasan.. 78 4.19 Perbandingan antara Gerak Makan dengan Nilai Kekerasan ……. 79 4.20 Perbandingan antara Keausan Pahat dengan Nilai Kekerasan …… 80
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
1 Spesifikasi Material Kerja ……… 86
2 Spesifikasi Pahat CBN CB 7015 ……….. 87
3 Tabel Geometri Pahat CBN ………. 88
4 Rekomendasi Kedalaman Pemotongan ……… 89
5 Spesifikasi Mikroskop USB Digital Rax ……….. 90
DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH
a : Kedalaman potong (depth of cut) mm
T : Temperatur potong o
C
C
: Panas spesifik (specific heat) J/Kgo
d
C
: Diameter rata-rata benda kerja mm
dm : Diameter akhir benda kerja mm
do : Diameter mula benda kerja mm
E : Modulus elastisitas (modulus of elasticity) MPa
f : Laju suapan mm/rev
G : Modulus elastisitas geser (shear modulus) MPa
n : Putaran mesin rpm
Ra : Kekasaran Permukaan µm
h : Tinggi kontour kekasaran permukaan µm
VB : Aus sisi pahat mm
rc : Radius ujung pahat mm
V : Kecepatan potong (cutting speed) m/min
Z : Kecepatan penghasilan geram (rate of metal removal) cm3 γ
/mnt
: Berat spesifik (specific weigth) kN/m
γ
3 :
o Sudut sadak pahat ( o)
γn : Sudut pembentuk kawah pemutus serpihan pada pahat ( o λs
)
: Sudut miring pahat (oblique inclination angle) ( o
σ
) :
u Tegangan tarik (ultimate tensile strength) MPa
σy : Tegangan geser (tensile yield strength) MPa
µ : Poisson's ratio
ρ : Density g/cm
Ф
3
: Sudut patah serpihan ( o
Kr
)
: Sudut potong utama ( o
K
)
: Konduktiftas termal W/mK
