DESAIN DAN PABRIKASI GERINDA TOOLPOST PADA MESIN BUBUT KONVENSIONAL Zuhaimi Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin
Email :
[email protected] Politeknik Negeri Lhokseumawe
Abstrak Gerinda toolpost merupakan gerinda silinder yang dipasang pada mesin bubut, sebagai proses permesinan lanjut pada pekerjaan finishing untuk mendapatkan harga kekasaran permukaan mencapai N5. Desain dan pabrikasi disesuaikan dengan dimensi pada peluncur silang (cross slide) mesin bubut konvensional. Untuk memperoleh hasil yang optimum, maka dilakukan pengujian pada suatu benda kerja (work piece) dan diukur kekasaran permukaan hasil penggerindaan dengan menggunakan stylus instrument (Surftest 402). Respon getaran juga diamati dengan alat Vibrometer analog VM-3314A, baik tanpa beban maupun dengan pemakanan pada berbagai variasi kedalaman (depth of cut). Harga kekasaran permukaan (Ra) yang optimum diperoleh pada N5 (0,5 µm) dengan kedalaman pemakanan 0,02 mm. Respon getaran terbesar terjadi pada periode awal pengukuran, dan makin tebal kedalaman pemakanan respon getaran makin besar serta semakin besar pula angka kekasaran permukaan yang dihasilkan. Kata kunci: Mesin bubut konvensional, gerinda toolpost, respon getaran, kekasaran permukaan
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Konsep ketelitian dan ketepatan dalam pembuatan komponen mesin memerlukan perhatian tersendiri yang tak kalah penting sehingga menghasilkan bentuk yang semakin kompak dan ringan. Proses permesinan sampai saat ini masih tetap merupakan proses yang paling banyak digunakan (60% s.d 80%) di dalam membuat suatu mesin yang komplit. Tantangan bagi dunia industri sekarang adalah kurangnya informasi tentang penelitian untuk memecahkan permasalahan teknologi manufaktur. Berbagai penelitian dilakukan dengan tujuan, untuk mengetahui lebih jauh hubungan antara variabel proses pemotongan yang optimum. Proses penggerindaan (grinding) merupakan proses permesinan lanjut untuk mendapatkan tingkat kekasaran permukaan tertentu yang dapat dicapai pada proses pengerjaan akhir (finishing). Pekerjaan gerinda ini juga dapat dilakukan untuk menghaluskan benda kerja yang telah dikeraskan (heat-treated). Pada proses gerinda, sebagai pahat berupa batu gerinda berbentuk piringan (grinding wheel/disk) yang dibuat dari campuran serbuk abrasif dan bahan pengikat dengan komposisi tertentu. Fenomena chatter atau getaran dari eksistensi yang timbul selama proses pemotongan dengan mesin gerinda toolpost pada mesin bubut
konvensional, hal ini merupakan permasalahan yang perlu dikaji tentang pengaruh antara getaran dan hasil penggerindaan permukaan suatu benda kerja (surface roughness in grinding operation). 1.2 Perumusan Masalah Proses permesinan dengan menggunakan pahat potong, memerlukan perhatian khusus pada pengaturan kondisi pemakanan (cutting condition). Kebanyakan bengkel atau industri, sering kita temukan proses permesinan yang dilakukan kurang benar ataupun terkadang dilaksanakan dengan cara yang sama sekali salah. Beberapa kesalahan yang sering dijumpai di antaranya; kecepatan potong yang terlalu rendah yang mengakibatkan permukaan produk terlalu kasar, pemilihan pahat yang tidak sesuai dengan pekerjaaan yang dilakukan, cara pencekaman benda kerja tidak benar yang dapat mengakibatkan kesalahan geometrik produk melebihi batas-batas toleransi. Dengan penggunaan gerinda toolpost, diharapkan dapat menghaluskan permukaan benda kerja sesuai dengan batas toleransi yang dikehendaki serta keuntungan lainnya adalah benda kerja yang telah dibubut dapat langsung dihaluskan dengan gerinda ini. Untuk menyelidiki kelayakan desain dan pabrikasi gerinda toolpost pada mesin bubut konvensional, diperlukan suatu uji performance alat sehingga diperoleh hasil
1
penggerindaan yang optimum. Dalam penelitian ini akan digunakan alat uji getaran, Vibrometer analog VM-3314A, buatan IMC Coorperation Japan, yang mampu menyelidiki respon getaran yang terjadi pada gerinda toolpost dengan pengujian tanpa beban dan dengan beban. Pengujian juga dilakukan pada produk, yaitu uji kekasaran permukaan dengan menggunakan alat Mitutoyo Surftest-402. 1.3 Tujuan Penelitian Benerapa tujuan yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah: 1. Untuk mendapatkan suatu hasil rancangan dan pabrikasi gerinda toolpost yang sesuai dengan tingkat toleransi yang diizinkan. 2. Untuk mengetahui hubungan Kedalamam pemakanan dan kekasaran permukaan yang terjadi pada produk hasil penggerindaan 3. Mengetahui hubungan respon getaran dan kekasaran permukaan yang terjadi pada produk hasil penggerindaan. 1.4 Manfaat Penelitian Hasil riset ini diharapkan dapat bermanfaat bagi bengtkel-bengkel produksi sebagai informasi dalam mengatur kondisi pemakanan pada proses permesinan, dan gerinda toolpost ini sangat efektif penggunaannya karena setelah dibubut langsung bias dihaluskan. Alat ini juga dapat dijadikan topik penelitian lanjut bagi dosen jurusan Teknik Mesin. II. TINJAUAN PUSTAKA Menurut Chris Heapy (1996), konstruksi alat grinding toolpost yang pernah dirancang pada mesin bubut konvensional dengan kecepatan putar 2500 rpm seperti terlihat pada gambar 1.
Gambar 1. Alat Gerida Toolpost Mesin gerinda toolpost ini adalah digunakan untuk pengerjaan akhir (finishing) dari hasil bubutan, penanganan pada pengerjaan ini biasanya untuk memperoleh hasil kekasaran permukaan mencapai N5. Proses Penggerindaan Menurut Serope Kalpakjian (1984), bahwa hasil permukaan spesimen yang digerinda secara aktual di dalam prakteknya didapat dari kedalaman pemakanan 0,0005 s/d 0,0003 in (0,01 s/d 0,07 mm). Ketentuan
tersebut perlu diperhatikan untuk mendapatkan proses penyelesaian akhir (finishing) sesuai dengan yang diharapkan. Kecepatan periferal batu gerinda menurut Taufiq Rochim (1993) dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan; d s ns vs
60.000
; m/s
vs = kecepatan periferal batu gerinda (20 s.d 60 m/s) Pada proses gerinda silinder yang dilakukan dengan alat gerinda toolpost, benda kerja juga ikut berputar dan kecepatan periferal benda kerja (work piece) yaitu; vw
d w nw ; m/s 60.000
Kecepatan periferal benda kerja ini jauh lebih kecil daripada kecepatan periferal batu gerinda, rasio kecepatan yang ditetapkan; q
vs ; rasio kecepatan = 20 s.d 120 vw fr nw
ds
ns
bs
dw
fa
Vw Vs
lw
Gambar 2. Proses Gerinda Silindrik Batu gerinda dibuat dari campuran serbuk abrasif dengan bahan pengikat. Untuk menjamin keberhasilan dari hasil penggerindaan dengan memilih batu gerinda yang sesuai, maka ISO merekomendasikan pemakaian jenis batu gerinda yang telah distandardkan (ISO 5251975E, Bonded Abrasive Products). Kekasaran Permukaan (surface roughness) Menurut G. Takeshi Sato et. Al (1989) kekasaran permukaan dari suatu proses pengerjaan mesin bubut merupakan faktor yang sangat penting dalam bidang produksi, dalam proses pengerjaan ini adalah untuk menjamin mutu , akurasi, dan kepresisian suatu komponen. Untuk memperoleh kualitas dari hasil pengerjaan pemesinan dari hasil bubutan diperlukan pengerjaan finishing dengan mengatur kecepatan putaran , depth of cut dan kecepatan langkah pemakanan, yang bertujuan untuk mencapai suatu angka standar yaitu angka kekasaran permukaan ratarata ( Ra) dengan nilai tingkat kekasaran permukaan (N) tertentu. Untuk menghitung nilai angka kekasaran
2
permukaan rata-rata yaitu dengan persamaan sebagai berikut : Ra = A1 A2 A3 .......An = L
menggunakan
A L
Nilai Ra menurut Serope Kalpakjian (1984) adalah jumlah rata-rata puncak tertinggi dan terendah setiap gelombang serta berbanding terbalik dengan panjang sampel. III. METODOLOGI PENELITIAN Proses pembuatan dan pabrikasi peralatan gerinda toolpost, dimulai dari desain awal yang disesuaikan dengan dudukan peluncur silang (cross slide) pada mesin bubut konvensional. Hasil desain ini dalam bentuk perhitungan komponen utama, sampai menghasilkan gambar rancangan dan gambar detail yang siap untuk di pabrikasi. Proses desain dan menggambar komponen dilakukan di laboratorium komputer Jurusan Teknik Mesin PNL, sedangkan pekerjaan pabrikasi dan pengujian dilakukan langsung di laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Teknik Mesin PNL. Set-up Pengujian Untuk menguji kemampuan (performance) alat gerinda toolpost, dilakukan dengan dua bentuk pengujian, yaitu; a. Pengujian getaran dengan menggunakan Vibrometer analog VM-3314A, dengan tiga arah pengukuran; arah aksial (Hx), arah radial (Hr), dan arah vertikal (Hv) seperti ditunjukkan pada gambar 3. Pengujian ini dilakukan pada kondisi tanpa beban dan dengan berbagai variasi kedalaman pemakanan.
Vibrometer
Hv Hx Hr 1000
1000
180 0
60
Gambar 3. Set-up Pengujian Getaran
b. Pengujian kekasaran permukaan pada spesimen baja karbon rendah dengan menggunakan alat uji Mitutoyo Surftest-402 seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4. Set-up Pengujian Kekasaran Permukaan Spesimen uji disiapkan 12 buah dengan kedalaman pemakanan ditetapkan; 0,02 mm, 0,04 mm, 0,06 mm dan 0,08 mm yang masing-masing 3 kali perulangan. Prosedur Pengujian 1. Pasang spesimen pada pencekam (chuck) mesin bubut, dan periksa kelurusan dengan menggunakan dial gauge. 2. Set putaran mesin bubut untuk langkah finishing pada penggerindaan benda uji yaitu pada putaran n = 180 rpm. 3. Atur langkah maju batu gerinda agar menyentuh permukaan spesimen dengan cara memutar eretan pada peluncur silang (cross slide) pada mesin bubut. 4. Hidupkan mesin bubut, mesin gerinda dan atur kedalaman pemakanan sebesar 0,02 mm dan gerak pemakanan 0,05 mm/rev, kemudian lakukan proses penggerindaan sepanjang spesimen sampai selesai. Lakukan hal yang sama untuk spesimen lain sampai dengan 3 kali perulangan. 5. Pada saat penggerindaan sedang berlangsung, lakukan pengukuran getaran pada tiga arah sesuai dengan metode pengujian diatas dan catat hasilnya. 6. Setelah selesai, buka spesimen dan lakukan pengukuran kekasaran permukaan dengan menggunakan alat Mitutoyo Surftest dan catat hasilnya. 7. Lakukan langkah 1-6 untuk pengaturan ketebalan pemakanan 0,04 mm dan seterusnya sampai ke empat perlakuan pada spesimen selesai dikerjakan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Manufakturing Prototipe Setelah dilakukan proses desain yaitu mulai dari menentukan jenis material, melakukan perhitungan sampai selesai membuat gambar detailnya. Selanjutnya dengan menggunakan beberapa peralatan, proses pabrikasi gerinda toolpost dapat dilakukan sampai alat tersebut siap dirakit. Prototipe alat gerinda toolpost dari hasil manufaktur ini, kemudian di pasang pada peluncur silang (cross slide) mesin bubut konvensional seperti ditunjukkan pada gambar 5, dan alat ini siap untuk dilakukan pengujian.
3
Grafik Hubungan Acceleration vs Time
Acceleration (Cm/s 2)
0.3 0.255 0.2 0.155 Hx Hr
0.1
Hv 0 0
1
2
3
4
Tim e (s )
Gambar 5. Prototipe Gerinda Toolpost Pada saat pelaksanaa pengujian, putaran mesin bubut diatur pada 180 Rpm dan kondisi pemakanan yang sesuai di seting pada gerak pemakanan 0,05 mm/rev. 4.2 Pengukuran Getaran dan Kekasaran Respon getaran pada tahap awal pengukuran, dilakukan tanpa beban dengan mengamati hubungan displacement, velocity, acceleration masing-masing terhadap periode waktu pengukuran.
Gambar 8. Respon getaran pengukuran acceleration Respon getaran untuk pengukuran acceleration pada gambar 8, relatif konstan untuk ketiga arah pengukuran dan kenaikan yang tajam terjadi pada periode awal pengukuran. Berikut Pengukuran respon getaran pada kondisi pemakanan (a) 0,02 mm ditunjukkan pada gambar 9, dengan putaran mesin gerinda toolpost 3640 Rpm, putaran mesin bubut konvesional (n) 180 Rpm dan kecepatan potong (f) 0,05 mm/rev. Grafik Hubungan Displacement vs Time pada Kedalaman Pemakanan 0,02 mm
Grafik Hubungan Displacement vs Time 30 25
20.5
20 15
11
10
Hx Hr Hv
5
Displacemen ( mm)
Displacement ( mm)
25
0 0
1
2
3
24.2
20 15
14.5 Hx
10
Hr 5
Hv
0
4
0
Tim e (s) Gambar 6. Respon getaran pengukuran displacement
1
2
3
4 Tim e (s)
5
6
7
Gambar 9. Respon getaran pada pemakanan 0,02 mm Gambar 6 menunjukkan hubungan displacement vs time untuk arah pengukuran Hx, Hr, dan Hv. Respon getaran diperlihatkan relatif konstan terhadap waktu. Titik tertinggi terjadi pada pengukuran arah radial pada periode 1 detik, yaitu sebesar 20,5 µm dan terendah pada pengukuran ke 4 dengan arah aksial, yaitu 11 µm. Grafik Hubungan Velocity vs Time
0.3
Grafik Hubungan Displacement vs Time pada Kedalaman Pemakanan 0,04 mm
0.295 30
0.2 Hx Hr Hv
0.1
0.12
0 0
1
2
3
4
Tim e (s)
Gambar 7. Respon getaran pengukuran velocity
Displacement ( mm)
Velocity (Cm/s)
0.4
Kurva menunjukkan bahwa angka getaran relatif lebih tinggi terjadi pada pengukuran arah radial, di mana hal ini berkaitan dengan gerak dari pemakanan batu gerinda terhadap benda kerja (spesimen). Pada kondisi ini respon getaran relatif terjadi penurunan terhadap waktu. Harga maksimum respon getaran terjadi pada arah radial dengan harga 24,2 µm dan harga minimum pada pengukuran arah aksial, yaitu sebesar 14.5 µm.
26
25 20
15.5
15 Hx
10
Hr 5
Hv
0 0
Hubungan velocity vs time seperti pada gambar 7, menjelaskan bahwa respon getaran relatif konstan terhadap waktu, kecuali pada pengukuran arah aksial yang terjadi kenaikan tajam akibat kejutan.
1
2
3
4
5
6
7
Tim e (s )
Gambar 10. Respon getaran pada pemakanan 0,04 mm Respon getaran yang ditunjukkan pada gambar 10 adalah pada kedalaman pemakanan 0,04 mm. Kurva
4
Grafik Hubungan Displacement vs Time pada Kedalaman Pemakanan 0,06 mm 30 Displacement ( mm)
25.8
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 19
25
19.5
20
20.5
21
21.5
22
22.5
23
Respon Getaran ( m m ) 20 16.2
15 10
Hr 5
Hv
0
1
2
3
4 Tim e (s)
5
6
7
Gambar 11. Respon getaran pada pemakanan 0,06 mm Tipikal grafik yang ditunjukkan pada gambar 11, menjelaskan bahwa respon getaran cenderung menurun secara merata untuk semua arah pengukuran seiring dengan periode pengukuran. Grafik Hubungan Displacement vs Time pada Kedalaman Pemakanan 0,08 mm 30
27.2 25 20
17 15 Hx
10
Hr 5
Hv
0 0
1
2
3
4 Time (s)
5
6
7
Gambar 12. Respon getaran pada pemakanan 0,08 mm Gambar 12 menunjukkan kurva respon getaran pada kedalaman pemakanan 0,08 mm, di mana harga terbesar pada arah radial sebesar 27,2 µm dan terendah pada 17 µm arah vertikal. Kondisi respon getaran relatif menurun mengikuti waktu dan penurunan yang tajam terjadi pada periode ke 3 dan 4 yang selanjutnya pada akhir periode waktu, cenderung stabil. Kekasaran Permukaan ( mm)
Gambar 14 Kekasaran permukaan vs respon getaran
Hx
0
Displacement ( mm)
menunjukkan bahwa makin tebal pemakanan harga kekasaran permukaan makin besar pula dan peningkatan yang tajam terjadi pada kedalaman pemakanan antara 0,04 mm s.d 0,06 mm. Kekasaran Permukaan ( mm)
menunjukkan terjadi penurunan mengikuti waktu dan pada akhir periode waktu cenderung stabil. Untuk pengukuran arah aksial terjadi sedikit fluktuasi dan harga tertinggi sebesar 26 µm, harga terendah 15,5 µm juga terjadi pada arah aksial. Untuk kedalaman pemakanan 0,06 mm seperti ditunjukkan oleh gambar 11, di mana seting kondisi pemakanan masih sama.
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4 0
0.02
0.04
0.06
0.08
Kedalaman Pemakanan (mm)
Gambar 13 Kekasaran permukaan vs pemakanan Kurva hubungan kekasaran permukaan dan kedalaman pemakanan seperti ditunjukkan oleh gambar 4.13,
Hubungan kekasaran permukaan dengan respon getaran menurut gambar 14, menunjukkan bahwa makin besar respon getaran makin besar pula angka kekasaran permukaan yang terjadi dan peningkatan tajam terjadi antara displacement 21 µm s.d 21,5 µm.
V. KESIMPULAN Dari hasil rancangan dan pengujian yang dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain : 1. Hasil rancangan dan pabrikasi gerinda toolpost pada mesin bubut konvensional setelah dilakukan pengujian, dapat berfungsi dengan baik sebagai mesin gerinda silinder (cylindrical griding machine). Dengan demikian gerinda toolpost ini dapat diproduksi sesuai dengan proses permesinan yang telah dilakukan. 2. Rata-rata respon getaran pada berbagai kedalaman pemakanan, menunjukkan bahwa angka terbesar terjadi pada periode awal pengukuran dan yang terkecil terjadi pada akhir pengukuran untuk semua arah. Tipikal kurva yang terbentuk cenderung menurun terhadap waktu dan pada akhir periode relatif stabil. 3. Pada beberapa tingkat kedalaman pemakanan, dapat dijelaskan bahwa makin tebal pemakanan makin besar pula respon getaran yang ditimbulkan dan getaran terbesar rata-rata terjadi pada pengukuran arah radial, disebabkan arah tersebut terjadi gerak pemakanan pada proses penggerindaan. 4. Hubungan kekasaran permukaan (Ra) dan kedalaman pemakanan (a), menunjukkan bahwa makin tebal pemakanan harga kekasaran permukaan makin besar pula dan peningkatan yang tajam terjadi pada kedalaman pemakanan antara 0,04 mm s.d 0,06 mm. Demikian juga untuk respon getaran yang besar makin besar pula angka kekasaran permukaan. Harga kekasaran (Ra) yang optimum diperoleh pada kedalaman pemakanan 0,02 mm yaitu pada tingkat N5 (0,5 µm).
5
DAFTAR PUSTAKA ASM, Metal Handbook, 1995, Failure Analysis and Prevention, Vol. 10, American Society for Metal. Chris Heapy, 1996, Toolpost Grinding, Journal International Vandebit Institut for Nano schale, Science and Engineering. Serope Kalpakjian, 1984 Manufacturing Process for Engineering Material, McGraw Hill Book Company, USA. Shigley, J.E., Mischke, C.R., 1989, Mechanical Engineering Design, Fifth Edition, McGraw Hill Book Company. Takeshi Sato, G., Sugiarto, N., 1989, Menggambar Mesin menurut Standar ISO, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Taufiq Rochim, 1993, Teori & Teknologi Proses Permesinan, Higher Education Development Support Project.
6
