Pemodelan Temperatur Pahat Potong HSS dan Pencekam Pahat pada Proses Bubut dengan Metode Tool Termokopel Tipe K dengan Material St41 Nama : Yohanes Setiawan Mutiara NRP : 2107100101 Dosen Pembimbing: Ir. Bambang Pramujati, M.Sc.Eng, Ph.D. Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA
Bab 1 Pendahuluan
1.1. Latar Belakang • Panas pada permesinan – Dapat merusak pahat, sehinggi perlu pendinginan – Maximum Coolant Flow Rate/Flood Lubrication • Cairan pendingin diberikan sesuai kapasitas pompa maksimum
– Minimum Coolant Flow Rate • Cairan pendingin diberikan seminimal mungkin tetapi tetap dapat memberikan fungsi pendinginan dan pelumasan yang baik
– Kelemahan Metode yang ada: Maximum Coolant Flow Rate
Minimum Coolant Flow Rate
Machinability optimal tidak tercapai
Pemberian cairan pendingin konstan terhadap parameter permesinan
Tidak dapat berpenetrasi ke daerah kontak pahat dan geram
Memerlukan perhitungan manual dalam penentuan debit cairan pendingin
Biaya produksi meningkat Pencemaran lingkungan dan gangguan kesehatan
1.1. Latar Belakang • Variable Coolant Flow Rate – pengaturan variasi debit pendingin yang diberikan berdasarkan kondisi pemotongan – Agar sistem ini dapat berfungsi dengan maksimal, dibutuhkan informasi tentang kondisi pemotongan pada saat itu, yaitu temperatur pemotongan. Informasi ini selanjutnya digunakan sebagai umpan balik dalam control sistem Variable Coolant Flow Rate ini
1.3. Asumsi, 1.4. Tujuan Penelitian, 1.5. Manfaat Penelitian Asumsi: 1. Material benda kerja dan pahat potong mempunyai homogenitas yang sama 2. Semua peralatan yang dipakai dalam penelitian sudah terkalibrasi 3. Pengambilan data dilakukan pada kondisi yang sama Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Memodelkan distribusi temperatur pada pahat dan tool post dengan menggunakan finite element method dengan bantuan program ANSYS 2. Memprediksi distribusi temperatur pada pahat berdasarkan temperatur yang terukur oleh termokopel pada jarak tertentu dari ujung pahat Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat sebagai dasar pemodelan proses permesinan bagi pengembangan pendinginan dengan variable coolant flow rate.
Bab 2 Tinjauan Pustaka dan Dasar Teori
2.1. Tinjauan Pustaka • Pemodelan dengan metode FEM – Power law temperature dependent FEM (Grezik, W, dan P. Nieslony. 2008) – Dengan software Deform FEM (G., Jaharah A., dkk. 2009)
• Simulasi gaya dan temperatur (Mekhilef, S., dkk. 2007) • Tool termokopel (Iswantoko, Agus. 2004) • Pemodelan numerik/matematis – Pemodelan matematis untuk menentukan temperatur pemotongan (Neagu, Maria. 2006) – Pemodelan numerik untuk menentukan distribusi temperatur pahat (Dogu, Yahya. 2006)
• Pemodelan dengan metode FEM dan validasi tool termokopel (Mas’ud, Muhammad. 2010)
2.2. Dasar Teori • Terminologi Turning – Kecepatan Potong:
V = n.π .D
– Kecepatan pemakanan: – Material Removal Rate: – Gaya Pemotongan:
– Daya pemotongan – Spesific Cutting Energy
ut =
Fc w.t0
2.3. Temperatur Pemotongan •Teori dan Teknologi Permesinan (Rochim, Taufiq. 1993) Q = Qc + Qs + Qw –Qc : panas yang terbawa oleh geram 75% –Qs : panas yang merambat melalui pahat 20% –Qv : pahat yang merambat melalui benda kerja 5%
•Fundamentals of Machining and Machine Tool (Boothroyd, Geoofrey. 1985) –Temperatur bidang geser :
θ s = (1 − Γ) Ps ρ cvacA.K. aw •Mechanics of Machining (Chattopadhyay, 2006) –Temperatur bidang geser : Aq1( Pz .Vc − F .V f ) θs = + θa Jts0Vc –Temperatur bidagn gesek : Pf θf = ρ cvac aw –Temperatur bidang kontak :
θi = c1Ec
Vc a1 λ cv
Bab 3 Metodologi Penelitian
3.1. Diagram Alir Penelitian Start
A
Studi Pustaka
Kesimpulan
Menentukan dimensi, sudut, material properties, dan geometri pahat serta pencekam pahat
End Menghitung temperatur pemotongan
Set up eksperimen dan parameter
Memasukkan data simulasi temperatur pahat
Eksperimen temperatur pahat dengan Termokopel
Simulasi temperatur Pahat dengan ANSYS
Variasi Kecepatan Potong ≥ 3
Temperatur Pahat hasil Simulasi
Temperatur Pahat Hasil Eksperimen A
Kecepatan Potong diubah
3.4. Pahat dan Pencekam Pahat • Pahat Potong – Bahan HSS S700 / DIN HS10-4-3-10 produksi Bohler – Ukuran ½’ x ½’ x 4’
B
B C A
3.4. Pahat dan Pencekam Pahat • Pencekam Pahat – Tipe four way tool post – Bahan AISI 4140
B B
C
3.7. Set Up, Prosedur Eksperimen, dan Parameter Prosedur eksperimen: • Memasang pahat HSS yang telah disisipi termokopel • Memasang benda kerja steelrod St41 pada mesin lathe • Menyiapkan sistem data akuisisi USBDAQ 6251 dengan memastikan sistem bekerja dan siap menerima dan menampilkan data • Melakukan percobaan dengan membubut benda kerja tanpa cairan pendingin • Mencatat pembacaan temperatur pahat yang terukur oleh termokopel dan infrared thermometer • Melakukan analisa data yang telah didapat
3.9. Simulasi Temperatur Pahat START
Model 3D, Material Properties, Data Temperatur, Constraints
Memilih tipe elemen solid
Mesh model 3D
Memilih analisa tipe Steady-state Thermal
Menentukan parameter temperatur yang dibutuhkan
Proses simulasi
Menampilkan hasil simulasi dan komputasi
END
Bab 4 PENGUJIAN ALAT DAN ANALISA DATA HASIL EKSPERIMEN
4.1. Rancangan Eksperimen dengan Metode Tool Termokopel Sistem data akuisisi
Parameter dan Rancangan Eksperimen
- NI USB DAQ 6251 - Program LabVIEW
- 3 variasi Vc
- Sampling rate 0,1 Hz
- t = 200 detik
Infrared Thermometer
Thermocuple - Tipe K
- FLUKE 65
- ø = 3 mm - l = 65 mm
- 40 - 500 C
Ekpserimen
- Optical resolution 8:1
Kecepatan Potong
Kecepatan Pemakanan
Pemakanan
(m/min)
(mm/rev)
(mm)
1 s.d. 5
38,704
0.098
1
6 s.d. 10
22,871
0.098
1
11 s.d. 15
9,676
0.098
1
No. Eksperimen
4.3.1. Eksperimen Pengukuran Temperatur pada Proses Bubut dengan Kecepatan Potong 38,704 m/min
Replikasi ke 1
Ttermokopel ( C) TIRthermometer ( C)
Replikasi ke 2
Replikasi ke 3
Replikasi ke 4
Replikasi ke 5
53,019
48,031
50,766
48,529
53,486
36,8
41,2
36,7
35,3
37,5
4.3.2. Hasil Eksperimen Pengukuran Temperatur pada Proses Bubut dengan Kecepatan Potong 22,871 m/min
Replikasi ke 1
Ttermokopel ( C) TIRthermometer ( C)
Replikasi ke 2
Replikasi ke 3
Replikasi ke 4
Replikasi ke 5
42,121
42,115
41,536
42
41,943
33,2
34,5
35
33
33,9
4.3.3. Hasil Eksperimen Pengukuran Temperatur pada Proses Bubut dengan Kecepatan Potong 9,676 m/min
Replikasi ke 1
Ttermokopel ( C) TIRthermometer ( C)
35,669 30,2
Replikasi ke 2
36,057 31,2
Replikasi ke 3
38,250 30,9
Replikasi ke 4
37,298 30,1
Replikasi ke 5
36,826 30,5
4.4. Analisa Data Hasil Eksperimen • • •
Kompensasi nilai temperatur hasil pengukuran terhadap systematic error Kompensasi ini mempertimbangan kerugian-kerugian konduksi yang ada akibat konduktivitas material yang terlibat dalam pengukuran Informasi yang dibutuhkan adalah: rw = 0,001 m
r3 = 0,004 m
kchromel = 19 W/m.K
kc = 0,024 W/m.K
kalumel = 30 W/m.K
L = 0,065 m
h = 5 W/m2.K
Tamb = 25°C
ki = 0,04 W/m.K ω (rpm) 440
260
110
Tt = 53,019°C
T (°C)
Replikasi ke 1
Replikasi ke 2
Replikasi ke 3
Replikasi ke 4
Replikasi ke 5
Rata-Rata
Ts
67,505
59,938
64,078
60,693
68,213
64,085
Tir
36,8
41,2
36,7
35,3
37,5
37,5
Ts
50,973
50,963
50,085
50,789
50,702
50,702
Tir
33,2
34,5
35
33
33,9
33,920
Ts
41,185
41,773
45,1
43,656
42,94
42,931
Tir
30,2
31,2
30,9
30,1
30,5
30,580
Bab 5 HASIL SIMULASI DAN PEMODELAN TEMPERATUR PAHAT
5.2. Pemodelan dan Simulasi Pemodelan pahat dan pencekam pahat - Software CATIA V5
Temperatur bidang kontak geram dan pahat
- Assembly file
Simulasi - Software ANSYS 11.0 - Boundary condition
Simulasi • Beban termal berupa temperatur pemotongan teoritis didefinisikan berupa luasan bidang kontak geram dan pahat • Konduksi antara pahat dan pencekamnya terjadi pada luasan kontak diantara keduanya •Temperatur udara ambient adalah 25 C dengan koefisien konveksi 5 W/m2 C • Konveksi terjadi pada keseluruhan permukaan pahat dan pencekam pahat selain kedua luasan diatas
5.3.1. Temperatur sebagai Fungsi Jarak dari Ujung Termokopel Grafik Temperatur sebagai Fungsi Jarak 700
Tcut = 200 C
600
Tcut = 300 C
Temperatur C
500
y600 = 509.6e-0.12x
Tcut = 400 C
y500 = 422.7e-0.11x
Tcut = 500 C
y400 = 340.0e-0.11x
Tcut = 600 C
400 300
Expon. (Tcut = 200 C)
y300 = 255.3e-0.11x 200
Expon. (Tcut = 300 C) y200 = 170.7e-0.10x
Expon. (Tcut = 400 C)
100
Expon. (Tcut = 500 C) 0 0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
Jarak terhadap ujung pahat (mm)
10.000
12.000
Expon. (Tcut = 600 C) Expon. (Tcut = 600 C)
5.3.1. Temperatur sebagai Fungsi Jarak dari Ujung Termokopel Grafik Temperatur Pemotongan sebagai Fungsi Temperatur Ujung Termokopel 700
Temp. Pemotongan °C
600
y = 4.525x - 77.56
500 400 Temp. (probe 1) 300 200 Linear (Temp. (probe 1))
100 0 50
70
90
110
Temp. Ujung TC °C
130
150
5.3.2.1. Simulasi Eksperimen 1 sampai 5
•Temperatur rata-rata bidang kontak pahat dan geram adalah 233,57 C •Temperatur pada koordinat ujung termokopel adalah 70,966 C
5.3.2.2. Simulasi Eksperimen 6 sampai 10
•Temperatur rata-rata bidang kontak pahat dan geram adalah 179,547 C •Temperatur pada koordinat ujung termokopel adalah 59,154 C
5.3.2.3. Simulasi Eksperimen 11 sampai 12
•Temperatur rata-rata bidang kontak pahat dan geram adalah 116,79 C •Temperatur pada koordinat ujung termokopel adalah 45,285 C
Bab 6 KESIMPULAN DAN SARAN
6.1. Kesimpulan 1. Hasil simulasi dengan software ANSYS 11.0 menunjukkan bahwa distribusi temperatur pada pahat dapat dinyatakan dengan fungsi eksponensial yang berbeda-beda untuk setiap variasi temperature pemotongan. 2. Hasil simulasi memberikan persamaan untuk memprediksi temperature pada ujung pahat, yaitu: y = 4,525.x – 77,56 dimana y = temperatur pada ujung pahat x = temperatur yang terukur pada ujung termokopel 3. Hasil eksperimen pengukuran temperatur pemotongan secara langsung dengan menggunakan infrared thermometer tidak sesuai dengan temperatur pemotongan sesungguhnya karena area pengukuran lebih besar dari pada luas objek yang akan diukur.
6.2. Saran 1. Pengembangan terhadap cara penempatan dan pengkondisian termokopel untuk mendapatkan pembacaan yang akurat 2. Pennggunaan alat ukur temperatur pemotongan yang lebih tepat untuk objek ukur yang relatif sempit. 3. Penelitian ini dapat dikembangkan sebagai dasar pemodelan proses permesinan bagi pengembangan pendinginan dengan variable coolant flow rate.
Terima Kasih
