Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
PENGARUH KECEPATAN POTONG PADA PROSES PEMBUBUTAN TERHADAP SURFACE ROUGHNESS DAN TOPOGRAFI PERMUKAAN MATERIAL ALUMINIUM ALLOY Sobron Yamin Lubis1, Erwin Siahaan2 dan Kevin Brian3 1,2,3
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Tarumanagara, Jl.Letjen.S.Parman No.1 Jakarta 11400 E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Sebelum melakukan proses pemesinan suatu hal yang penting dilakukan adalah menentukan parameter pemotongan tersebut. Parameter pemotongan antara lain kecepatan potong, kedalaman potong dan hantaran pemotongan. Ketiga parameter tersebut memberi kontribusi yang significan terhadap laju dan kwalitas produksi. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh kecepatan potong pada proses pembubutan terhadap kekasaran permukaan dan topografi permukaan logam alluminium alloy. Percobaan dilakukan dengan menggunakan mesin bubut CNC Mazak, dua jenis mata pahat digunakan dalam pemotongan tersebut yaitu mata pahat HSS dan Karbid. Kecepatan pemotongan yang digunakan bervariasi yaitu 160, 180, 200, 220, dan 240 m/min dengan kedalaman potong 0,5 mm dan hantaran pemotongan sebesar 0,3 dan 0,38 mm/put. Logam aluminum alloy yang dihasilkan dari proses bubut kemudian diukur kekasaran permukaannya dengan menggunakan alat ukur surface test Mituotoyo, pengamatan terhadap topografi permukaan benda kerja dilakukan dengan menggunakan mikroskop digital Jenco. Dari hasil pengukuran dan pengamatan topografi permukaan benda kerja diperoleh bahwa benda kerja yang memiliki tingkat kekasaran permukaan (Ra) lebih tinggi menghasilkan topgrafi permukaan dengan jarak goresan yang lebih lebar berbanding nilai kekasaran permukaan yang lebih rendah. Penggunaan mata pahat karbid menghasilkan nilai kekasaran yang rendah sebesar 5,51 µm pada pemotongan tanpa coolant dengan kecepatan potong 240 m/min dan hantaran 0.3 mm. Sedangkan penggunaan pahat HSS pada pemotongan menghasilkan nilai kekasaran permukaan yang lebih kecil yaitu sebesar 2,11 µm dengan menggunakan coolant. Kecepatan pemotongan memberi pengaruh yang signifikan terhadap kekasaran permukaan benda kerja. Peningkatan kecepatan pemotongan mempengaruhi terhadap penurunan nilai kekasaran permukaan logam. Kata kunci : Proses bubut, topografi, kekasaran permukaan, kecepatan pemotongan.
1. PENDAHULUAN Proses permesinan logam tidak dapat dipisahkan terhadap penggunaan mata pahat potong. Sifatsifat dan geometri mata pahat potong memberi spesifikasi tersendiri terhadap parameter pemotongan yang hendak digunakan. Sedangkan parameter pemotongan merupakan spesifiksi tersendiri pada proses pemesinan yang akan memberi efek terhadap perubahan kondisi permukaan benda kerja, umur pahat, waktu pemesinan, gaya dan daya pemotongan. Benda kerja yang dihasilkan melalui proses casting memerlukan proses berikutnya untuk melakukan pembentukan agar bentuk dan ukuran yang dihasilkan sesuai dengan yang diinginkan. Pembentukan logam tersebut dapat dilakukan melalui proses pemesinan, salah satu proses pemesinan yang banyak memiliki fungsi pengerjaannya adalah proses bubut. Sebelum melakukan proses pemesinan suatu hal penting yang dilakukan adalah menentukan parameter pemotongan. Pemilihan suatu parameter pemotongan dilakukan berdasarkan jenis benda kerja, mesin perkakas dan mata pahat yang digunakan. Penggunaan kecepatan pemotongan yang tinggi dapat mempersingkat waktu produksi dan menghasilkan nilai kekasaran permukaan yang rendah, namun akan mengakibatkan umur pahat
TM-1
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 yang pendek. Oleh karena itu perlu dilakukan percobaan dengan memvariasikan kecepatan pemotongan menggunakan mata pahat jenis HSS dan karbida untuk mengetahui perubahan nilai kekasaran permukaan benda kerja dan bentuk topografi permukaan. Pada proses pemotongan logam, disamping penggunaan mata potong, factor yang mempengaruhi terhadap terjadinya kondisi permukaan benda kerja adalah penggunaan parameter pemotongan. Pada proses pemesinan logam umumnya parameter pemotongan terdiri atas kedalaman potong, kecepatan potong dan hantaran pemotongan. Kedalaman potong memberi efek terhadap gayagaya yang terjadi pada proses pemotongan tersebut, untuk mengurangkan besarnya gaya pemotongan pada proses pemesinan digunakan kedalaman pemotongan terutamanya pada proses finishing. Sedangkan penggunaan kecepatan dan hantaran potong berkaitan langsung terhadap laju mata pahat melakukan gesekan pada permukaan benda kerja, gesekan ini akan menimbulkan goresan-goresan pada permukaan benda kerja yang dikenal dengan kekasaran permukaan (surface roughnees), oleh karena itu maka penelitian ini dilakukan adalah bertujuan untuk untuk mengetahui kondisi permukaan produk dan topografi yang terbentuk melalui proses pembubutan dengan variasi kecepatan pemotongan. Sri Nugroho(2010) telah melakukan penelitian terkait penggunaan mata pahat HSS dan kondisi permukaan yang dihasilkan menyatakan bahwa HSS Bohler jenis molybdenum dengan kecepatan 29.6 m/min pada 30 menit pembubutan memiliki kekasaran Ra rata-rata 2.46 µm dan HSS Bohler jenis cold work steel dengan kecepatan 24.6 m/min pada 30 menit pertama memiliki kekasaran rata-rata (Ra) 3.18 2.46. Pada kecepatan rendah (19.99 m/min) keausan pahat disebabkan oleh proses abrasive yang timbul dari gesekan yang terjadi antara pahat dengan benda kerja. Adanya partikel-partikel keras yang menggesek bersama aliran benda kerja pada bidang utama dan bidang geram pahat. Partikel-partikel keras pada struktur besi karbon akan mampu merusak permukaan pahat HSS yang strukturnya terdiri dari martensit dan karbida dengan pengikat cobalt (Atedi, 2015). 2. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan dan alat Untuk melakukan penelitian tentang analisis pengaruh parameter pemotongan terhadap kondisi kekasaran permukaan aluminium alloy 6061 digunakan mesin bubut CNC. Mazak Mazatech Quick Turn 8N
Gambar 1. Mesin CNC bubut Mazatech Quick Turn 8N
TM-2
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Bahan benda kerja yang digunakan merupakan aluminium Alloy berbentuk silinder dengan ukuran panjang 75 mm dan diameter 50 mm
Gambar 2. Aluminium alloy 6061 Dua jenis mata pahat yang digunakan antara lain jenis karbid dan HSS.
Gambar 3. Mata potong karbid dan HSS Pengukuran kekasaran permukaan benda kerja dilakukan dengan menggunakan alat Surface Roughness Tester Mitutoyo MST-211
Gambar 4. Surface roughness tester
TM-3
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Prosedur percobaan yang dilakukan secara eksperimen disampaikan pada diagram alir berikut
Gambar 5. Diagram air penelitian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengaruh kecepatan potong terhadap kekasaran permukaan benda Kerja Pemilihan parameter pemotongan dilakukan berdasarkan rekomendasi yang tertera pada table referensi manufacturing teknology. Perhitungan untuk menentukan putaran spindle dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut : n=
1000 𝑥 𝑉𝑐
(1)
𝜋𝑥𝑑
TM-4
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 dengan n = Putaran spindel (r/min), Vc = Kecepatan potong (m/min), d = Diameter benda kerja (mm).
Kekasaran Permukaan (µm)
Pengujian kekasaran permukaan dilakukan dengan metode eksperimen dan dilakukan sesuai dengan parameter yang digunakan. Pengaruh kecepatan potong terhadap kekasaran permukaan dengan menggunakan mata pahat jenis HSS disampaikan pada Gambar 6 : 4 3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2
0.3 mm/rev 0.38 mm/rev
160
180
200
220
240
Cutting Speed (m/min) Gambar 6. Grafik pengaruh cutting speed terhadap nilai kekasaran permukaan logam menggunakan mata potong HSS
Kekasaran Permukaan (µm)
Sedangkan pengaruh kecepatan potong terhadap kekasaran permukaan dengan menggunakan mata pahat jenis Karbid disampaikan pada Gambar 7 : 10.50 10.00 9.50 9.00 8.50 8.00 7.50 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00
0.3 mm/rev 0.38 mm/rev
160
180
200
220
240
Cutting Speed (m/min) Gambar 7. Grafik pengaruh cutting speed terhadap nilai kekasaran permukaan menggunakan mata potong karbid
TM-5
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 3.2 Pembahasan Dari pengujian yang dilakukan didapatkan hasil penelitian yang ditunjukkan pada tabel dan grafik di atas. Dari hasil penelitian diketahui bahwa dengan perubahan parameter pemotongan, maka nilai kekasaran permukaan benda yang dikerjakan berubah cukup signifikan. Semakin besar cutting speed maka nilai kekasaran permukaan semakin rendah dan semakin besar feed rate maka nilai kekasaran permukaan akan semakin besar juga. Variasi cutting speed memiliki peran dikarenakan semakin tinggi cutting speed maka geram yang terpotong pada saat mata potong bergerak berputar memotong benda kerja akan semakin tipis karena cepat terpotong sehingga mengakibatkan kekasaran permukaan yang terjadi semakin halus. Untuk pengaruh feed rate terhadap kekasaran permukaan dapat dilihat pada Gambar 8 bahwa semakin kecil feed rate maka machined surface dari benda kerja akan memiliki gelombang yang semakin kecil sehingga menyebabkan permukaan benda semakin halus. Faktor penggunaan material mata potong HSS dan karbid juga mempengaruhi kualitas kekasaran permukaan.
Gambar 8. Pengaruh feed rate terhadap kekasaran permukaan (Boothroyd,1989) Pada penggunaan feed rate yang lebih besar menghasilkan kekasaran permukaan yang lebih kasar dikarenakan feed rate merupakan jarak yang ditempuh oleh mata pahat per putaran, artinya semakin besar laju pemakanan semakin besar jarak yang disayat pahat setiap putaran spindel benda kerja. Pada variasi cutting speed memiliki peran untuk menghasilkan kekasaran permukaan yang baik, hal ini dikarenakan semakin tinggi cutting speed maka geram yang terpotong pada saat spindel berputar yang membuat mata potong memakan benda kerja akan semakin tipis karena cepat terpotong sehingga mengakibatkan kekasaran permukaan yang terjadi semakin halus. Dari hasil pengujian kekasaran juga diketahui bahwa penggunaan mata potong HSS menghasilkan permukaan lebih halus dibandingkan dengan menggunakan mata potong karbid dalam semua jenis parameter pemotongan. Nilai kekasaran tertinggi dari mata potong HSS adalah sebesar 3.74 µm pada kecepatan potong 160 m/min dan feed rate 0.38 mm/rev. Sedangkan nilai kekasaran tertinggi dari mata potong karbid adalah sebesar 10.15 µm pada parameter yang sama yaitu 160 m/min dan feed rate 0.38 mm/rev. Untuk nilai kekasaran terkecil dari mata potong HSS adalah 2.11 µm pada kecepatan potong 240 m/min dan feed rate mm/rev dan nilai kekasaran terkecil untuk mata potong karbid adalah sebesar 5.51 µm pada kecepatan potong 240 m/min dan feed rate 0.3 mm/rev. Dari data nilai kekasaran tertinggi dan terendah pada masing-masing mata potong menunjukkan bahwa untuk parameter pemotongan yang digunakan dalam penelitian, tool yang direkomendasikan adalah HSS karena menghasilkan kualitas permukaan yang jauh lebih baik daripada karbid. Untuk mata potong karbid untuk menghasilkan kualitas permukaan yang baik dan halus harus mengurangi feed rate. Hal ini dibuktikan dari hasil penelitian dimana dengan
TM-6
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 pengurangan feed rate sebanyak 0.8 mm/rev maka angka kekasaran permukaan pada mata potong karbid menurun cukup jauh yaitu sebanyak 58.2 % menggunakan data rata-rata permukaan Ra pada masing-masing feed rate yaitu sebesar 9.63 µm pada feed rate 0.38 mm/rev dan 6.09 µm pada feed rate 0.3 mm/rev dibandingkan dengan menggunakan mata potong HSS yaitu hanya menurun sebanyak 31% menggunakan data rata-rata permukaan Ra pada masingmasing feed rate yaitu 3.34 µm pada feed rate 0.38 mm/rev dan 2.55 µm pada feed rate 0.3 mm/rev. Pada penelitian ini mata potong HSS menghasilkan permukaan yang jauh lebih halus dibandingkan dengan menggunakan mata potong karbid dikarenakan parameter pemotongan terutama cutting speed yang cukup rendah yang sesuai dengan rekomendasi pada buku referensi untuk mata potong HSS yaitu 200 m/min untuk alluminium alloy sehingga mata potong HSS menghasilkan benda kerja yang lebih halus dibanding karbid. Rekomendasi kecepatan potong untuk mata potong karbid adalah 400 m/min untuk alluminium alloy. Penelitian tidak dapat menggunakan kecepatan potong hingga 400 m/min untuk mata pahat jenis HSS, karena dikhawatirkan mata potong tersebut akan gagal lebih awal bila dijalankan dengan kecepatan potong tersebut. Mata pahat karbid lebih sesuai digunakan kecepatan pemotongan yang tinggi karena sifat karbid yang lebih keras dari HSS sehingga lebih tahan terhadap gesekan dan panas yang tinggi. Maka untuk kecepatan potong rendah mata potong HSS adalah direkomendasikan, sedangkan untuk kecepatan potong tinggi maka mata potong karbid yang direkomendasikan. Faktor lain yang membuat mata potong HSS lebih unggul dibandingkan mata potong karbid adalah dikarenakan mata potong HSS yang digunakan memiliki nose radius yang lebih lancip dibandingkan mata potong karbid yang digunakan. Secara tidak langsung, penggunaan coolant memberi efek terhadap kualitas permukaan benda kerja yang dihasilkan, dimana ketika proses pemotongan berlangsung, coolant menjaga kestabilan temperature mata pahat sehingga keausan mata pahat dapat terjaga, disamping itu coolant juga mampu membawa serpihan halus yang terlepas dari permukaan benda kerja dan mata pahat. Penggunaan coolant dalam kajian ini terbatas ketika melakukan pemotongan menggunakan mata pahat HSS, karena keterbatasan ketahan mata pahat tersebut terhadap suhu pemotongan yang tinggi ketika terjadi gesekan pada bidang kontak mata pahat dan benda kerja. Pada kecepatan potong tinggi digunakan mata pahat karbid, karena mata pahat ini memiliki kekuatan, ketahanan suhu yang lebih tinggi berbanding mata pahat HSS, maka tidak menggukan coolant ketika melakukan pemotongan bahan aluminium alloy tersebut. Terkait dengan issu global tentang pelestarian lingkungan, dampak penggunaan coolant pada proses pembubutan menimbulkan efek terhadap lingkungan disebabkan sisa coolant yang digunakan akan mencemari lingkungan, kemudian juga akan memberi efek yang negative terhadap operator karena coolant yang digunakan dalam jangka panjang akan menimbulkan reaksi kimiawi yang akan mengganggu pernafasan para operator. Sehingga untuk mengantisipasi hal tersebut, maka penggunaan mata pahat potong yang mampu beroperasi pada kecepatan tinggi, dan tentunya seiring dengan kualitas permukaan yang baik patut dipertimbangkan. 3.3 Topografi permukaan benda kerja terhadap nilai kekasaran permukaan dan jenis mata potong Setelah dilakukan pengukuran kekasaran permukaan, kemudian benda kerja yang dihasilkan dilakukan analisa topografi permukaannya dengan menggunakan mikroskop digital. Hasil pengamatan permukaan benda kerja disampaikan pada Table.1. TM-7
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Tabel 1. Topografi permukaan Al 6061 Jenis Mata Potong
Nilai Ra (µm)
HSS
2.11
HSS
3.74
Karbid
5.51
Karbid
10.15
Topografi
Pada tabel topografi diatas dapat diketahui bahwa benda kerja yang memiliki tingkat kekasaran permukaan (Ra) lebih tinggi akan menghasilkan jarak sayatan yang lebih lebar dibandingkan benda kerja yang memiliki nilai kekasaran (Ra) lebih rendah. Hal ini terjadi karena semakin tinggi angka kekasaran permukaaan (Ra) maka jarak antara lembah dengan puncak dari topografi permukaan semakin jauh sehingga menyebabkan permukaan menjadi lebih kasar dan garis sayatan menjadi lebih lebar dibandingkan dengan permukaan benda yang memiliki nilai kekasaran lebih kecil. TM-8
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Gambar yang diambil merupakan contoh nilai kekasaran permukaan yang terbesar dan terkecil dari masing-masing penggunaan mata potong agar dapat membandingkan secara visual perbedaan yang cukup signifikan dari keempat gambar diatas. Gambar yang ditangkap oleh mikroskop tidak dapat terlihat sepenuhnya karena kondisi benda kerja yang berbentuk silinder sehingga hanya sebagian saja yang terlihat jelas oleh mikroskop. 4. KESIMPULAN Setelah dilakukan analisis terhadap data yang diperoleh maka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut : Nilai kekasaran permukaan benda kerja yang tertinggi menggunakan mata pahat HSS adalah sebesar 3.74 µm pada kecepatan potong 160 m/min dan feed rate 0.38 mm/rev, sedangkan nilai kekasaran terkecil adalah 2.11 µm pada kecepatan potong 240 m/min dan feed rate 0.3 mm/rev.Nilai kekasaran permukaan benda kerja yang tertinggi menggunakan mata pahat karbid adalah sebesar 10.15 µm pada kecepatan potong 160 m/min dan feed rate 0.38 mm/rev, sedangkan nilai kekasaran terkecil adalah sebesar 5.51 µm pada kecepatan potong 240 m/min dan feed rate 0.3 mm/rev. Benda kerja yang memiliki tingkat kekasaran permukaan (Ra) lebih tinggi akan menghasilkan topografi permukaan jarak sayatan yang lebih lebar berbanding benda kerja yang memiliki nilai kekasaran (Ra) lebih rendah. Kecepatan pemotongan memberi pengaruh yang signifikan terhadap kekasaran permukaan benda kerja, peningkatan kecepatan potong memberi pengaruh terhadap penurunan kekasaran permukaan benda kerja. UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Publikasi Ilmiah Universitas Tarumanagara yang telah membiayai penelitian ini untuk semester genap 2015/2016 melalui dana Hibah Untar 2016 Periode 1. DAFTAR PUSTAKA Atedi, Bimbing dan Djoko Agustono.(2015).Standar Kekasaran Permukaan Bidang Pada York Flange Menurut ISO R.1302 dan DIN 4768 dengan Memperhatikan Nilai Ketidakpastiannya. Media Mesin Volume 6 No.2 Juli 2015. ISSN 141104348. Boothroyd, G. (1989). Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools. Mc. Graw Hill Company. Singapore. Dwi Rahdiyanta. (2000).Modul Bubut CNC.: Universitas Negeri Yogyakarta. Yogyakarta Kumar, G. B. Veeresh, C. S. P. Rao, N. Selvaraj, M. S. Bhagyashekar. (2010). “Studies on Al6061-SiC and Al7075-Al2O3 Metal Matrix Composite”. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol 9, No.1, pp 43-55.Rao, P. N. (2002). Manufacturing Technology Metal Cutting & Machine Tools. Singapore : Tata Mc Graw Hill Publishing Company Limited Sri Nugroho dan Hendrikus Kedo Senoaji. (2010). Karakterisasi Pahat Bubut High Speed Steel (HSS) Boehler Type molibdenum (m2) dan tipe cold work tool steel (a8). Jurnal ROTASI – Vol. 12, No. 4, Juli 2010: pp 19−26 Zubaidi, A, I. Syafa’at, Darmanto. (2012). Analisis Pengaruh Kecepatan Putar dan Kecepatan Pemakanan Terhadap Kekasaran Permukaan Material FCD 40 pada Mesin Bubut CNC. Jurnal Momentum Vol 8, No. 1 Hal 40-47. TM-9
