PENGARUH KECEPATAN POTONG TINGGI TERHADAP KUALITAS PERMUKAAN BENDA KERJA PADA PROSES MILLING Rosehan Yahuza1) Delvis Agusman1) Nehemia Indrajaya2)
ABSTRACT This paper is to investigate the effect of high cutting speed to the surface quality using CNC Milling machine tools. The data get from this research are load of respective machine axis, surface roughness, and chips formation. The machining process is defined as material removal from the surface of the work pieces using cutting tools. The high speed cutting more than 600 m/min could increase the rate of chips removal. In machining process must influences: tool wear, cutting force, cutting temperature, chips formation, and surface finish. High speed cutting will produces chips that affect the surface finish of the work pieces. In addition to influenced by machining parameter, the surface quality is affected by geometry as well. Keyword: high speed cutting, surface roughness PENDAHULUAN Dalam suatu rangkaian proses produksi suatu produk memiliki beberapa tahapan proses pemesinan. Sebagai contoh, dalam satu alur proses dari row material sampai berbentuk suatu produk untuk menghasilkan kualitas permukaan produk yang baik harus melalui beberapa tahapan, seperti; roughing, finishing, dan grinding. Pada setiap tahapan proses pemesinan memiliki elemen-elemen dasar pemesinan yang dapat mempengaruhi produktifitas dari kualitas permukaan, waktu pemesinan dan biaya produksi. Usaha untuk penghematan waktu pemesinan dan penekanan biaya produksi dengan hasil kualitas permukaan benda kerja yang baik yaitu dengan cara menghilangkan tahapan proses grinding. Masalah yang muncul adalah bagaimana dapat menghasilkan kualitas permukaan suatu produk yang baik dengan tidak melalui tahapan grinding? Kecepatan potong, (Vc) merupakan salah 1) Staff pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara, Jakarta 2) Alumni Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara, Jakarta
satu elemen dasar dari proses pemesinan. Peningkatan kecepatan potong di atas 600 m/min merupakan salah satu hasil pemikiran yang dapat menjawab masalah tersebut. Dasar pemikiran dari peningkatan kecepatan potong adalah dengan peningkatan kecepatan potong akan mengurangi waktu kontak antara mata pahat sisipan dengan benda kerja. Dikarenakan waktu kontak yang relatif singkat dapat mengurangi waktu penekanan dan gesekan antara mata pahat sisipan dan benda kerja. Toleransi kekasaran permukaan adalah faktor penting dalam pengukuran kualitas permukaan benda kerja pada beberapa produk. Pada proses pemesinan dalam hal ini proses milling, estimasi kualitas permukaan benda kerja dapat dicapai dengan mempertimbangkan parameter pemesinan, seperti kedalaman potong (depth of cut, ap), kecepatan potong (cutting speed, vc), kecepatan gerak makan (feeding speed, vf), gerak makan (feeding rate, fn), radius mata potong (tool nose radius, rβ) dan homogenitas material(21). TINJAUAN PUSTAKA 1.
Kecepatan Potong Tinggi (High Speed Cuting) Teknologi kecepatan potong tinggi (high speed cutting technology) banyak
digunakan dalam proses pemesinan untuk memperoleh kualitas permukaan yang baik. Menurut Erol Zeren, M.Sc., di Department of Industrial and System Engineering Rutgers, The State University of New Jersey menyatakan bahwa kecepatan potong tinggi akan mengurangi waktu kontak antara pahat dengan benda kerja. Disebabkan oleh waktu kontak yang rendah, maka beban termal pada pahat berkurang dan akan meningkatkan umur pahat(24). Dalam kasus ini, yang menjadi prinsip dari kecepatan potong tinggi adalah kecepatan putaran spindel (n, 1/min) diatur tinggi dan diameter diperbesar. Menurut Kalpakjian kecepatan potong terbagi
menjadi tiga bagian,
yaitu (7): 1. Kecepatan potong tinggi (kecepatan di antara 600-1800 m/min) 2. Kecepatan potong sangat tinggi (kecepatan di antara 1800-18000 m/min) 3. Kecepatan potong ultra tinggi (kecepatan di atas 18000 m/min)
2.
Proses High Speed Milling (HSM) Menurut Erol Zeren, M.Sc., di Department of Industrial and System
Engineering Rutgers, The State University of New Jersey, proses pemesinan dengan kecepatan potong tinggi menjadikan sebuah proses pemesinan dengan keakuratan dimensi ukuran dan kualitas permukaan yang baik. Sampai saat ini teknologi high speed milling ini telah digunakan untuk part-part yang sulit/kompleks dalam industri penerbangan dan komponen otomotif dan elektronik(24). Prinsip dasar dari teknik high speed milling ini adalah proses perautan dilakukan sejumlah pahat sisipan yang ada pada keliling arbor dengan kecepatan potong berkisar di antara 600 – 1800 m/min. Riset yang dilakukan oleh Erol Zeren, M.Sc., di Department of Industrial and System Engineering Rutgers, The State University of New Jersey menyatakan bahwa faktor dominan dalam proses high speed milling adalah panas yang dihasilkan. Dalam milling konvensional sejumlah besar panas yang dihasilkan disalurkan ke benda kerja. Kerugian utama pada proses milling konvensional adalah terdapat tegangan sisa, distorsi dan cacat pada permukaan benda kerja. Panas yang dihasilkan selama proses high speed milling lebih tinggi, namun waktu untuk penyaluran panas tersebut ke benda kerja berkurang dikarenakan kontak antara pahat dan benda kerja tidak berlangsung lama. Selain itu juga panas tersebut sebagian besar terbawa oleh geram. Hasilnya, temperatur benda kerja relatif lebih rendah dibanding pengerjaan melalui milling konvensional. Namum demikian, masih ada panas yang disalurkan ke benda kerja. Fenomena lain yang timbul ketika kecepatan potong ditambah adalah temperatur zona kontak bertambah. Seiring bertambahnya temperatur aliran tegangan material berkurang, dan menghasilkan gaya potong rendah. Gambar 1., temperatur dari proses potong dalam zona primer adalah sebab utama dari tegangan sisa yang tertinggal di benda kerja yang mengakibatkan elastisitas material berkurang. Ketika pahat potong menjauhi area pemotongan, tegangan sisa yang dihasilkan tetap tertinggal. Ada tiga prinsip utama penyebab timbulnya tegangan sisa, yaitu(24):
1. Temperatur tinggi 2. Deformasi plastis yang dihasilkan dari proses substraktif benda kerja 3. Reaksi kimia proses potong pahat dan benda kerja. Berikut adalah gambar perbandingan proses milling konvensional dan high speed milling adalah:
Gambar 1. Ilustrasi milling konvensional(24)
Gambar 2.Ilustrasi high speed milling(24) 3.
Kualitas permukaan benda kerja pada proses milling
3.1.
kekasaran ideal
Faktor-faktor yang mempengaruhi kekasaran teoritis adalah geometri pahat, panjang bidang utama pahat sisipan (bs), dan gerak makan per-putaran (fn/rev). Berdasarkan geometri pahat sisipan, dapat diperoleh harga kekasaran permukaan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
hmax =
f n . tan γ . tan κ tan γ + tan κ
1
Gambar 3. Ilustrasi panjang bidang utama pahat sisipan (bs)(19)
Gambar 4. Ilustrasi perbandingan harga bs dan fn/rev (19) 3.2.
Kekasaran sesungguhnya Faktor-faktor yang mempengaruhi kekasaran sesungguhnya adalah
geometri pahat, panjang bidang utama pahat sisipan (bs), gerak makan per-putaran (fn/revolution), pengaruh sistem ketelitian pada unbalance, run-out (aksial dan radial), getaran mesin dan homogenitas material. Menurut Kalpakjian nilai kekasaran sesungguhnya (Ra) pada proses milling berkisar antara 0.8 – 6.3 [μm].
LANGKAH PENGUJIAN
Berikut adalah diagram alir penelitian yang digunakan dalam penelitian ini:
Gambar 5. Diagram alir penelitian
1.
Data Mesin
Mesin perkakas yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai data sebagai berikut(11): mesin milling CNC
: Mazak
tipe
: V-414/22. 32
kontrol
: Mazatrol M-32
putaran maksimum
: 7000 min-1
daya motor, (P)
: 5.5 kW, 7.33 HP (continuous operation) atau 7.5 kW, 10 HP (30-minutes operation)
torsi konstan, (T) 2.
: 9.8 kg.f.m / 7.5 kW
Data Material
Data material yang digunakan dalam penelitian ini adalah material dengan kekerasan 95 BHN sesuai hasil pengujian kekerasan material menggunakan Brinell Hardness Tester dan AFFRI Metal Testing pada Laboratorium Metalurgi Fisik, Fakultas Teknik Mesin Universitas Tarumanagara, keterangan; data hasil pengujian material terlampir. 3.
Data Pemesinan
Kondisi operasi pemesinan untuk pengerjaan akhir (finishing) pada proses milling adalah sebagai berikut: kondisi pemotongan
: side milling
panjang pemotongan, Lt
: 170 [mm]
kedalaman potong, ap
: 0.5 [mm]
kecepatan potong, Vc
: 600 s/d 1100 [m/min]
kecepatan gerak makan, Vf
: 1000 [mm/min]
Data pemesinan untuk setiap tingkat kecepatan potong dapat dilihat pada tabel 1. sebagai berikut:
Tabel 1. Data Pemesinan Mesin Tipe mesin Kontrol
: milling CNC : V-414/22.32 : Mazatrol M-32
Kec. gerak makan : 1000 mm/min Kedalaman potong : 0.5 mm Panjang pemotongan : 170 mm
No.
Vc [m/min]
d eff [mm]
n [1/min]
fn [mm/rev]
1
600
62.1
3077.02
0.324
2
700
62.1
3589.85
0.278
3
800
62.1
4102.69
0.243
4
900
62.1
4615.52
0.216
5 6
1000 1100
62.1 62.1
5128.36 5641.19
0.194 0.177
DATA DAN PENGOLAHAN DATA
Data hasil pengamatan berikut ini adalah data hasil pembacaan rata-rata dari empat sampel pengukuran pada setiap variabel kecepatan potong dan setiap sampel dilakukan delapan kali pengukuran. Data pengamatan pada tabel 2. merupakan hasil rata-rata. Tabel .2 Data Pengamatan Kekerasan material : 95 BHN Mesin CNC : Mazak V-414/22, 32 Kontrol : Mazatrol M-32 Pahat sisipan : OEMX1705EER1-JS
Kec. Gerak makan : 1000 mm/min Kedalaman potong : 0.5 mm Panjang pemotongan: 170 mm Diameter eff. Cutter : 62.1 mm
No.
Vc [m/min]
tc [mm]
Ra [μm]
Px [%]
Py [%]
Pz [%]
Ps [%]
1
600
1.4805
2.335
7.5
2.5
68.75
8.75
2
700
1.2222
1.904
7.25
2.75
68.5
10.25
3
800
1.1395
1.611
7
3.5
67
10
4
900
1.0487
1.518
6.5
3.5
66.75
13.75
5
1000
0.9162
1.401
6.25
3.75
65.75
14.25
6
1100
0.7795
0.967
6
4
65.5
14.5
Tabel 3. Data prediksi hasil pengamatan Kekerasan material : 95 BHN Mesin CNC : Mazak V-414/22, 32 Kontrol : Mazatrol M-32 Pahat sisipan : OEMX1705EER1-JS
Kec. Gerak makan : 1000 mm/min Kedalaman potong : 0.5 mm Panjang pemotongan : 170 mm Diameter eff. Cutter : 62.1 mm
No.
Vc [m/min]
Ra [μm]
tc [mm]
Px [%]
Py [%]
Pz [%]
Ps [%]
1
600
2.267
1.444
7.536
2.464
68.821
8.545
2
700
1.976
1.284
7.211
2.907
68.129
10.048
3
800
1.711
1.143
6.907
3.279
67.471
11.436
4
900
1.469
1.014
6.593
3.579
66.851
12.707
5
1000
1.253
0.899
6.279
3.807
66.254
13.863
6
1100
1.061
0.8
5.964
3.964
65.714
14.902
Pembahasan 1.
Kekasaran permukaan
Berikut adalah grafik perbandingan antara kekasaran permukaan teoritis dan kekasaran permukaan sesungguhnya: Kekasaran permukaan [um]
kekasaran permukaan teo ritis [um]
Kekasaran permukaan [um]
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1
Yc = 1E-06x 2 - 0.0045x + 4.5259
0.5 500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Kecepatan potong [m/min]
Gambar 6. Grafik kekasaran permukaan terhadap kecepatan potong Berdasarkan tabel ,. dan gambar 6. dengan kecepatan potong lebih dari 600 m/min sampai dengan 1100
m
/min, kualitas permukaan rata-rata yang dihasilkan terus
menurun diiringi dengan peningkatan kecepatan potong. Kestabilan nilai kualitas permukaan sesungguhnya dipengaruhi oleh geometri pahat, panjang bidang utama pahat sisipan (bs), gerak makan per-putaran (fn/rev), pengaruh sistem ketelitian
pada unbalance, run-out (aksial dan radial), getaran mesin, dan homogenitas material. Sistem ketelitian pada saat setting tool sangat mempengaruhi kualitas permukaan yang dihasilkan. Apabila terjadi ketidakseimbangan ketinggian (aksial) dari mata pahat sisipan maka akan menyebabkan mata pahat sisipan yang tertinggi tidak melakukan pemotongan, namun hanya menggores permukaan. Walaupun nilai toleransi masih berada di dalam batasan rekomendasi namun hal ini sangat mempengaruhi kualitas permukaan benda kerja. 2.
Sudut geser
Sudut geser (ø) dapat dihitung dengan mengukur rasio pemotongan (rc) dimana variabel sudut geram (α) telah diketahui. Peningkatan kecepatan potong sangat
mempengaruhi
ketebalan
geram
(tc)
hasil
pemesinan.
Seiring
meningkatnya kecepatan potong, ketebalan geram yang dihasilkan akan semakin kecil (lihat tabel 3.). Hal tersebut akan mempengaruhi kondisi sudut geser yang terbentuk. Sudut geser akan membesar dikuti dengan meningkatnya kecepatan potong. Pada pembentukan geram pahat bergerak dengan kecepatan potong (Vc) dan geram mengalir dengan kecepatan geram, (Vg) dengan sudut geram (α). Berdasarkan penjumlahan vektor kecepatan dari segitiga kecepatan maka kecepatan elemen geram yang baru terbentuk relatif rendah terhadap benda kerja yang ditunjukkan oleh kecepatan geser (Vs) dengan sudut geser (ø). Peningkatan kecepatan potong akan diikuti dengan peningkatan kecepatan geram, sehingga kecepatan geser dan sudut geser meningkat. Nilai sudut geser meningkat merupakan akibat dari peningkatan kecepatan potong. Sudut geser merupakan tempat terjadinya proses geser terus-menerus yang disebabkan adanya tekanan aksial secara continue. Titik dimana tempat terjadinya proses awal pergeseran disebut working point. Dari setiap terjadi proses pemotongan selalu terbentuk sudut geser yang baru yang merupakan proses deformasi plastis, dimana proses deformasi plastis ini (pada diagram teganganregangan) terjadi di atas daerah elastis dan di bawah daerah ultimate. Setelah melampaui batas ultimate maka terbentuklah geram. Sehingga dapat dilihat tiga fenomena yang terjadi pada proses pemotongan dari bakal geram sampai terbentuknya geram, yaitu: 1. Bakal geram masih berada dalam kondisi elastis
2. Terjadi proses pemotongan, pembentukan sudut geser berada dalam kondisi plastis 3. terbentuk geram akibat telah melampaui batas dari ultimate. Ketiga fenomena ini terjadi dalam setiap proses pemotongan dari bakal geram sampai terbentuknya geram secara continue walaupun tidak telihat secara visual. Berikut ini adalah gambar skematik mengenai proses elastis dan plastis, yaitu:
Gambar 7. Ilustrasi skematik proses elastis dan plastis Rasio pemotongan merupakan nilai perbandingan ketebalan geram sesudah dan sebelum pemotongan. Besarnya dimensi ketebalan geram sesudah pemotongan sangat dipengaruhi oleh kecepatan potong. Ketebalan geram semakin kecil diiringi dengan peningkatan kecepatan potong (lihat tabel 3.).
sudut geser 40 35 30 25 20 15 10 5 0 500
600
700
800
900
1000
1100
1200
kecepatan po to ng, Vc [m/min]
Gambar 4.10. Grafik sudut geser terhadap kecepatan potong Peningkatan rasio pemotongan akan meningkatkan nilai sudut geser yang terjadi. Peningkatan nilai sudut geser akan memperpendek jarak tempuh mata potong, (L) pada setiap titik dimana tempat terjadinya working point. Dengan kata
lain peningkatan kecepatan potong akan memperpendek jarak tempuh mata potong, (L) dan nilai sudut geser akan terus membesar. Berikut ini adalah gambar ilustrasi hubungan antara sudut geser yang terbentuk dan pengaruh nilai sudut yang terdapat pada geometri pahat (rake angle dan clereance angle). Ilustrasi berikut ini berlaku untuk kondisi: 1. kondisi terjadi pada keadaan statik 2. terjadi satu kali pemotongan dalam satu kali putaran
Gambar 4.11. Ilustrasi hubungan antara sudut geser yang terbentuk dengan geometri pahat (rake angle dan clereance angle)
Tabel 4.
Tabel data perhitungan luas penampang bidang geser (As, mm2), ketinggian puncak (H, mm) dan kekasaran permukaan empiris (Raempiris, μm).
Kekerasan material : 95 BHN
Rake Angle (α) : 13o
Mesin CNC : Mazak V-414/22, 32
Clearence Angle (γ) : 7o
Kontrol : Mazatrol M-32
Panjang jarak (x) : 0.1154 mm
Pahat sisipan : OEMX1705EER1-JS
Kedalaman potong (ap) : 0.5 mm
No.
Vc [m/min]
L [mm]
As [mm2]
H [mm]
Ra empiris [μm]
1
600
1.508
0.479
10.53 x 10-3
2.697
2
700
1.231
0.339
11.07 x 10-3
2.833
3
800
1.131
0.276
11.25 x 10-3
2.881
4
900
1.037
0.226
11.45 x 10-3
2.933
5
1000
0.883
0.177
11.78 x 10-3
3.013
6
1100
0.713
0.138
12.12 x 10-3
3.103
KESIMPULAN
1. Kekasaran permukaan (Ra) pada kecepatan potong antara 600 m/min sampai 1100 m/min menurun tajam (lihat gambar 4.8.), dipengaruhi oleh geometri pahat yaitu rake angle dan clereance angle. 2. Sudut geser yang terbentuk semakin membesar seiring meningkatnya kecepatan potong, sudut geser mempengaruhi ketinggian puncak pada tekstur permukaan (lihat tabel 4.5.) 3. Berdasarkan hipotesa awal dan hasil penelitian diperoleh bahwa kualitas permukaan semakin baik seiring kecepatan potong meningkat, sehingga hipotesa awal berlaku untuk proses pemesinan dengan kondisi dan parameter pemesinan yang sama 4. Korelasi antara Ra dan Vc pada kecepatan potong antara 600 m/min sampai 1100 m/min dengan kekerasan material 95 BHN (berlaku untuk proses pemesinan dengan kondisi dan parameter pemesinan yang sama), sebagai berikut: Ra = 10-6Vc2-0.0045Vc+4.5259
SARAN
1. Perlu penelitian lebih lanjut untuk pembuktian analisis sudut geser dengan variasi rake angle dan clereance angle pada masing-masing kecepatan potong. 2. Perlu penelitian lebih lanjut untuk pembuktian analisis Ra empiris dengan Ra sesungguhnya dengan menggunakan mata potong tunggal. DAFTAR PUSTAKA
1.
Altan, T., Fallbohmer, P., Rogriduez, C. A., & Ozel, T. (2003, Desember, 22, 23.00). High speed cutting of iron and alloy steel-state of research [on-line]. http://www.rci.rutgers.edu/~ozel/pdf/cirp-vdi-98.pdf.
2.
Amato, C. J. (1998). The world’s easiest guide to using the APA (2nd ed). California: Stargazer publishing company.
3.
Brussels (2003, Desember, 19, 23.04). Teams newletter [on-line]. http://www.cecimo.be.
4.
Ekinovic, S. Ph.D., Begovic, E., & Alam, S. (2002). Investigation of influencing the surface quality during high-speed turn-milling of brass [on-line]. Zenica, University of Sarajevo, Faculty of Mechanical Engineering. http://www.nait.org-jit-articles-43.pdf. (2004, Februari, 12, 18.00).
5.
Ekinovic, S., Dolisek, S., Kopac, J., & Godec, M. (2004, Februari, 12, 18.30). Transition from conventional to high-speed cutting region and chip formation analysis [on-line]. http://www.nait.org-jit-articles37.pdf.
6.
Ghost, A., & Mallik, A. K. (1986). Manufacturing science. New York: John Wiley & Sons.
7.
Kalpakjian. (1995). Manufacturing engineering and technology (3rd ed). Chicago: Addison Wesley Publishing Company.
8.
Lou, M. S. DR., Chen, J. C. DR., & Li, C. M. DR. (1999, NovemberJanuari). Surface roughness prediction technique for CNC end-milling. Journal of Industrial Technology [on-line], 17(1). http://www.nait.orgjit-articles-lou1198.pdf. (2004, Februari, 12, 17.40).
9.
Machining process [on-line]. (2003, Desember, http://www.petra.ac.id/english/courses/production.htm.
24,
09.10).
10. Mangkuatmodjo, S. Prof. Drs. (2004). Statistik lanjutan. Jakarta: PT. Asdi Mahasatya.
11. Mazak. (1994, Agustus). Operating manual for mazatech (V-414/22, 32). Florence: Pengarang. 12. Mitsubishi Carbide. (1995-1996, April). Metal cutting carbide tools (CB003). Jepang: Pengarang. 13. Mitsubishi Carbide. (2001-2002, Mei). Metal cutting carbide tools (CB005). Jepang: Pengarang. 14. Mitutoyo. Surface roughness tester (Surftest 211). Jepang: Pengarang. 15. Rao, P. N. (2002). Manufacturing technology metal cutting and machine tools. Singapore: Tata McGraw-Hill. 16. Rochim, T. (1992). Teori dan teknologi pemesinan. Bandung: FTI ITB. 17. Rochim, T., & Hardjoko, S. W. (1985). Spesifikasi geometris metrologi industri dan kontrol kualitas. Bandung: FTI ITB. 18. Sandvick Coromant. (2002). High speed machining dan die and mould machining konvensional. Jakarta: Subur. 19. Sandvick Coromant. (2003, Agustus). Metalworking products rotating tools. Sweden: Elanders. 20. Schulz, H., & Moriwaki, T. (1992). High speed machining, Ann. of theCIRP, 41 (2), 637-642. 21. Wiyono, S. (2003, Desember, 23, 22.15). Pengaruh high cutting speed terhadap kualitas permukaan[on-line]. http://www.eng.ui.ac.id/research/S2/slamet.turning.htm. 22. Wijono, S. (2003, Desember, 23, 22.30). Pengaruh vibrasi selama proses pemesinan terhadap kualitas permukaan benda kerja pada proses bubut [on-line]. http://www.eng.ui.ac.id/mesin/research/S2/slamet/studieksperimental.p df. 23. Yang, J. L., & Chen, J. C. DR. (2001, Februari-April). A systematic approach for identifying optimum surface roughness performance in end-milling operations. Journal of Industrial Technology [on-line], 17(2). http://www.nait.org-jit-articles-yang030101.pdf. (2004, Februari, 12, 17.15). 24. Zeren, E. M.sc. (2003, Desember, 22, 23.20). Hard milling technology [online]. http://www.rci.rutgers.edu/~ozel/pdf/marl-02.pdf.
