PENGARUH RAKE ANGLE TERHADAP KUALITAS PERMUKAAN PADA PROSES EXTERNAL TURNING Rosehan, Erry Y.T. Adesta , Sauw Albertus Fajar
Abstract: Surface roughness is the most important quality measured in many products. Product surface can be made with many manufacturing processes, one of the processes is removal metal cutting. In this process there are three factors effecting surface roughness; feed rate, nose radius, and cutting edge angle. This research presents the effect of rake angle on surface roughness. The process used in this study is external turning with CNC machine type Turn 8N and the material is medium carbon steel with 183 BHN. The results of this research are surface roughness and chip thickness. Keyword:external turning, nose radius, surface roughness
PENDAHULUAN Dengan semakin berkembang kompetisi, sekarang konsumen memiliki permintaan tinggi akan kualitas permukaan yang makin baik dan menjadi cara yang kompetitif dalam industri manufaktur (Feng, 2001). Removal Metal cutting adalah proses penting pada manufaktur untuk memproduksi suatu bagian dengan dimensi dan bentuk sesuai keinginan. Pada proses removal metal cutting ada tiga faktor yang mempengaruhi kekasaran permukaan; gerak makan (feed rate), nose radius, dan sudut potong pahat (Zhang, 1998; Groover, 1996). Sudut potong pahat merupakan salahsatu yang diperhatikan dalam pemilihan pahat untuk mendapat kualitas permukaan yang baik. Rake angle adalah sudut pada pahat yang menentukan kualitas permukaan hasil proses pemesinan. Fungsi dari rake angle adalah untuk mengalirkan geram dari permukaan benda kerja. Untuk rake angle positif sudut geser dengan gesekan kecil, dan untuk rake angle negatif sudut geser dengan gesekan besar (Schroeder, 2006). Karena ada perubahan sudut geser dan gesekan pada saat proses pemesinan maka perubahan rake angle akan mempengaruhi kualitas permukaan hasil pemesinan.
TINJAUAN PUSTAKA 1.
Proses Bubut Proses bubut adalah operasi pemesinan yang menghasilkan bagian silindris. Proses bubut dapat didefinisikan sebagai proses pemesinan permukaan luar (DeGarmo); dengan benda kerja yang berputar; dengan single-point cutting tool; dengan gerak makan pahat paralel terhadap sumbu benda kerja dan kedalaman potong akan memotong permukaan terluar benda kerja. 2.
Efek Rake Angle Ada tiga sudut yang memegang peranan penting dalam proses permesinan rake angle, clearance angle dan shear angle. Rake angle adalah sudut antara permukaan pahat pada rake face dengan arah normal permukaan benda kerja. Rake angle mempengaruhi kemampuan pahat menggeser material benda kerja dan membentuk geram. Rake angle yang besar menurunkan gaya pemotongan dan menghasilkan defleksi yang semakin kecil pada benda kerja, holder pahat dan mesin (DeGarmo). Namun jika rake angle terlalu besar akan menyebabkan pahat cepat aus karena material yang terbuang pada proses pemotongan akan menggesek rake face, sehingga
Gambar 1. Geometri Pahat Bubut (Sumber: Trent: 1977, 7)
mengurangi kekuatan pahat akibat panas yang melalui pahat sulit dihilangkan (Tosca and Jessie). Rake angle positif digunakan pada material yang lunak. Sedangkan rake angle negatif digunakan bila material benda kerja keras atau saat dibutuhkan sisi mata potong yang kuat. Efek yang didapat dengan melakukan perubahan pada rake angle adalah: 1) Kenaikan rake angle mempertajam pahat. 2) Kenaikan 1º rake angle menurunkan daya pemotongan 1% 3) Perubahan 1º rake angle kearah positif menurunkan kekuatan mata potong pahat dan kearah negatif meningkatkan ketahanan potong. 3.
Rasio Pemampatan Tebal Geram
Berdasarkan kenyataan dalam praktek:
hc > h
Hal ini disebabkan karena kekuatan logam polikristal dipengaruhi oleh temperatur, kecepatan geser, regangan geser dan tegangan normal pada bidang geser. Logam pada daerah geser yang mengalami temperatur, tegangan, dan kecepatan regangan yang tinggi tidak bersifat sebagai material ideal yang plastik. Geram seolah-olah dimampatkan, hasil bagi antara tebal geram dengan tebal geram sebelum terpotong disebut rasio pemampatan tebal geram. Pada
Gambar 2. Perbandingan Tebal Geram (hc dan h) (Sumber: Rao, 2002: 16)
Gambar 2 menunjukkan perbandingan tebal geram (hc dan h): Dari Gambar 2 dapat dirumuskan bahwa: ........................................................................... (1) Untuk mencari besar sudut geser dapat digunakan persamaan berikut:
................................................................................... (2) Karena ada pemampatan tebal geram, maka kecepatan aliran geram selalu lebih rendah daripada kecepatan potong. Pada Gambar 2 ditunjukkan analisis segitiga vektor kecepatan aliran geram (Vg), kecepatan potong (Vc), dan kecepatan geser (Vg), sehingga didapat persamaan: ........................................................................... (3) 4.
Mekanisme Pembentukan Geram Geram dibentuk oleh proses lokalisasi geser pada bagian yang sangat sempit. Bidang ini disebut zona geser atau bidang geser, deformasi ini berkembang dari zona kompresi radial yang berubah jadi proses geser saat pahat melewati benda kerja. Seperti semua deformasi plastis, zona kompresi radial memiliki daerah atau bagian yang merubah daerah kompresi elastis menjadi daerah kompresi plastis saat pahat melintasi benda kerja (Black, 1998: 7). Saat area benda kerja (p-q-r-s) mengalami proses geser, area p-q-r-s akan mengalami deformasi plastis dan berubah menjadi bentuk baru (lihat Gambar 3). Gambar 3. Struktur Geser pada Pemotongan Ortogonal
Gambar 3. Struktur Geser pada Pemotongan Orthogonal Besar deformasi plastis bergantung pada sudut geser dan rake angle: ................................................................................. (4) Kekasaran Permukaan Ketepatan untuk mencapai nilai kualitas permukaan merupakan salah satu kebutuhan utama dalam proses pemesinan. Ada dua faktor yang mempengaruhi kualitas permukaan pada proses pemesinan yaitu kekasaran ideal dan kekasaran sesungguhnya. 5.
5.1. Kekasaran ideal Kekasaran ideal adalah fungsi dari gerak makan dan geometri pahat (lihat Gambar 4). Kekasaran ideal dihasilkan jika built up edge, getaran dan ketidakakuratan gerak mesin dihilangkan (Sutherland, 2004). Ketinggian maksimum ketidakrataan (Rmax) pahat nose radius didapat dengan persamaan 5. .............................................................................................. (5) Kekasaran permukaan dihasilkan dengan persamaan 6: ............................................................................................... (6)
Gambar 4. Model Kekasaran Ideal Pahat Nose Radius Sumber: Katalog Sandvick.
5.2. Kekasaran sesungguhnya Pada kenyataannya, kekasaran sesungguhnya tidak akan didapat sesuai dengan kondisi kekasaran ideal dan secara normal kekasaran sesungguhnya berpengaruh besar pada kekasaran ideal. Salahsatu faktor kekasaran sesungguhnya adalah terjadinya built up edge. Semakin besar built up edge, makin kasar permukaan yang dihasilkan dan factor kecenderungan untuk mengurangi gesekan antara geram-pahat dan untuk menghilangkan built up edge akan meningkatkan kualitas kekasaran permukaan.
PENGUMPULAN DATA 1.
2.
3.
4.
Data Mesin Tipe Kontrol Putaran maksimum Daya motor, (P) Torsi konstan, (T) Ketelitian sumbu gerak Data Pemesinan Kecepatan potong (V) Kedalaman potong (a) Gerak makan (f) Panjang pemotongan (lt) Diameter pemotongan Data Pahat Material Tipe pahat
: Mazak Turn 8N : Mazatrol T Plus : 6000 min-1 : 7.5 kW : 9.0 kgf.m, pada putaran 750 min-1 sampai 6000 min-1 : 0.001 mm, pada putaran 60 min-1 sampai 750 min-1 : 200 m/min (konstan) : 0.5 mm (konstan) : 0.2 mm/rev (konstan) : 75 mm : 85 mm – 84 mm
: CVD coated carbide : TNMG 160408 MG (0°) grade TT1500 TNMG 160408 MT (6°) grade TT1500 TNMG 160408 ML (13°) grade TT1500 Tipe holder : PTGNR 2020K16 Data Alat Ukur Kekasaran Permukaan Merk : Mitutoyo Tipe : SURFTEST 211 (portable surface roughness tester) Rentang : Ra; 0.05 ∝m – 40 ∝m; 2 ∝inch – 1600 ∝inch Pengukuran : Rz; 0.3 ∝m – 160 ∝m Ry; 10 ∝inch – 6400 ∝inch Length of cut : 0.25; 0.8; 2.5 (mm) Length : 0.01; 0.03; 0.1 (inch) Evaluation : Ra, Rz, Ry (ISO/JIS), Ry, Rz (DIN) Stylus material : diamond (90° cone, R 0.5 ∝m) Stylus speed : 0.5 (mm/detik) Suhu operasi : 5 °C –40 °C
5.
6.
Data Material Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon medium dengan kekerasan 183 BHN. Panjang 95 mm, diameter 85 mm, jumlah material 90 buah. Alir Eksperimen Langkah-langkah eksperimen seperti berikut:. 1) Persiapan material kerja dengan dimensi panjang 95 mm dan diameter 85 mm sebanyak 90 mm. 2) Pengujian kekerasan material benda kerja dengan menggunakan Affri metal tester. 3) Proses centering, material dibubut 0.25 mm dengan menggunakan mesin turning Mazaktipe Turn 8N. 4) Proses pemesinan menggunakan mesin CNC dengan Vc=200 m/min, a=0.5 mm dan f=0.2mm/rev dengan variasi pahat TNMG160408 MG, TNMG160408 MT, TNMG160408 ML. 5) Pengambilan data kekasaran material dengan menggunakan alat roughness tester dengan jumlah 5 titik untuk masingmasing spesimen setiap satu kali proses pemesinan. 6) Pengambilan data tebal geram dengan alat ukur mikrometer
HASIL DAN PEMBAHASAN 1.
Data Hasil Pengamatan Data kekasaran permukaan benda kerja dan tebal geram hasil pemotongan diambil tiga puluh kali untuk setiap sudut geram. Untuk tiap satu kali pemotongan dilakukan lima kali pengukuran. Data hasil pengamatan pada tabel 1 merupakan rata-rata. Tabel 1. Data Hasil pengamatan Proses pengerjaan Jenis mesin Kontrol mesin Tipe Holder Tipe pahat
: External turning : Mazak Type Turn 8N : Mazatrol T Plus : PTGNR 2020K16 : TNMG 160408 TT1500
Kekerasan material Gerak makan Kecepatan potong Kedalaman potong Panjang pemotongan
: 183 BHN : 0.2 mm/rev : 200 m/min : 0.2 mm : 75 mm
γo (°)
hc (mm)
Ra ( ∝m)
MG (0)
0.369
1.754
MT (6)
0.318
2.169
ML (13)
0.278
2.797
Analisis Regresi Non-Linier untuk mencari hubungan antara variabel X dengan variabel Y dapat digunakan model regresi dengan menggunakan persamaan 7–9 atau dengan menggunakan software spreadsheet. Persamaan yang digunakan dalam regresi polinomial derajat ke dua adalah sebagai berikut (Dajan, 1986: 312): .................................................................................... (7) Untuk mencari nilai konstanta a, b dan c dapat dilakukan dengan cara mengeliminasi dari persamaan berikut ini:
..................................................................... (8) Untuk mengukur kekuatan hubungan antara variabel X dengan variabel Y (koefisien determinasi) dapat digunakan rumus sebagai berikut: ................................................................. (9)
Pada Gambar 6 digambarkan grafik hubungan beberapa variabel pengamatan terhadap sudut geram.
Gambar 6. Grafik Kekasaran Permukaan dan Tebal Geram terhadap Rake Angle 2.
Pengolahan Data
2.1. Perhitungan kekasaran permukaan teoritis Karena jenis geometri pahat digunakan adalah pahat nose radius (lihat Gambar 4), nilai kekasaran permukaan teoritis dapat diperoleh menggunakan persamaan 6 setelah ketinggian maksimum ketidakrataan diperoleh. Untuk mengetahui besar ketinggian maksimum digunakan persamaan 5. Namun karena ada perbedaan rake angle pahat maka perlu dicari ketinggian maksimum akibat pengaruh kemiringan yang dibentuk oleh rake angle. Berdasarkan teori trigonometri, dapat dihitung besarnya ketinggian maksimum. Untuk pendekatan kedalaman total sesungguhnya, maka dapat digambarkan geometri permukaan terhadap posisi radius pahat seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Geometri Nose Radius Pahat Berikut adalah hasil penurunan rumus ketinggian maksimum ketidakrataan (persamaan 10) menggunakan teori trigonometri.
...................................................................... (10) Hasil perhitungan ketinggian maksimum dan kekasaran permukaan teoritis terhadap rake angle dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Tabel Perhitungan Kekasaran Permukaan Teoritis γo (°)
Rmax (µm)
Ra (µm)
MG (0) MT (6) ML (13)
6.275.10-3 6.309.10-3 6.440.10-3
1.606 1.615 1.649
Gambar 8. Grafik Kekasaran Permukaan Teoritis Pada Gambar 8 terlihat perbandingan nilai kekasaran permukaan sesungguhnya dibandingkan nilai kekasaran ideal mengalami peningkatan lebih besar. 2.2. Perhitungan sudut geser Untuk menganalisa pengaruh rake angle terhadap kualitas permukaan benda kerja, maka sudut geser, regangan geser dan luas bidang geser harus diketahui. Sudut geser dapat dihitung menggunakan persamaan 2. Dimana terlebih dahulu harus dihitung rasio pemampatan tebal geram menggunakan persamaan 1. Setelah nilai rasio pemampatan tebal geram diketahui, maka besar sudut geser dapat diketahui. Tabel 3. Perhitungan rasio pemotongan, sudut geser, kecepatan geram dan kecepatan geser. Proses pengerjaan Jenis mesin Kontrol mesin Tipe Holder Tipe pahat
γo (°)
hc (mm)
: External turning : Mazak Type Turn 8N : Mazatrol T Plus : PTGNR 2020K16 : TNMG 160408 TT1500
γh (°)
Kekerasan material Gerak makan Kecepatan potong Kedalaman potong Panjang pemotongan
φ(°)
γ
: 183 BHN : 0.2 mm/rev : 200 m/min : 0.2 mm : 75 mm
As (mm2)
Vg(m/min)
MG (0)
0.369
1.845
28.454
2.381
0.209
108.654
MT (6)
0.318
1.589
33.826
2.020
0.180
125.892
ML (13)
0.278
1.389
39.939
1.703
0.156
144.023
Luas bidang geser dihitung dengan diketahuinya besar sudut geser, begitu juga regangan geser dihitung menggunakan persamaan 4. Hasil perhitungan sudut geser, regangan geser dan luas bidang geser ditunjukkan pada Tabel 3. Pada Gambar 9 dapat dilihat bahwa sudut geser meningkat dengan bertambahnya dimensi rake angle. Peningkatan sudut geser merupakan salahsatu faktor utama yang mempengaruhi kualitas permukaan. Hal ini akan dibahas lebih lanjut pada analisis.
Gambar 9. Grafik Hubungan Sudut Geser dan Rake Angle 3.
Analisis
3.1. Kekasaran Permukaan Pada Gambar 8 terlihat bahwa nilai kekasaran permukaan rata-rata akan meningkat seiring dengan bertambah rake angle. Kekasaran permukaan rata-rata dipengaruhi oleh geometri pahat dan gerak makan pahat. Kekasaran permukaan dipengaruhi oleh dimensi nose radius pahat yang berubah akibat pengaruh kemiringan rake angle. Pertambahan rake angle pada kondisi pemotongan yang konstan, mengakibatkan makin kecil nose radius pahat. Nose radius pahat yang mengecil mengakibatkan kontak pahat pada benda kerja berkurang sehingga ketinggian maksimum membesar (lihat Tabel 2). Nilai kekasaran permukaan sesungguhnya dibandingkan nilai kekasaran ideal mengalami peningkatan lebih besar (Gambar 8). Hal ini disebabkan dengan perubahan rake angle menyebabkan sudut geser berubah saat proses pemotongan berlangsung. 3.2. Sudut Geser Pada Gambar 6 terlihat bahwa makin besar rake angle akan mempengaruhi kekasaran permukaan benda kerja menjadi lebih besar. Hal ini disebabkan dengan perubahan rake angle akan merubah sudut geser saat proses pemotongan berlangsung (lihat Gambar 9). Tebal geram sangat dipengaruhi oleh dimensi rake angle pahat. Pada Gambar 6 terlihat bahwa makin besar rake angle maka tebal geram akan makin kecil. Karena adanya pemampatan tebal geram saat proses pemotongan berlangsung, maka kecepatan aliran geram selalu lebih rendah dari pada kecepatan potong (Tabel 3). Dari Tabel 3 hasil perhitungan, terlihat bahwa perubahan sudut geser dan rake angle mempengaruhi regangan geser pada bidang geser. Semakin besar rake angle, maka semakin kecil regangan geser pada bidang geser. Luas bidang geser menjadi makin kecil akibat dari makin kecil regangan geser.
Gambar 10. Dislokasi pada Bidang Slip (Sumber: Kim, 2004)
Regangan geser terjadi akibat deformasi elastis-plastis pada bidang geser permukaan benda kerja pada saat proses pemotongan. Benda kerja mengalami tegangan geser pada bidang geser. Setelah tegangan luluh atau yield benda kerja dilampaui terjadi deformasi plastis yang menyebabkan slip atau luncur. Slip adalah gerak bagian atas kristal melewati bagian bawah kristal (disebut dislokasi) melalui bidang kristalografi atau bidang slip (lihat Gambar 10). Terjadinya dislokasi pada bidang slip menyebabkan kristal dapat dideformasi plastis dengan tegangan jauh lebih rendah daripada kekuatan teoritis.
Gambar 11. Skema Dislokasi Mempengaruhi Kekasaran Permukaan Sesungguhnya (Sumber: Jasinevicius, 2005: 442)
Akibat terjadinya deformasi lapisan elastis-plastis yang berbeda menyebabkan perubahan regangan geser pada rake angle 0°–13° sehingga nilai kekasaran permukaan membesar (Nadgorny, 2005: 2; Kapoor, 2004) (lihat Gambar 11). KESIMPULAN Berdasarkan data penelitian dan analisis yang dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Kualitas permukaan semakin baik seiring dengan penurunan dimensi rake angle, sehingga hipotesa awal berlaku untuk proses pemesinan dengan kondisi dan parameter pemesinan yang sama 2. Kekasaran permukaan (Ra) pada rake angle antara 0°–13° meningkat, dipengaruhi oleh deformasi lapisan elastis-plastis. 3. Korelasi antara Ra dan o _ antara 0°–13° dengan kekerasan material 183 BHN pada proses permesinan dengan kondisi dan parameter pemesinan yang sama adalah: Ra = 0,0016.γo2 – 0,0597.γo + 1,7543
DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4.
5.
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
ASM Handbook. Machining vol.16. Edisi kesembilan. USA: ASM International, 1989. Castanho J. M., Vieira M. T., Improving the cutting performance of TiAlN coatings using submicron metal interlayers, Key Engineering Materials, Vol. 230-232, 2002. Dajan, Anton. Pengantar Metode Statistik Jilid I. Jakarta : Penertbit PT Pustaka LP3ES Indonesia, Anggota IKAPI, 1995. Jasinevicius R. G. et al., Influence of the Mechanical and Metallurgical State of an Al-Mg Alloy on the Surface Integrity in Ultraprecision Machining, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2003. Kapoor, S. G., Current State of Micro-Scale Machine ToolSystems and Machining Research, Mechanical and Industrial Engineering Department University of Illinois at Urbana-Champaign, 2004. Kim, S., Metal Cutting 1: Spring, 2004. Nadgorny, E. M., Evolution of self-affine surface roughness in plastically deforming KCl single crystals, Proceedings of Science, 2005. Rochim, Taufiq, Teori dan Teknologi Proses Pemesinan, Bandung: Higher Education Development Support Project, 1993. Rochim, T., dan Hardjoko, S. W., Spesifikasi Geometris Metrologi Industri dan Kontrol Kualitas, Bandung: FTI ITB, 1985. Rao, P.N. Manufacturing Technology Metal Cutting & Machine Tools. Singapore: McGrawHill Inc., 2000. Shen C. H., The importance of diamond coated tools for agile manufacturing and dry machining, Surface and Coatings Technology,Vol. 86-87, 1996. Taegutech Katalog, 2005. Trent, E.M., Metal Cutting, London: Butterworths,1977.
