PENGARUH SUDUT ORIENTASI ANTARA PAHAT DAN BENDA KERJA TERHADAP BATAS STABILITAS CHATTER PADA PROSES BUBUT ARAH PUTARAN COUNTER CLOCKWISE
Oleh Agus Susanto
Dosen Pembimbing Prof. Dr. Ing. Ir. Suhardjono, M .Sc
BIDANG KEAHLIAN SISTEM MANUFAKTUR JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
LATAR BELAKANG Inovasi proses manufaktur Mesin perkakas mempunyai performansi tinggi Kendala, akibatkan kriteria deformasi statis maupun perilaku dinamik Chatter Efeknya; akurasi dimensi, surface finish, mempercepat keausan pahat, & patah dini. Chatter tidak boleh terjadi dan ketika proses pemotongan sedang berlangsung harus dalam keadaan stabil Perlu mengetahui batas stabilitas chatter sehingga dapat digunakan untuk memprediksi, mengkontrol, dan menghindari chatter.
Mengalami chatter
Tidak chatter
Peneliti kasus stabilitas chatter Knight (1972), some effects of tool geometry and cutting conditions terhadap terjadinya chatter pada proses bubut Bason dan Yung (2002) berusaha mengetahui model chatter dan mengeliminasinya pada face turning Suhardjono (2006) meneliti pengaruh kecepatan potong terhadap chatter dan membandingkan kekasaran permukaan sebelum dan sesudah terjadi chatter. Lin (2008), berusaha menemukan kondisi stabilitas terbaik pada proses bubut untuk austenitic stainless steel Suzuki, dkk (2010) meneliti stabilitas chatter pada proses plunge cutting dengan arah bubut clockwise (cw) dan counter clockwise (ccw).
Tingkat kestabilan, ditentukan oleh sudut orientasi antara pahat dan benda kerja dalam arti penempatan relatif pahat pada tool post mesin bubut terhadap benda kerja yang dicekam
Koenigsberger
I
II
III
IV
Daerah Optimum Penempatan Pahat (Sumber: Koenigsberger dan Tlusty)
DASAR TEORI
METODE PENELITIAN
Mulai Studi Literatur
A
Merumuskan masalah Analisa system getaran yang sesuai dengan eksperimen Persiapan Benda Kerja dan alat bantu
Persiapan perangkat eksperimen
Set-up Pengujian Eksitasi
Set-up pengujian pemotongan, yaitu memilih orientasi sudut
Pengujian pemotongan sampai kedalaman tertentu setiap sudut orientasi hingga terjadi chatter.
Pengukuran harga respon getaran setiap pemotongan
Pengujian Eksitasi Pengolahan dan analisa frekuensi pribadi Tidak
Pengolahan dan Analisa Data Kesimpulan
Nilai Koherensi 0.95-1? Selesai Sesuai A
1. Peralatan Eksperimen Mesin bubut Putaran spindle Feeding
: Emco Maximat V13 : 260 (rpm) (ccw) : 0,056 (mm/putaran)
Alat bantu tersebut
2. Uji Pemotongan Tujuan untuk mencari besarnya kedalaman potong kritis (alim) dan batas stabilitas chatter. Set-up Tool , tool post, dan Accelerometer Tool positioning
Three jaw & chuck
Benda kerja Arah feeding
150 mm
Parameter Pemesinan VARIABEL
SET-UP
Benda kerja
Mildstell ST 41 Ø 38,1 mm (1,5 inchi) Panjang bebas pencekaman 150 mm Panjang pencekaman 50 mm.
Pahat potong
HSS, κr = 45o, γ = 15o
Kecepatan putaran spindle
260 rpm
Feeding
0,056 mm/putaran
Kedalaman potong (+)
0,25 mm
Arah putaran spindle
counter clockwise (ccw)
Kondisi pemotongan
Pemotongan tanpa coolant (dry machining)
Tipe proses bubut
Proses bubut lurus (straight turning)
HASIL EKSPERIMEN 1. UJI EKSITASI 2. UJI PEMOTONGAN
1. UJI EKSITASI
Grafik Fungsi Respon Frekuensi (FRF) arah vertikal
Grafik Fungsi Respon Frekuensi (FRF) arah horisontal
2. UJI PEMOTONGAN
Chatter Chatter
tidak Chatter
Variasi amplitudo getaran akibat variasi kedalaman potong pada sudut orientasi 0˚
tidak Chatter
Variasi amplitudo getaran akibat variasi kedalaman potong pada sudut orientasi 150˚
Chatter
tidak Chatter
Variasi amplitudo getaran akibat variasi kedalaman potong pada sudut orientasi 30˚
Rangkuman hasil eksperimen Sudut Orientasi
0˚
15˚
30˚
Kedalaman Potong (mm) 0.25
Amplitudo (mm/s2) 0.0463
0.5 0.75 1 1.25
0.1286 0.1538 0.1756 4.1431
0.25
0.0633
0.5 0.75 1 1.25 1.5 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5
0.0747 0.1789 0.2207 0.4305 4.0886 0.0737 0.1143 0.1661 0.1787 0.1896 0.1977 0.1986 0.2062 0.2071 0.2123 0.2137 0.2176 0.2219 0.2453 0.2468 0.2573 0.2597 19.25
Frekuensi Chatter (Hz)
45˚
260
60˚
228
75˚
90˚
338
0.25
0.1055
0.5
0.1257
0.75
0.1359
1
0.2121
1.25
0.2368
1.5
0.2435
1.75
3.6398
2
19.51
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75
0.0932 0.1432 0.1673 0.1682 0.2651 0.2947 11.447 0.0319 0.1217 0.1506 0.1603 0.2544 0.2651 4.9391
234
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75
0.0262 0.1539 0.1904 0.2011 0.2177 0.3279 0.3711 0.3746 0.4947 0.6741 16.36
298
311
282
Sudut Orientasi
105˚
Sambungan…
120˚
135˚ 150˚
165˚
180˚
Kedalaman Potong (mm)
Amplitudo (mm/s2)
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 0.25 0.5 0.75 1 1.25 0.25 0.5 0.1 0.2 0.25 0.05 0.1 0.25 0.5 0.25 0.5 0.75 1
0.02598 0.04628 0.2264 0.3124 0.3383 12.35 0.0431 0.0462 0.1951 0.5882 13.18 0.1271 13.49 0.0374 0.0966 8.665 0.03704 0.05541 0.1358 4.183 0.0298 0.0727 0.0987 6.91
Frekuensi Chatter (Hz)
251
282 250
236
234
260
ANALISA DAN PEMBAHASAN 1. Pengaruh Kedalaman Potong terhadap Batas Stabil pd Sudut yang Sama 2. Perbedaan Stabilitas Chatter akibat Perubahan Sudut Orientasi
1. Pengaruh Kedalaman Potong terhadap Batas Stabil pd Sudut yang Sama DoC
ΔF
Beda amplitudo
Chatter
Asumsi ; Mata potong sangat tajam sehingga tidak menggaruk benda kerja Deformasi yang terjadi hanya pada dua dimensi, sehigga potong yang dianalisa terjadi pada bidang datar (bukan ruang) Distribusi tegangan yang terjadi merata pada bidang geser
F F f
Fv
Gaya potong akibat aksi-reaski BK-Pahat Gaya akibat deformasi material
Fs
> cos(η − γ o ) =
Fv F
> cos(Φ + η − γ o ) =
Fv = τ shi .
Fs F
Fs. cos(η − γ o ) Fv = cos(Φ + η − γ o )
cos(η − γ o ) a f . . sin κ r sin κ r sin Φ. cos(Φ + η − γ o )
Fs = Ashi .τ shi
F = Ks. A > A = b.h a dan sin κr f h= sin κr
b=
F Ff
Fv
a f . F = Ks. sin κr sin κr
κr = 45 deg f = 0.056mm / put
ST 41, DIN ==> Ks = 2100 N / mm^ 2 F = 2100 N / mm 2
4.5mm 0.056mm . = 1080 N o o sin 45 sin 45
Sudut
Kedalaman
Gaya Potong
Orientasi
Potong (mm)
(N)
0.25
60
0.5
120
0.25
60
180
0.5
120
0.75
180
1
240
1.25
0˚
15˚
45˚
60˚
0.75
Rangkuman Pengaruh kedalaman potong terhadap fluktuasi gaya potong 0.25
60
0.5
120
0.75
180
300
1
240
1.5
360
1.25
300
1.75
420
1.5
360
2
480
2.25
540
1.75
420
2.5
600
2
480
1
240
1.25
300
0.25
60
0.5
120
0.75
180
1
240
1.25
300
0.25 1.5
60 360
2.75
660
2.25
540
0.5
120
3
720
2.5
600
0.75
180
3.25
780
2.75
660
240
3.5
840
60
300
900
0.25
1.25
3.75
1.5
360
4
960
0.5
120
1.75
420
4.25
1020
0.75
180
2
480
4.5
1080
1
240
0.25
60
0.25
60
0.5
120
1.25
300
0.5
120
0.75
180
1.5
360
0.75
180
1
240
0.25
60
1
240
1.25
300
0.5
120
1.25
300
1.5
360
0.75
180
1.5
360
1.75
420
1
240
1.75
420
1.25
300
1
30˚
75˚
90˚
105˚
120˚
Sudut Orientasi
90˚
Sambungan…
105˚
120˚
Kedalaman
Gaya Potong
Potong (mm)
(N)
0.25
60
0.5
120
0.75
180
1
240
1.25
300
1.5
360
1.75
420
2
480
2.25
540
2.5
600
2.75
660
0.25
60
0.5
120
0.75
180
1
240
1.25
300
1.5
360
0.25
60
0.5
120
0.75
180
1
240
1.25
300
135˚
150˚
165˚
180˚
0.25
60
0.5
120
0.1
24
0.2
48
0.25
60
0.05
12
0.1
24
0.25
60
0.5
120
0.25
60
0.5
120
0.75
180
1
240
Temuan Kedalaman Potong Kritis (alimit) dan Pengaruhnya terhadap Peningkatan Stabilitas Pemotongan
2. Perbedaan Stabilitas Chatter akibat Perubahan Sudut Orientasi Karena pergeseran orientasi sudut menyebabkan arah modus getar dari pahat sebagai sistem yang mengeksitasi benda kerja berubah. Arah modus getar ini disebut dengan direktional factor (u) (Koenigsberger, Tlusly, & Insperger ,dkk) (besarnya dapat ditentukan) direktional factor (u) merupakan faktor penentu dari besarnya blim
blim
1 =− 2.Ks.u.R{G (ω ) min}
Perubahan modus getar secara teori
Perubahan modus getar akibat perubahan orientasi pahat (Tlusty & Koenigsberger)
Cara menentukan directional factor untuk mengetahui besarnya blim pendekatan
Sistem pemotongan dan arah modus getar menurut Tlusly
Menurut Koenigsberger & Tlusly
u = cos α . cos(α − β )
Modus getar & menentukan directional factor pada penenelitian
cos α =
y x
cos( β − α ) =
x F
y = cos α . cos( β − α ) F
u = cos α . cos( β − α )
Batas stabilitas secara teoritis
blim
1 =− 2.Ks.u.R{G (ω ) min}
u = cos α . cos(α − β )
Menentukan harga pendekatan blim
1 blim = − 2.Ks.u.R{G (ω ) min} u = cos α . cos( β − α )
−3
1×10 Hre1( Ω) Hre2( Ω) Hre3( Ω) Hre4( Ω)
0
Hre5( Ω) Hre6( Ω) Hre7( Ω)
−3
− 1×10
200
210
220
230
240
250
230
240
250
Ω −3
1×10
Hre8( Ω) Hre9( Ω) Hre10( Ω) 0
Hre11( Ω) Hre12( Ω) Hre13( Ω)
−3
− 1×10
200
210
220 Ω
Perhitungan nilai blimit scr teoritis Sudut
blim = −
1 2.Ks.u.R{G (ω )}
Ks (N/mm2)
u.R{G(ω)}
0o
2100
3,5723.10-4
1.3330
15o
2100
3,0623. 10-4
1.5550
30o
2100
1,8637. 10-4
2.5550
45o
2100
3,5723. 10-4
6.0000
60o
2100
2,2557. 10-4
2.1111
75o
2100
2,5555. 10-4
2.1112
90o
2100
3,5723. 10-4
5.0000
105o
2100
2,8582. 10-4
1.6660
120o
2100
3,5723.10-4
1.3330
135o
2100
3,9318. 10-4
1.2112
150o
2100
4,7619. 10-4
1.0000
165o
2100
3,8968. 10-4
1.2220
180o
2100
2,7827. 10-4
1.7112
orientasi (α)
arah ccw
Diagram polar stabilitas (nilai pendekatan)
Diagram polar stabilitas hasil eksperimen
PERBANDINGAN
Perbedaan? 1. Lebar pemotongan kritis (blim) tidak sama Disebabkan oleh Ks. Ks = 2100N/mm2 Ks = Ks11.f-0.2.Cκ.Cγ.CVB.Cv Ks11 = Gaya potong spesifik referensi (144. 2) = 568 N/mm2 f-0.2 = feeding-tebal gram = 0.056-0.2 = 1.8 σ Cκ = faktor koreksi κr = 45o = 1.102 (pahat karbida) Cγ = faktor koreksi sudut geram = 15o = 0.91 CVB = faktor keausan pahat = 0.3 (HSS) Cv = faktor kecepatan potong, v = 26 m/menit = 1.11 Ks = 334 N/mm2 2. Perbedaan grafik kestabilan.
KESIMPULAN DAN SARAN
1. Terdapat perbedaan stabilitas chatter, frekuensi chatter, dan kedalaman potong kritis setiap sudut orientasi pada proses bubut arah putaran counter clockwise, dimana stabilitas tertinggi terdapat pada sudut orientasi 30o dan terendah pada 150o, sehingga terjadi peningkatan batas stabilitas sebesar 21 kali antara stabilitas tertinggi dan stabilitas terendah 2. Proses bubut konvensional (normal) menggunakan sudut 0o, jika kondisi pemotongan ini dirubah menjadi sudut orientasi 30o maka tingkat stabilitas proses pemotongan akan meningkat menjadi 4.25 kali dari proses pemotongan normal. 3. Kedalaman potong kritis : (0o = 1 mm), (15o =1.25 mm),(30o =4.25 mm), 45o = 1.75 mm), (60o =1.5 mm), (75o adalah 1.5 mm), (90o =2.5 mm),(105o =1.25 mm), (120o =1 mm), (135o =0.25 mm), (150o = 0,2 mm),(165o =0.25 mm), dan (180o =0,75 mm).
TERIMAKASIH
