Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN
Armansyah Ginting
Volume 18 (3) 2006
PRESTASI PAHAT KARBIDA BERLAPIS PADA OPERASI FRAIS BEBAS CEMAR BAHAN PADUAN TITANIUM Armansyah Ginting*)
Abstract From a serial of machining trials that carried out in this study, it was obtained that carbide tool (WC+Co) coated with (TiC/TiAlN/TiN) by PVD method could be used to dry mill titanium alloy Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si (Ti6242S) up to cutting speed (V) of 150 m/min, feeding (f) of 0.15 mm/tooth, axial depth-of-cut (aa) of 2 mm, and radial depth-of-cut (ar) of 8.8 mm. This cutting condition, in particular cutting speed, is 2.5 times higher than the common cutting speed used for cutting titanium alloys (60 m/min). Although under that cutting condition tool life was recorded as short as 1.70 minutes, but the round insert tool type used in this study could be indexed and thus, each insert had 5 cutting edges. As a result, the total tool life can be achieved by each insert tool is 8.5 minutes and this value is higher than the shortest tool life required for cutting of titanium alloys (5 minutes). The n cutting conditions (cutting speed and feeding) and tool life are then formulated based on the Taylor model VT =C n n n dan fT =C. The lower exponent value (n) in VT =C model comparing to fT =C model indicates that tool life is more effected by cutting speed than feeding. Keywords: Coated carbide, Taylor model, Dry
A. PENDAHULUAN Undang-undang perlindungan lingkungan akibat buangan cairan pemotongan bekas dari industri pemotongan logam telah mulai diberlakukan (Hong & Zhao 1999; Sreejith & Ngoi 2000). Pemberlakuan undang-undang ini akan dapat menyebabkan bertambahnya ongkos produksi karena jika selama ini pembuangan cairan pemotongan bekas hanya cukup dimasukkan ke dalam kontainer dan ditimbun di tanah, maka kini cairan pemotongan bekas mesti terlebih dahulu diproses sebelum dapat dibuang ke alam. Hong dan Zhao (1999) melaporkan bahwa biaya untuk melakukan proses kepada cairan pemotongan bekas agar aman dibuang ke alam adalah bernilai 2 hingga 4 kali harga cairan pemotongan tersebut. Oleh karena itu, jika komponen ongkos untuk cairan pemotongan adalah (16–20%) dari total ongkos produksi, maka jika cairan pemotongan bekas harus diproses terlebih dahulu sebelum dapat dibuang langsung ke alam, hal tersebut dapat meningkatkan ongkos produksi menjadi (132–180%) dari nilai ongkos produksi hari ini.
Berbekal kepada kenyataan di atas, para pakar pemesinan mencoba merekomendasikan suatu metode pemesinan bebas cemar. Metode pemotongan tersebut sebenarnya merupakan pendekatan yang sederhana yaitu dengan mengurangi kuantitas cairan pemotongan hingga 50 mL/jam (dari kuantitas lazimnya pada operasi frais yang mencapai 225 L/min (Kalpakjian & Schmid 2001) atau jika memungkinkan meniadakan penggunaan cairan pemotongan (pemesinan kering) sepanjang proses pemesinan berlangsung (MTA-SME 2001). Sebagai industri yang menggunakan cairan pemotongan bervolume besar ketika melakukan proses pemesinan paduan titanium, metode pemesinan bebas cemar yang dimaksud di atas menjadi suatu hambatan besar bagi mempertahankan/ meningkatkan produktivitas industri pesawat terbang (Fraunhofer USA, 2001; Rolls-Royce, 2000). Oleh sebab itu, diperlukan suatu penelitian dengan tujuan utama mewujudkan pemesinan bebas cemar ketika memesin paduan titanium. Laporan yang berkenaan dengan pemesinan bebas cemar paduan titanium belum banyak ditemukan. Laporan awal
1
Armansyah Ginting
yang mengangkat masalah pemesinan bebas cemar (Klocke & Eisenblätter, 1997) hingga ulasan mengenai pemesinan kering yang disajikan oleh Sreejith dan Ngoi (2000) mengindikasikan bahwa penelitian pemesinan kering untuk paduan titanium belum lagi dilaporkan. Cairan pemotongan pada proses pemesinan paduan titanium adalah berfungsi sebagai cairan pendingin dan pelumas guna mereduksi suhu pemotongan yang meyebabkan tingginya laju keausan pahat. Untuk itu, apabila cairan pemotongan pada pemesinan bebas cemar paduan titanium ditiadakan, maka diperlukan suatu alternatif untuk mereduksi suhu pemotongan agar proses pemesinan bebas cemar paduan titanium dapat wujud. Dari pemerhatian elemen-elemen proses pemesinan (benda kerja yang dipotong, pahat pemotong dan bahan benda kerja), maka satu-satunya alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan memilih bahan pahat yang tangguh yaitu bahan pahat yang mampu memiliki resistensi aus (wear resistance) yang baik pada suhu tinggi. Untuk maksud meningkatkan resistensi aus pahat, dewasa ini teknologi pelapisan pahat dengan berbagai bahan pelapis dan metode pelapisan telah dikembangkan (Sreejith & Ngoi 2000; Schulz et al. 2001; Nouari et al. 2003). Untuk operasi frais, pahat berbahan dasar karbida (WC) telah banyak dilapisi dengan bahan seperti TiN, TiC, TiCN, TiAlN, Al2O3, dan sebagainya. Bahan pelapis TiN dilaporkan memiliki koefisien gesek yang rendah sehingga disebut dengan pelumas padat, manakala TiAlN dilaporkan baik untuk digunakan memesin bahan-bahan logam non-ferro (Kalpakjian & Schmid 2001). Metode pelapisannya pula dilakukan dengan endapan uap kimia (chemical vapour deposition/CVD) maupun endapan uap fisik (physical vapour deposition/PVD). Kertas kerja ini berisikan laporan hasil penelitian yang berkenaan dengan studi untuk mewujudkan pemesinan bebas cemar paduan titanium. Penelitian yang dilakukan
2
Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN Volume 18 (3) 2006 difokuskan pada studi prestasi pahat karbida berlapis (WC+Co) (TiCN/TiAlN/TiN) ketika digunakan pada operasi frais bebas cemar paduan titanium Ti-6242S. Prestasi pahat yang dimaksud diformulasikan menurut model Taylor yaitu suatu model matematika yang menghubungkan antara kondisi pemotongan (laju pemotongan dan pemakanan) dengan umur pahat. B. BAHAN DAN METODE Pahat jenis pengisar hujung bola takterpusat yang terbuat daripada karbida multi-lapisan (TiCN/TiAlN/TiN) yang diproduksi dengan metode endapan uap fisik (PVD) dipilih untuk penelitian ini. Geometri dan sifat pahat (perkakas pemotong) dapat dilihat pada Gambar 1 dan Tabel 1.
Gambar 1. Pahat pengisar hujung bola takterpusat (A = titik kontak pada kedalaman potong aksial maksimum; B= titik kontak pada kedalaman potong aksial minimum)
Paduan titanium Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si (Ti-6242S) belum banyak diselidiki sifat ketermesinannya. Untuk itu, paduan titanium ini diputuskan untuk digunakan sebagai bahan penelitian. Paduan titanium ini termasuk paduan yang baru dan khusus digunakan untuk bahan komponen
Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN
Armansyah Ginting
Volume 18 (3) 2006 aeroangkasa yang bekerja pada suhu tinggi seperti komponen turbin yang berputar (bilah, cakra, dan pemutar) dan komponen struktrur pesawat terbang (cagak mesin dan bagian gas buangan mesin) (Boyer 1995). Tabel 1. Komposisi dan Sifat Fisik Pahat Komposisi kimia Unsu Jumlah r (%) WC
87
Ukura n butir ( m) ≤1
HV 10
14 70
Sifat fisik Bahan salutan 9 lapis TiCN/ TiAlN/ /TiN
Tebal salutan ( m) 3–4
Dalam pelaksanaan pengujian pemesinan, pahat dipasangkan pada mesin frais CNC 3-sumbu dengan daya 9 kW dan laju putaran pengumpar 60–10,000 rpm. Pengujian dimulai dari keadaan pemesinan yang lazim dilakukan pada industri aeroangkasa dan juga sebagaimana yang disarankan oleh pemasok pahat yaitu pemotongan pengasaran dengan laju pemotongan 60 m/min, pemakanan 0.1 mm/gigi, kedalaman aksial dan radial pemotongan masing-masing 2 mm dan 8.8 mm (55% diameter nominal pahat). Seperti pada Gambar 1, untuk mendapatkan laju pemotongan, laju putaran pengumpar dan nilai suapan tetap pada titik kontak pada kedalaman potong aksial maksimum (titik A), maka semua parameter pemesinan tersebut dihitung berdasarkan nilai diameter efektif pada titik A (De): ⎡ ⎛D De = 2 ⎢ ⎜ i ⎢ ⎝ 2 ⎣ N=
V = π De
⎤ 2 2 ⎞ ⎛ Di ⎞ − aa ⎟ + d ⎥ ⎟ −⎜ ⎥ ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎦
(1)
V ⎡ ⎤ 2 2 ⎛D ⎞ ⎛D ⎞ 2π ⎢ ⎜ i ⎟ − ⎜ i − aa ⎟ + d ⎥ ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎥ ⎠ ⎣ ⎦
V f = fz z N
(2) (3)
dengan: aa = kedalaman pemotongan aksial (mm), d = radius tak-terpusat (mm), Di = diameter pahat sisipan (mm), De = diameter efektif pahat (mm), V = laju pemotongan (m/min), Vf = laju pemakanan (mm/min), N = putaran pengumpar (rpm), fz = pemakanan (mm/gigi), z = jumlah gigi.
Kriteria kegagalan pahat yang digunakan pada pengujian ini adalah sesuai dengan standar ISO8688:2 (1989) yaitu aus tepi seragam ≥ 0.2 mm, aus tepi setempat ≥ 0.3 mm, masa pemesinan maksimum ≥ 20 menit. Suatu pengujian akan dihentikan pula jika serpihan, kepingan, dan patahan yang berlebihan terjadi pada pojok pahat. Model hayat pahat Taylor (1907) pada persamaan (4a) akan digunakan untuk merumuskan prestasi pahat.
T=
C V 1 / a fz1 / b aa1 / c w1 / d
(4a)
dengan: a, b, c, d = nilai eksponen, w = kedalaman pemotongan radial, T = hayat pahat, C = konstanta. Namun demikian, karena pada penelitian ini kedalaman pemotongan aksial dan radial adalah tetap, maka model Taylor yang dapat dihasilkan terbatas pada dua parameter saja yaitu laju pemotongan (V) dan pemakanan (fz), sehingga persamaan (4a) berubah menjadi:
VT a = C
(4b)
f zT b = C
(4c) C. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian yang dilakukan pada penelitian ini disajikan pada Tabel 2. Kebanyakan pengujian dihentikan karena masa pemesinan maksimum ≥ 20 menit terlampaui. Data aus tepi setempat ≥ 0.3 mm diperoleh hanya pada laju pemotongan 125 dan 150 m/min (~2.5 kali kelajuan lazim pemesinan aloi titanium 60 m/min) untuk hayat sekitar 3 menit pada pemakanan 0.1 mm/gigi dan 1.7 menit pada 0.15 mm/gigi. Lebih lanjut, terbatasnya data yang diperoleh bermakna hanya ada masing-masing dua titik data yang akan digunakan untuk melakukan plot garis regresi V-T dan fz-T pada Gambar 2 dan 3. Walau bagaimanapun, karena hubungan antara V dan fz (pada ordinat) dengan T (pada absis) adalah linear (Taylor 1907), maka sekurang-kurangnya dua titik data adalah mencukupi untuk melukis plot garis regresi tersebut.
3
Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN Volume 18 (3) 2006
Armansyah Ginting
Tabel 2. Data-Data Hasil Pengujian V (m/min)
Hayat (min)–Aus tepi (mm) fz (mm/gigi)
0.10 0.15 60 20.4 – 0.03 20.4 -- 0.05 75 20.4 – 0.07 20.8 -- 0.07 100 20.4 – 0.10 20.4 -- 0.28 125 18.9 – 0.30 5.82 -- 0.30 150 3.20 / 3.06a -- 0.30 1.83 / 1.70a -- 0.30 a pengujian hayat pahat yang pendek dilakukan 2 kali untuk mewakili pengujian kehandalan data.
⎞ ⎛ V2 ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎠ ⎝ V1
⎞ ⎟⎟ ⎠
0.1 mm/gigi VT
0.1014
=C
0.15 mm/gigi VT
0.1527
=C
100
10 0.1
1
10
100
Hayat perkakas pemotong (T ) (min)
Gambar 2. Garis Regresi V-T 10
125 m/min f zT
0.3442
f zT
0.7072
=C
150 m/min
−1 / a
(5)
Garis regresi pada Gambar 3 pula memberikan pengaruh pemakanan terhadap hayat pahat. Model Taylor untuk masing-masing laju pemotongan 125 dan 150 m/min adalah fzT0.3442 = C dan fzT0.7072 = C. Jika persamaan (5) digunakan untuk melihat makna eksponen pada pengaruh pemakanan terhadap hayat (tukar V menjadi fz), maka diperoleh bahwa walaupun hayat yang diberi oleh laju
4
1000
Suapan gigi (fz ) (mm/gigi)
⎛ T2 ⎜⎜ ⎝ T1
pemotongan 125 m/min adalah lebih panjang berbanding 150 m/min, tetapi kenaikan 10% untuk pemakanan pada laju pemotongan 125 m/min menghasilkan penurunan hayat sehingga 24% yaitu lebih berarti berbanding dengan laju pemotongan 150 m/min yang turun hanya sehingga 13%.
Laju pemotongan (V ) (m/min)
Dari garis regresi pada Gambar 2 diperoleh bahwa kesan laju pemotongan untuk suapan 0.1 mm/gigi diberikan oleh VT0.1014 = C, manakala untuk pemakanan gigi 0.15 mm/gigi adalah VT0.1527 = C (lihat Lampiran 1). Kedua model ini dapat digunakan untuk menghitung jangkaan hayat pahat pada tiap-tiap laju pemotongan yang belum diperoleh berapa hayatnya saat aus tepi setempat ≥ 0.3 mm. Dari kedua model tersebut pula dapat diketahui bahwa untuk pemakanan dalam rentang 0.1–0.15 mm/gigi, nilai eksponen pahat ini adalah berada pada 0.1014-0.1527. Nilai eksponen yang lebih kecil untuk pemakanan 0.1 mm/gigi mengindikasikan bahwa hayat pahat yang bekerja pada pemakanan ini sangat dipengaruhi oleh laju pemotongan berbanding dengan pemakanan 0.15 mm/gigi. Menggunakan persamaan (5) dapat dilihat bahwa untuk pemakanan 0.1 mm/gigi, kenaikan laju pemotongan 10% menurunkan hayat pahat hingga 61%, manakala untuk pemakanan 0.15 mm/gigi mengalami penurunan hayat hingga 46%.
=C
1
0.1
0.01 0.1
1
10
100
Hayat perkakas pemotong (T ) (min)
Gambar 3. Garis Regresi fz-T.
Armansyah Ginting
Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN Volume 18 (3) 2006
D. KESIMPULAN
E. DAFTAR PUSTAKA
1. Pengisar hujung bola tak-terpusat karbida multi-lapisan (TiCN/TiAlN/TiN) endapan uap fisik mampu mengisar Ti6242S pada pemesinan bebas cemar hingga kelajuan 2.5 kali laju pemotongan yang lazim bagi memesin paduan titanium. 2. Model Taylor yang diberikan oleh garis regresi V-T masing-masing untuk pemakanan 0.1 mm/gigi dan 0.15 mm/gigi adalah VT0.1014 = C untuk dan VT0.1527 = C. 3. Model Taylor yang diberikan oleh garis regresi fz-T masing-masing untuk laju pemotongan 125 dan 150 m/min adalah fzT0.3442=C dan fzT0.7072=C. 4. Nilai eksponen yang kecil dari pengaruh laju pemotongan terhadap hayat pahat mengindikasikan bahwa hayat sangat dipengaruhi oleh laju pemotongan berbanding dengan pemakanan.
Armansyah Ginting dan Che Hassan Che Haron, 1999. Pemesinan bahan angkasa lepas-aloi titanium: Satu ulasan, Prosidang Kolokium JKMB, 182–187. Boyer, R. R., 1995. Titanium for Aerospace: Rationale and Applications, Advance Performance Materials, 2: 349–368. Dearnley, P. A., dan Grearson, A. N., 1986. Evaluation of Principal Wear Mechanism of Cemented Carbides and Ceramics Used for Machining Titanium Alloys IMI 318, Mat. Sci. and Tech., 2: 47–58. Hong, S. Y. dan Zhao, Z., 1999. Thermal Aspects, Material Considerations and Cooling Strategies in Cryogenic Machining, J. Clean Products and Processes, 1: 107–116. ISO 8688-2, 1989. Tool life testing in milling – Part 2: End milling. Klocke, F. dan Eisenblätter, G., 1997. Dry cutting, CIRP, 46:2: 519–526. König, W., 1978. Applied Research on the Machinability of Titanium and Its Alloys, Proc. of 47th Meeting of AGARD, 1.1–1.10. Sreejith, P. S. dan Ngoi, B. K. A., 2000. Dry machining: Machining of the future, J. Mater. Proc. Tech., 101: 287–291. Taylor, F. W., 1907. On the art of cutting metals, Trans. ASME., 31–279.
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Prof. Dr. Che Hasan Che Haron atas bimbingan dan kerjasama yang baik dalam pelaksanaan penelitian ini. Selanjutnya terima kasih kepada Prof. Dr. M. Nouari dari ENSAM CER Bordeaux Perancis dan Prof. Dr. H. A. A. Aal dari Wisconsin University Amerika Serikat untuk kerjasama lanjutan penelitian ini.
5
Jurnal KOMUniKASI PENELITIAN Volume 18 (3) 2006
Armansyah Ginting
LAMPIRAN Contoh perhitungan garis regresi VTa = C Pemakanan: 0.1 mm/gigi Kriteria kegagalan pahat: aus rusuk setempat 0.3 mm Pengujian V (m/min) T (min) x = log V 1 125 18.90 2.10 2 150 3.20 2.18 3 150 3.06 2.18 6.45 Σ 2 (Σx) = 41.59 (Σx)2/n = 13.86
k=
Σxy − Σx.Σy / n Σx 2 − (Σx )2 / n
= − 9.86; −
Y = log T 1.28 0.51 0.49 2.27 (Σx . Σy) = 14.62 Σx . Σy/n = 4.87
xy 2.68 1.10 1.06 4.83
x2 4.40 4.74 4.74 13.87
1 = a = 0.1014; log C = x − y / k ; C = 168.4 k
Untuk pemakanan 0.15 mm/gigi dan fzTb = C adalah juga mengikuti tatacara di atas.
6
y2 1.63 0.26 0.24 2.12
