TM

Keutuhan Permukaan Baja AISI 4140 Pada Pemesinan Laju Tinggi, Keras Dan Kering Menggunakan Pahat CBN TESIS

OLEH Berta Br Ginting 087015001/TM

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

Universitas Sumatera Utara

Keutuhan Permukaan Baja AISI 4140 Pada Pemesinan Laju Tinggi, Keras Dan Kering Menggunakan Pahat CBN

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Teknik Mesin Pada Program Magister Teknik Mesin Universitas SumaterUtara

OLEH Berta Br Ginting 087015002/TM

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011


ABSTRAK Penelitian ini terfokus pada keutuhan permukaan (surface integrity) logam paduan AISI 4140 berkekerasan ~ 55 HRC yang dikerjakan dibawah proses pembubutan laju tinggi, keras dan kering yang dikaji secara eksperimen. Metode pengumpulan data yang digunakan pada penelitian ini adalah metode CCF (Cubic Center Face). Dampak kecepatan potong, laju pemakanan dan kedalaman potong terhadap kekasaran permukaan (Ra) dan terhadap topografi permukaan yaitu corak permukaan (lay) dan cacat permukaan (defect) yang terjadi pada permukaan benda termesin akan diteliti . Nilai Ra rata-rata terkecil didapat = 0,97 μm yaitu pada kecepatan potong (V) = 200 m/min, laju pemakanan (f) = 0,1 mm/put dan kedalaman pemakanan (a) = 0,3 mm. Nilai Ra rata-rata terbesar didapat = 2,09 μm yaitu pada kecepatan potong (V) = 225 m/min, laju pemakanan (f) = 0,1 mm/put dan kedalaman pemakanan (a) = 0,7 mm. Topografi corak permukaan (lay) dari permukaan benda termesin memperlihatkan bahwa lay yang ditemukan memiliki pola arah yang sejajar dengan kecepatan potong (V) dan tegak lurus dengan kecepatan pemakanan (Vf). Sedangkan topografi cacat permukaan (defect) yang ditemukan ada empat jenis cacat yaitu cacat feed mark, , pembentukan lapisan chip, tearing surface dan kotoran (microchip). Kondisi pemotongan yang direkomendasikan untuk pemotongan logam AISI 4140 yang berkekerasan ~ 55 HRC dengan pahat CBN dengan kondisi pemesinan laju tinggi dan kering adalah pada kondisi pemotongan tingkat magnitude minimum. Kata kunci : Corak permukaan, cacat permukaan, kekasaran permukaan, Ra, kondisi pemotongan


ABSTRACT

This study is focused on the surface integrity of AISI 4140 alloy which has the hardness of -55 HRC worked on the turning process under high, hard, and dry speed which was examined experimentally. Data collecting method used in this study is the CCF (Cubic Center Face) method. The impact of the velocity of cutting, the feeding rate, the depth of cutting on the surface roughness (Ra) and on the surface topography; that is, surface feature (lay) and surface defects (Defect) which occur on the surface of the object will be studied. The average value of the smallest Ra = 0.97 μm; that is, at the velocity of cutting (V) = 200 m/min, at the feeding rate (f) = 0.1 mm/put, and the depth of feeding (a) = 0.3 mm. The average value of the largest Ra = 2.09 μm; that is, at the velocity of cutting (V) = 225 mm/min, at the feeding rate (f) = 0.1 mm/put, and at the depth of feeding (a) = 0.7 mm. The topography surface feature (lay) on the surface of the object shows that the lay has direction pattern which is paralleled with the velocity of cutting (V); whereas the topography of surface defect has four types of defect; namely, feed mark defect, the forming of chip layer, tearing surface, and dirt (microchip). The recommended cutting condition for the cutting of metal ASIDSI 4140 which has the hardness of 55 HRC with CBN chisel in the high and dry speed of machinery condition is the cutting condition of minimum magnitude level. Keywords: Lay, Defect, Surface Roughness, Ra, Cutting Condition


KATA PENGANTAR

Puji

syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa dan Maha Pengasih atas

limpahan berkat dan karuniaNya yang telah diberikan kepada penulis sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan baik dengan judul “Keutuhan Permukaan Baja AISI 4140 Pada Pemesinan Laju Tinggi, Keras Dan Kering Menggunakan Pahat CBN”. Penulisan tesis ini adalah sebagai

hasil penelitian dalam rangka

menyelesaikan pendidikan Pascasarjana Jurusan Teknik Mesin bidang Manufaktur, pada Sekolah Magister Teknik Mesin FT-USU. Penulisan dan penelitian tesis ini terlaksana dan dapat terwujud berkat bimbingan, petunjuk dan arahan serta dorongan dari berbagai pihak terutama Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting M.Eng, selaku ketua komisi pembimbing, Bapak

Dr.Nasruddin, MN. M.Eng.Sc. dan

Bapak

Ir.Syahrul Abda, MSc yang masing-masing sebagai anggot komisi pembimbing. Selain dari pada itu, penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada semua pihak yang telah banyak membantu penulis baik secara moril maupun materil, langsung maupun tidak langsung dalam mewujudkan

tesis ini

terutama kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Bapak Dr. Eng. Indra, MT serta kepada rekan-rekan mahasiswa/i pasca sarjana teknik mesin terutama mahasiswa bidang keahlian “manufaktur”, kepada adik-adik mahasiswa S1 Teknik Mesin USU dan kepada rekan-rekan sejawat di Polmed yang telah memberikan sumbang saran serta dorongan sehingga terselesaikan tesis ini.


Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih kepada suami terkasih , ibunda serta anakku tercinta yang telah memberikan doa, dukungan pengertian dan semangat kepada penulis sejak awal kuliah hingga penyelesaian tesis ini. Tidak ada yang sempurna di dunia ini, oleh sebab itu penulis mohon saran dan kritik yang membangun dari pihak-pihak yang terlibat untuk dapat membantu memperbaiki dan melengkapi kesempurnaan tesis ini. Atas bantuan dan perhatiannya diucapkan terima kasih.

Medan, 16 Juli 2011 Penulis,

Bertha Ginting


DAFTAR RIWAYAT HIDUP

1. Nama

: Ir Berta Br Ginting

2. Nama lengkap

: Ir Berthalina Br Ginting

3. Jenis kelamin

: Perempuan

4. Tempat / tgl. Lahir

: Kabanjahe (Kab.Karo) / 26 September 1963

5. Agama

: Kristen Protestan

6. Alamat

: Jl.Setia Budi No. 194 Kelurahan Tanjung Rejo, Kecamatan Medan Sunggal, Medan. e-mail: [email protected]

7. Prog.studi / Bid. keahlian : Teknik Mesin / Manufaktur 8. Pendidikan

: Tamat SD tahun 1975 : Tamat SMP tahun 1979 : Tamat SMA tahun 1982 : Tamat Diploma III Politeknik USU Medan Jur Mesin thn 1985. : Training Didaktik di PEDC Bandung Jur Mesin, September 1985 s/d Desember 1986. : Tamat Sarjana Teknik Mesin USU Medan tahun 1995


: Sekolah Pasca Sarjana Jurusan Teknik Mesin USU Medan tahun 2008 sampai sekarang. 10. Pekerjaan

: Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan sejak bulan Desember thn 1986 sampai sekarang.

11. Alamat Kantor

: Jl. Almamater no.1 Kampus USU Medan

12. Pengalaman lain

: Training Fabrikasi di PT PAL Surabaya tahun 1998 Training

Alat-Alat

Laboratorium

di

University

Technology Malaysia – Kuala Lumpur tahun 1988. 13. Pengalaman Penelitian: Sebagai Ketua Peneliti dengan judul penelitian sebagai berikut: 13.1. Pengujian Koefisien Gesek terhadap Pipa PVC yang Diperjualbelikan di Pasaran Kotamadya Medan, tahun 1997. 13.2. Perbandingan Pemotongan Baja 60 dengan Dua Jenis Perkakas (Pahat) Potong, tahun 1999. 13.3. Rancangan Alat Bantu Pengiris Bawang, tahun 2000. 13.4. Perancangan Pompa Irigasi untuk suatu daerah luas 70 Ha, tahun 2001. 13.5 Uji Kekakuan dan Uji Lentur terhadap Baja Lunak (Mild Steel) yang dijual dipasaran Kotamadya Medan, tahun 2003. 13.6. Uji Performansi Mesin Pengupas Kulit Kacang Tanah ditinjau dari Putaran Rotor Pengupas, tahun 2005.


13.7. Study Pengaruh Kedalaman Pemakanan Terhadap Getaran dan Kekasaran Permukaan pada Proses Pembubutan Dengan Menggunakan Mesin Bubut Celtic 14 Indonesia, tahun 2009. Sebagai Anggota Peneliti dengan judul penelitian: 13.8. Pengaruh Ke-aus-an Elektroda Tembaga Terhadap Pembuatan Lubang pada Plat Baja dengan Mesin EDM, tahun 2007. 13.9. Pengaruh Perubahan Besar Arus (IP) Terhadap Waktu Pengerjaan dan Kekasaran Permukaan pada Mesin EDM, tahun 2008. 14. Karya Ilmiah yang dipublikasikan di majalah JURNAL ILMU dan REKAYASA TEKNOLOGI INDUSTRI (JIRTI) yang diterbitkan Fakultas Teknologi Industri Universitas Mpu Tantular, Jakarta adalah sbb: 14.1. Metode Pemilihan Refrigran dan Kegunaannya, vol.1, no.4, Oktb.2001 (sebagai anggota). 14.2. Analisa Bahan dan Pengecatan, vol.5, no.1, April 2002 (sebagai anggota) 14.3. Rancang Bangun Peralatan Penjernih Oli Bekas, vol.9, no.1, April 2004 (sebagai ketua).


DAFTAR ISI

Nomor

Judul

Halaman

ABSTRAK …………………………………………………………………..

i

ABSTRACT …………………………………………………………………..

ii

KATA PENGANTAR ……………………………………………………

iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ……………………………………………...

v

DAFTAR ISI ……………………………………………………………….

viii

DAFTAR TABEL …………………………………………………………

xii

DAFTAR GAMBAR………………………………………………………..

xiii

DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH ……………………………………….

xvi

BAB I

PENDAHULUAN …………………………………………………

1

1.1. Latar Belakang …………………………………………………

1

1.2. Perumusan Masalah ……………………………………………

5

1.3. Tujuan Penelitian ………………………………………………

7

1.3.1. Tujuan umum …………………………………………. 1.3.2. Tujuan khusus …………………………………………

7 7


1.4. Manfaat Penelitian ……………………………………………..

8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ……………………………………………

9

2.1. Proses Pemotongan Dengan Mesin Bubut .……………………

9

2.2. Kondisi Pemesinan …………………………………………….

11

2.2.1. Kecepatan potong (V) ………………………………… 2.2.2. Kedalaman potong (a) ……………………………….. 2.2.3. Laju pemakanan (laju suapan) (f) …………………… 2.2.4. Laju pembuangan geram (MRR) ………………………

12 13 14 15

2.3. Kekasaran Permukaan ……………………………………….

15

2.3.1. Kekasaran permukaan dalam pembubutan keras …….. 2.3.2. Metode pengukuran kekasaran permukaan …………..

17 20

2.4. Konsep Pemesinan Terkini ………………………………….

21

2.4.1. Pemesinan laju tinggi …………………………………. 2.4.2. Pemesinan keras ………………………………………. 2.4.3. Pemesinan kering ………………………………………

21 23 25

2.5. Pahat Potong ………………………………………………….

27

2.5.1. Umur pahat …………………………………………… 2.5.2. Suhu pemotongan dan aus pahat ………………………

30 30

2.6. Bahan Teknik …………………………………………………

31

2.6.1. Sifat dan karakteristik logam ………………………….. 2.6.2. Pemilihan bahan AISI 4140 …………………………..

32 34

BAB III METODE PENELITIAN ………………………………………..

37

3.1. Tempat dan waktu ……………………………………………

37

3.2. Bahan ………………………………………………………..

37


3.2.1. Bahan benda uji ……………………………………… 3.2.2. Bahan pahat ………………………………………….. 3.2.3. Pemegang pahat (tool holder) .………………………..

37 39 40

3.3. Peralatan …………………………………………………….

40

3.3.1. Mesin bubut …………………………………………. 3.3.2. Surface Roughness Stylus Profilometer Tester Suftest 402, Mitutoyo. ………………………………... 3.3.3. Mikroskop …………………………………………… 3.3.4. Scaning Electron Microscopy (SEM) ……………….

40 42 42 43

3.4. Metode Penelitian ………………………………………….

43

3.4.1.Variabel yang diamati ………………………………. 3.4.2. Pengumpulan data ………………………………….. 3.4.3. Rancangan kegiatan pemesinan …………………….. 3.4.4. Kerangka konsep penelitian …………………………

44 44 45 45

3.5. Teknik Pengukuran, Pengolahan dan Analisa Data ……. 3.5.1. Pengukuran kekasaran permukaan ……………….. 3.5.2. Analisa topografi lay dan defect. …………………… 3.5.3. Pengolahan dan analisa data ………………………. 3.5.4. Kerangka konsep penelitian ......................................

48 48 50 51 52

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .……………………………….

53

4.1. Data Hasil Pengujian ………………………………………

53

4.2. Kekasaran Permukaan …………………………………….

56

4.2.1. Tingkat minimum-1. ……….………………………

56

4.2.2. Tingkat minimum-2. ……….. ……………………………..

58

4.2.3. Tingkat medium-1. …………………………………… 4.2.4. Tingkat medium-2. ………….………………………… 4.2.5. Tingkat maksimum-1. ………….……………………. 4.2.6. Tingkat maksimum-2. ………….…………………….

60 62 64 65

4.3. Pengaruh Kondisi Pemotongan Terhadap Kekasaran Permukaan.

69


4.3.1.Pengaruh kecepatan potong (V) terhadap kekasaran permukaan (Ra) ……………………………………… 4.3.2.Pengaruh laju pemakan (f) terhadap kekasaran permukaan (Ra). …………………………………….. 4.3.3.Pengaruh kedalaman potong (a) terhadap kekasaran permukaan (Ra). ……………………………………..

69 70 71

4.4. Corak Permukaan (Lay) ………………………………….....

73

4.4.1. Corak permukaan pada tingkat minimum-1. ……… 4.4.2. Corak permukaan pada tingkat minimum-2. ……… 4.4.3. Corak permukaan pada tingkat medium-1………… 4.4.4. Corak permukaan pada tingkat medium-2………… 4.4.5. Corak permukaan pada tingkat maksimum-1 ……… 4.4.6. Corak permukaan pada tingkat maksimum-2 . …….

73 74 74 75 76 77

4.5. Cacat (Defect) ..…………………………………………

78

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………..

83

5.1. Kesimpulan ……………………………………………….

83

5.2. Saran ……………………………………………………..

84

DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………

85

LAMPIRAN ……………………………………………………………..

88


DAFTAR TABEL

Nomor

Judul

Halaman

2.1.

Tingkat kekasaran rata-rata menurut proses pengerjaan…………

16

2.2.

Perbandingan sifat pahat ………………………………………..

29

3.1.

Komposisi kimia AISI 4140 ……………………………………

38

3.2.

Sifat mekanik AISI 4140 ………………………………………..

38

3.3.

Sifat mekanik pahat CBN ……………………………………….

40

3.4.

Data teknis mesin bubut Emco Maximat V13 ………………….

41

3.5.

Desain pengujian CCF ………………………………………….

45

3.6.

Tabel pengumpulan data ………………………………………..

47

4.1.

Data hasil pengujian …………………………………………….

53

4.2.

Data kondisi pemotongan untuk pembahasan …………………

55

4.3.

Data pengukuran tingkat minimum-1 ……………………………

57

4.4.

Data pengukuran tingkat minimum-2 ……………………………

58

4.5.

Data pengukuran tingkat medium-1 ……………………………..

60

4.6.

Data pengukuran tingkat medium-2 ……………………………..

62

4.7.

Data pengukuran tingkat maksimum-1 ………………………….

64

4.8.

Data pengukuran tingkat maksimum-2 …………………………..

65


DAFTAR GAMBAR

Nomor

Judul

2.1.

Skematis proses bubut ……………………………………………

10

2.2.

Pahat potong dan toolholder…………………………………………...

11

2.3.

Proses bubut ………………………………………………………

12

2.4.

Pengaruh gerak makan dan radius ujung pahat terhadap gaya geser dan gaya makan ………………………………………

18

Pengaruh gerak makan dan radius ujung pahat terhadap kekasaran permukaan (Ra) untuk bahan baja AISI 52.100 kekerasan 47 HRC ……............................................

19

2.6.

Kecepatan potong pada proses laju tinggi ……………………….

22

2.7.

Tingkat kekerasan pahat terhadap ketangguhan pahat. …………

28

2.8.

Tingkat kekerasan dan ketahanan aus pahat terhadap temperatur .

28

2.9.

Perbandingan panas yang diserap pahat …………………………

31

2.10.

Landing gear ……………………………………………………………..

36

2.11.

Cyclo speed reducer……………………………………………………..

36

2.12.

Roller cyclo speed reducer …………………………………………….

36

2.13.

Single cavity valve body ………………………………………………..

36

3.1.

Benda uji …………………………………………………………

38

3.2.

Pahat CBN ……………………………………………………….

39

3.3.

Geometri pahat CBN …………………………………………….

39

2.5.

Halaman


3.4.

Pemegang pahat (tool holder) ……………………………………

40

3.5

Mesin bubut Emco Maximat V13 ………………………………

41

3.6.

Setup mesin bubut Maximat V13 ……………………………….

41

3.7.

Alat pengukur kekasaran permukaan ……………………………

42

3.8.

Spesimen kalibrasi pengukur kekasaran permukaan dengan nilai spesimen kalibrasi 2.95 m ……………………….

42

3.9.

USB Digital Microscope ………………………………………..

43

3.10.

Scaning Elektron Microscop ……………………………………

43

3.11.

Profil pengukuran kekasaran permukaan ……………………….

49

3.12

Grafik kekasaran permukaan vs waktu pemotongan ……………

50

3.13

Grafik kekasaran permukaan vs keausan pahat ………………….

50

3.14

Kerangka konsep penelitian ……………………………………..

52

4.1.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat minimum-1 ……………

57

4.2.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat minimum-1 …………

58

4.3.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat minimum-2 ……………

59

4.4.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat minimum-2 ………….

60

4.5.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat medium-1 ……………..

61

4.6.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat medium-1 ……………

62

4.7.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat medium-2 ……………..

63

4.8.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat medium-2 …………..

63

4.9.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat maksimum-1 …………..

64

4.10.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat maksimum-1 …………

65


4.11.

Kurva karakteristik Ra versus tc tingkat maksimum-2 …………..

66

4.12.

Kurva karakteristik Ra versus VB tingkat maksimum-2 …………

66

4.13.

Hubungan karakteristik Ra vs tc dan Ra vs VB ………………….

68

4.14.

Pengaruh kecepatan potong terhadap kekasaran permukaan ……..

65

4.15.

Plot kurva Gbr 4.8 untuk mencari nilai Ra pada VB=0,14 mm …..

70

4.16.

Pengaruh laju pemakanan terhadap kekasaran permukaan ……….

71

4.17.

Plot kurva Gbr 4.2 untuk mencari nilai Ra pada VB=0,14 mm …..

72

4.18.

Pengaruh kedalaman pemakanan terhadap kekasaran permukaan … 72

4.19.

Corak permukaan pada V=200m/min, f=0,1mm/put, a=0,3mm …… 73

4.20..

Corak permukaan pada V=200m/min, f=0,15mm/put, a=0,3mm ….. 74

4.21.

Corak permukaan pada V=225m/min, f=0,1mm/put, a=0,7mm …… 75

4.22.

Corak permukaan pada V=225m/min, f=0,16mm/put, a=0,7mm ….. 76

4.23.

Corak permukaan pada V=250m/min, f=0,1mm/put, a=0,3mm…… 76

4.24.

Corak permukaan pada V=250m/min, f=0,15mm/put, a=0,3mm….. 77

4.25.

Cacat feed mark …………………………………………………………..

79

4.26.

Cacat akibat pembentukan lapisan chip ………………………….

79

4.27.

Cacat tearing surface pada Ra=1,60m dan VB = 0,20 mm …….

80

4.28.

Cacat tearing surface pada Ra = 1,60 m dan VB = 0,10 mm) …

81

4.29.

Mekanisme pembentukan tearing surface ………………………..

81

4.30.

Cacat microchip pada Ra = 0,92 m dan VB = 0,31 mm ……….

82

4.31.

Cacat microchip pada Ra = 1,44 m dan VB = 0,30 mm…………. 82


DAFTAR NOTASI DAN ISTILAH a

:

Kedalaman potong

mm

V

:

Kecepatan potong

m/min

f

:

Laju pemakanan

tc

:

Waktu potong

d

:

Diameter rata-rata benda kerja

mm

dm

:

Diameter akhir benda kerja

mm

do

:

Diameter awal benda kerja

mm

E

:

Modulus elastisitas (modulus of elasticity)

MPa

G

:

Modulus elastisitas geser (shear modulus)

MPa

ro

:

Radius serpihan

mm

B

:

Lebar pemotongan

mm

lt

:

Panjang pembubutan

mm

S

:

Panjang bidang sisi pahat

mm

n

:

Putaran mesin

rpm

Ra

:

Kekasaran Permukaan

m

mm/put menit


h

:

Tebal geram sebelum terpotong

mm

VB

:

Aus tepi pahat

mm

Vf

:

Kecepatan pemakanan

rc

:

Radius ujung pahat

Vc

:

Kecepatan alir serpihan (chip flow velocity)



:

Koefisien pemuaian panas (thermal expansion coef.)

γo

:

Sudut geram

(o)

γn

:

Sudut pembentuk kawah pemutus serpihan pada pahat

(o)

λs

:

Sudut miring pahat (oblique inclination angle)

(o)

u

:

Tegangan tarik (ultimate tensile strength)

MPa

y

:

Tegangan geser (tensile yield strength)

MPa

Ф

:

Sudut patah serpihan

(o)

Kr

:

Sudut potong utama

(o)

K

:

MRR :

Konduktiftas termal Laju pembuangan geram

m/min mm m/min o

C

W/mK cm3/min


TM

Recommend Documents