Tugas Akhir TM - 091486
OPTIMASI LAJU PENGERJAAN BAHAN (LPB) DAN KEKASARAN PERMUKAAN PADA PROSES WIRE-ELECTRIC DISCHARGE MACHINING MATERIAL SKD-11 DENGAN METODE TAGUCHI DAN LOGIKA FUZZY
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institute Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012
Latar Belakang
Karakteristik Kinerja Satu karakteristik kinerja • Metode Taguchi àdapat digunakan untuk melakukan desain parameter secara offline à penentuan parameter proses yang menghasilkan output/respon yang optimal dan robust terhadap gangguan-gangguan atau noise.
Lebih dari satu karakteristik kinerja • Metode Taguchi tidak dapat digunakan kecuali digabungkan dengan metode lain, seperti Logika Fuzzy, Grey Relational Analysis, Response Surface Methodology (RSM) dan sebagainya.
Tosun dkk. (2004) • • • • •
Material AISI 4140 Orthogonal array L18 Faktor: Open circuit voltage, pulse duration, wire speed dan flushing pressure Metode penentuan pengaruh faktor: analisis regresi Prosentase kontribusi dari yang terbesar berturut-turut diberikan oleh: • Kerf à Open circuit voltage, pulse duration, flushing pressure, wire speed • MRR à Open circuit voltage, pulse duration, wire speed, flushing pressure
Puri dan Despandhe (2004) • • • • • •
Material High-Carbon-High-Chromium (HCHC) Orthogonal array L9 Metode optimasi multi respon menggunakan logika fuzzy Faktor: gap voltage, wire feed, gap current, dan duty factor Respon: kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan Kesimpulan: Prosentase kontribusi dari yang terbesar berturut-turut diberikan oleh gap voltage, gap current, duty factor dan wire feed terhadap respon yang diamati secara serentak
Datta dan Mahapatra (2010) • Material AISI D2 • Orthogonal array L27 • Metode optimasi: Taguchi-Grey Relational Analysis • Faktor: discharge current, pulse duration, pulse frequency, wire speed, wire tension dan dielectric flow rate • Respon: material removal rate (MRR), kekasaran permukaan dan lebar pemotongan • Kesimpulan: • discharge current, pulse duration, pulse frequency dan wire speed mempunyai efek positif terhadap semua respon (berbanding lurus) • dielectric flow rate berefek negatif (berbanding terbalik) hanya terhadap respon kekasaran permukaan
RUMUSAN MASALAH: • Apakah faktor-faktor seperti: flushing pressure, on time, open voltage, servo voltage dan off time memiliki kontribusi dalam mengurangi variasi dari respon kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan (material removal rate) secara serentak? • Bagaimana seting yang tepat dari faktor-faktor tersebut pada proses pemesinan Wire-EDM sehingga dapat meminimalkan nilai kekasaran permukaan dan memaksimalkan material removal rate?
Flushing pressure
BATASAN MASALAH: • Tidak membahas perubahan struktur mikro lapisan recast yang timbul pada permukaan benda kerja. • Tidak membahas tentang komponen biaya pada proses pemesinan. • Tidak membahas sistem elektronika, sistem kontrol, dan pemograman CNC yang digunakan pada proses pemesinan. • Material yang digunakan merupakan material SKD-11. • Cairan dielektrik yang digunakan adalah air aquadestilata. • Jenis kawat elektroda yang digunakan adalah kuningan.
ASUMSI: • Faktor-faktor yang tidak diteliti dianggap selalu konstan dan tidak berpengaruh secara signifikan terhadap hasil penelitian. • Material yang digunakan memiliki kehomogenan sifat mekanik dan komposisi kimia. • Mesin dan operator bekerja dalam kondisi baik selama proses pemesinan. • Alat ukur yang digunakan dalam keadaan layak dan terkalibrasi.
TUJUAN TUGAS AKHIR: • Mengetahui besar kontribusi dari faktor-faktor seperti: flushing pressure, on time, open voltage, servo voltage dan off time dalam mengurangi variasi dari respon kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan (material removal rate) secara serentak. • Menentukan kombinasi optimum dari faktorfaktor tersebut pada Wire-EDM sehingga dapat meminimalkan nilai kekasaran permukaan dan memaksimalkan material removal rate.
MANFAAT: • Menyempurnakan penelitian-penelitian terdahulu yang mengangkat masalah tentang optimasi laju pengerjaan bahan dan kekasaran permukaan pada pembuatan benda kerja. • Menambah database tentang seting faktor pada proses pemesinan Wire-EDM untuk mengoptimasi laju pengerjaan bahan dan kekasaran permukaan pada pembuatan benda kerja. • Sebagai bahan referensi bagi penelitian sejenisnya dalam rangka pengembangan pengetahuan tentang optimasi material removal rate dan kekasaran permukaan. • Dapat digunakan sebagai masukan dalam seting mesin WireEDM agar mampu menghasilkan output produk dengan permukaan hasil pemotongan yang halus dan ketelitian yang tinggi.
M E T O D O L O G I
Mulai
Identifikasi masalah
Penetapan rumusan masalah dan tujuan tugas akhir Variabel-variabel penelitian Variabel proses: · On time (µs) · Off time (µs) · Servo Voltage (Volt) · Open voltage (Volt) · Flushing pressure (kg/cm2) Variabel respon: · Kekasaran permukaan (µm) · Laju pengerjaan bahan, (mm3/min)
Identifikasi nilai variabel proses Pemilihan matriks ortogonal A
Studi pustaka
A
Persiapan eksperimen Pelaksanaan eksperimen Pengambilan data hasil eksperimen Perhitungan rasio S/N untuk masing-masing respon Optimasi respon dengan logika Fuzzy Kombinasi nilai parameter proses yang menghasilkan respon optimal Pelaksanaan eksperimen konfirmasi Pembahasan Penarikan kesimpulan dan pemberian saran Selesai
Data eksperimen Seting faktor, kombinasi ke-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
laju pengerjaan bahan
kekasaran permukaan
(mm3/min)
(µm)
17.116 14.916 13.585 20.978 19.221 19.203 25.541 25.072 26.556 12.844 17.056 15.14 18.026 23.107 23.645 27.263 29.203 22.642
18.446 15.008 14.297 22.001 21.126 18.8 25.648 26.132 28.756 14.043 20.358 14.553 19.827 21.543 24.747 26.035 29.546 26.548
2.42 2.54 2.5 2.62 2.63 2.63 2.68 2.67 3.66 2.26 2.48 2.58 2.38 2.32 3.17 2.3 3.13 3.2
2.57 2.65 2.63 2.77 2.83 2.65 2.88 2.84 3.38 2.38 2.58 2.77 2.56 2.54 3.06 2.45 2.94 3.09
Proses analisis data
Optimasi secara serentak
Unit logika fuzzy
Perhitungan rasio S/N untuk masingmasing respon
• • • • •
Fuzzification Fungsi keanggotaan Aturan fuzzy Mesin inferensi fuzzy Defuzzification
Eksperimen konfirmasi
KESIMPULAN
Laju pengerjaan bahan Kekasaran permukaaan
optimum Kombinasi Awal Nilai Flushing pressure (kg/cm2)
Level
Kombinasi Optimum Nilai
Level
6
1
10
2
On time (µs)
0,6
2
0.8
3
Open voltage (volt)
85
2
80
1
Off time (µs)
10
2
12
3
Servo reference voltage (volt)
35
2
30
1
Rasio S/N Kombinasi Awal
LPB
Kekasaran permukaan
25.8
-7.993
Prediksi Kombinasi Optimum
FRG
Rasio S/N
0.612
-4.264972
0.743
28.652
-7.044
0.8244
-1.67724
11.054 %
11.872 %
34.706 %
60.674 %
Peningkatan dari kombinasi awal ke kombinasi optimum
Kontribusi dari variabel proses yang signifikan dalam meminimumkan kekasaran permukaan dan memaksimalkan laju pengerjaan bahan (material removal rate) adalah sebagai berikut: •Flushing pressure sebesar 6.06%. •On time sebesar 33.93%. •Open voltage sebesar 37.91%. •Off time sebesar 5.76%.
a. Kontribusi error masih sebesar 13%, maka pada penelitian selanjutnya harus memperhitungkan faktor-faktor noise untuk mengurangi besarnya error. b. Metode optimasi multirespon dalam penelitian ini menggunakan logika fuzzy. Pada penelitian selanjutnya, dapat dilakukan sebuah studi untuk melakukan optimasi multirespon dengan menggunakan metode-metode optimasi yang lain sebagai perbandingan.
Signal to Noise Ratio Smaller is better é n yi 2 ù S/N = - 10 log êå ú ë i =1 n û
Larger is better é n (1 / yi 2 ) ù S/N = - 10 log êå ú n i = 1 ë û
Nominal is best é n ( yi - y ) 2 ù S/N = - 10 log êå ú n ë i =1 û
Contoh perhitungan S/N Ratio Smaller is better é n yi 2 ù S/N = - 10 log êå ú ë i =1 n û
• Sebagai contoh, rasio S/N untuk respon kekasaran permukaan dengan karakteristik respon semakin kecil semakin baik (smaller is better) untuk kombinasi seting faktor pertama adalah sebagai berikut:
Pengolahan data unit logika
Fuzzy Unit logika fuzzy terdiri dari:
1. Fuzzification, berfungsi untuk merubah rasio S/N masing-masing respon menjadi himpunan fuzzy. 2. Fungsi keanggotaan, berfungsi mengelompokkan nilai rasio S/N sesuai dengan besar kecilnya nilai. 3. Aturan fuzzy, adalah aturan yang dibuat untuk penggabungan himpunan fuzzy menjadi Fuzzy Reasoning Grade. 4. Mesin inferensi fuzzy, berfungsi melakukan penalaran fuzzy sesuai dengan aturan fuzzy. 5. Defuzzification, defuzzification mengkonversi nilai fuzzy menjadi Fuzzy Reasoning Grade.
Fungsi keanggotaan untuk laju pengerjaan bahan
Fungsi keanggotaan untuk kekasaran permukaan
Fungsi keanggotaan multirespon Fuzzy Reasoning Grade
Rasio S/N No.
Kekasaran permukaan (Ra)
LPB
LPB
Kekasaran
FRG
permukaan
1
24.999
-7.945
0.5359
2
23.500
-8.285
0.4267
3
22.886
-8.185
0.3834
4
26.644
-8.615
0.5669
5
26.096
-8.729
0.5157
6
25.576
-8.432
0.5089
S
M
L
S
VS
S
M
7
28.163
-8.887
0.6498
M
S
M
L
8
28.166
-8.807
0.6543
9
28.836
-10.938
0.4501
L
M
L
VL
10
22.570
-7.313
0.4974
11
25.440
-8.064
0.5514
12
23.432
-8.552
0.4108
13
25.541
-7.860
0.5955
14
26.976
-7.721
0.6859
15
27.675
-9.871
0.5151
16
28.513
-7.518
0.7518
17
29.359
-9.647
0.6634
18
27.817
-9.954
0.4883
Rata-rata FRG pada masing-masing level parameter proses Level 1
Level 2
Flushing pressure
0.5213
0.5733
On time
0.4676
0.5647
0.6096
Open voltage
0.5995
0.5829
0.4594
Off time
0.5471
0.5145
0.5803
Servo reference voltage
0.5700
0.5543
0.5176
Rata-rata
Level 3
0.54729
Analisis variansi dan kontribusi faktor pada FRG DF
SS
MS
Flushing Pressure (A)
1
0.0122
0.0122
On time (B)
2
0.0632
Open voltage (C)
2
Off time (D)
ρ - value
Kontribusi
8.92
0.0170
6.06 %
0.0316
23.18
0.0000
33.93 %
0.0703
0.0352
25.78
0.0000
37.91 %
2
0.0130
0.0065
4.77
0.0430
5.76 %
Servo reference voltage (E)
2
0.0087
0.0043
3.19
0.0960
3.35 %
Error
8
0.0109
0.0014
17
0.1783
Total
F
13 %
Kondisi hipotesis nol multirespon Sumber variasi
F-hitung
F-tabel
Kondisi H0
A
8.92
5.318
ditolak
B
23.18
4.459
ditolak
C
25.78
4.459
ditolak
D
4.77
4.459
ditolak
E
3.19
4.459
gagal ditolak
Bahan dan Peralatan
Wire-EDM Sodick AQ325L
MITUTOYO SURFTEST-401 NIKON MEASURESCOPE
1
2
Cutting width
Seting faktor pada mesin • Metode flushing yang digunakan adalah open contact machining dengan jarak antara upper nozzle dan lower nozzle sebesar 10 mm level 1
Faktor/parameter proses
NS wea
NK
level 2
NS
NK
level 3
NS stro
NK
A
Flushing pressure
B
On time
sm
0,4
4
0,6
6
0,8
8
C
Open voltage
volt
75
2
80
3
85
4
D
Off time
sm
10
10
11
11
12
12
E
Servo voltage
volt
30
30
35
35
40
40
Catatan : NS = nilai sebenarnya
kg/cm2
k
NK = nilai kode
1
-
ng
5
Matriks ortogonal No
Faktor
Jumlah Level (k)
υfl (k-1)
1
Flushing pressure (A)
2
1
2
On time (B)
3
2
3
Open voltage (C)
3
2
4
Off time (D)
3
2
5
Servo voltage (E)
3
2
Total derajat kebebasan
9
Experiment
Column
Number
A
B
C
D
E
-
-
-
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
3
1
1
3
3
3
3
3
3
4
1
2
1
1
2
2
3
3
5
1
2
2
2
3
3
1
1
6
1
2
3
3
1
1
2
2
7
1
3
1
2
1
3
2
3
8
1
3
2
3
2
1
3
1
9
1
3
3
1
3
2
1
2
10
2
1
1
3
3
2
2
1
11
2
1
2
1
1
3
3
2
12
2
1
3
2
2
1
1
3
13
2
2
1
2
3
1
3
2
14
2
2
2
3
1
2
1
3
15
2
2
3
1
2
3
2
1
16
2
3
1
3
2
3
1
2
17
2
3
2
1
3
1
2
3
18
2
3
3
2
1
2
3
1
Matriks ortogonal standar untuk L18 (21x37)
Tampilan data hasil eksperimen Seting faktor, kombinasi ke1 2 3 18
Laju pengerjaan
Kekasaran
bahan
permukaan
mm3/min
µm
Y111
Y121
Y112
Y122
Y211
Y221
Y212
Y222
Y311
Y321
Y312
Y322
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Y1811
Y1821
Y1812
Y1822
Keterangan: Yijk adalah data untuk kombinasi seting faktor ke-i, respon ke-j, dan replikasi ke-k. dengan: i = 1, ..., 27; j = 1, ..., 4; k = 1, ..., 3
Prosedur Eksperimen
1.Menyiapkan spesimen yang meliputi: penyesuaian ukuran, perataan dan penghalusan permukaan, serta pembersihan spesimen dari kotoran-kotoran yang dapat mengganggu proses pemotongan. 2.Memasang spesimen pada jig yang tersedia pada mesin dan menjepit bagian spesimen yang tidak mengalami proses pemotongan, kemudian menentukan sumbu referensi pemesinan pada spesimen. 3.Memeriksa kawat elektroda 0,25 mm pada jalur roll-roll yang tersedia pada mesin. 4.Menghidupkan mesin wire-EDM dan menyeting faktor-faktor yang telah ditetapkan sesuai dengan rancangan eksperimen. 5.Melaksanakan proses pemotongan berdasarkan seting faktor yang telah ditentukan. 6.Mengeluarkan dan mengeringkan benda kerja setelah proses pemotongan selesai. 7.Mencatat waktu pengerjaan yang tercantum pada layar display CNC LN1W. 8.Mengukur kekasaran permukaan dengan menggunakan surface roughness tester.
Pengambilan Data Laju Pengerjaan Bahan Waktu yang diperlukan untuk melakukan sekali proses pemotongan dapat diketahui dari counter time pada display CNC LN1W wire-EDM CHMER CW32F. Besarnya waktu yang diperoleh digunakan untuk menghitung kecepatan pemotongan (Vc) à MRR
Pengambilan Data Kekasaran Permukaan Pengambilan data kekasaran permukaan dilakukan sebanyak 2 kali dengan 3 macam arah yang berbeda seperti gambar dibawah. Panjang lintasan pengukuran 4 mm.
Metode Taguchi
Metode Taguchi
T I N J A U A N P U S T A K A
Sinking by EDM
Drilling by EDM Die Sinking by EDM
External Grinding by EDM
EDM
Cutting by EDM
Internal Grinding by EDM Form Grinding by EDM
Grinding by EDM
Slicing by EDM Wire Cutting by EDM
proses pengerjaan material pada Wire-EDM
variabel proses Wire-EDM
• Open voltage (OV) à Open voltage adalah faktor yang mengatur perbedaan tegangan antara benda kerja dan kawat elektroda selama proses pemesinan. • Low power (LP)àLow power adalah faktor yang mengatur jenis sumber energi pemotongan (AC atau DC) dan besarnya energi tersebut. • On time (ON) dan off time (OFF) à Loncatan bunga api listrik harus terjadi selama on time dan harus berhenti selama off time secara bergantian pada saat proses pemesinan Wire-EDM berlangsung. Pada saat on time, timbul tegangan listrik pada celah antara benda kerja dan kawat elektroda kemudian menghilang saat off time. Untuk mendapatkan waktu peloncatan bunga api yang lebih lama, dengan tujuan mempercepat material removal rate, dapat diperoleh dengan menetapkan waktu on time yang lebih besar. Tetapi dapat mengakibatkan hubungan arus pendek dan beresiko putusnya elektroda kawat. Voltage
ON
OFF
• Arc on time (AN) à Arc on time adalah faktor yang mengatur besarnya arus tambahan. • Arc off time (AFF) à Arc off time adalah faktor yang mengatur frekuensi arus tambahan tersebut. • Servo voltage (SV)àServo voltage adalah tengangan yang diberikan untuk menghindari hubungan singkat yang mungkin terjadi dengan mengatur jarak antara kawat elektroda dan benda kerja. Servo motor selalu berusaha menyesuaikan jarak antara katoda (benda kerja) dan anoda (elektroda kawat) sesuai besarnya tegangan referensi (servo reference voltage) yang telah ditentukan. • Feedrate override (FR) à Feedrate override adalah faktor yang digunakan untuk menyesuaikan kecepatan pemakanan yang digunakan. • Wire feed (WF) à Wire feed adalah faktor yang digunakan untuk mengatur kecepatan pemakanan kawat elektroda. • Wire tension (WT) à Wire tension adalah faktor yang digunakan untuk mengatur ketegangan kawat elektroda. • Water flow (WL) à Water flow adalah faktor yang digunakan untuk mengatur tekanan flushing dari upper dan lower nozzle. • Feedrate mode (FM) dan feedrate (F) à Feedrate mode adalah faktor yang digunakan untuk memilih kecepatan pemakanan servo atau kecepatan pemakanan konstan sedangkan feedrate adalah faktor yang digunakan untuk menentukan kecepatan pemakanan yang konstan.
Dimana: Vc h b
= kecepatan potong (mm/min) = tinggi benda kerja (mm) = lebar pemotongan (mm)
Work Piece
Feed
Wg
Target Dimension
Feed
Y
Actual Cutting
Offset
Ideal Cutting Width
Inside radius
Actual Cutting Width
Wire Diameter
X
Dimana: Wg d
= spark gap (mm) = diameter kawat (mm)
Metode flushing Terdapat empat metode flushing yang dikenal, yaitu: 1.Close contact machining 2. One side (upper) open clearance machining 3. One side (bottom) open clearance machining 4. Open contact machining
Pemotongan material dilakukan sepanjang 10 mm dengan jarak antar pemotongan sebesar 5 mm. Setelah semua proses pemotongan selesai dilakukan dan lebar pemotongan untuk masingmasing eksperimen telah diukur, material dipotong dengan arah tegak lurus pemotongan awal pada jarak 5 mm dari ujung pemotongan awal
Faktor konstan Nilai No
Faktor konstan
Kode
1
Low power
10
2
Arc off time
13
3
Arc on time
4
4
Feedrate override
9
5
Wire tension
8
6
Feedrate mode
0
7
Feedrate
1
Sebenarnya
Voltage
ON
OFF
Voltage
ON
OFF
Voltage
ON
OFF
Voltage
ON
OFF
…
•
Kekasaran Rata-Rata Aritmatis (Ra) Merupakan harga rata-rata aritmatis dari nilai absolut jarak antara profil terukur dengan profil tengah. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut:
1 Ra = ò hi dx (mm ) l0 l
Rasio S/N • Rasio S/N digunakan untuk memilih faktorfaktor yang memiliki kontribusi pada pengurangan variasi suatu respon. • Penggunaan rasio S/N untuk mengetahui level faktor mana yang berpengaruh pada hasil eksperimen.
Replikasi • Menambah ketelitian data eksperimen. • Mengurangi tingkat kesalahan pada eksperimen. • Memperoleh harga taksiran kesalahan eksperimen sehingga memungkinkan diadakannya uji signifikan hasil eksperimen.
Randomisasi • Meratakan pengaruh dari faktor-faktor yang tidak dapat dikendalikan pada semua unit eksperimen. • Memberikan kesempatan yang sama pada semua unit eksperimen untuk menerima suatu perlakuan sehingga diharapkan ada kehomogenan pengaruh dari setiap perlakuan yang sama. • Mendapatkan hasil pengamatan yang bebas satu sama lain.
