bab ii tinjauan pustaka 2.1 etal (2009) anggi (2014)repository.ub.ac.id/3296/3/15. bab ii.pdf · 3...
TRANSCRIPT
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Sebelumnya
Chigbogu, etal (2009)meneliti tentang combined mode milling dalam proses frais
untuk menganalisa pengaruhnya terhadap penurunan chatter. Peneliti mengkombinasikan
up milling dan down milling, pada pengkombinasian ini dilakukan dengan sebelumnya
membuat pre existing slot pada proses pemakanan yang dapat dilakukan secara langsung.
Dari hasil penelitian didapatkan penurunan chatter secara umum.
Anggi (2014) melakukan penelitian tentang pengaruh spindle speed, feed rate, dan
kemiringan pahat menggunakan pahat endmill pada material aluminium 6061. Dari hasil
penelitian tersebut didapatkan hasil semakin tinggi nilai feed rate berbanding terbalik
dengan nilai kekasaran permukaan dan nilai spindle speed berbanding lurus dengan nilai
kekasaran.
Fuad (2015) melakukan penelitian tentang pengaruh cutting speed terhadap getaran
pada mesin milling CNC. Dalam penelitiannya menggunakan tipe pemotongan slot milling
dengan menvariasikan cutting speed. Dari penelitian tersebut didapatkan hasil semakin
besar cutting speed berpengaruh pada getaran yang menurun, dan semakin besar putaran
spindle juga berpengaruh pada getaran yang menurun.
2.2 Proses Manufaktur
Gambar 2.1 Proses Manufaktur a) Teknical Process dan b) Economic Process
Sumber : Groover (2013:4)
4
Porses manufaktur mengkonversi material yang belum selesai menjadi produk akhir,
sering menggunakan mesin alat peralatan permesinan. Untuk contohnya injection molding,
die casting, progressive stamping, arc welding, painting, assembling, testing, pasteurizing,
homogenizing, annealing, dan milling yang biasa disebut proses atau proses manufaktur.
Proses jangka sering menyiratkan urutan langkah-langkah, proses, atau operasi untuk
produksi barang dan jasa
Umumnya, motor, kontrol, dan perangkat tambahan disertakan. Alat pemotong dan
alat pencekam dianggap terpisah. Alat mesin dapat melakukan proses tunggal atau
beberapa proses atau mungkin memproduksi seluruh komponen.
Dasar proses manufaktur adalah proses manufaktur yang menciptakan atau menambah
nilai suatu produk. Proses manufaktur dpat diklasifikasikan sebagai:
Casting, foundry, or molding processes
Forming or metalworking processes
Machining (material removal) processes
Joining and assembly
Surface treatments (finishing)
Rapid prototyping
Heat treating
2.3 Proses Permesinan
Proses permesinan dapat diklasifikasikan dari jenis kombinasi gerak makan dan gerak
potong menjadi:
1. Proses Gurdi (Drilling)
2. Proses Gerinda Rata (Surface Grinding)
3. Proses Gerinda Slindrik (Cylindrical Grinding)
4. Proses Gergaji atau Parut(Sawing, Broaching)
5. Proses Bubut (Turning)
6. Proses Scrap (Shaping, Planning)
7. Proses Freis (Milling)
2.3.1 Milling (Frais)
Milling adalah proses permesinan dasar dimana permukaan dihasilkan oleh
penghapusan chip yang progresif. Benda kerja dimakankan pada alat pemotong yang
berotasi. Kadang-kadang benda kerja tetap diam dan cutter diumpankan ke benda kerja.
5
Hampir semua kasus, pemotong gigi banyak digunakan sehingga tingkat removal material
yang tinggi. Sering permukaan akhir yang diinginkan dapat diperoleh, milling sangat
cocok dan banyak digunakan untuk pekerjaan prduksi massal.
Menurut posisi pahatnya, mesin milling dibagi menjadi tiga, yaitu mesin milling
horizontal, mesin milling vertical dan mesin milling universal. Pada mesin frais horizontal,
mesin frais ini mempunyai konstruksi perkakas potong (milling cutter) yang terpasang
pada poros spindle dengan posisi horizontal/mendatar. Sedangkan pada mesin frais
vertical, mesin frais ini mempunyai konstruksi perkakas potong (milling cutter) yang
terpasang pada poros spindle dengan posisi horizontal/mendatar. Sedangkan untuk frais
universal, mesin frais ini dapat dioperasikan sebagai mesin frais horizontal maupun
vertikal, posisi spindle dapat diubah menjadi horizontal maupun vertikal.
2.3.2 End Mill Cutter
End mill merupakan salah satu jenis pahat milling yang memliki banyak kegunaan,
end mill memili ukuran yang bervariasi dari diameter kecil hingga besar. End mill
merupakan pahat dengan multiple gigi mulai dari 2 flute. End mill biasanya terbuat dari
material High Speed Steel (HSS) dan karbida.
Gambar 2.2 Bentuk Pahat End Mill
Sumber: Rockhim(1993:95)
2.3.3 Computer Numerical Control (CNC)
Mesin CNC merupakan perkembangan mesin milling konvensoinal yang dikontrol
menggunakan komputasi numerical untuk melakukan proses permesinannya. Dengan
peninputan data pada mesin CNC mampu menjalankan perintah sesuai yang diinginkan.
Dengan mesin CNC mampu meringankan beban kerja dan efisiensi pengerjaan lebih
meningkat.
6
CNC mampu melakukan pengerjaan dengan desain produk yang rumit dan juga
kepresisian yang baik.
Gambar 2.3 Mesin CNC
Sumber: Laboratorium Otomasi Manufaktur Universitas Brawijaya
2.4 Pengukuran Geometris
Menurut Wright (2002: 181), Geometri adalah ilmu yang mempelajari tentang sifat-
sifat, pengukuran-pengukuran, dan hubungan-hubungan titik, garis, bidang dan bangun
ruang. Sedangkan menurut Marhijanto (1999: 136), geometri adalah cabang matematika
yang mempelajari tentang ilmu ukur.
Geometri dibagi menjadi lima, yaitu:
Geometri bidang yaitu mempelajari tentang garis, kurva, sudut, dan polygon dalam
bidang.
Geometri bangun ruang yaitu mempelajari tentang kerucut, bola silinder, dan kurva
polihedra dalam ruang tiga dimensi
Geometri diferensial yaitu aplikasi kalkulus dalam geometri untuk mempelajari sifat-
sifat lokal dari kurva
Geometri deskriptif yaitu teknik matematika yang digunakan untuk mendeskripsikan
hubungan geometris dari permukaan tiga dimensi pada suatu permukaan bidang
Geometri analitik yaitu aplikasi metode aljabar pada geometri dimana garis-garis dan
kurva-kurva dinyatakan dalam persamaan aljabar
Pengukuran merupakan kegiatan membandingkan suatu besaran yang diukur dengan
alat ukur yang digunakan sebagai satuan. Sesuatu yang dapat diukur dan dapat dinyatakan
dengan angka disebut besaran, sedangkan pembanding dalam suatu pengukuran disebut
satuan. Karakteristik geometri yang harus dimiliki agar bisa diukur yaitu:
7
Dimensi
Bentuk
Kualitas permukaan
2.5 Kekasaran Permukaan
Kekasaran permukaan berbentuk gelombang yang tidak teratur dan terjadi karena
salah satunya getaran pahat atau proporsi yang kurang tepat dari pemakanan (feed) pahat
dalam proses pembuatannya.
Gambar 2.4 Profil Kekasaran Permukaan
Sumber : Rochim (1993:56)
Keterangan gambar :
Profil geometri ideal (geometrically ideal profile)
Profil ini merupakan profil dari geometris permukaan yang ideal yang tidak mungkin
diperoleh dikarenakan banyaknya faktor yang mempengaruhi dalam proses
pembuatannya. Bentuk dari profil geometris ideal ini dapat berupa garis lurus,
lingkaran, dan garis lengkung.
Profil terukur (measured profile)
Profil terukur adalah profil dari suatu permukaan yang diperoleh melalui proses
pengukuran. Profil inilah yang dijadikan sebagai data untuk menganalisis karakteristik
kekasaran permukaan produk pemesinan.
Profil referensi (reference profile)
Profil ini digunakan sebagai dasar dalam menganalisis karakteistik dari suatu
permukaan. Bentuknya sama dengan bentuk profil geometris ideal, tetapi tepat
menyinggung puncak tertinggi dari profil terukur pada panjang sampel yang diambil
dalam pengukuran.
8
Profil dasar (root profile)
Profil dasar adalah profil referensi yang digeserkan kebawah hingga tepat pada titik
paling rendah pada profil terukur.
Profil tengah (centered profile)
Profil tengah adalah profil yang berada ditengah-tengah dengan posisi sedemikian
rupa sehingga jumlah luas bagian atas profil tengah sampai pada profil terukur sama
dengan jumlah luas bagian bawah profil tengah sampai pada profil terukur.
Parameter kekasaran permukaan yaitu:
Kedalaman total (peak to valley height), Rt
Kedalaman total merupakan jarak rata-rata antara profil referensi dan profil dasar.
Kedalaman perataan (peak to mean lene), Rp
Kedalaman perataan merupakan jarak rata-rata antara profil referensi dengan profil
terukur, atau dengan kata lain jarak rata-rata profilreferensi ke profil tengah.
Kekasaran rata-rata aritmetis (mean roughness index), Ra
Merupakan harga rata-rata aritmetis dari harga absolute antara profil terukur dengan
profil profil tengah.
Kedalaman rata-rata kuadratif (root mean square height), Rg
Merupakan akar dari jarak kuadrat rata-rata antara profil terukur dengan profil tengah.
Setiap permukaan dari benda kerja yang telah mengalami proses permesinan, seperti
pembubutan, penyekrapan, atau pengefraisan akan mengalami kekasaran permukaan
dimana untuk besarnya dinyatakan dalam huruf N, dari N 1 yang paling halus sampai N 12
yang paling kasar. dari hal ini dapat ditentukan nilai kekasaran permukaan seperti pada
tabel 2.1.
9
Tabel 2.1 Angka Kekasaran (ISO roughness number) dan Panjang Sampel Standar
Kelas
Kekasaran
Harga C.L.A
(μm)
Harga Ra
(μm)
Toleransi
N +50%
-25%
Panjang
Sampel
(mm)
N1 1 0.025 0.02-0.04 0.08
N2 2 0.05 0.04-0.08
N3 4 0.0 0.08-0.15 0.025
N4 8 0.2 0.15-0.3
N5 16 0.4 0.3-0.6
N6 32 0.8 0.6-1.2
N7 63 1.6 1.2-2.4
N8 125 3.2 2.4-4.8 0.8
N9 250 6.3 4.8-9.6
N10 500 12.5 9.6-18.75 2.5
N11 1000 25.0 18.75-37.5
N12 2000 50.0 37.5-75.0
8
Sumber: Sudji Munadi(1980:230)
Jenis proses permesinan juga mempengaruhi nilai kekasaran permukaan, oleh sebab itu
terdapat penggolongan nilai kekasaran menurut proses pengerjaannya seperti pada tabel
2.2
10
Tabel 2.2 Tingkat Kekerasan Rata-Rata Permukaan Menurut Proses Pengerjaanya
Proses Pengerjaan Selang (N) Harga Ra
Flat and cylindrical
lapping, superfinishing
diamond turning
N1-N4
N1-N6
0.025-0.2
0.025-0.8
Flat cylindrical grinding
finishing
N1-N8
N4-N8
0.025-3.2
0.1-3.2
Face and cylindrical
turning, milling and
reaming
Drilling
N5-N12
N7-N10
0.4-50.0
1.6-12.5
Shapping, planning,
horizontal milling
Sandcasting and forging
N8-N12
N10-N11
0.8-50.0
12.5-25.0
Extruding, cold rolling,
drawing
Die casting
N6-N8
N6-N7
0.8-3.2
0.8-1.6
Sumber: Sudji Munadi(1980:230)
Faktor yang mempengaruhi kekasaran permukaan ketika proses permesinan, yaitu:
1. Jenis, bentuk, material, dan ketajaman alat potong.
2. Kondisi pemotongan dari mesin perkakas yang digunakan.
3. Tingkat kekerasan dari material benda kerja.
4. Terjadinya getaran saat proses pemotongan berlangsung
5. Laju pemakanan (feeding) dan radius ujung pahat (nose radius tool)
Hubungan antara kekasaran permukaan dan feeding terdapat pada
persamaan(Boothrod, 1981:140) berikut :
(
)
........................................................................................... (2-1)
Dengan :
Ra : Kekasaran permukaan rata-rata (µm)
F : federate (mm/min)
n : putaran spindle (rpm)
D : diameter pahat (mm)
2.6 Kondisi Permesinan
Feed
Hubungan antara feed dan putaran spindel terdapat pada persamaan (Groover,
2013:998) berikut:
.................................................................................................................. (2-2)
11
Dengan:
f : feed (mm/rev)
F : federate (mm/min)
n : putaran spindle (rpm)
Undeformed Chip Thickness
Hubungan antara putaran spindel dan undeformed chip thickness terdapat pada
persamaan berikut (Boothrod, 1981:36):
............................................................................................................... (2-3)
Dengan:
: Undeformed Chip Thickness (mm)
N : jumlah gigi pahat
n : putaran spindle (rpm)
Gaya Potong
Hubungan antara gaya potong dan undeformed chip thickness terdapat pada
persamaan berikut (Boothrod, 1981:77):
......................................................................... (2-4)
Dengan:
: gaya potong
: Undeformed Chip Thickness
Amplitudo Getaran (chatter)
Hubungan antara amplitude getaran dan undeformed chip thickness terdapat pada
persamaan berikut (Boothrod, 1981:198):
√
..................................................................................... (2-5)
Dengan:
: Undeformed Chip Thickness
12
: gaya potong
Material Removal Rate (MRR)
MRR adalah jumlah pembuangan volume material setiap menitnya, hubungan
MRR dan feedrate terdapat pada persamaan (Black, 2008:529) berikut:
.................................................................................................. (2-6)
Dengan:
MRR : material removal rate
w : lebar pemakanan (mm)
F : federate (mm/min)
d : depth of cut (mm)
2.7 Pre Existing Slot
Pre-existing slot adalah pemberian slot terlebih dahulu pada benda kerja kemudian
dilakukan pemakanan utuh.
Gambar 2.5 (a) Proses pemakanan penuh, (b) Proses pemakanan dengan penambahan
pre-existing slot.
Sumber : Chibogu (2015)
Dengan diberikan pre-existing slot dimaksudkan untuk mengurangi jumlah material
benda kerja yang melakukan kontak dengan pahat tiap putaran spindel sehingga
mengurangi nilai RMR-nya sehingga akan memperbaiki kualitas produk proses permesinan.
13
2.8 Chatter Operasi Permesinan
Chatter adalah masalah ketidakstabilan dalam proses pemesinan, ditandai oleh
getaran berlebihan yang tidak diinginkan antara alat dan benda kerja, suara nyaring, dan
akibatnya kondisi permukaan permukaan yang buruk. Chatter terjadi terutama karena
salah satu mode sturktural dari alat mesin dan benda kerja awalnya terpicu dengan gaya
pemotongan. Ini juga memiliki efek yang buruk pada mesin, umur pahat, dan
keamanan operasi permesinan.
Chatter yang tidak terkontrol akan menyebabkan hal berikut(Kalpakjian &
Schmid, 2009:707):
a. Hasil permukaan yang kurang baik
b. Timbul suara bising pada mesin
c. Akurasi dari dimensi benda kerja yang tidak sesuai
d. Umur cutting tool yang pendek
e. Komponenmesin akan rusak
Chatter biasanya terjadi karena adanya gangguan pada daerah pemotongan yang
mungkin disebabkan oleh:
a. Kondisi permukaan benda kerja
b. Bentuk chip yang dihasilkan
c. Gesekan pada alat potong yang dipengaruhi oleh cutting fluid
d. Struktur benda kerja yang tidak homogen
Cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi vibration dan chatter :
1. Menambah kekakuan pada work holding.
2. Menambah kekakuan pada pahat.
3. Memodifikasi geometri pahat untuk mengurangi gaya.
4. Mengubah parameter pemotongan.
5. Memperkecil tool overhang.
6. Menambah daya redam mesin.
14
2.9 Material Aluminium 6061
Aluminium ditemukan oleh Friedrich Wohler tahun 1827, aluminium yang terdapat di
alam berbentuk senyawa kimia yang disebut bauksit yaitu bijih aliminium yang
mempunyai komposisi aluminium oksida, besi oksida, dan asam silikat.
Aluminium 6061 adalah aluminium Alloy yang melalui proses precititation-
hardening, komposisi campuran utama aluminum 6061 adalah magnesium dan silikon.
Pada awal dikembangkannya pada tahun 1935, campuran ini biasa disebut “Alloy
61S”.aluminium 6061 ini memiliki sifat mekanik yang baik, weldability yang baik, biasa
digunakan untuk pengujian tekan, dan salah satu aluminium campuran yang paling sering
digunakan.
Tabel 2.3 Komposisi Kimia Aluminium 6061
Paduan Al Mg Si Fe Mn Zn Cu Cr Ti
Kandungan
Lain
(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
6061 95,8-
98,6
0,8-
1,2
0,4-
0,8
Max
0,7
Max
0,15
Max
0,25
0,15-
0,4
0,04-
0,35
Max
0,15 Max 0,16
Sumber: ASM Aerospace Specification Metals Inc. (2015)
Densitas : 2,70g/cm3
Gambar 2.6 Aluminium 6061
American Standard Testing Materials (ASTM) menggolongkan aluminium untuk
memudahkan identifikasi, yang menggunakan empat digit.
Digit pertama menjelaskan unsur campuran utama, untuk angka 6 menjelaskan bahwa
unsur campuran utama adalah magnesium dan silicon
Digit kedua menjelaskan jumlah olahan aluminium paduan yang kesekian kali, untuk
angka 0 menjelaskan bahwa aluminium masi belum diolah
15
Digit ketiga dan keempat menjelaskan jumlah kadungan aluminium, untuk angka 61
menjelaskan bahwa jumlah kandungan aluminium sebesar 61%.
2.10 Hubungan Putaran Spindel Terhadap Chatter dan Kekasaran
Feed mempunyai hubungan terbalik dengan putaran spindel seperti pada rumus (2-2)
yaitu
Undeformed chip thickness mempunyai hubungan berbanding terbalik dengan putaran
spindel seperti pada rumus (2-3) yaitu
Gaya pemotongan mempunyai hubungan berbanding lurus dengan undeformed chip
thickness seperti pada rumus (2-4) yaitu
Amplitudo getaran (chatter) mempunyai hubungan berbanding lurus dengan gaya
pemotongan seperti pada rumus (2-5) yaitu
Kekasaran permukaan mempunyai hubungan berbanding terbalik kuadrat dengan
putaran spindel seperti pada rumus (2-1) yaitu
Putaran spindel mempunyai hubungan terbalik dengan amplitudo getaran (chatter),
hubungan putaran spindel dengan amplitudo getaran didapatkan dengan mensubtitusikan
persamaan (2-3) ke dalam persamaan (2-4), kemudian mensubtitusikan persamaan (2-4) ke
dalam persamaan (2-5) sehingga menjadi
√
..................................................... (2-7)
2.11 Hubungan Putaran Spindel Pre Existing Slot dengan Chatter dan Kekasaran
Permukaan
Pre existing slot merupakan pemberian slot awal sebelum pemakanan sebenarnya,
dengan pre existing slot akan mengurangi volume benda kerja.
MRR merupakan jumlah volume material yang dibuang setiap menitnya, volume
tersebut dijabarkan pada persamaan (2-6), dijelaskan bahwa feedrate mempunyai
hubungan berbanding lurus dengan MRR yaitu . MRR mempunyai
hubungan berbanding terbalik dengan putaran spindel dan berbanding lurus dengan
amplitudo getaran (chatter) didapatkan dengan mensubtitusikan persamaan (2-6) ke dalam
persamaan (2-7) sehingga menjadi (
).
16
MRR mempunyai hubungan berbanding lurus kuadratik dengan kekasaran
permukaan didapatkan dengan mensubtitusikan persamaan (2-6) pada persamaan (2-1),
sehingga menjadi
. Dengan pre existing slot maka jumlah
volume yang dibuang setiap menitnya akan berkurang.
2.12 Hipotesa
Berdasarkan kajian di atas, hipotesa yang dikemukakan adalah semakin besar putaran
spindel maka hasil pemakanan dengan pre existing slot akan mengalami penurunan
chatter dan kekasaran permukaan.