PREDIKSI TEMPERATUR PAHAT PADA PROSES PENGGURDIAN (DRILLING) BAJA AISI 1045 DENGAN MENGGUNAKAN METODE SIMULASI BERBASIS METODE ELEMEN HINGGA
ABSTRAK
PREDIKSI TEMPERATUR PAHAT PADA PROSES PENGGURDIAN (DRILLING) BAJA AISI 1045 DENGAN MENGGUNAKAN METODE
SIMULASI BERBASIS METODE ELEMEN HINGGA
Oleh
RENDY CHANDHIKA
Industri manufaktur tidak lepas dari adanya proses pemesinan yang menjadi inti dari sebuah proses produksi. Salah satu jenis dari proses pemesinan yang digunakan dalam pembuatan benda kerja adalah proses penggurdian (drilling)
atau kita biasa mengenalnya sebagai proses bor. Setiap proses pemesinan pasti akan mengalami kegagalan dalam memproduksi sebuah objek. Untuk menghindari kesalahan yang terjadi dilakukan percobaan awal. Percobaan awal dapat dilakukan secara eksperimental dan simulasi. Pada eksperimental memerlukan waktu dan biaya yang cukup besar bila dibandingkan dengan simulasi. Maka, untuk mengurangi biaya dan waktu sebaiknya percobaan awal dilakukan secara simulasi. Proses pemesinan secara simulasi ini menggunakan perangkat lunak (software) DEFORM 3DTM. Pengukuran temperatur pada proses
gurdi adalah sangat penting karena geram yang menyerap bagian terbesar energi panas, dihasilkan dalam suatu ruang yang sempit dan tetap bersentuhan dengan pahat untuk waktu yang relatif lama. Dengan demikian temperatur pahat mempunyai kecenderungan untuk lebih tinggi pada proses penggurdian dibandingkan dengan proses pemotongan yang lain pada kondisi yang sama. Untuk simulasi pemotongan logam dengan metode elemen hingga, rumus Lagrangian lebih disukai karena pemodelan lebih mudah. Data yang digunakan adalah data eksperimental yang dilakukan (Inata, 2010). Kecepatan putar yang digunakan 443, 635, dan 970 rpm. Gerak makan yang digunakan 0.1, 0.18, dan 0.24 mm/rev. Pahat yang digunakan HSS (High Speed Steel) dan material yang digunakan adalah baja AISI 1045. Hasil keluaran dari program dapat dijalankan untuk dapat melihat berapa temperatur pahat dan benda kerja yang dihasilkan Temperatur pahat yang didapatkan pada kecepatan putar 443, 635 dan 970 rpm secara eksperimental tidak berbeda jauh dengan hasil prediktif yang didapatkan secara simulasi, tetapi hasil temperatur secara simulasi mempunyai hasil yang tinggi bila dibandingkan dengan hasil yang dilakukan secara simulasi. Hal ini disebabkan karena ukuran elemen yang relatif besar pada benda kerja di ujung mata pahat dibandingkan ujung pahat pemotongan, sehingga kesalahan
(2)
energi mekanik berubah menjadi energi termal. Dari proses itulah panas didapatkan.
Kata kunci : gurdi, AISI 1045, metode elemen hingga, lagrangian, temperatur pahat
(3)
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Perkembangan teknologi telah merubah industri manufaktur menjadi sebuah industri yang harus dapat berkembang dan bersaing secara global. Pada dasarnya seluruh elemen dalam sebuah industri akan ikut berkembang seiring dengan tingginya tuntutan dalam sebuah industri manufaktur yang mengharapkan produk hasil yang mengutamakan kualitas, kuantitas serta pencapaian target produksi dan biaya produksi yang ekonomis.
Sebuah industri manufaktur tidak lepas dari adanya proses pemesinan yang menjadi inti dari sebuah proses produksi. Peranan mesin sebagai pembantu manusia tidak dapat dihindarkan lagi. Ketelitian geometri serta variasi produk menuntut sumber daya manusia untuk lebih berkembang. Dalam bidang perbengkelan misalnya, sudah banyak ditemukan alat-alat yang dapat meringankan pekerjaan manusia seperti mesin bubut, mesin bor (drilling), freis, skrap, gerinda dan sebagainya.
Salah satu jenis dari proses pemesinan yang digunakan dalam pembuatan benda kerja adalah proses penggurdian (drilling) atau kita biasa mengenalnya sebagai proses bor. Inti dari proses pemesinan ini adalah proses pembuatan sebuah lubang
(4)
dalam sebuah objek dengan menekankan sebuah mata pahat yang berputar pada objek tersebut. Proses pembuatan lubang pada benda kerja dapat dilakukan dengan dua jenis mesin, yaitu mesin bor dan mesin bubut. Dengan memperhatikan berbagai macam parameter proses pemesinan yang digunakan, penggunaan dari dua jenis mesin tersebut akan menghasikan variasi karakteristik lubang yang berbeda-beda.
Setiap proses pemesinan pada dua jenis mesin tersebut pasti akan mengalami kegagalan dalam memproduksi sebuah objek. Untuk menghindari kesalahan yang dapat terjadi pada proses pemesinan, maka sebaiknya dilakukan suatu percobaan awal agar diperoleh hasil yang lebih baik. Percobaan awal proses pemesinan dapat dilakukan secara eksperimental atau secara simulasi. Dalam hal ini percobaan secara eksperimental memerlukan waktu dan biaya yang cukup besar jika dibandingkan dengan secara simulasi. Maka, untuk mengurangi biaya tambahan pada proses pemesinan sebaiknya percobaan awal dilakukan secara simulasi. Simulasi proses pemesinan ini dijalankan dengan menggunakan perangkat lunak (software) DEFORM 3DTM.
Özel dan Zeren (2005) melakukan penelitian simulasi pemesinan berbasis Finite Element Method AISI 1045 dengan pahat potong pinggir bulat pada kecepatan 300 m/min dan round edge 75 µm menggunakan proses bubut. Özel dan Zeren
mendapatkan hasil suhu pada ujung pahat adalah 1120 oC.
Penelitian Burhanuddin dan Harun (2009) yang dilakukan secara eksperimental dan simulasi menggunakan DEFORM 2DTM pada proses bubut didapatkan prosentase perbedaan hasil temperatur pada jarak 1,3 mm sebesar 200%. Pada
(5)
3
simulasi hal ini terjadi karena terbatasnya asumsi pada proses pemotongan yang dapat dimasukkan.
Berdasarkan uraian tersebut diatas, penulis tertarik untuk melakukan penelitian yang berjudul “Prediksi Temperatur Pahat Pada Proses Penggurdian (Drilling) Baja AISI 1045 Dengan Menggunakan Metode Simulasi Berbasis Metode Elemen Hingga”. Dengan adanya penelitian ini diharapkan akan dapat menjawab pertanyaan tentang perbandingan temperatur pahat yang didapat pada proses gurdi (drilling) yang di uji secara eksperimental dan secara simulasi.
B. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk memprediksi distribusi temperatur pada pahat gurdi menggunakan perangkat lunak simulasi metode elemen hingga DEFORM 3D.
C. Batasan Masalah
Untuk mendapatkan hasil yang lebih terarah, maka pada penelitian ini diberikan batasan masalah, yaitu:
1. Penelitian dilakukan dengan menggunakan software DEFORM 3DTM yang
berbasis metode elemen hingga (finite element method). 2. Material diasumsikan memiliki sifat plastik dan isotropis.
(6)
3. Data untuk sifat-sifat model material diambil berdasarkan SI (System International) dimana data yang digunakan adalah data sifat-sifat baja (steel)AISI 1045.
4. Pemodelan dilakukan pada kondisi simetri.
D. Sistematika Penulisan
Bab I Pendahuluan, terdiri dari latar belakang, tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan. Bab II Tinjauan Pustaka, berisikan tentang teori dan parameter-parameter yang berhubungan dengan penelitian. Bab III Metode Penelitian, berisikan tentang pemodelan dan tata kerja analisis elemen hingga. Bab IV Hasil dan Pembahasan, berisikan data-data yang didapat dari hasil penelitian dan pembahasannya. Bab V Simpulan dan Saran, berisikan tentang simpulan yang dapat ditarik serta saran-saran yang ingin disampaikan dari penelitian.
(7)
58
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Setelah dilakukan pengujian temperatur pahat secara simulasi, maka dapat disimpulkan antara lain:
1. Setelah dilakukan simulasi penggurdian menggunakan DEFORM 3D didapat hasil temperatur pahat yang paling tinggi yaitu 288 °C sedangkan temperatur yang paling rendah yaitu sebesar 157 °C.
2. Temperatur pahat yang didapatkan pada kecepatan putar 443, 635 dan 970 rpm secara eksperimental tidak berbeda jauh dengan hasil prediksi yang didapatkan secara simulasi. Tetapi hasil temperatur secara simulasi mempunyai hasil yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan hasil yang didapat melalui eksperimental. Perbedaan tertinggi pada kecepatan putar 635 rpm dan gerak makan 0.24 mm/rev sebesar 38%. Sedangkan yang terendah pada kecepatan 970 rpm dan gerak makan 0.1 mm/rev sebesar 14 %.
3. Prosentase perbandingan eksperimental dan simulasi pada kecepatan 635 dan 970 rpm dengan gerak makan 0.18 dan 0.24 mm/rev yang didapatkan mempunyai nilai yang besar. Hal ini disebabkan karena ukuran elemen yang relatif besar pada benda kerja di ujung mata pahat dibandingkan ujung pahat pemotongan, sehingga kesalahan
(8)
diperbesar oleh remeshing terus menerus.
4. Semakin tinggi kecepatan putar yang dilakukan maka semakin tinggi pula temperatur pahat yang didapatkan dalam pengujian, begitu juga semakin tinggi gerak makan yang dipakai pada saat pengujian maka temperatur yang didapatkan juga semakin besar. Hal ini disebabkan karena timbulnya tegangan (stress) di daerah di sekitar konsentrasi
gaya penekanan mata potong pahat. Tegangan pada benda kerja tersebut pada salah satu arah akan terjadi tegangan geser (shearing stress) yang maksimum. Apabila
tegangan geser ini melebihi kekuatan logam yang bersangkutan maka akan mengalami deformasi plastis (perubahan bentuk), pahat akan menggeser dan memutuskan benda kerja di ujung pahat pada satu bidang geser (shear plane). Proses deformasi pada
bidang geser memerlukan energi mekanik dan setelah proses ini terjadi maka energi mekanik berubah menjadi energi termal. Dari proses itulah panas didapatkan.
5. Banyaknya step yang digunakan pada simulasi dapat mempengaruhi kedalaman potong yang diinginkan.
(9)
60
B. Saran
Adapun saran yang dapat diberikan pada pengujian simulasi, antara lain:
1. Dilakukan pengujian lain selain gurdisecara simulasi dengan menggunakan perangkat lunak DEFORM 3DTM untuk mengurangi biaya pengujian.
2. Dilakukan analisa karakteristik pahat secara simulasi berbasis metode elemen hingga untuk mengetahui tegangan dan regangan pada proses gurdi
3. Untuk mendapatkan hasil yang lebih presisi dapat dilakukan dengan menambahkan jumlah elemen meshing pada pahat dan material benda kerja.
(1)
dalam sebuah objek dengan menekankan sebuah mata pahat yang berputar pada objek tersebut. Proses pembuatan lubang pada benda kerja dapat dilakukan dengan dua jenis mesin, yaitu mesin bor dan mesin bubut. Dengan memperhatikan berbagai macam parameter proses pemesinan yang digunakan, penggunaan dari dua jenis mesin tersebut akan menghasikan variasi karakteristik lubang yang berbeda-beda.
Setiap proses pemesinan pada dua jenis mesin tersebut pasti akan mengalami kegagalan dalam memproduksi sebuah objek. Untuk menghindari kesalahan yang dapat terjadi pada proses pemesinan, maka sebaiknya dilakukan suatu percobaan awal agar diperoleh hasil yang lebih baik. Percobaan awal proses pemesinan dapat dilakukan secara eksperimental atau secara simulasi. Dalam hal ini percobaan secara eksperimental memerlukan waktu dan biaya yang cukup besar jika dibandingkan dengan secara simulasi. Maka, untuk mengurangi biaya tambahan pada proses pemesinan sebaiknya percobaan awal dilakukan secara simulasi. Simulasi proses pemesinan ini dijalankan dengan menggunakan perangkat lunak (software) DEFORM 3DTM.
Özel dan Zeren (2005) melakukan penelitian simulasi pemesinan berbasis Finite Element Method AISI 1045 dengan pahat potong pinggir bulat pada kecepatan 300 m/min dan round edge 75 µm menggunakan proses bubut. Özel dan Zeren mendapatkan hasil suhu pada ujung pahat adalah 1120 oC.
Penelitian Burhanuddin dan Harun (2009) yang dilakukan secara eksperimental dan simulasi menggunakan DEFORM 2DTM pada proses bubut didapatkan prosentase perbedaan hasil temperatur pada jarak 1,3 mm sebesar 200%. Pada
(2)
simulasi hal ini terjadi karena terbatasnya asumsi pada proses pemotongan yang dapat dimasukkan.
Berdasarkan uraian tersebut diatas, penulis tertarik untuk melakukan penelitian yang berjudul “Prediksi Temperatur Pahat Pada Proses Penggurdian
(Drilling) Baja AISI 1045 Dengan Menggunakan Metode Simulasi Berbasis
Metode Elemen Hingga”. Dengan adanya penelitian ini diharapkan akan dapat menjawab pertanyaan tentang perbandingan temperatur pahat yang didapat pada proses gurdi (drilling) yang di uji secara eksperimental dan secara simulasi.
B. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk memprediksi distribusi temperatur pada pahat gurdi menggunakan perangkat lunak simulasi metode elemen hingga DEFORM 3D.
C. Batasan Masalah
Untuk mendapatkan hasil yang lebih terarah, maka pada penelitian ini diberikan batasan masalah, yaitu:
1. Penelitian dilakukan dengan menggunakan software DEFORM 3DTM yang berbasis metode elemen hingga (finite element method).
(3)
3. Data untuk sifat-sifat model material diambil berdasarkan SI (System International) dimana data yang digunakan adalah data sifat-sifat baja (steel) AISI 1045.
4. Pemodelan dilakukan pada kondisi simetri.
D. Sistematika Penulisan
Bab I Pendahuluan, terdiri dari latar belakang, tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan. Bab II Tinjauan Pustaka, berisikan tentang teori dan parameter-parameter yang berhubungan dengan penelitian. Bab III Metode Penelitian, berisikan tentang pemodelan dan tata kerja analisis elemen hingga. Bab IV Hasil dan Pembahasan, berisikan data-data yang didapat dari hasil penelitian dan pembahasannya. Bab V Simpulan dan Saran, berisikan tentang simpulan yang dapat ditarik serta saran-saran yang ingin disampaikan dari penelitian.
(4)
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Setelah dilakukan pengujian temperatur pahat secara simulasi, maka dapat disimpulkan antara lain:
1. Setelah dilakukan simulasi penggurdian menggunakan DEFORM 3D didapat hasil temperatur pahat yang paling tinggi yaitu 288 °C sedangkan temperatur yang paling rendah yaitu sebesar 157 °C.
2. Temperatur pahat yang didapatkan pada kecepatan putar 443, 635 dan 970 rpm secara eksperimental tidak berbeda jauh dengan hasil prediksi yang didapatkan secara simulasi. Tetapi hasil temperatur secara simulasi mempunyai hasil yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan hasil yang didapat melalui eksperimental. Perbedaan tertinggi pada kecepatan putar 635 rpm dan gerak makan 0.24 mm/rev sebesar 38%. Sedangkan yang terendah pada kecepatan 970 rpm dan gerak makan 0.1 mm/rev sebesar 14 %.
3. Prosentase perbandingan eksperimental dan simulasi pada kecepatan 635 dan 970 rpm dengan gerak makan 0.18 dan 0.24 mm/rev yang didapatkan mempunyai nilai yang besar. Hal ini disebabkan karena ukuran elemen yang relatif besar pada benda kerja di ujung mata pahat dibandingkan ujung pahat pemotongan, sehingga kesalahan
(5)
perhitungan suhu yang dihasilkan dengan besar ujung pemotongan secara signifikan diperbesar oleh remeshing terus menerus.
4. Semakin tinggi kecepatan putar yang dilakukan maka semakin tinggi pula temperatur pahat yang didapatkan dalam pengujian, begitu juga semakin tinggi gerak makan yang dipakai pada saat pengujian maka temperatur yang didapatkan juga semakin besar. Hal ini disebabkan karena timbulnya tegangan (stress) di daerah di sekitar konsentrasi gaya penekanan mata potong pahat. Tegangan pada benda kerja tersebut pada salah satu arah akan terjadi tegangan geser (shearing stress) yang maksimum. Apabila tegangan geser ini melebihi kekuatan logam yang bersangkutan maka akan mengalami deformasi plastis (perubahan bentuk), pahat akan menggeser dan memutuskan benda kerja di ujung pahat pada satu bidang geser (shear plane). Proses deformasi pada bidang geser memerlukan energi mekanik dan setelah proses ini terjadi maka energi mekanik berubah menjadi energi termal. Dari proses itulah panas didapatkan.
5. Banyaknya step yang digunakan pada simulasi dapat mempengaruhi kedalaman potong yang diinginkan.
(6)
B. Saran
Adapun saran yang dapat diberikan pada pengujian simulasi, antara lain:
1. Dilakukan pengujian lain selain gurdi secara simulasi dengan menggunakan perangkat lunak DEFORM 3DTM untuk mengurangi biaya pengujian.
2. Dilakukan analisa karakteristik pahat secara simulasi berbasis metode elemen hingga untuk mengetahui tegangan dan regangan pada proses gurdi
3. Untuk mendapatkan hasil yang lebih presisi dapat dilakukan dengan menambahkan jumlah elemen meshing pada pahat dan material benda kerja.