9 Z = kecepatan penghasilan geram ; dm
3
min f = gerak makan ; mmr
a = kedalaman potong ; mm v = kecepatan potong ; mmin
Pada Gambar 2.9 diperlihatkan sudut potong utama κ
r
, principal cutting edge angle yaitu merupakan sudut antara mata potong mayor dengan kecepatan makan
v
f
. Besarnya sudut tersebut ditentukan oleh geometri pahat dan cara pemasangan pahat pada mesin perkakas orientasi pemasangannya. Untuk harga a dan f yang
tetap maka sudut ini menentukan besarnya lebar pemotongan. b, widh of cut dan tebal geram sebelum terpotong h, underformed chip thicknes sebagai berikut:
a. Lebar pemotongan
: b = a sin
κ
r
; mm, …..……………2.8 b.
Tebal geram sebelum terpotong :
h = f sin K
r
; mm, …...……………2.9 Dengan demikian penampang geram sebelum terpotong dapat dituliskan
sebagai berikut : A = f . a = b . h ;mm
2
…………2.10 Perlu dicatat bahwa tebal geram sebelum terpotong h belum tentu sama
dengan tebal geram hc, chip thicknes dan hal ini antara lain dipengaruhi oleh sudut geram, kecepatan potong dan material benda kerja.
2.2 Proses Pembuangan Bahan Metal Removal Process
Ada banyak ragam operasi pembuangan bahanmaterial yang menggunakan geometri pahat yang berbeda dan hubungan kinematik antara kerja
Universitas Sumatera Utara
10 dan pahat. Beberapa operasi pembuangan material yang utama adalah sebagai
berikut : 1.
Proses turning menghasilkan permukaan silinder 2.
Proses milling menghasilkan permukaan yang datar dan permukaan dengan geometri yang kompleks
3. Proses boring, drilling, reaming menghasilkan bentuk lubang
Bahan yang terbuang dapat diasumsikan sebagai geram. Geram yang terbentuk pada proses pemesinan, awalnya diperkirakan terbentuk karena adanya
retak mikro micro track yang timbul pada benda kerja tepat diujung pahat pada saat pemotongan dimulai. Dengan bertambahnya tekanan pahat, retak tersebut
menjalar kedepan sehingga terjadilah geram, lihat gambar 2.2.
Gambar 2.2 Teori tradisional awal yang menerangkan terjadinya geram Sumber : Rochim, 1993
Berkat hasil berbagai penelitian, anggapan mengenai pembentukan geram ini sekarang sudah ditinggalkan. Logam yang pada umumnya bersifat ulet
duktile apabila mendapat tekanan akan timbul tegangan stress didaerah disekitar konsentrasi gaya penekanan mata potong pahat. Tegangan pada logam
Universitas Sumatera Utara
11 benda kerja tersebut mempunyai orientasi yang kompleks dan pada salah satu
arah akan terjadi tegangan geser shearing stress yang maksimum. Apabila tegangan geser ini melebihi kekuatan logam yang akan terjadi deformasi plastik
perubahan bentuk yang menggeser dan memutuskan benda kerja diujung pahat pada suatu bidang geser shear plane. Bidang geser mempunyai lokasi tertentu
yang membuat sudut terhadap vektor kecepatan potong dan dinamakan sudut geser shear angle
, Φ, lihat Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Teori modern yang dianut yang menerangkan terjadinya geram Sumber : Rochim, 1993
2.2.1 Komponen Gaya Pembentukan Geram
Suatu analisis mekanisme pembentukan geram yang dikemukakan oleh Merchant mendasarkan teorinya atas model pemotongan sistem tegak
Orthogonal System. Sistem gaya yang bekerja pada proses pemotongan logam dipandang hanya pada satu bidang bukan ruang maka gaya total yang bekerja
dapat diuraikan menjadi dua komponen gaya yang saling tegak lurus. Tergantung pada cara penguraian dalam hal ini dapat dikemukakan tiga cara yaitu,
1. Gaya total F, ditinjau dari proses deformasi material, dapat
diuraikan menjadi dua komponen yaitu,
Universitas Sumatera Utara
12 a.
Gaya geser F
s
yang mendeformasikan material pada bidang
geser sehingga melampaui batas elastik. b.
Gaya normal pada bidang geser F
sn
yang menyebabkan pahat
tetap menempel pada benda kerja. 2.
Gaya total F dapat diketahui arah dan besarnya dengan cara membuat dinamometer alat ukur gaya dimana pahat dipasang padanya
dan alat tersebut dipasang pada mesin perkakas yang mengukur dua komponen gaya yaitu,
a. Gaya potong F
v
, searah dengan laju potong.
b.
Gaya makan F
f
, searah dengan laju makan.
3. Gaya total F yang bereaksi pada bidang geram A
γ, face, bidang pada pahat dimana geram mengalir diuraikan menjadi dua komponen
untuk menentukan ‘koefisien gesek geram terhadap pahat’ yaitu, a.
Gaya gesek F
γ
pada bidang geram.
b.
Gaya normal F
γn
pada bidang geram.
Oleh karena berasal dari satu gaya yang sama, gaya-gaya tersebut dapat dilukiskan pada suatu lingkaran dengan diameter yang sama dengan gaya total
F, atau biasa disebut sebagai lingkaran Merchant’s seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4. Lingkaran yang diciptakan oleh M. Eugene Merchant tersebut
digambarkan persis diujung pahat sedemikian rupa sehingga semua komponen menempati lokasi seperti yang dimaksud.
Universitas Sumatera Utara
13 Gambar 2.4. Lingkaran Merchant’s Sumber : Rochim, 1993
Gambar 2.4. merupakan gambaran sistem gaya pada pemotongan orthogonal dan dalam prakteknya dapat dilakukan dengan pendekatan
menggunakan pahat dengan sudut κ
r
= 90
o
dan Sudut λs = 0
o
sudut miring, inclination angle dengan kecepatan potong yang jauh lebih tinggi daripada
kecepatan makan. Berdasarkan analisis geometrik dari lingkaran gaya Merchant dapat
diturunkan rumus dasar gaya potong F
v
. Dari,
F
v
= F cos γ
η − , dan
F
s
= F cos Φ +
η - γ …………….2.11
Maka, F
v
= cos
cos γ
η γ
η −
+ Φ
−
s
F ……….......2.12
Universitas Sumatera Utara
14 Gaya geser Fs dapat digantikan dengan penampang bidang geser dan tegangan
geser yang terjadi padanya yaitu : Fs = A
shi
. τ
shi
; N ..…………....2.13 Dimana :
A
shi
= Penampang bidang geser, = A sin Φ ;mm2
A = penampang geram sebelum terpotong = b. h ; mm
2
τ
shi
= tegangan geser pada bidang geser, ; Nmm
2
Dengan demikian rumus gaya potong adalah : F
v
= τ
shi
.b.h cos
sin cos
γ η
γ η
− +
Φ Φ
− ; N .……2.14
Dari persamaan 2.14 dapat disimpulkan beberapa variabel yang mempengaruhi gaya pemotongan sebagai berikut :
1. Tegangan geser menentukan besarnya gaya potong maka kekuatan benda
kerja merupakan faktor penentu dalam proses pemesinan. Dalam praktek telah diketahui bahwa untuk kondisi pemotongan yang sama maka gaya potong
bagi benda kerja Aluminium lebih rendah daripada gaya potong bagi benda kerja baja.
2. Semakin besar penampang geram, gaya potong akan semakin besar.
3. Sudut geram, sudut geser dan sudut gesek ditentukan oleh koefisien gesek
µ menentukan besarnya gaya potong.
Universitas Sumatera Utara
15 Untuk menentukan besar gaya gesek dan gaya normal pada bidang geram F
γ
dan Fγn dapat diturunkan dari gaya potong dan gaya makan F
v
dan F
f
, yaitu : F
γ
= F
f
cos γ + F
v
sin γ , dan F
γn
= F
v
cos γ – F
f
sin γ …….....2.15
dimana ; F
f
= gaya makan ; N 0.5 s.d 0.75 F
v
tergantung pada kondisi pemotongan
γ
0 =
sudut geram Sehingga dari hasil tersebut, dapat diperoleh harga koefisien gesek :
tan tan
tan
γ γ
γ η
µ
γ
f v
v f
F F
F F
n F
F −
+ =
= =
……………2.16
dimana : η = sudut gesek
Berdasarkan persamaan 2.6 tersebut diatas, dinyatakan bahwa koefisien gesek dipengaruhi oleh sudut geram. Tetapi rumus tersebut tidak menyatakan bahwa
dengan mengubah sudut geram gaya potong dan gaya makan tidak berubah. Dalam kenyataan, gaya potong dan gaya makan berubah dengan berubahnya sudut
geram dan hal ini disebabkan oleh perubahan sudut geser Ф.
2.2.2 Sudut Geser dan Rasio Pemampatan Tebal Geram
Dari persamaan 2.4, dikarenakan gaya potong F
v
merupakan fungsi dari sudut geser Ф maka sudut geser maksimum dapat dicari dengan cara
deferensiasi dan hasilnya disamakan dengan nol,
= Φ
∂ ∂
v
F
.……………………2.17 cos Ф cos Ф + η – γ
- sin Ф sin Ф + η – γ
=0 cos 2Ф + η - γ
= 0
Universitas Sumatera Utara
16 yang berarti:
2 Ф + η - γ
= 90
º
……………………2.18 maka ;
Ф = 45º +
2 2
η γ
−
……….……………2.19
Berdasarkan logika, dari persamaan 2.19 diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa: 1.
Sudut geser Ф ditentukan oleh sudut geram γ
0.
Semakin besar sudut geram maka sudut geser akan membesar dan menyebabkan penurunan bidang luas
bidang geser lihat Gambar 2.3 sehingga menurunkan gaya potong. 2.
Koefisien gesek tidak mungkin sama dengan nol. Dengan demikian, berdasarkan analisis geometrik gaya lingkaran Merchant maka sudut geser
tidak mungkin melebihi suatu harga yaitu, Ф 45º +
2
γ
Tebal geram sebelum terpotong h hanya mungkin sama besar dengan tebal geram h
c
bila, Ф = 45º +
2
γ
Oleh sebab itu, berdasarkan hal diatas dan kenyataan dalam praktek maka, h
c
h sehingga seolah-olah geram dimampatkan, yang biasa disebut dengan Rasio
Pemampatan Tebal Geram yang merupakan perbandingan antara tebal geram dengan tebal geram sebelum terpotong. Atau dapat dinyatakan dengan rumus
sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
17 λ
h
=
h h
c
1 …………………..2.20 maka,
λ
h
=
h h
c
=
Φ −
Φ sin
cos
γ ....………………..2.21
Dari rumus diatas, dapat dicari harga sudut geser Ф berdasarkan pengukuran λ
h,
yaitu ; tan Ф =
sin cos
γ λ
γ −
h
………..………...2.22 Secara grafis Gambar 2.5 di bawah menunjukkan hubungan antara sudut
geser Ф sebagai fungsi rasio pemampatan tebal geram λ
h
untuk sudut geram γ
= 20º, 0º, dan -20º. Dari gambar berikut terlihat bahwa untuk λ
h
yang besar perbedaan γ
tidak mempunyai arti terhadap sudut geser Ф.
Gambar 2.5 Sudut geser Ф sebagai fungsi dari rasio pemampatan tebal geram λ
h
Sumber : Rochim, 1993 Jika sudut geram telah ditetapkan, maka sudut geser dapat dihitung
dengan mengukur rasio pemampatan tebal geram. Akan tetapi tebal geram tak dapat diukur secara langsung tanpa mengakibatkan kesalahan pengukuran sebab,
Universitas Sumatera Utara
18 a.
Permukaan geram relatif kasar, dan b.
Geram tidak lurus karena dalam kenyataan bidang geser tidak lurus melainkan melengkung yang diakibatkan oleh distribusi tegangan
geser yang tidak merata Dikarenakan adanya pemampatan tebal geram, maka kecepatan aliran geram
selalu lebih rendah daripada kecepatan potong. Gambar 2.6 menunjukkan kecepatan aliran geram v
c
dan kecepatan potong v.
Gambar 2.6 Arah kecepatan geser v
s
, kecepatan aliran geram v
c
dan kecepatan potong v Sumber : Rochim, 1993
Dari Gambar 2.6 diatas, arah kecepatan geser v
s
ditentukan oleh kecepatan aliran geram v
c
dan kecepatan potong v. Berdasarkan aturankaidah tangan kanan, dari Gambar 2.5 arah pergerakan mata pahat v
f
searah pada sumbu x, dan kecepatan potong v yang terbentuk terletak pada sumbu z.
Kecepatan geser v
s
akan lebih tinggi daripada kecepatan potong v untuk sudut geram γ
negatif Rochim, 1993. Sehingga berdasarkan polygon kecepatan tersebut maka dapat dirumuskan sebagai
berikut : v
c
= cos
sin cos
sin γ
γ −
Φ Φ
= Φ
− Φ
v v
………..2.23
Universitas Sumatera Utara
19 dimana :
v
c
= kecepatan aliran geram v = kecepatan potong
λ
h
=
Φ −
Φ sin
cos
γ ; persamaan 2.21
maka, v
c
=
h
v λ
…………………...2.24
Karena λ
h
1 maka kecepatan geram selalu lebih rendah daripada kecepatan potong. Selanjutnya kecepatan geser dapat diketahui dari poligon yaitu ;
v
s =
Φ sin
cos
γ
c
v
, ……………………2.25
v
s
= cos
cos γ
γ −
Φ v
…………………….2.26
Universitas Sumatera Utara
20
2.3 Pemotongan Orthogonal