Kajian Ketermesinan Baja Perkakas Bahan Produk Transportasi Dan Pertahanan Pada Pemesinan Laju Tinggi, Keras Dan Kering

REKAYASA

LAPORAN PENELITIAN
HIBAH BERSAING (TAHAP KEDUA)

KAJIAN KETERMESINAN BAJA PERKAKAS
BAHAN PRODUK TRANSPORTAS! DAN PERTAHANAN
PADA PEMESINAN LAJU TINGGI, KERAS DAN KERING

ｬｦｾｪＩｩ＠

12000087

Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng
Dr. Zuhrina Masyithah, ST., M.Sc
Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi
Kementerian Pendidikan Nasional
Sesuai Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Pelaksanaan ?enugasan
Penelitian Hibah Bersaing Lanjutan Para Dosen USU Tahun Anggaran 2011
No. 2125/HS.l.R/KEU/2011 Tanggal23 Maret 2011

lJNIVERSIT AS SUMATERA UT ARA
MEDAN
NOVEMBER 2011

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR

I.

Judul Penelitian Kajian Ketermesinan Baja Perkakas Bahan Produk
Transportasi dan Pertahanan pada Pemesinan
Laju Tinggi, Keras dan Kering

2.

Ketua Peneliti
a. Narna lengkap
b. Jenis Kelamin
c. NIP
d . Jabatan Fungsional
e. Jabatan Struktural

f.
Bidang keahlian
g. Fakultas I Departemen
h. Perguruan Tinggi
i. T im Peneliti

No

Nama

: 19680807 199501 I 001
:Guru Besar
: Teknik Mesin I Teknik Produksi I Pemotongan Logam
: Teknik I Teknik Mesin
: Universitas Sumatera Utara

Keahlian

Dr. Zuhrina Masyithah, ST.,
M.Sc

3.

:Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng
: Lelaki

Bio-Eng

Pendanaan dan jangka waktu penelitian
a. Jangka waktu penelitian yang diusulkan
b. Biaya total yang diusulkan
c. Biaya yang disetujui Tahun Pertama (2010)
d. Biaya yang disetujui Tahun Kedua (2011)

Fakultas/
Departemen

Perguruan
Tinggi

Teknikl
Teknik Kimia

Universitas
Sumatera Utara

: 2 (dua) tahun

: Rp 100,000,000.: Rp 35,805,000.: Rp 47,000,000.-

Medan, November 20Il
Ketua Peneliti,

..

• - ...b'-0

Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng
NIP I9680807 I9950 I I 001

2

RINGKASAN

Tujuan penelitian yang hasilnya dipaparkan pada Laporan Penelitian ini adalah
mengevaluasi data kondisi pemotongan dan umur pahat untuk menghasilkan data. laju
pembuangan bahan (material removal rate I MRR) dan volume bahan terbuang (volume

of material removed I Q) yang kemudian digunakan untuk menyusun model umur

pahat (Tc) yang berbasis pada model umur pahat Taylor yang diekspansi meliputi
parameter v (laju pemotongan), f (pemakanan), dan a (kedalaman potong). Selanjutnya,
melakukan analis 1s mikro permukaan termesin yang meliputi keutuhan permukaan

(vurface integrity) yaitu topografi permukaan (rflughness, lay, defects) dan metalurgi
permukaan (metallurgical changes I plastic deformation, white layer, microhardness

changes).

Bahan yang digunakan sebagai bendakerja pada penelitian ini adalah baja

karbon AISI4140 yang akan dikeraskan hingga mencapai kekerasan

ｾＵ＠

HRc pada

permukaan bahan hingga sub-permukaan di kedalaman tertentu sebelum mencapai
kekerasan pukal (bulk hardness material). Pahat yang dipilih untuk digunakan pada
pengujian ini adalah pahat dari bahan CBN yang diproduksi oleh pemasok pahat
SANDVIK COROMANT.

Mesin perkakas CNC bubut 2-sumbu dengan putaran hingga 4500 rpm
digunakan pada pengujian pemesinan. Untuk keperluan pengamatan ·pertumbuhan aus
pahat,

､ｩｧｵｮ｡Ｎｾ＠

mikroskop optik portabel (tool-makers microscopy) yang dilengkapi

dengan unit pengukur mikrometer. Kekasaran permukaan yang dihasilkan pada setiap

pemotongan diukur menggunakan profilometer untuk parameter ukur Ra.

Desain pengujian (Design of Experiment I DoE) yang digunakan pada penelitian
ini adalah Cz,.:bic Centered on Face (CCF) dengan tiga faktor sebagai parameter bebas
(v, f, a) dan dua faktor sebagai parameter respon (Ra dan tc). Penelitian awal
menunjukkan bahwa nilai ketiga parameter bebas adalah v (200, 225 , 250) rn/min, f
(0.1 00, 0.125, 0.150) mrn/rev dan a (0.3, 0.7, 1.0) mm. Kriteria umur pahat yang
digunakan pada penelitian ini adalah lebar aus tepi (flank wear I VB) 0.3 mm, Umur

3

pahat mmtmum 1 (satu) menit dan Kekasaran permukaan (Ra) tidak melebihi 1.6
mikron. Kriteria ini disusun berdasarkan beberapa rujukan seperti data produsen pahat,
hasil peneliti I penelitian terdahulu, dan survey.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada umurnnya aus pahat yang terekam
sebagai penyebab berakhimya masa pemakaian (umur pahat) adalah aus tepi (flank
wear). Selain :tu, pada dua kondisi pemotongan yaitu (v 200m/min, f 0.10 rnmlrev, a
0.30 mm) dan (v 225 m/min, f 0.16 mm/rev, a 0.7 mm) ditemukan pula adanya aus
kawah (crater wear). Selanjutnya, pada kondisi pemotongan (v 250 m/min), aus tepi

disertai dengan patah getas (brittle fracture) berupa kepingan (flaking) maupun
penyerpihan (chipping). Plot kurva pertumbuhan aus tepi adalah analog untuk seluruh
kurva pertumbuhan aus tepi setiap kondisi pemotongan. Plot pertumbuhan aus tepi
menunjukkan keadaan fasa inisial hingga -0.08 mm, lalu dilanjutkan oleh fasa gradual
hingga -0.12 rnm dan mulai plot mulai menanjak lagi setelah nilai tersebut atau mulai
memasuki fasa mendadak.

Dari data umur pahat yang diperoleh dan memperhatikan batas aus tepi pahat
fasa gradual (VB 0.125 mm) yang dapat mewakili seluruh kondisi pemotongan, maka
model matematika untuk umur pahat yang disusun berdasarkan model umur pahat
Taylor yang diekspansi adalah:

t =------c

v4.200 /1.2so a0.246

Dari hasil analisis menggunakan metode RSM diperoleh kondisi pemotongan
optimum berada pada kondisi pemotongan (v 200m/min, f0.148 mm/rev, a 1.100 mm)

dan (v 225m/min, f0.160 mm/rev, a 1.100 mm). Optimasi yang diperoleh lebih kepada

unsur parameter pemakanan (f). Nilai MRR dan Q yang dihasilkan oleh kondisi
pemotongan luaran optimasi lebih besar sehingga diharapkan produktivitas dapat lebih
tinggi.

4

Kekasaran permukaan (surface roughness) dapat berubah naik turun
sepanjang berlangslmgnya proses pemesinan dan kekasaran permukaan (Ra) dapat pula
berubah naik turun seiring dengan kenaikan nilai atau pertumbuhan lebar aus tepi (VB)
sepanjang proses pemesinan. Geometri mata potong mayor merupakan agen yang
memainkan peranan penting dalam menentukan nilai kekasaran permukaan bukannya
keadaan aus tepi yang terjadi pada bidang rusuk (flank face) dari pahat. Pada awal
pemotongan logam terjadi, pahat merekamkan geometri original bidang transient
kepada benda kerja untuk menghasilkan permukaan termesin dengan kekasaran
permukaan tertentu. Selanjutnya, seiring dengan terjadinya aus pahat baik pada bidang
rusuk (flank wear I VB) maupun pada bidang sadak (rake face) misalnya penyerpihan
(chipping), pengepingan (flaking) maupun patahan (fracturing); maka geometri pahat
pada bidang transien akan terdistorsi (irregular I worn area at the transient face) . Bagian
yang te!"distorsi oleh aus tersebut akan mengalami perubahan bentuk yang tidak teratur
(irregular). Apabila bentuk yang tidak teratur tersebut digunakan untuk proses

pemotongan logam, maka bentuk yang tidak teratur tadi akan merekamkan geometrinya
pada permukaan termesin. Hal ini yang menghasilkan nilai permukaan termesin yang
variatif (naik atm ·:urun) walaupun tetap seiring dengan pertumbuhan nilai aus tepi
(flank wear) pada bidang rusuk.

Corak

ｰｾｲｭｵｫ｡ｮ＠

termesin (lay) didominasi oleh alur paralel yang

merupakan penjejakan mata potong mayor pahat dengan jarak antar alur adalah sama
dengan nilai pemakanan (feeding I f) . Oleh karena itu alur paralel yang menjadi corak
permukaan terrnesin dapat dinamakan sebagai tanda pemakanan (feed mark).

Dari seluruh sampel yang diperiksa menggunakan SEM, dapat diklasifikasikan bahwa

kecacatan permukaan (defects) yang didapati terjadi pada permukaan termesin adalah
cakaran, pengoyak.m mikro dan deposisi geram mikro. Cakaran (flaws) berupa aluralur goresan tcgas paralel mendominasi permukaan termesin yang dihasilkan oleh setiap
kondisi pemotongan. Alur-alur goresan akan makin tegas (signifikan) seiring dengan

kenaikan nilai pernakanan (f) dan aus yang dialami oleh mata potong mayor.

Pengoyakan mikro (micro tearing) diamati hampir pada semua sampel permukaan
termesin. Sejauh hal ini tidak berlebihan maka keberterimaan produk masih dapat
dipertimbangkan bagi penyempumaan kondisi pemotongan. Kecacatan perrnukaan ini
diyakini terjadi karena diakibatkan oleh agregat-agregat material yang ikut serta saat
5

pembentukan geram terjadi. Agregat material tersebut melekat pada geram yang sedang
mengalir pada kawasan geser utama atau pada saat perubahan geram dari

ho ke he.

Agregat tersebut adalah material yang memiliki kekerasan yang lebih keras dari
bendakerja yang memiliki kekerasan 55 HRc. Agregat tersebut akan menjadi objek
ketiga diantara objek pertama yaitu bendakerja (geram yang sedang mengalir) dan objek
kedua yaitu pahat. Agregat material yang paling memungkinkan sebagai objek yang
ketiga tersebm adalah material yang berasal dari inklusi (inclusion) bendakerja sendiri,
misalnya Silikon (Si) dan agregat yang berasal dari pahat yaitu agregat CBN (Cubic
Boron Nitride) sendiri. Perubahan warna dan bentuk geram yang terjadi pada saat
pemotongan

｢ｾｲｬ｡ｮｧｳｵ＠

mengindikasikan bahwa pemotongan berlangsung pada suhu

yang tinggi. Selain itu, sebagaimana yang telah disebutkan terdahulu bahwa umur pahat
yang pendek mengindikasikan laju aus yang tinggi dan aus tersebut dipicu oleh suhu
dan beban pemotongan yang tinggi. Suhu yang tinggi pada saat pemotongan akibat dari
pemesinan kering pada laju tinggi dan tekanan pemotongan yang juga tinggi akibat dari
pemesinan ke:as pada laju tinggi akan mengakibatkan geram akan melembut dan
tertekan pada perrnukaan terrnesin. Geram yang melembut ab.n menyelimuti mata
ｭ｡ｹｯｾ＠

potong

dan berpotensi membentuk Built-Up-Edge (BUE). Material yang

menyelimuti mata potong mr.yor akan ikut serta sepanjang proses pemotongan dan
tekanan pemotongan yang tinggi akan mengakibatkan geram tersebut terdeposisi pada
perrnukaan termesin (Deposisi geram mikro I Micro chip deposition). Geram tersebut
akan melekat kuat pada perrnukaan termesin dan karena pelekatan tersebut berlangsung
pada suhu dan tekanan tinggi maka perilaku geram tersebut selayaknya material yang
di-las-kan (weldec.) pada perrnukaan terrnesin.

Metalurgi perrnukaan dari aspek perubahan kekerasan mikro (microhardness
changes) menunjukkan bahwa pada kedalaman (150 - 200) mikron sub-perrnukaan

mengalami perubahan kekerasan mikro yaitu dengan kekerasan lebih kecil dari
kekerasan material induk (440 < 548) HV 2o0 . Selanjutnya pada kedalaman antara (150 200) mikron hingga (350 -

400) mikron sub-perrnukaan mengalami perubahan

kekerasan mikro yaitu dengan kekerasan lebih besar dari kekerasan material induk (687
> 548)HV2oo. Akhirnya pada kedalaman setelah (350 - 400) mikron sub-perrnukaan

memiliki kekerasan yang berangsur kembali kepada nilai kekerasan material induk (548
HV2oo).

6

Lapisan :putih (white layer) seyogyanya merupakan lapisan yang berada pada
sub-permukaan di bawah permukaan termesin dan dapat diamati di bawah mikroskop
atau SEM serta memiliki kekerasan lebih besar dari kekerasan material induk. Fakta
yang ditemukan bahwa lapisan putih tidak teramati melalui mikroskop atau SEM dan
pengukuran kekerasan mikro menunjukkan bahwa kekerasan sub-permukaan di bawah
permukaan termesin (kedalaman 150 - 200 mikron) mengalami perubahan kekerasan
dengan nilai kekerasan lebih kecil dari nilai kekerasan material induk. Pelunakan subpermukaan di bawah permukaan termesin menjadi bukti dan sekaligus menjelaskan
bahwa lapisan putih tidak wujud pada ｳｵ｢Ｍｰ･ｲｭｫｾ｡ｮＮ＠

Mikrostruktur yang dimiliki oleh material origin memiliki kekerasan mikro 548
HV 200 . Jika setelah proses pemesinan teijadi perubahan kekerasan mikro pada subpermukaan maka d:tpat dipastikan bahwa proses pemesinan memberikan dampak
terhadap sifat material yang dibentuk oleh mikrostruktur bendakerja (perubahan

mikrostruktur I microstructural changes). Oleh karena itu, dapat dipastikan bahwa
pembentukan struktur fasa martensite dan fasa bainite yang bervariasi berbanding
struktur fasa martensite dan fasa bainite pada mikrostruktur material origin memiliki
dampak terhadap perubahan kekerasan mikro dan sebaliknya. Sifat struktur fasa
martensite yang

ｾ ･ｮ､ｲｵｧ＠

bersifat keras dan struktur fasa bainite yang cenderung

bersifat lunak memberi kontribusi terjadinya perubahan kekerasan sub-permukaan.
Dapat disimpulkan bahwa sub-permukaan di bawah permukaan termesin kaya akan fasa
bainite karena. kekerasan sub-permukaan hingga kedalaman (150 - 200) mikron lebih
kecil dari kekerasan material induk. Selanjutnya pada kedalaman (150 - 200) mikron
hingga (350- 400) mikron kaya akan fasa matensite karena memiliki kekerasan mikro
yang lebih besar dari kekerasan material induk. Setelah kedalaman tersebut, kekerasan
material kembali sama dengan kekerasan material induk.

7

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas taufiq, hidayah serta nikmat yang tiada
henti dilimpahkan olehNya sehingga peneliti dapat menyelesaikan penelitian ini.
Laporan penelitian Hibah Bersaing Tahun Kedua (2011) ini disajikan sesuai
dengan hasil penelitian yang dilakukan hingga November 2011 . Hasil penelitian yang
diperoleh ini dihruapkan memenuhi objektif penelitian Tahun Kedua (2011) yaitu
melakukan evaluasi data kondisi pemotongan dan umur pahat untuk menghasilkan data
laju pembuangan bahan (material removal rate I MRR) dan volume bahan terbuang

(volume of material removed I Q). Hasil evaluasi kemudian digunakan untuk menyusun
model umur pahat yang berbasis pada model umur pahat Taylor yang diekspansi
sehingga meliputi parameter v, f, a. Selanjutnya, pemerhatian dilakukan pada analisis
mikro permukaan termesin yang meliputi pemerhatian keutuhan permukaan (surface
integrity) yaitu topografi permukaan (roughness, lay, defects) dan topografi metalurgi
(metallurgical changes I plastic deformation, white layer, microhardness changes)."
Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan pemotongan logam dan pendidikan teknik produksi.

Medan, November 2011
Peneliti,
Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng
Dr. Zuhrina Masyithah, ST, M.Sc

8

DAFTARISI

Halaman Pengesahan Laporan Akhir .................................................................................. 2
Ringkasan ................................................................................................................................ 3
Kata Pengantar ....................................................................................................................... 8
Daftar lsi .................................................................................................................................. 9
Daftar Gambar ...................................................................................................................... 10
Daftar Tabel .......................................................................................................................... 12
Bab 1.
Bab 2.
Bab3.

Bab 4.

Bab 5.

Bab 6.

Pendahuluan .......................................................................................................... 13
I .I Latar Belakang ..................................... ......................................................... 13
Tujuan Penelitian Tahun Kedua ......................................................................... 16
Metodologi ............................................................................................................. 17
3.1
Bahan Dan Alat ............................................................................................. 17
3.2 Desain Pengujian ........................................................................................... 18
3.3 Kriteria Umur Pahat ...................................................................................... 18
Aus Pahat Dan Umur Pahat ................................................................................ 19
4. 1 Data Hasil Pengujian .................................................................................... 19
4.2 Menyusun Model Umur Pahat ...................................................................... 21
4.2.1 Karakteristik Pertumbuhan Aus Tepi Pahat ..................................... 21
4.:L.2 Umur Pahat Pada VB 0.125 mm ...................................................... 24
4.2.3 Model Umur Pahat Ekspansi Taylor ................................................ 25
4.2.4 Laju Pembuangan Bahan (MRR) & Volume Bahan Terbuang (Q). 27
4.2 .5 Kondisi Pemotongan Optimum ........................................................ 29
Keutuhan Permukaan .......................................................................................... 34
5.1 ·ropografi Permukaan (Surface Topography) ............................................... 34
5.1.1 Kekasaran Permukaan (Surface Roughness) .................................... 34
5.1.2 Kekasaran Permukaan Dan A us Tepi ............................................... 36
5.1.3 Kekasaran Permukaan Dan Geometri Mata Potong Mayor ............. 38
5.1.2 Keberarahan (Lay) ... .......................... ........... .. ....... ......... .................. 42
5.1.3 Kecacatan (Defects) .......................................................................... 46
5.2 Me:talurgi Permukaan (Surface Metallurgy) ................................................. 55
5.2.1 Lapisan Putih (White Layer) ............................................................ 55
5.2.2 Perubahan Mikrostruktur (Microstructural Changes) ....................... 59
5.2.3 Perubahan Kekerasan Mikro (Microhardness Changes) .................. 63
Kesimpulan ............................................................................................................ 68

Daftar Bacaan ........................................................................................................................ 74
Lampiran ............................................................................................................................... 75
Artikel Ilmiah ........................................................................................................................ 84

9

DAFTAR GAMBAR

Gambar I-I Bagan Alir Konsep Substansi Penelitianoooooooooooooooooooooooooooooooooo oooo oooooooooooooooooooooooooo 14
Gam bar 4-1 Keadaan aus pahat (a) aus tepi I flank wear (nom or pengujian I), dan (b) aus
katastropik (nomor pengujian I 0) oo oooooo ooooooooooooooooooooooooooooooooooo ooooo ooooooooooooooooooo 20
Gam bar 4-2 Ilustrasi Keadaan Aus Tepi Menurut Standar IS0-3685 ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 22
Gam bar 4-3 Kurva Pertumbuhan A us Tepi (jlank wear) Pahat CBN oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 23
Gam bar 4-4 Plot Nilai Selisih Umur Pahat Eksperimental dan Model. ooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 26
Gambar 4-5 Plot log-log v (mlmin) vso tc (min) oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 27
Gam bar 4-6 Plot Kontur tc vso v dan f ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 3I
Gambar 4-7 Plot Permukaan tc vs v dan foooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooOoooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 31
Gambar 4-8 Kmva Respons Optimally Terhadap v, f, dan a Pada v 225 mlmin, f0°148 mmlrev
dan a 1010 mm ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo.ooooooooooooooooooooooooooooo 32
Gambar 4-9 Kurva Respons Optimally Terhadap v, f, dan a Pada v 200 mlmin, f0ol6mmlrev
dana IOIOmmooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooOoooooooooooooooooo0032
Gambar 5-1 Plot tc vso Ra (v 200 mlmin, f001 mmlrev dan a 003 mm)ooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 36
Gam bar 5-2 Pl0t VB vso Ra (v 200 mlmin, fOOI mmlrev dan a 0.3 mm) oooooooooooooooooooooooooooooooooo 36
Gam bar 5-3 llustrasi Keadaan Interaksi Bendakerja, Geram dan Mata Potong Mayor Pada Saat
Pem bentukan Geram Oo 000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000o00oo0000000oo000ooooooo38
Gambar 5-4 Foto SEM Permukaan Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 200 mlmin, fOolS
mmlrev, a 003 mm (v laju pemotongan, vr laju pemakanan)ooooooooooooooooooooooooooo 39
Gam bar 5-5 Foto SEM Pahat Kondisi Pemotongan v 200 mlmin, f0.15 mmlrev, a 003 mm (a)
Aus Pada Bidang Transien Dari Pandangan Atas (Rake Face), dan (b) Aus
Pada Bidang Transien Dari Pandangan Samping (Flank Face) 0000000000000000000000 40
Gam bar 5-6 Ilustrasi Perekaman Mata Potong Mayor Pahat Pada Permukaan Termesin oOOoOoOOO 41
Gam bar 5-7 Ilustrasi Perekaman Penjejakan Geometri Pahat Bidang Transien PHda Proses
Pemotongan Untuk Menghasilkan Permukaan Terrmesin: oooooooooooooooooooooooooooo 42
Gambar 5-8 Keberarahan I Corak Permukaan Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 200
mlmin, fOOI mmlrev dan a 003 mm (v laju pemotongan, Vr laju pemakanan, f
pen1akanan) OoOooooooooOOooOOooooooooooooooooooOOOOOOOooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 43
Gam bar 5-9 K.eberarahan I Corak Permukaan Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 250
mlmin, f0015 mmlrev dan a 003 mm (v laju pemotongan, vr laju pemakanan, f
pemakanan) ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo 44
Gam bar 5-10 Cakaran Pada Permukaan Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 200 mlmin, a
003 mm dan (a) fOol mm/rev, (b) f0015 mm/revooooooooooooooooooooo oo ooooooooooooooooooooo 47

10

Gam bar 5-11 Cakaran Pada Permukaa Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 225 m/min, a 0.7
mm dan (a) f0 .1 mm/rev, (b) f0 .16 mm/rev . ... .. .. ... ..... .. .. ........ .......... ........ .. .. 48
Gambar 5-12 Cakaran Pada Permukaan Termesin Hasil Kondisi Pemotongan v 250 m/min, a
0.3 mm dan (a) fO . l mm/rev, (b) f0.15 mm/rev ... ... ... ........... ............ .. .. .. .. ... . 49
Gambar 5-13 Kecacatan Permukaan Pada Laju Pemotongan v 200 m/min (Low) : (a) Deposisi
Geram Mikro (Micro Chip Deposition), dan (b) Pengoyakan Mikro (Micro
Tearing) ......... .... ........... ................... ........... ........... ......... .... ................ .. .... ...... . 52
Gambar 5-14 Kecacatan Permukaan Pada Laju Pemotongan v 225m/min (Mid): (a) Deposisi
Geram Mikro (Micro Chip Deposition), dan (b) Pengoyakan Mikro (Micro
Tearing) ... .. ... .. ... ... .. .. .... .. .............. .... .. .... .................... .. .... .... ..... ..... ... .. ............ 53
Gam bar 5-15 Kecacatan Permukaan Pada Laju Pemotongan v 250m/min (High): (a) dan (b)
Pengoyakan Mikro (Micro Tearing) ... ...... ......... .. ... ............... .. ....... ... .... ......... 54
Gambar 5-16 Ilustrasi Mekanisme Pengoyakan Mikro dan Deposisi Geram Mikro Sebagaimana
f>enj elasan Pada Teks .... .... .. ..... .............. .. ............ ....... ... .. ........................ ... .... 55
Gambar 5-17 Lapisan Putih Tidak Ditemukan Pada Sub Permukaan Dari Permukaan Termesin
Hasil Kondisi Pemotongan 200m/min (a) dan (b) ....................... ..... .... ......... 56
Gambar 5-18 Lapisan Putih Tidak Ditemukan Pada Sub Permukaan Dari Permukaan Termesin
Hasil Kondisi Pemotongan 225m/min (a) dan (b) .......... .. ........ ......... ..... .... .. . 57
Gambar 5-19 Lapisan Putih Tidak Ditemukan Pada Sub Permukaan Dari Permukaan Termesin
Hasil Kondisi Pemotongan 250m/min (a) dan (b) ..... ..... ..... .... ..... .. ... ..... ....... 58
Gam bar 5-20

ｾｴｲｵｫ＠

Martensite Dan Bainite Pada Mikrostruktur Sub-Permukaan Hasil
Kondisi Pemotongan 200m/min (a) dan (b) ....................... .......................... .. 60

Gambar 5-21 Struktur Martensite Dan Bainite Pada Mikrostruktur Sub-Permukaan Hasil
Kondisi Pemotongan 225m/min (a) dan (b) ........ ................ ........ ... .. ... ..... .. .... 61
Gam bar 5-22 Strukt .1r Martensite Dan Bainite Pada Mikrostruktur Sub-Permukaan Has il
Kondisi Pemotongan 250m/min (a) dan (b) ................. .. ... ... ....... .. ........ ......... 62
Gambar 5-23 Mikrostruktur Origin Bendakerja ... ... .. .. ........ ... ....... ...... .. .... .... ........ ... .. .. .............. 63
Gam bar 5-24 Pengukuran Kekerasan Mikro Sub-Permukaan ........... ... .. ........... .... .... .. .............. 64
Gam bar 5-25 Plot Kedalaman Sub-Permukaan vs. Kekerasan Mikro .... ................... .... ... ... ... ... 65

11

DAFTAR TABEL

Tabel 3-1 Komposisi Kimia Baja Karbon AISI4140 ................................................................. 17
Tabel 3-2 DoE CCF Tiga Parameter Bebas dan Dua Parameter Respon ................................... 18
Tabel 4-1 Data Hasil Pengujian Pemesinan ............................................................................... 19
Tabel 4-2 Data Umur Pahat Pada VB 0.125 mm ....................................................................... 24
Tabel 4-3 Data Hasil Tnnsformasi Logaritmik ......................................................................... 25
Tabel 4-4 Nilai MRR dan Q....................................................................................................... 27
Tabel 4-5 Uji Parameter Koefisien Regressi Umur Pahat.. ........................................................ 30
Tabel 4-6 Anava Umur Pahat ..................................................................................................... 30
Tabel 4-7 Kondisi Pemotongan Optimum Hasil RSM ............................................................... 33
Tabel 5-l Data Pengukuran Ra Hasil Pengujian Pembubutan ................................................... 34
Tabel 5-2 Reka:nan Ra Pada Kondisi Pemotongan Nomor Pengujian (1) ................................. 35
Tabel 5-3 Data Berkaitan Dengar. Gambar 5.6 dan Gambar 5.7 ............................................... 45
Tabel 5-4 Hasil

ｐｾｮｧｵｫｲ｡＠

Kekerasan Mikro Sampel Sub-Permukaan ................................... 65

12

BAB 1.

1.1

PENDAHULUAN

LA TAR BELAKANG
Bagan alir sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.1 adalah konsep yang

melatarbelakangi perlunya penelitian yang dilaporkan ini dilakukan. Bagan alir tersebut
bermula dari beberapa isu tentang apa yang ada dan terjadi pada teknologi proses
pemesinan yang bermuara kepada Teknologi Pemesinan Termaju, yaitu:

1. Karakteristik proses pemesinan termaju. Hal ini meliputi suhu pemesinan yang
tinggi dan koefisien gesek yang tinggi sehingga menyebabkan beban termal dan
mekanik (coupled thermo-mechanical loading) yang tinggi.
2. Damｰ｡ｬｾ＠

karakteristik pada angka (1) terhadap ketermesinan. Hal terse but

mengakibatkan tingginya laju aus pahat (tool wear) yang berakhir dengan umur
pahat (tool life) yang pendek, serta meningkatnya gaya pemotongan dan
kesemuanya akan berakhir dengan gangguan pada kemasan permukaan (surface

integrity).
3. Regulasi 1ingkungan. Alasan yang kuat bahwa setiap kemajuan peradaban
manus:a harus berorientasi pada penyelamatan lingkungan menyebabkan bahan
sampingan yang harus dibuang dari industri pemotongan logam, yaitu limbah
cairan pemotongan harus mendapat perhatian khusus. Cairan pemotongan bekas
yang bervolume total gigantis ini mesti ditangani dengan baik sebab berpotensi
merusak lingkungan.
4. Metode yang direkomendasi untuk menyelamatkan lingkungan. Sehubungan
dengan paparan pada angka (3), para pakar pemesinan merekomendasikan
metode pemesinan kering (MTA-SME 2001). Metode ini dap(!t dikelaskan
kepada 2 (dua) yaitu metode pemesinan menggunakan pelumas yang kecil

(minimum quantity lubricant I MQL) yaitu maksimum 50 mL/jam dan metode
pemesinan kcring (dry machining) atau dari sudut pandang ekologi disebut
dengan pemesinan hijau (green machining).

13

The rharacterisdc of

The effect on

High cutting temperature

High wear rate

High friction coefficient
High ·hermal and
mechardcalloads

Short tool life
High cutting force
Surface integrity distortion

The advance
machining tedmology
High speed mach1nlng (HSM)
Hard machining (HM)
Dry rnach1n1ng (DM)

Recommendation

Regulation on
environmental save

method to save

Huge amount of used
cutting fluid (the problem)

the environment
Improving

Minimum (MQL)

Machinability

(research focus)

The good compromise among
Thol wear, tool life,
Cutting force, power supply,
Surface integrity

Dry machining
(green machining)

·-·

Seeking the save values

ｾＭ

among the extremes

Industrial
needs

High quality product
High productivity
Low production time
Low production cost

Gambar 1-1 Bagan Alir Konsep Substansi Penelitian

Teknologi pemesman termaju diantaranya dicirikan oleh 3 (tiga) metode
pemesinan yaitu Pemesinan Laju Tinggi (High Speed Machining), Pemesinan Keras
(Hard Machining) dan Pemesinan Kering (Dry Machining). Khusus untuk pemesinan

14

kering perlu dicatat bahwa selain membawa manfaat bagi lingkungan, pemesinan kering
juga bermanfaat bagi keselamatan dan kesehatan kerja, dan mereduksi ongkos produksi.

Ketiga metode tersebut ditujukan untuk meningkatkan ketermesinan. Diantara
kesulitan-kesulitan

yang

menghalangi

tercapainya

peningkatan

ketermesinan

disebabkan oleh masalah alamiah konsekuensi dari setiap metode sebagaimana
dipaparkan pada angka (1 - 4) di atas, maka FOKUS PENELITIAN yang diusulkan ini
adalah pada upaya mendapatkan nilai-nilai parameter atar faktor yang akan
menghasilkan respon yang terbaik. Respon dimaksud merupakan nilai terbaik yang
diperoleh dari kompromi hasil aus pahat, umur pahat, gaya pemotongan, daya
pemesinan dan kemasan permukaan.

Nilai yang diperoleh sebagai hasil kompromi terbaik dari beberapa faktor respon
tersebut merupakan hal yang didambakan (direkomendasikan kepada industri) industri
manufaktur pemotongan logam karena hal tersebut berarti peningkatan produktivitas
industri. Produktivitas yang dicirikan oleh kualitas produk yang baik, volume produk
yang tinggi, waktu produksi yang singkat, dan biaya produksi yang rendah.

Pada dunia nyata, potensi pemesinan laju tinggi yang dilakukan untuk memesin
bahan baja perkakas berpengerasan tinggi pada operasi bubut mengundang perhatian
industri manufaktur yang memproses produknya dengan proses pemotongan logam
untuk meningkatkan produktivitasnya. Oleh karena itu, kajian pembubutan laju tinggi
pada keadaan keras
(2000), Chou

ｾｴ＠

ｴｾｲｵｳ＠

menarik perhatian para peneliti diantaranya Tonshoff et al.

al. (2002), Ozel (2003), Byrne et al. (2003), dan Asian (2005). Kajian

ini semakin menarik lagi dilakukan apabila regulasi lingkungan tentang larangan untuk
membuang cairan pemotongan bekas ke alam turut diperhitungkan (sebagaimana angka
(3) dan (4) di atas). Rekomendasi para pakar pemesinan untuk mengatasi limbah cairan
pemotongan bekas tersebut adalah pemesinan kering (minimum quantity lubricant 50
mL/jam atau tidak menggunakan lagi cairan pemotongan) (MTA-ASME 2000). Apabila
rekomendasi tersebut yaitu pemesinan kering dipadukan dengan metode pemesinan laju
tinggi dan keras, maka akan ada satu tantangan lagi dalam meningkatkan produktivitas
industri

manufaktur

yang

bergerak

dalam

proses

pemotongan

logam

yaitu

PEMESINAN LAJU TINGGI, KERAS DAN KERING sebagaimana yang dibahas pada
penelitian ini.

ｌ

ﾷＭｾ＠ ,. ,, \ ｾ＠

ｍｕｾＺＮＭ［ｲＬ＠
Ｚｲｾ

, , tv ...... , ........_.
Ａｬ｟ＮＬ＠

15

BAB2.

TUJUAN PENELITIAN TAHUN KEDUA

Kajian Keterrnesinan Baja Perkakas Bahan Produk Transportasi dan Pertahanan
pada Pemesinan Laju iinggi, Keras dan Kering merupakan tujuan umum dari penelitian
yang dilaksanaKan.

Secara khusus, kajian disusun untuk mencapai beberapa tujuan yang mgm
dicapai, yaitu:

Melakukan evaluasi data kondisi pemotongan dan umur pahat untuk
menghasilkan data laju pembuangan bahan (material removal rate I MRR) dan
volume bahan terbuang (volume of material removed I Q). Hasil evaluasi
kemudian digunakan untuk menyusun model umur pahat yang berbasis pada
model 'Jmur pahat Taylor yang diekspansi sehingga meliputi parameter v, f, a.
Selanjutnya, pemerhatian dilakukan pada analisis mikro perrnukaan terrnesin
yang meliputi pemerhatian keutuhan permukaan (suiface integrity) yaitu
topografi perrnukaan (roughness, lay, defects) dan metalurgi permukaan

(metallurg2cal changes I plastic deformation, white layer, microhardness
changes).

_...,..

__ -

No.

ｐｮＮｾｧｰ＠

ﾷＭｾ＠

'

ｯＭｲｾＬ

r
.\ 2
ｴＺ｜ｾｫ･ＴｌＬ＠

O(]CJCJ ,Y

ＺＭ

r1

+
Gｾ＠

16

BAB3.

3.1

METODOLOGI

BAHAN DAN ALAT
Bahan yang digunakan sebagai bendakerja pada penelitian ini adalah baja

karbon AISI4140 yang akan dikeraskan hingga mencapai kekerasan

ｾＵ＠

HRc pada

permukaan bahan hingga sub-permukaan di kedalaman tertentu sebelum mencapai
kekerasan pukal (bulk hardness material). Komposisi kimia bahan baja karbon tersebut
adalah sebagaimana yang dipaparkan pada Tabel 3.1. Bendakerja akan dibentuk untuk
keperluan pengujian pemesinan agar pahat (insert type) dapat melakukan entry
pemotongan :iengan mudah. Pemesinan yang dilakukan direncanakan pada suatu
parameter pemesinan yang konstan dan seluruh pengujian dilakukan pada keadaan
pemesinan kering.

Tabel 3-1 Komposisi Kimia Baja Karbon AISI4140

c

Si

Mn

s

p

Ni

Cr

Mo

Cu

Fe

0.42

0.32

0.85

0.004

0.009

0.16

1.08

0.25

0.20

sis a

Pahat yang dipilih untuk digunakan pada pengujian ini adalah pahat dari bahan
CBN yang diproduksi oleh pemasok pahat SANDVIK COROMANT. Dari beberapa
kelas pahat berbahan CBN yang tersedia secara komersial, pahat tersebut dipilih dengan

constraint bahwa hanya jenis pahat tersebut yang mampu diperoleh dari kondisi
ketersediaan pahat dan kesediaan pamasok untuk menyediakan pahat CBN di Indonesia
I Asia-Pasifik (Singapore) dan budget penelitian.

Mesin perkakas CNC bubut 2-sumbu dengan putaran hingga 4500 rpm
digunakan pada pengujian pemesinan. Untuk keperluan pengamatan pertumbuhan aus
pahat, digunakan rnikroskop optik portabel (tool-makers microscopy) yang dilengkapi
dengan unit pengukur mikrometer. Kekasaran permukaan yang dihasilkan pada setiap
pemotongan diukur menggunakan profilometer untuk parameter ukur Ra.

17

3.2

DESAIN PENGUJIAN
Desain pengujian (Design of Experiment I DoE) yang digunakan pada penelitian

ini adalah Cubir: Centered on Face (CCF) dengan tiga faktor sebagai parameter bebas
(v, f, a) dan dua faktor sebagai parameter respon (Ra dan tc).
Dari DoE tersebut di atas, maka disusun kombinasi keadaan pengujian yang
dilakukan sebagaimana yang dipaparkan pada Tabel3.2.

Tabel 3-2 DoE CCF Tiga Parameter Bebas dan Dua Parameter Respon

'

No·
1
2
f-----·
3
4
5
6

7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

r---12-

20

3.3

I

v

I

(mjmin)
·[mmjrev)
200
0.100
250
0.100
200
0.150
250
0.150
200
0.100
250
0.100
200
0.150
250
0.150
182
0.125
267
0.125
225
0.100
225
0.160
225
0.125
225
0.125
225
0.125
225
0.125
225
0.125
225
0.125
225
0.125
225
0.125

a
(mm)

VB
(mm)

0.3
0.3
0.3
0.3
1.0 '
1.0
1.0
1.0
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
1.L'
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7

I

Ra.:
'(mikron)

--

KRITERIA UMUR PAHA T
Kriteria umur pahat yang digunakan pacta penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Lebar aus tepi (flank wear I VB) 0.3 mrn;
2. Umur pahat minimum l (satu) menit;
3. Kekasaran permukaan (Ra) tidak melebihi 1.6 mila·on.
Kriteric ini d1susun berdasarkan beberapa rujukan seperti data produsen pahat, basil
peneliti I penelitian terdahulu, dan survey.

18

BAB 4.

4.1

AUS PAHAT DAN UMUR PAHAT

DATA HASIL PENGUJIAN
Data yang direkam dari hasil pengujian pemesinan terhadap baja karbon AISI

4140 berkekerasan 55 HRc pada proses pembubutan menggunakan pahat CBN adalah
sebagaimana yang dipaparkan pada Tabel 4.1.

Tabel 4-1 Data Hasil Pengujian Pemesinan
No
1
2
3
4
5
6

. f .·.:
v
· (mjmiA) ' (mmjrev)
200
0.100
250
0.100
0.150
200
250
0.150
200
0.100
250
0.100

+

a

(mm)
0.3
0.3
0.3
0.3
1.0
1.0

lr()()

{),.:g()

g

2-"JO

{),.:g()

.:J:.:{)

-9

ｾ＠

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

21)7
225
225
225
225
225
225
225
225
225
225

tJ.:.1.U
0.125
0.100
0.160
0.125
0.125
0.125
0.125
0.125
0.125
0.125
0.125

(),.7.

VB
(mm)
0.31
0.30
0.16
0.10
0.14
0.21

· Ra .
! tc · .
(mikron) I (menit)
32.10
0.92
9.60
1.40
8.16
1.13
1.87
1.60
5.79
1.60
5.82
1.60

-1.-rl)

0.7
0.7
0.7
0.7
1.0
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7

Ket. ·

.'

FW
FW
FW
Ra
Ra
Ra
PTF
PTF

NR
0.15
0.14
0.20
0.30
0.20
0.30
0.30
0.30
0.30
0.30
0.30

1.97
1.60
1.60
1.10
1.60
1.20
1.10
1.30
1.10
1.20
1.10

1.30
8.39
6.98
6.64
7.35
6.85
6.55
7.05
6.55
6.65
6.55

CF
Ra
Ra
FW
Ra
FW
FW
FW
FW
FW
FW

FW (flank wear), Ra (surface roughness), PTF [premature too/failure)
NR (not recommended for HSM), CF (catastrophic failure)

Tidak

ｾ･ｭｵ｡＠

kondisi pemotongan yang dimaksud oleh DoE CCF dapat

dilakukan dengan sempurna dalam artian menghasilkan data parameter respon. Untuk
kondisi pemotongan No.7 dan No.8; pahat mengalami kerusakan segera setelah pahat
memotong benda kerja. Kerusakan pahat ini lazim dinamakan dengan "premature tool

failure I PTF'. Berbeda dengan dua kondisi pemotongan tersebut, kondisi pemotongan
No.9 tidak dilakukan karena tidak direkomendasi sebagai kondisi pemotongan yang
memenuhi kriteria pemesinan laju tingi (v