PENGARUH KECEPATAN POTONG TERHADAP UMUR PAHAT HSS PADA PROSES PEMBUBUTAN AISI 4340 Ruslan Dalimunthe Dosen Fakultas Teknik Universitas Sang Bumi Ruwa Jurai ABSTRAK - 7. Ruslan Dalimonthe:
Pembubutan AISI 4340
PENGARUH KECEPATAN POTONG TERHADAP UMUR PAHAT HSS
PADA PROSES PEMBUBUTAN AISI 4340
Ruslan Dalimunthe Dosen Fakultas Teknik Universitas Sang Bumi Ruwa Jurai
ABSTRAK
Operasi pemotongan logam merupakan salah satu aktifitas yang sering dilakukan dalam industri manufaktur, khususnya
untuk memproduksi bagian-bagian pemesanan. Untuk menghasilkan produk yang baik dalam pemesinan digunakan pahat
potong sebagai alat bantu, pahat HSS merupakan pahat yang sering digunakan dalam penelitian serta industri. Pahat tidak
dapat digunakan terus menerus maka penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan potong terhadap
umur pahat HSS pada proses pembubutan AISI 4340, mengetahui laju keausan pada proses pembubutan AISI 4340, dan
menentukan kecepatan (optimal) untuk proses pembubutan AISI 4340 oleh pahat HSS. Dalam penelitian ini proses
pemotongan dilakukan pada meterial baja karbon medium yang memiliki kekerasan 95,9 HRB dengan empat variasi
kecepatan potong yaitu v 1 = 18,01 m/min, v 2 = 15,68 m/min, v 3 = 24,55 m/min, v 4 = 20,28 m/min. Hasil yang diperoleh daripenelitian menunjukkan bahwa besarnya kedalaman potong membuat pabat semakin cepat aus dan pada penggunaan
kecepatan yang cukup tinggi resiko kegagalan pada pahat relatif besar. Tingginya kecepatan potong (v) menurunkari fungsi
umur pahat, hal ini dapat dilihat pada penelitian ini bahwa umur pahat tertinggi berada pada kecepatan potong 15,68
m/min. Dari tingginya umur pahat yang didapat pada kecepatan 15,68 m/min maka kecepatan potong (v) dikatakan optimal
untuk pembubutan AISI 4340 menggunakan pahat High Speed Steel (HSS), dengan diameter benda kerja (d) 27 mm,
putaran spindel (n) 185 rpm dan kedalaman potong (a) sebesar 2 mm ________________________ Keywords: Kecepatan Potong,Pahat HSSPENDAHULUAN
Operasi pemotongan logam merupakan salah satu aktifitas yang sering dilakukan dalam industri manufaktur, khususnya untuk memproduksi bagian-bagian permesinan. Proses pemotongan logam merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengubah logam dasar menjadi komponen mesin dengan menggunakan pahat sebagai komponen utamanya.
HSS (High Speed Steel) merupakan jenis material yang banyak digunakan sebagai pahat potong. HSS pertama kali ditemukan pada tahun 1898 merupakan baja paduan tinggi dengan unsur paduan chrom (Cr) dan TungstenlWolfram (W). Melalui proses penuangan (molten
metallurgy ) kemudian diikuti pengerolan
ataupun penempaan baja ini dibentuk menjadi batang atau silinder. Pada kondisi lunak (annealed) bahan tersebut dapat diproses secara pemesinan menjadi berbagai bentuk pahat potong. Setelah proses laku panas dilaksanakan, kekerasannya cukup tinggi sehingga dapat digunakan pada kecepatan potong yang cukup tinggi sampai dengan 3 kali kecepatan potong pahat Carbon Tolls Steel (CTS) yang dikenal pada saat itu sekitar 10 m/min, sehingga dinamakan dengan "Baja Kecepatan Tinggi". Bila telah aus pahat HSS dapat diasah sehingga mata potongnya tajam kembali. Karena sifat keuletan yang relatif baik maka sampai saat ini berbagai jenis HSS masih tetap digunakan .
Beberapa penelitian yang menggunakan pahat HSS telah dilakukan, salah satunya mengenai keausan dan umur pahat pada proses pembubutan baja karbon rendah dengan menggunakan pahat HSS. Keausan pahat berdasarkanpada nilai keausan tepi vs kritis yaitu 0,3 mm. Penelitian tersebut dilakukan dengan gerak makan (f)= 0,125 mm/rev dan kedalaman potong (a) = 1 mm (konstan) dengan variasi kecepatan potong, menunjukkan bahwa umur pahat tertinggi pada kecepatan potong 6,93 m/min sebesar 4187,65 detik dan umur
Pembubutan AISI 4340
Adapun benda kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah poros AISI 4340 dengan panjang 580 mm dan berdiameter
6 Sudut Geram Orthogonal (yo) 12 o 7 Sudut Bebas (a’) 8 o 8 Sudut potong Utama (Kr) 90 o 9 Sudut Potong Bantu (K/) 7 o
4 Kekerasan 95,9 HRB Tabel 3. Spesifikasi pahat HSS No Spesifikasi Keterangan 1 Jenis Material Pahat HSS (High Speed Steel) 2 Tipe Bohler MO 3 Dimensi 5/8 in x 6 in 4 Kekerasan 60HRC 5 Sudut Bebas Orthogonal (oo) 12 o
3 Kekuatan tarik 900 – 110 N/mm 2
2 Komposisi 0,37 – 0,43 % C; 0,7 – 0,9 % Cr; 96 % Fe; 0,7 % Mn; 0,2 – 0,3 Mo; 1,83 Ni; 0,23 % Si; Maks 0,035 % P; Maks 0,04 % S. [15]
1 Jenis Material AISI4340
Tabel 2. Spesifikasi benda kerja No Spesifikasi Keterangan
33 mm. dengan spesifikasi diperlihatkan pada tabel 1.
Aγ = Bidang Pembuangan Geram α’ = Sudut Bebas Ujung Aα = Bidang Bebas β = Sudut Baji Aα’ = Bidang Bebas Ujung γo = Sudut Geram Orthogonal S = Sisi Potong δ = Sudut Potong S’ = Sisi Potong Ujung αo = Sudut Bebas Othogonal
pahat terendah pada kecepatan potong 47,1 m/min sebesar 1471,488 detik. Dan penelitian yang dilakukan pada proses pembubutan dengan masing- masing variasi kecepatan potong, variasi laju pemakanan dan variasi tebal potong menunjukkan umur pahat bubut HSS yang dilapisi Titanium Nitrida relatif lebih tahan lama (meningkat) bila dibandingkan dengan pahat yang tidak dilapisi. Penyebab lain dari keausan pahat HSS ini adalah tingginya kecepatan potong menyebabkan pahat makin cepat panas .
Keterangan :
Gambar : Nama-nama permukaan dan sudut-sudut pahat bubut (11)
Ada beberapa sudut-sudut yang memegang peranan penting dalam proses pemesinan sehingga menghasilkan produk yang diinginkan.
Sudut-sudut Pahat Bubut
5. Cobalt (Co) Bukan elemen pembentuk karbida. Ditambahkan dalam HSS untuk menaikkan hot hardness dan tahanan keausan. Besar butir menjadi lebih halus sehingga ujung-ujung yang runcing tetap terpelihara selama heat treatment pada temperatur tinggi.
2. Chromium (Cr) Menaikkan hardanability dan hot harness. Chorm merupakan elemen pembentukan karbida, akan tetapi Cr menaikkan sensitivity terhadap overheating. 3. Vanadium (V) Mempunyai efek yang sama seperti W aka tetapi lebih terasa (2% W dapat digantikan oleh 1% Mo). Dengan menambah 0,4% sampai 0,9% Mo dalam HSS dengan paduan-paduan utama W (W-HSS) dapat dihasilkan HSS yang mampu menahan beban kejut. Keruhiannya adalah lebih sensitif terhadap overheating (hangusnya ujung-ujung yang runcing) sewaktu dilakukan proses heatreatment. 4. Molybdenum (Mo) Menurunkan sensitivity terhadap overheating serta menghaluskan besar butir. Vanadium juga menipakan elemen pembentukan karbida.
Tabel 1. Beberapa unsur yang membentuk HSS . No Unsur Keterangan 1. Tungsten /wolfram (W) Dapat membentuk karbida yaitu paduan yang sangat keras (Fe4W2C) yang menyebabkan kenaikan temperatur untuk proses hardening dan tempering . Dengan demikian hot hardness dipertinggi.
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pahat HSS merupakan pahat yang paling sering digunakan dalam penelitian-penelitian dilaboratorium. Dalam prakteknya pahat memiliki umur dan tidak dapat digunakan terus menerus. Faktor-faktor yang menentukan umur pahat adalah geometri pahat, jenis material benda kerja dan pahat, kondisi pemotongan (kecepatan potong, kedalaman potong dan gerak makan), cairan pendingin dan jenis proses pemesinan [6]. Untuk menentukan keausan pada pahat potongnya operator mesin melakukan secara visual atau meraba pada bagian ujung mata pahat, cara ini yang sering dilakukan di industri dikarenakan keterbatasan alat dan efisiensi waktu untuk memenuhi keinginan konsumen.
METODE PENELITIAN
Pembubutan AISI 4340 Peralatan dan Instrument Pengujian
Dalam penelitian ini diperlukan beberapa alat yang digunakan, mesin bubut yang dapat mewakili untuk penelitian ini diperlihatkan pada Tabel.
Tabel 4. Mesin Bubut No Spesifikasi Keterangan 1 Jenis Material Pahat Mesin Bubut Konvensional 2 Tipe Pinocho S-90 / 200 3 Putaran Spindel 40 – 2200 rpm 4 Maks Turning Diameter 0 200 mm 5 Tool Size 25 x 25 mm
6 Daya mesin 4 kW Gambar 4. Mesin bubut Pinochio tipe S-90/200 Mesin Gerinda
Mesin gerinda merupakan mesin untuk mengasah dan digunakan membentuk sudut-sudut pahat sesuai dengan heometri yang digunakan oleh Balai Latihan Kerja.
Alat Uji Kekerasan
Alat uji kekerasan adalah alat yang diginakan untuk megetahui nilai kekerasan HSS dan benda kerja pada penelitian ini. Pada pengukuran kekerasan menurut Rockwell, sebuah benda pendesak ditekan dalam dua tingkat benda kerja yang dikerjakan licin. Maka kedalaman pendesakan yang tetap merupakan ukuran untuk kekerasan, yang sekaligus dapat dibaca pada jam ukur. Sudut antara dua permukaan objek ukur dapat diukur melalui bayangan yang terbentuk pada kaca buram dari profil proyektor (Gambar. 2). Setelah bayangan difokuskan (diperjelas garis tepinya) dengan cara mengatur letak benda ukur di depan lensa kondensor dari profil proyektor, maka sudut dari dua tepi bayangan yang akan ditentukan besarnya dapat ditentukan.
Gambar 2. Profil proyektor
Prosedur Penelitian
Metode yang digunakan untuk penelitian ini adalah metode eksperimental, terbagi dalam beberapa tahapan berikut:
Penyiapan Pahat dan Benda Kerja
Penelitian ini menggunakan material pahat HSS Bohler MO yang geometri sudutnya telah dibentuk, disesuaikan dengan spesifikasi yang digunakan oleh BLK sedangkan benda kerjanya adalah AISI 4340 dengan tegangan tarik yang telah diketahui. Dari tegangan tarik benda kerja yang telah diketahui dikonversikan dengan Tabel 1, diperoleh sudut geram orthogonal (γ o ). Sudut bebas orthogonal (α o ) dipilih 12°, berdasarkan pada besarnya gerak makan.
Gambar 3. Alat uji kekerasan permukaan
Pembubutan AISI 4340
untuk memperoleh kecepatan potong (v) yang telah ditentukan di atas, dengan menggunakan rumus (1) dan (2) dilakukan pemilihan dua kecepatan
Umur pahat (T, dtk) T v1 T v2 T v3 T v4 HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Kekerasan Benda Kerja dan Pahat
Tabel 7: Umur Pahat Kecepatan potong (v, m/min) 18,01 m/min 15,68 m/min 24,55 m/min 20,28 m/min Sampel pada Vbmax (0,3 mm) S v1 S v2 S v3 S v4 Waktu pemotongan (tc, dtk) t v1 t v2 t v3 t v4
Tabel 6. Data Keausan tepi (V B ) pada variasi kecepatan potong No Sampel 1 2 3 4 5 1 v 1 = 18,01 m/min V B1 V B2 V B3 V B4 V B5 2 v 2 = 15,68 m/min V B6 V B7 V B8 V B9 V B10 3 v 3 = 24,55 m/min V B11 V B12 V B13 V B14 V B15 4 v 4 = 20,28 m/min V B16 V B17 V B18 V B19 V B20
Adapun data-data yang akan diperoleh dari penelitian ini adalah :
Prosedur Pengambilan Data
Proses pengambilan data keausari tepi vB diambil pada setiap panjang pemesinan (l t ) adalah 100 mm pada masing-masing kecepatan potong (v). Kemudian keausan mata pahat dilihat dengan menggunakan profil proyektor dengan pembesaran 50X. Umur pahat (T) pada masing-masing kecepatan potong didapatkan dengan cara regresi linier.
Proses pembubutan dan pengujian keausan tepi
Harga batas keausan tepi untuk material pahat HSS dan benda kerja baja antara 0,3 mm hingga 0,8 mm. Maka dalam penelitian ini ditetapkan harga batas keausan tepi (V B ) sebesar 0,3 mm.
Kedalaman potong yang digunakan konstan yaitu 2 mm, disesuaikan dengan pekerjaan yang dilakukan.
spindle yaitu 185 dan 340 rpm dan penyesuaian diameter benda kerja.
4 = 20,28 m/min
Pengukuran dapat dilakukan dengan bentuk sebuah kerucut intan dengan sudut puncak 120° dan ujungnya yang dibulatkan sebagai benda desak. Maka ini disebut rockwell-C (dari bahasa Inggris yaitu Cone), dinyatakan dengan HRC. Biasanya metode ini dipakai untuk bahan- bahan yang keras. Pengukuran dapat juga dilakukan dengan sebuah peluru baja kecil yang keras dengan diameter 1/16" (1,59 mm) sebagai benda pendesak maka ini disebut Rockwell-B (B dari bahasa Inggris yaitu Ball), dinyatakan dengan HRB. Rockwell-B terutama dipakai untuk bahan-bahan yang lunak seperti almunium, tembaga dan baja lunak. Pada HRB di ukur lagi pendesakan yang tetap dari peluru setelah dibebani 100 kgf (=981 N).
4. V
3 = 24,55 m/min
3. V
2 = 15,68 m/min
2. V
1 = 18,01 m/min
1. V
Kecepatan potong yang digunakan pada penelitian ini adalah:
Pemilihan Variabel Permesinan, Kecepatan Potong (v) dan Kedalaman potong (α)
Profil Proyektor digunakan untuk melihat berapa besar keausan tepi vB yang terjadi akibat proses pemesinan yang dialami oleh pahat HSS dengan menggunakan pembesaran 50X. Karena gerak makan pada penelitian ini sebesar 0.05 mm/rev. Dan pemilihan sudut K,' sebesar 7° karena diasumsi pemotongan kaku dan α' sebesar 8°.
Profil Proyektor
Dengan menggunakan uji kekerasan Rockwell-B dengan pembebanan 100 kgf, didapat data nilai kekerasan benda kerja pada 5 titik, seperti Tabel 7.
Pembubutan AISI 4340
1
Kondisi Pemotongan
95 Rata-rata HRB
95.9 Untuk mengetahui kekerasan pahat,
33 29 100 2 15,68 29 25 100 3 24,55 25 21 100 4 20,28 21 19 100
Gambar benda kerja yang belum dilakukan proses pemotongan diperlihat- kan pada Gambar 5 dan benda kerja yang telah dilakukan proses pemotongan diperlihatkan pada Gambar 6.
Tabel 8. Data uji kekerasan Rockwell-B Titik HRB
76
3
76
2
76
HRC
Tabel 11. Kondisi pemotongan benda kerja No V (m/min) Do(mm) Dm(mm) Panjang (mm) 1 18,01
Titik
Tabel 9. Data uji kekerasan Rockwell-C
digunakan uji kekerasan Rockwell-C dengan pembebanan 150 kgf, didapat data nilai kekerasan pahat pada 3 titik seperti pada Tabel 9.
5
95
4
96
3
97.5
2
96
1
Kondisi pemotongan yang dilakukan dengan beberapa kondisi kecepatan potong (v) diperlihatkan pada tabel 11 berikut :
76 Rata-rata HRC
4.2. Bahan dan Geometri Pahat
Gambar 4. Pahat potong
90 o Sudut Bebas Orthogonal (ao) 12 o Sudut Bebas (a’) 8 o Sudut Potong Bantu (Kr’) 7 o Sudut Geram Orthogonal (/,,) 12 o
Gambar 5. Benda kerja sebelum dilakukan proses pemotongan
Gambar 6. Kondisi pemotongan untuk kecepatan potong 4
Perhitungan Elemen Dasar Proses Bubut :
1. Kedalaman potong, persamaan [4] a = (do – dm)/2 = (33 – 29)/2 = 2 mm
2. Lebar feram, persamaan [4] b = a/sin Kr = 2/sm 90 = 2 mm
Hasil Pengujian Keausan Tepi (V B ) dan Analisis
Hasil proses pembubutan dan pengukuran dengan profil proyektor, digambarkan grafik pada Gambar 7.
Tabel 10. Spesifikasi bahan dan geometri Pahat HSS Tipe Bohler Mo Rapid 1200 Lebar x Panjang 5/8 in x 6 in Sudut Potong Utama (Kr)
, gerak makan adalah 0,05 mm/rev, dan kedalaman potong 2 mm maka pahat dapat dibentuk dengan geometri seperti tabel 6 dan gambar 4.
2
Pahat yang digunakan adalah pahat HSS tipe Bhler Mo Rapid 1200. nilai tegangang tarik (<Tu) sebesar 900-1100 N/mm
Pembubutan AISI 4340 Kecepatan potong (m/min) Gambar 10. Hubungan antara umur pahat dengan kecepatan potong
Banyak sampel yang telah dikerjakan dikalikan dengan waktu pemotongan (t c ) akan didapatkan umur pahat pada masing-masing kecepatan potong. Dari Gambar 10 di atas dapat dilihat umur pahat menurun dengan bertambahnya waktu pemotongan, kedalaman potong serta kecepatan potong. Pada saat awal digunakan pertumbuhan keausan relatif
Gambar 7. Grafik hubungan keausan tepi VB terhadap cepat dengan membentuk pola linier. jumlah sampel pada kecepatan potong yang bervariasi.
Pada kecepatan yang tinggi pahat dapat mengerjakan dengan waktu relatif cepat tetapi temperatur pahat meningkat membuat keausan pahat akan cepat terjadi. Kedalaman potong yang relatif besar juga membuat umur pahat menurun karena beban yang diberikan cukup besar dan permukaan kontak yang luas
Gambar 8. Grafik hubungan waktu potong tc dengan
menimbulkan
keausan tepi vb
pahat cepat aus. Dari Gambar 10 di atas dapat dilihat umur pahat tertinggi pada penelitian ini pada kecepatan potong 15,68 m/min sebesar 4048,56 detik dan umur pahat terendah pada kecepatan potong 24,55 m/min sebesar 1764 detik. Hal ini menunjukkan dengan kedalaman potong sebesar 2 mm serta kecepatan
Kecepatan Potong (m/min) yang tinggi akan menurunkan umur pahat.
Gambar 9. Hubungan Sampel dengan kecepatan potong SIMPULAN DAN SARAN Tabel 12. Umur Pahat Vbmax ( Sampel pada 5,263 5,346 (v, m/min) Kecepatan potong 18,01 15,68 24,55 20,28 Simpulan 5 5,01
٨ 3 mm) Waktu pemotong- 648,6 648,6 352,8 352,8 an (tc, dtk) Dari hasil pembahasan dan analisis yang (T, dtk) Umur pahat 3413,58 3467,42 1764 1767,53 telah dilakukan dalam penelitian ini maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu:
1. Besarnya kedalaman potong rnembuat pahat semakin cepat aus dan pada penggunaan kecepatan yang cukup tinggi resiko kegagalan pada pahat relatif besar.
2. Tingginya kecepatan potong (v) menurunkan fungsi umur pahat, hal ini dapat dilihat pada penelitian ini
Pembubutan AISI 4340
Modern Manufacturing
Rochim, T., 1993, “Teori dan Teknologi Proses Pemesinan ”. ITB, Bandung.
Manugacturing Tecchnologi ”. Dalmar Publisher, USA.
1997, “Machine Tool and
Addison Wesley Logman, Inc., Canada, USA. Krar, S.F., Rapisarda, M., dan Check, A.F.,
Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri, Yogyakarta. Kalpakjian, S., 1997, “Manufacturing Processes for Enginering Materials ”.
Terhadap Laju Keausan Pahat Bubut HSS Yang Dilapisi TiN Dengan Teknik Sputtering DC ”. Seminar Nasional
2004, “Pengaruh Tebal Potong
Teknik Mesin, Universitas Lampung, Bandar Lampung. Ibrahim, G.A., Mudjijana, dan Sujitno, T.,
pada Mesin CNC Berdasarkan Pertumbuhan Keausan Tepi dengan Metode Linier ”. Laporan Penelitian
”. Prantice Hall. Hamni, S., 2005, “Penentuan Pahat Potong
Groove, M.P., 1997’ “Fundamental of
bahwa urnur pahat tertinggi berada pada kecepatan putong 15,68 m/min.
V. C., 1976, “Tool Design”. McGraw Hill Publishing Company. Ltd., New Delhi.
Donaldson, C., LeCain, G.H., dan Goold,
Tool Breakage In Turning AISI 1050 Steel Using Coated and Unocoated Cutting Tools ”, Journal of Material Processing Technology.
Cakir, M. C., dan Isik, Y., 2004, “Detecting
Mc Graw Hill, Tokyo, Japan.
Boothroyd, G., 1975, “Fundamentals of Metals Machinmg and Machine Tools ”.
2. Penelitian perlu dikembangkan dengan memvariasikan kedalaman potong dan pemotongan dengan menggunakan pendingin (coolant).
1. Pada pembubutan dengan kombinasi pahat High Speed Steel (HSS) dengan benda keija AISI 4340 kecepatan optimal adalah 15,58 m/min karena pahat menunjukkan umur yang tinggi yang memungkinkan pahat dapat digunakan cukup lama.
Dari penelitian yang telah dilakukan, maka saran-saran yang dapat diberikan untuk
Saran
3. Dari tingginya umur pahat yang didapat pada kecepatan 15,68 m/min maka kecepatan potong (v) dikatakan optimal untuk pembubutan AISI 4340 menggunakan pahat High Speed Steel (HSS), dengan diameter benda kerja (d) 27 mm, putaran spindel (n) 185 rpm dan kedalamam potong (a) sebesar 2 mm.