pemodelan dan simulasi suhu pemotongan permesinan …digilib.unila.ac.id/55127/3/skripsi tanpa bab...
TRANSCRIPT
PEMODELAN DAN SIMULASI SUHU PEMOTONGAN PERMESINAN
BUBUT MAGNESIUM AZ31 MENGGUNAKAN PAHAT POTONG
BERPUTAR BERBASIS FEM DALAM RANGKA PENGENDALIAN
PENYALAAN GERAM
(Skripsi)
Oleh
FRANSISKUS SIMANJUNTAK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
ABSTRAK
PEMODELAN DAN SIMULASI SUHU PEMOTONGAN PERMESINAN
BUBUT MAGNESIUM AZ31 MENGGUNAKAN PAHAT POTONG
BERPUTAR BERBASIS FEM DALAM RANGKA PENGENDALIAN
PENYALAAN GERAM
Oleh
FRANSISKUS SIMANJUNTAK
Magnesium dan paduannya kini makin dikenal luas karena memainkan
peranan penting dalam produk-produk otomotif. Magnesium merupakan logam
yang ringan, oleh sebab itu sangat sesuai untuk menggantikan komponen-
komponen otomotif/kendaraan yang terbuat dari besi cor ataupun baja yang relatif
berat. Komponen kendaraan yang relatif ringan akan dapat menghemat pemakaian
bahan bakar. Penghematan bahan bakar akan mengurangi pemakaian energi minyak
bumi dan emisi karbon juga berkurang. Sehingga dapat menjaga kelestarian alam
dan lingkungan. Pengolahan dan pemrosesan magnesium menjadi
produk/komponen semakin mendapat perhatian, namun peningkatan produktifitas
melalui peningkatan kecepatan potong dan makan terkendala oleh sifat
ketermesinan magnesium itu sendiri yaitu pengapian pada geram (600 oC). Selama
ini untuk mengendalikan suhu pemotongan dalam meningkatkan produktifitas
pemesinan magnesium, para peneliti menggunakan cairan pendingin berbasis-
minyak mineral. Akan tetapi, penggunaan cairan pendingin akan mencemari
ii
lingkungan melalui pembuangan limbah. Mengatasi permasalahan tersebut maka
perlu dikembangkan metode baru yang lebih produktif dan ramah lingkungan.
Untuk mengatasi pengapian pada geram magnesium ditawarkan solusi
melalui pemesinan bubut sistem pahat putar. Akan tetapi, pengujian parameter
pemesinan secara eksperimental dibatasi oleh parameter pemesinan yang diuji dan
memerlukan waktu yang lama. Oleh karena itu dilakukan pemodelan dan simulasi
suhu pemotongan Magnesium AZ31 dengan Finite Element Method pada
pemesinan dengan pahat berputar. Hasil penelitian yang diperoleh adalah suhu
pahat dan geram secara simulasi dan eksperimental menunjukkan kecenderungan
hasil yang mirip, galat yang dihasilkan berkisar 12 % pada suhu pahat dan 13 %
pada suhu geram. Galat tersebut relatif kecil sehingga hasil pengujian secara
simulasi cukup valid digunakan untuk membuat peta suhu geram, yang berfungsi
untuk mengendalikan timbulnya penyalaan geram pada pemesinan kering
Magnesium AZ31 menggunakan pahat berputar. Peningkatan produktifitas dan
keamanan proses pemesinan dengan kecepatan tinggi diperoleh peta suhu geram
yang direkomendasikan, yaitu (1) parameter kecepatan potong (Vc) yang dipilih ˂
700 m/min untuk kecepatan putar pahat (Vt) ≤ 200 rpm. (2) parameter Vc yang
dipilih ˂ 800 m/min untuk Vt 200 s/d 700 rpm. Dan (3) parameter Vc yang dipilih ˂
900 m/min untuk Vt 700 s/d 1000 rpm.
Kata kunci: Magnesium, minyak bumi, emisi karbon, pengapian pada geram,
pahat putar, finite element method, Galat, peta suhu geram,
produktifitas, keamanan proses pemesinan, kecepatan potong,
kecepatan putar pahat.
ABSTRACT
FEM-BASED ROTARY TOOL MACHINING OF AZ31 MAGNESIUM
CUTTING TEMPERATURE SIMULATION AND MODELLING FOR
CHIPS FLAMING CONTROL
By
FRANSISKUS SIMANJUNTAK
Magnesium and its alloys are getting more and more well known for its role
in automotives. Magnesium is a light metal, and therefore is commonly used to
replace heavier metals like steel and cast iron for vehicles components. Lighter
vehicle components can contribute in lower fuel usage of the engine that in itself
will result in lower carbon emission and supports the green environment more.
Because of these aspects, the manufacturing process of magnesium to its products
is drawing more attention, but the attempt to increase its productivity via its cutting
speed and feed rate increments is constrained by its low machinability that is its
chips’ lower flame point (600 oC). The commonly known and used method to
increase the productivity of magnesium machining is by applying mineral oil based
coolant. But this usage of coolant have been known to cause some enviromental
issues caused by its waste disposal. And to overcome this, other new more
productive and enviroment-friendly methods should be developed.
iv
In attempt to quell the chips’ low flame point of magnesium, using rotary tool
turning is one of the solutions. But experimental machining parameteres testing is
restricted by the machining parameters being tested and its time-taking process.
That is why, a FEM (Finite Element Method)-based modelling and simulation of
rotary tool machining of AZ31 Magnesium cutting temperature is performed. The
results obtained from the research show that the chips and tool temperatures have
the same tendency, simulatically or experimentally. The error ranges at around 12%
for the tool temperature and 13% for the chips temperature, which is pretty small.
This shows that the simulation results are valid enough to be used to map the chips
temperature that can be used to control and prevent the chips from flaming on dry
rotary tool machining of AZ31 Magnesium. The productivity increase and high
speed machining safety is obtained at the recommended chip temperature, that is
(1) the cutting speed paremeter (Vc) must be < 700 m/min for the tool speed (Vt) of
≤ 200 rpm, (2) the Vc must be < 800 m/min for the Vt of 200 to 700 rpm, and (3) the
Vc must be <900 m/min for the Vt of 700 to 1000 rpm.
Keywords: Magnesium, petroleum, carbon emission, chip flaming, rotary tool,
finite element method, error, chip temperature map, productivity,
machining process safety, cutting speed, tool speed.
PEMODELAN DAN SIMULASI SUHU PEMOTONGAN PERMESINAN
BUBUT MAGNESIUM AZ31 MENGGUNAKAN PAHAT POTONG
BERPUTAR BERBASIS FEM DALAM RANGKA PENGENDALIAN
PENYALAAN GERAM
Oleh
FRANSISKUS SIMANJUNTAK
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bandar Lampung pada tanggal 16 Juni
1996 sebagai anak ke-3 dari 3 bersaudara pasangan Bapak
Parpunguan Simanjuntak dan Ibu Diana Sitorus. Penulis
menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SD Xaverius 3
Bandar Lampung pada tahun 2002-2008, Pendidikan Sekolah
Menengah Pertama di SMP Xaverius 4 Bandar Lampung pada tahun 2008-2011,
dan Pendidikan Sekolah Menengah Atas di SMAN 5 Bandar Lampung pada tahun
2011-2014. Pada tahun 2014 penulis lolos seleksi SNMPTN dan terdaftar sebagai
Mahasiswa di jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.
Selama menjadi mahasiswa penulis penulis aktif dalam organisasi internal kampus
sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) sebagai
Anggota Bidang Pendidikan dan Pelatihan, menjadi pengurus Himpunan
Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) sebagai Anggota Penelitian dan
Pengembangan. Selain itu juga penulis aktif di organisasi di tingkat fakultas dan
universitas yaitu menjadi Anggota di Forum Mahasiswa/i Kristiani Fakultas Teknik
(FKMK), Anggota di Bidang Penerbitan Cremona FT, dan Menjadi Anggota
Bidang pidato menggunakan bahasa inggris (speech) UKM-U ESO. Selain itu juga
penulis aktif dalam komunitas rekayasa teknologi yaitu Komunitas Kreativitas
(KUKIS) dimana penulis ikut berpartisipasi dalam pembuatan mobil hemat energi
pada Kontes Mobil Hemat Energi tahun 2016 di Prambanan Yogyakarta.
Kemudian pada bidang akademik, penulis pernah menjadi asisten dalam beberapa
kegiatan praktikum diantaranya Praktikum Instrumen dan Kendali, Praktikum
x
Teknik Produksi dan Pemrograman NC, dan Praktikum CAD/CAM. Pada Tahun
2017 penulis mendapatkan dana hibah dikti pada Program Kreativitas Mahasiswa
(PKM) dengan judul DIGITEK BENSIN ECERAN (Digitalisasi Teknologi
Perangkat Pengisian Bensin Eceran Guna Optimalisasi Pencegahan Kecurangan
Pedagang Bensin pada Pengisian Bensin Manual) Penulis melaksanakan Kerja
Praktik (KP) di Pusat Penelitian Metalurgi (P2MM-LIPI) yang berlokasi di Serpong
Tangerang Selatan pada tahun 2017. Di tahun yang sama penulis juga pernah
melaksanakan Kuliah Kerja Nyata (KKN) di desa Penyungkaian (Way Empulau
Ulu), kecamatan Balik Bukit, kabupaten Lampung Barat. Pada KKN tersebut
penulis bersama tim beserta warga membangun Pembangkit Listrik Mikro Hidro
dan berhasil menghidupkan listrik kurang lebih 25 rumah keluarga. Pada tahun
2017 penulis melakukan penelitian pada bidang konsentrasi Produksi dengan judul
tugas akhir “Pemodelan Dan Simulasi Suhu Pemotongan Permesinan Bubut
Magnesium AZ31 Menggunakan Pahat Potong Berputar Berbasis FEM Dalam
Rangka Pengendalian Penyalaan Geram” dibawah bimbingan Bapak Dr. Eng.
Suryadiwansa Harun, S.T., M.T. dan Dr. Ir. Yanuar Burhanuddin, M.T.
MOTO
“Never Give Up Today Is Hard, Tomorrow Will Be Worse But
The Day After Tomorrow Will Be Sunshine”
(Jack Ma)
“Segala Perkara Dapat Kutanggung Di Dalam Dia Yang
Memberi Kekuatan Kepadaku”
(Filipi 4:13)
PERSEMBAHAN
Puji Syukur kepada Yesus Kristus yang selalu setia memberikan kasih karunia, berkat
dan penyertaan-Nya di sepanjang perjalanan kehidupan penulis, terkhusus dalam
penyusunan skripsi ini.
Dengan ketulusan hati, penulis mempersembahkan karya sederhana ini untuk
Kedua Orang Tua
Alm. Parpunguan Simanjuntak dan Diana Sitorus
Yang selalu memberikan semangat, doa; dan lainnya yang tak dapat penulis balas.
Kakak, Abangku, dan Keponakanku Tercinta
Suci Magdalena Simanjuntak dan Benny Frans Ricardo Sianturi
Yohanes Simanjuntak
Grace Kelly Aghathabel Sianturi
Skripsi ini juga kupersembahkan kepada seluruh keluarga besarku tanpa terkecuali.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung, Tempat dimana aku belajar, memperoleh
ilmu, dan mengalami proses yang sungguh berharga. Universitas Lampung. Almamater
Tercinta
SANWACANA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat, kasih, dan
karunia-Nya. Penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pemodelan Dan
Simulasi Suhu Pemotongan Permesinan Bubut Magnesium AZ31 Menggunakan
Pahat Potong Berputar Berbasis FEM Dalam Rangka Pengendalian Penyalaan
Geram”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat dari mata kuliah wajib yang harus
dilaksanakan sebagai syarat kelulusan Sarjana Teknik Mesin Universitas Lampung.
Penulis menyadari betapa besar bantuan dari semua pihak yang telah membantu
dalam pelaksanaan penyusunan skripsi ini, Oleh sebab itu penulis mengucapkan
ucapan trimakasih kepada:
1. Alm. Parpunguan Simanjuntak dan Ibu Diana Sitorus yang selalu memberikan
dukungan moril dan materil serta doa yang selalu di panjatkan kepada Tuhan
untuk kelancaran penulis.
2. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin yang
selalu memberikan kemudahan dalam persetujuan memalui tanda tangannya.
3. Bapak Harnowo Supriadi, S.T., M.T. selaku sekertaris jurusan teknik mesin
yang selalu memberikan kemudahan dalam pengurusan administrasi.
4. Bapak Dr. Eng. Suryadiwansa Harun, S.T., M.T. selaku pembimbing I yang
selalu memberikan ilmu, arahan, dan motivasinya kepada penulis.
xiv
5. Bapak Dr. Ir. Yanuar Burhanuddin, M.T. selaku pembimbing II yang telah
menyediakan waktu dan memberikan arahan kepada penulis.
6. Bapak Dr. Gusri Akhyar Ibrahim, S.T., M.T. selaku dosen pembahas yang telah
memberikan kritik dan saran untuk perbaikan dalam tugas akhir ini.
7. Bapak Dr. Irza Sukmana, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang telah
memberikan arahan, bimbingan dan motivasi kepada penulis mulai dari
semester awal perkuliahan sampai semester terselesaikannya skripsi ini.
8. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin terkhusus Dr. Gusri Akhyar Ibrahim,
S.T., M.T. dan Bapak Martinus, S.T., M.Sc. yang bersedia membimbing dan
memberi arahan penulis saat proses pengerjaan PKM.
9. Staff dan Teknisi Laboratorium Jurusan Teknik Mesin, Pak Marta, Pak
Nanang, Bg Feni, Pak Pono, Pak Joko, Pak Agus.
10. Kakak dan Abang tercinta Suci Magdalena Simanjuntak dan Yohanes
Simanjuntak dan Benny Frans Ricardo Sianturi.
11. Teman-teman seperjuangan saat proses pengerjaan tugas akhir Dwi, Bang
Alan, Bang Rifai, Bang Muhdi, Bang Rizki, Bang Cahya, Bang Rian, Bang
Kelvin, Bang Wahyu, Bang Armando, Bang Prasetyo, Bang Agung.
12. Teman-teman seperjuangan Wahyu Saputra, S.T., Fauzi Ibrahim S.T.,
Bambang Sulistiyo, S.T., Angga, Hafiz, Riko, Didi, Amrizal.
13. Teman-teman angkatan 2014, KUKIS, KKN Lampung Barat Desa
Penyungkaian, dan semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan
skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu.
xv
Akhir kata, penulis menyadari meskipun segala usaha yang telah dilakukan
semaksimal mungkin, skripsi ini tidak luput dari kekurangan. Semoga dengan
adanya skripsi ini dapat menambah wawasan dan berguna bagi kita semua.
Bandar Lampung, 28 Desember 2018
Penulis,
Fransiskus Simanjuntak
NPM. 1415021045
DAFTAR ISI
Halaman Sampul Halaman
ABSTRAK ...................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................. iii
HALAMAN JUDUL ...................................................................................... v
LEMBAR PERSETUJUAN.......................................................................... vi
LEMBAR PENGESAHAN ......................................................................... vii
LEMBAR PERNYATAAN PENULIS ...................................................... viii
RIWAYAT HIDUP ....................................................................................... ix
MOTO ........................................................................................................... xi
PERSEMBAHAN ........................................................................................ xii
SANWACANA ........................................................................................... xiii
DAFTAR ISI ............................................................................................... xvi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xix
DAFTAR TABEL ...................................................................................... xxii
DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xxiv
I. PENDAHULUAN
Latar Belakang ............................................................................... 1
xvii
Perumusan Masalah ....................................................................... 5
Tujuan Penelitian ........................................................................... 5
Manfaat Penelitian ......................................................................... 6
Batasan Masalah ............................................................................ 6
Hipotesis ........................................................................................ 7
Sistematika Penulisan .................................................................... 7
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Magnesium .................................................................................... 9
2.2. Proses Permesinan ....................................................................... 13
2.3. Permesinan Magnesium ............................................................... 14
2.4. Permesinan dengan Pahat Potong Berputar ................................. 16
2.5. Metode Elemen Hingga ............................................................... 18
2.6. Kamera Inframerah ...................................................................... 23
2.7. Sinar Inframerah .......................................................................... 24
III. METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ..................................................... 25
3.2. Tahapan Penelitian ...................................................................... 25
3.3. Bahan dan Perangkat Lunak Penelitian ....................................... 29
3.2. Rancangan Eksperimen (Preprocessing)..................................... 34
3.3. Verifikasi Permesinan Bubut Magnesium AZ31......................... 39
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
xviii
4.1. Konfigurasi Model ....................................................................... 46
4.2. Sistematika Pemodelan ................................................................ 48
4.3. Simulasi Permesinan Magnesium AZ31 dengan Pahat Putar ..... 56
4.4. Hasil Simulasi Permesinan MgAZ31 .......................................... 58
4.5. Hasil Kalibrasi Kamera Inframerah dengan Termokopel ............ 59
4.6. Hasil Pengujian Aktual ................................................................ 61
4.7. Validasi Hasil Simulasi Suhu Permesinan Magnesium AZ31 .... 62
4.8. Pengaruh Parameter Permesinan Terhadap Suhu Pemotongan ... 72
4.9. Peta Penyalaan Geram ................................................................. 76
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1. Simpulan ...................................................................................... 80
5.2. Saran ............................................................................................ 81
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1. Permintaan magnesium untuk komponen kendaraan ........................... 1
2. Permasalahan dan bahaya permesinan magnesium .............................. 3
3. Tabel periodik unsur kimia ................................................................... 9
4. Struktur kristal magnesium ................................................................. 12
5. Operasi permesinan bubut .................................................................. 14
6. Ilustrasi permesinan dengan pahat potong berputar ........................... 16
7. Aliran panas saat proses permesinan .................................................. 17
8. Diskritisasi pembentukan geram dalam FEM..................................... 20
9. Meshing adaptif .................................................................................. 23
10. Suhu termal proses permesinan bubut MgAZ31 ................................ 23
11. Diagram alir penelitian ....................................................................... 28
12. Mesin bubut konvensional .................................................................. 30
13. Sistem pahat putar modular ................................................................ 31
14. Kamera infra merah ............................................................................ 32
15. Termokopel digital.............................................................................. 33
16. (a). Pemodelan pahat dan (b). Benda kerja ......................................... 35
17. (a). Meshing pahat dan (b). Benda kerja ............................................. 38
18. Set-up eksperimen ............................................................................... 40
xx
19. Ilustrasi pengambilan data .................................................................. 42
20. Ilustrasi pengukuran bagian samping dengan kamera infra merah .... 43
21. Ilustrasi pengukuran bagian bawah dengan kamera infra merah ........ 44
22. Daerah objek ukur suhu permesinan bagian samping ........................ 44
23. Daerah objek ukur suhu permesinan bagian bawah ........................... 45
24. Model pahat dan benda kerja .............................................................. 46
25. Daerah analisis metode elemen hingga............................................... 47
26. Model penyederhanaan elemen hingga .............................................. 47
27. Bentuk linear benda kerja (a) dan bentuk silinder benda kerja (b) ..... 49
28. Kondisi batas elemen hingga dan mesh tetrahedron........................... 50
29. Diagram benda bebas model elemen hingga ...................................... 50
30. Grafik tegangan alir material terhadap strain (a) dan strain rate (b) . 53
31. Definisi sifat-sifat elastis material ...................................................... 54
32. Definisi sifat-sifat termal material ...................................................... 54
33. Grafik fungsi konduktivitas termal terhadap temperatur .................... 55
34. Grafik heat capacity terhadap temperatur .......................................... 55
35. Proses pemodelan yang akan dijalan kan di FEM .............................. 56
36. (a) Suhu pada benda kerja atau geram dan (b). Suhu pada pahat ....... 57
37. Grafik kalibrasi kamera termal dengan termokopel ........................... 60
38. Suhu pahat simulasi vs aktual ............................................................. 64
39. Suhu geram simulasi vs aktual ........................................................... 65
40. Persentase error kecepatan potong terhadap suhu pahat .................... 66
41. Persentase error kecepatan potong terhadap suhu geram................... 66
42. Grafik pengaruh kecepatan putaran pahat terhadap suhu geram ........ 73
xxi
43. Pengaruh gerak makan terhadap suhu geram ..................................... 74
44. Grafik pengaruh kedalaman potong terhadap suhu geram ................. 75
45. Grafik penyalaan geram ...................................................................... 76
46. Memulai wizard permesinan-3d ........................................................... a
47. (a). Project dan (b). Nama operasi ........................................................ b
48. (a). Tipe permesinan, (b). Proses set-up, dan (c). Proses kondisi ......... b
49. Proses tool set-up (a). Definisi pahat, (b). Posisi pahat, (c). Titik referensi,
(d). Pemilihan material pahat ................................................................ c
50. Tool holder set-up ................................................................................. d
51. (a). Mesh pahat dan (b). Kondisi batas ................................................. d
52. Set-up benda kerja dan bentuk benda kerja .......................................... e
53. Workpiece mesh generation .................................................................. e
54. Definisi material baru ............................................................................ f
55. Grafik tegangan alir material terhadap strain (a) dan strain rate (b) ... g
56. Definisi sifat-sifat elastis material ........................................................ h
57. Definisi sifat-sifat termal material ........................................................ h
58. Grafik fungsi konduktivitas termal terhadap temperatur ...................... h
59. Grafik heat capacity terhadap temperatur ............................................. i
60. Kontrol simulasi..................................................................................... i
61. Database generation .............................................................................. j
62. Definisi gerakan .................................................................................... k
63. LOG dan MSG file................................................................................. l
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
1. Rasio gaya pemotongan spesifik ............................................................. 2
2. Komposisi kimia magnesium berdasarkan persentase massa ............... 10
3. Sifat fisik material magnesium dan paduannya .................................... 10
4. Sifat mekanik material MgAZ31 .......................................................... 11
5. Persentase komposisi paduan magnesium ............................................ 12
6. Pemodelan material dalam pemotongan logam .................................... 21
7. Pemodelan gesekan dalam pemotongan logam .................................... 21
8. Kriteria pemisahan geram dan pemecahan geram ................................ 22
9. Spektrum gelombang elektromagnetik ................................................. 24
10. Spesifikasi komputer ............................................................................. 29
11. Spesifikasi mesin bubut konvensional .................................................. 30
12. Spesifikasi kamera infra merah ............................................................. 32
13. Spesifikasi termokopel .......................................................................... 33
14. Spesifikasi pahat ................................................................................... 34
15. Sifat fisikal dan termal MgAZ31 .......................................................... 37
16. Parameter pemodelan persamaan .......................................................... 37
17. Parameter permesinan ........................................................................... 45
18. Parameter yang digunakan dalam simulasi ........................................... 57
xxiii
19. Sifat fisikal dan termal material pahat karbida terlapis TiN ................. 57
20. Hasil simulasi permesinan MgAZ31..................................................... 59
21. Hasil pengukuran suhu aktual ............................................................... 61
22. Hasil pengujian suhu pahat aktual dan simulasi ................................... 62
23. Hasil pengujian suhu geram aktual dan simulasi .................................. 63
24. Distribusi suhu pahat simulasi vs eksperimental .................................. 69
25. Distribusi suhu geram simulasi vs eksperimental ................................. 71
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
N Kecepatan putar benda kerja rev/menit
D0 Diameter awal benda kerja mm
Df Diameter akhir permesinan mm
d kedalaman potong mm
fr Laju pemakanan mm/menit
f Gerak makan mm/rev
Tm Waktu permesinan menit
σ Tegangan alir MPa
A Koefisien yield strength Mpa
B Hardening modulus coefficient -
C Strain-rate coefficient -
n Hardening coefficient -
m Thermal softening -
ε Plastic strain s-1
έ Plastic strain rate s-1
έ0 Plastic strain rate reference s-1
T Temperatur K
Tm Temperatur leleh K
Tr Temperatur ruang K
Vc Kecepatan potong m/menit
i Sudut inklinasi derajat
Laju perpindahan panas W/m2
ℎ Koefisien perpindahan panas konveksi W/m2. oC
𝑇𝑠 Temperatur permukaan oC
𝑇∞ Temperatur lingkungan oC
xxv
𝜏 Tegangan friksional N
𝜇 koefisien gesek -
𝜏0 Tegangan geser alir N
R2 Koefisien korelasi -
𝑇𝑘 Temperatur termokopel oC
𝑇𝑖 Temperatur kamera infra merah oC
Vt Kecepatan putar pahat rpm
L Panjang benda kerja mm
Tsimulasi Suhu simulasi oC
Taktual Suhu aktual oC
εr Error %
I. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perkembangan teknologi material logam dan paduannya terus
dikembangkan seiring berjalannya zaman. Salah satunya adalah material
magnesium. Material ini banyak digunakan sebagai pengganti baja pada
industri otomotif, karena beratnya lebih ringan dibandingkan baja. Magnesium
memiliki berat jenis yang rendah yaitu 1,77 g/cm3, sedangkan baja yang
memiliki berat jenis lebih tinggi dibandingkan magnesium yaitu 7,85 g/cm3.
Dengan menggunakan magnesium sebagai pengganti baja, maka berat
komponen-komponen kendaraan menjadi lebih ringan, sehingga konsumsi
bahan bakar dan emisi gas karbon yang dihasilkan semakin rendah (Callister,
2007; Friedrich dan Mordike, 2006).
Gambar 1. Permintaan magnesium untuk komponen kendaraan
(Sumber: Friedrich dan Mordike, 2006)
2
Magnesium juga sebagian besar digunakan pada industri non-otomotif,
seperti pada beberapa komponen elektronik, yaitu ponsel, komputer, dan
kamera. Selain beratnya yang ringan, magnesium juga mempunyai harga yang
lebih murah jika dibandingkan titanium dan komposit maju. Hal ini
menyebabkan biaya produksi juga menjadi lebih murah (Friedrich dan
Mordike, 2006).
Dalam proses permesinan, magnesium dan paduannya memiliki
karakteristik pemotongan yang baik yaitu kekuatan-potong spesifik yang
rendah (lihat Tabel 1) dan pahat potong tidak mudah aus.
Tabel 1. Rasio gaya pemotongan spesifik
Bahan Rasio gaya pemotongan spesifik
Paduan Magnesium 1
Paduan Alumunium 1,9
Besi Cor 4
Baja 6,5
Titanium 7,8
(Sumber: Harun, dkk., 2012)
Disamping kelebihannya, magnesium juga memiliki kekurangan yaitu
memiliki titik nyala yang rendah. Sebagai contoh magnesium AZ31, memiliki
titik nyala pada temperatur 623 oC pada tekanan atmosfer (Hariyanto, 2015).
Selama ini solusi yang digunakan untuk mengatasi titik nyala magnesium yang
rendah selama proses permesinan adalah dengan menggunakan cairan
pendingin. Namun penggunaan cairan pendingin pada proses permesinan dapat
membahayakan kesehatan operator dan limbahnya dapat mencemari
lingkungan, karena cairan pendingin mengandung zat kimia yang bersifat
3
racun. Untuk itu dalam penelitian ini digunakan permesinan kering atau tanpa
cairan pendingin.
Penggunaan permesinan kering mengakibatkan kenaikan suhu
pemotongan, sehingga ada beberapa hal yang harus diperhatikan. Salah satunya
peristiwa built-up edge (BUE) yang merupakan proses terbentuknya
permukaan potong yang baru karena geram material yang menempel pada
ujung mata potong pahat. Peristiwa tersebut berdampak pada penurunan
keakurasian bentuk, dimensi dan kualitas permukaan suatu material. Selain itu
permesinan kering juga dapat menyebabkan penyalaan geram khususnya pada
permesinan magnesium, antara lain menyebabkan adhesi, meningkatkan gaya
pemotongan, meningkatkan gesekan daerah kontak antara benda kerja dan
pahat, potongan geram yang dihasilkan pendek, dan menurunkan nilai
konduktivitas termal suatu material (Kauppinen, 2012; Agus, dkk., 2011;
Friedrich dan Mordike, 2006).
Gambar 2. Permasalahan dan bahaya permesinan magnesium
(Sumber: Friedrich dan Mordike, 2006)
Salah satu solusi yang dapat digunakan untuk menurunkan suhu
pemotongan adalah proses pembubutan dengan sistem pahat berputar yang
4
digerakkan secara aktif (Harun, et al., 2008). Pada penelitian tersebut, pahat
diputar secara aktif, dimana dengan sistem ini terjadi penurunan suhu
pemotongan pada rentang kecepatan putaran pahat tertentu. Sehingga kenaikan
suhu pemotongan pada permesinan kering dapat dihindari.
Untuk mengendalikan geram terbakar pada proses permesinan bubut
sistem pahat berputar dibutuhkan peta penyalaan geram yang merelasikan
antara pengaruh data kondisi permesinan terhadap suhu geram. Data pengaruh
kondisi permesinan terhadap suhu geram biasanya diperoleh melalui
eksperimental, hanya saja hal tersebut membutuhkan waktu dan biaya. Oleh
sebab itu pada skripsi ini dipilih percobaan dengan menggunakan simulasi
permesinan bubut sistem pahat berputar. Simulasi memiliki keuntungan
dibandingkan percobaan eksperimental karena tidak mengeluarkan biaya yang
besar, sehingga parameter yang diuji menjadi lebih banyak. Secara teknis dapat
dilakukan di manapun tanpa harus terpaku pada tempat misalnya laboratorium.
Perangkat lunak yang digunakan untuk simulasi adalah perangkat lunak
berbasis elemen hingga. Perangkat lunak ini dapat mengkaji tegangan,
regangan, dan analisis termal/suhu terhadap pahat dan benda kerja dalam
proses permesinan (Ismail, 2012). Melihat latar belakang tersebut, maka
penulis mengangkat topik penelitian “Pemodelan dan Simulasi Suhu
Pemotongan Permesinan Bubut Magnesium AZ31 Menggunakan Pahat
Potong Berputar Berbasis FEM dalam rangka pengendalian penyalaan
geram”.
5
Perumusan Masalah
Agar ditemukannya solusi untuk menyelesaikan masalah dalam
penelitian dibuatlah rumusan masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana cara pemodelan permesinan bubut dengan mekanisme pahat
berputar dengan menggunakan metode elemen hingga?
2. Bagaimana cara simulasi proses permesinan bubut dengan metode elemen
hingga?
3. Bagaimana hasil simulasi permesinan bubut mekanisme pahat berputar
dibandingkan dengan hasil pengujian eksperimen?
4. Bagaimana pengaruh parameter permesinan terhadap suhu material
MgAZ31?
5. Bagaimana memetakan suhu pemotongan magnesium AZ31 terhadap
parameter permesinan bubut pahat putar dalam rangka memetakan
penyalaan geram?
Tujuan Penelitian
Berdasarkan latar belakang dan rumusan masalah yang telah diuraikan,
penelitian memiliki tujuan sebagai berikut:
1. Membuat pemodelan permesinan bubut magnesium AZ31 dengan
mekanisme sistem pahat berputar.
2. Mensimulasikan proses permesinan bubut magnesium AZ31 dengan sistem
pahat berputar menggunakan perangkat lunak berbasis Finite Element
Method (FEM).
3. Memvalidasi parameter proses permesinan bubut dengan sistem pahat
berputar dengan data eksperimen.
6
4. Menganalisis suhu pemotongan material MgAZ31 dengan penggunaan
parameter proses permesinan bubut dengan mekanisme sistem pahat
berputar.
5. Memetakan suhu pemotongan magnesium AZ31 terhadap parameter
permesinan bubut pahat putar dalam rangka memetakan penyalaan geram.
Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian ini khususnya untuk permesinan logam
menggunakan perangkat lunak berbasis elemen hingga adalah sebagai berikut:
1. Dapat memprediksi suhu permesinan bubut dengan mekanisme pahat
berputar pada material MgAZ31.
2. Dapat digunakan sebagai referensi untuk memodelkan permesinan bubut.
3. Dapat memetakan suhu pemotongan magnesium AZ31 terhadap parameter
permesinan bubut pahat putar dalam rangka memetakan penyalaan geram.
Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Pemodelan pahat yang digunakan yaitu round insert RCMT 1606MON-
RX (Sumitomo) tipe material karbida terlapis TiN.
2. Pemodelan material magnesium AZ31 menggunakan model material
Johnson-Cook yang dimodifikasi.
3. Penelitian difokuskan untuk mengkaji dan meneliti tentang bahaya
penyalaan geram pada magnesium AZ31 dengan menggunakan permesinan
kering.
7
Hipotesis
Dalam permesinan magnesium memiliki kelemahan yaitu suhu
penyalaan geram yang rendah dengan suhu ± 600 °C. Untuk mengontrol suhu
tersebut pada penelitian ini digunakan permesinan bubut dengan sistem pahat
berputar berbasis simulasi metode elemen hingga. Melalui penggunaan metode
elemen hingga diharapkan dapat mengurangi waktu penelitian dan tidak
mengeluarkan biaya yang besar. Hal ini disebabkan karena proses pemodelan
elemen hingga hanya menggunakan perangkat lunak dan komputer. Hal
tersebut tentunya sangat menguntungkan jika dibandingkan penelitian secara
eksperimental. Pada penelitian secara eksperimental dibutuhkan beberapa
peralatan penelitian seperti mesin bubut, penggunaan kamera inframerah, dan
pembelian material magnesium. Selain itu, dengan penggunaan metode elemen
hingga juga dapat diketahui distribusi suhu secara detail dan dapat diketahui
nilai-nilai suhu yang sulit diukur pada proses permesinan bubut (Davoudinejad,
et al., 2017).
Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan yang digunakan pada penelitian ini adalah
sebagai berikut:
Bab I. Pendahuluan
Dalam bab ini dijelaskan dan dijabarkan latar belakang, tujuan, batasan
masalah, dan sistematika penulisan yang digunakan dalam penelitian ini.
Bab II. Tinjauan Pustaka
Dalam bab ini dimuat teori – teori yang berhubungan dengan penelitian
ini.
8
Bab III. Metode Penelitian
Bab ini berisi tentang waktu dan tempat serta alur atau tahapan yang di
gunakan dalam penelitian ini.
Bab IV. Data dan Pembahasan
Pada bab ini dimuat data hasil simulasi dan pembahasan pengaruh
berbagai parameter yang dihasilkan dari penelitian ini.
Bab IV. Simpulan Dan Saran
Bab ini berisikan simpulan dari hasil penelitian yang dilakukan dan saran
yang diperlukan untuk melakukan penelitian selanjutnya.
Daftar Pustaka
Dalam daftar pustaka ini berisikan rujukan atau referensi yang digunakan
dalam penelitian ini.
Lampiran
Lampiran berisikan gambar, dan beberapa data pendukung yang
digunakan dalam penelitian ini.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Magnesium
Dilihat dari tabel periodik kimia, magnesium termasuk kedalam logam
alkali tanah. Magnesium memiliki nomor atom 12, massa atom relatif 24,31,
dan disimbolkan Mg. Logam ini merupakan logam alkali tanah terbanyak
kedelapan dalam lapisan kerak bumi. Magnesium merupakan elemen ke-empat
yang ada di bumi (selain besi, oksigen, dan silikon), yang menyusun 13%
massa bumi dan menyelimuti bumi. Magnesium memiliki berat jenis yang
rendah dibandingkan aluminium, yaitu dua pertiga dari berat jenis aluminium
(Housecroft dan Sharpe, 2012; Kipcak, et al., 2012).
Gambar 3. Tabel periodik unsur kimia
(Sumber: Housecroft dan Sharpe, 2012)
Magnesium merupakan salah satu logam yang ringan yang digunakan
dalam bidang rekayasa. Material ini memiliki karakteristik getaran yang baik.
Dalam aplikasinya material ini biasanya dipadukan dengan dengan logam lain.
10
Aplikasi dari magnesium dan paduannya digunakan untuk beberapa komponen
pesawat terbang, rudal, dan beberapa peralatan rumah tangga. Saat ini paduan
magnesium banyak digunakan dalam bidang otomotif dan peralatan elektronik
(Kalpakjian dan Schmid, 2017).
2.1.1. Komposisi kimia magnesium
Adapun komposisi kimia yang menyusun magnesium berdasarkan
persentase massa dilampirkan pada Tabel 2 sebagai berikut:
Tabel 2. Komposisi kimia magnesium berdasarkan persentase massa
Unsur Kadar (%)
Magnesium (Mg) 97
Alumunium (Al) 2,5 – 3,5
Seng (Zn) 0,6 – 1,4
Mangan (Mn) 0,2
Silikon (Si) 0,1
Tembaga (Cu) 0,05
Kalsium (Ca) 0,04
Besi (Fe) 0,005
Nikel (Ni) 0,005
(Sumber: AZoM, 2012)
2.1.2. Sifat-sifat magnesium
Adapun sifat-sifat yang dimiliki oleh material magnesium dan
paduannya dilampirkan pada Tabel 3 sebagai berikut:
Tabel 3. Sifat fisik material magnesium dan paduannya
Sifat Fisik Nilai
Massa Jenis (kg/m3) 1770 - 1780
Titik Lebur (oC) 610 - 621
Panas Spesifik (J/kg K) 1046
Konduktivitas Termal (W/m K) 75 - 138
Koefisien Ekspansi Termal (μm/m oC) 26
Resistivitas Listrik (Ω-m) 4,5 – 15,9 × 10-8
(Sumber: Kalpakjian dan Schmid, 2017; AZoM, 2012)
11
Tabel 4. Sifat mekanik material MgAZ31
Sifat Nilai
Kekuatan tarik (MPa) 260
Kekuatan luluh (regangan 0,2%) (MPa) 200
Kekuatan tekan luluh (pada offset 0,2%) (MPa) 97
Kekuatan bantalan ultimate (MPa) 385
Kekuatan luluh bantalan (MPa) 230
Kekuatan geser (MPa) 130
Modulus geser (MPa) 17
Modulus elastisitas 44,8
Rasio poisson 0,35
Elongasi material saat putus (dalam 5 in) 15%
Kekerasan, brinell (beban 50 Kg, bola 10 mm) 49
Uji impak charpy (takik V) (Joule) 4,3
(Sumber: Kalpakjian & Schmid, 2017; AZoM, 2012)
2.1.3. Karakteristik magnesium
Magnesium memiliki bentuk struktur kristal dan ukuran atom.
Dalam karakteristiknya magnesium murni yang digunakan didalam
bidang engineering memiliki tingkat kemurnian 99,8%. Dengan ukuran
diameter atom yang cukup baik yaitu 0,32 nm, magnesium dapat
dipadukan dengan beberapa logam komersial lain. Logam komersial
yang dapat dipadukan dengan magnesium antara lain aluminium, seng,
serium, perak, thorium, itrium, dan zirkonium. Magnesium memiliki
struktur kristal hexagonal close packed (HCP) yang ditunjukkan pada
Gambar 4. Pada Gambar 4 menunjukkan beberapa bidang slip
magnesium yaitu slip basal (A), slip prismatik (B), slip piramida (C), dan
twinning (D). Deformasi yang terjadi pada magnesium dan unsur
paduannya adalah pada saat suhu ruangan 200 oC (Polmear, 2017).
12
Gambar 4. Struktur kristal magnesium
(Sumber: Polmear, 2017)
2.1.4. Komposisi magnesium paduan
Paduan magnesium memiliki kadar yang disesuikan berdasarkan
penelitian yang dilakukan. Dalam paduan magnesium kadar yang dibuat
berdasarkan persentase massa. Buldum, et al., (2012) dalam jurnalnya
menjelaskan magnesium AZ31. Dimana A adalah alumunium yang
memiliki kadar 3%, Z adalah seng 1%, dan sisanya adalah mangan.
Tabel 5. Persentase komposisi paduan magnesium
Paduan Al Zn Mn Si Re Zr Th
AM60A 6 >0,13
AZ31B 3 1 0,3
AS41A 4 0,3 1
AZ80A 8 0,5 0,2
AZ91B 9 0,7 >0,13
AZ91D 9 0,7 0,2
E233A 3 3 0,8
HK31 0,7 3
(Sumber: Buldum, et al., 2012)
13
2.2. Proses Permesinan
Proses permesinan adalah suatu proses produksi menggunakan mesin
perkakas dengan memanfaatkan gerakan pahat dan benda kerja untuk mencapai
bentuk dan ukuran yang diinginkan (Widarto, 2008). Salah satu proses
permesinan adalah proses permesinan dengan menggunakan mesin bubut.
2.2.1. Proses bubut
Proses bubut adalah proses permesinan dimana suatu titik tunggal
pahat memotong material dari permukaan dengan benda kerja yang
berputar (Groover, 2013). Dalam proses permesinan bubut terdapat
beberapa parameter yang digunakan yaitu kecepatan putar benda kerja,
diameter akhir setelah permesinan, laju pemakanan, dan waktu
permesinan. Bentuk sederhana proses bubut digambarkan pada Gambar
5.
a. Kecepatan putar benda kerja
𝑁 =1000 𝑉𝑐
𝜋𝐷0 (1)
Keterangan:
N : Kecepatan putar benda kerja (rev/menit)
Vc : Kecepatan potong (m/menit)
D0 : Diameter awal (mm)
b. Diameter akhir setelah permesinan
𝐷𝑓 = 𝐷0 − 2𝑑 (2)
14
Keterangan:
Df : Diameter akhir permesinan (mm)
d : Kedalaman potong (mm)
c. Laju pemakanan
𝑓𝑟
= 𝑁𝑓 (3)
Keterangan:
fr : Laju pemakanan (mm/menit)
f : Gerak makan (mm/rev)
d. Waktu permesinan
𝑇𝑚 =𝐿
𝑓𝑟 (4)
Keterangan:
Tm : Waktu permesinan (menit)
L : Panjang benda kerja (mm)
Gambar 5. Operasi permesinan bubut
(Sumber: Groover, 2013)
2.3. Permesinan Magnesium
Terdapat dua masalah penting dalam permesinan magnesium yaitu
pembentikan built-up edge (BUE) dan penyalaan geram.
15
2.3.1. Pencegahan BUE
Selama ini pembentukan BUE dapat dihindari dengan
menggunakan cairan pendingin minyak atau mata pahat intan.
Pengunaan cairan pendingin minyak pada proses permesinan bila
digunakan secara terus menerus dapat mencemari lingkungan dan
mengganggu kesehatan operator, sedangkan penggunaan pahat intan
menyebabkan biaya produksi meningkat karena harganya yang relatif
mahal (Harun, dkk., 2012).
2.3.2. Penyalaan geram magnesium paduan
Suhu penyalaan geram magnesium terjadi pada suhu 623 °C.
Peristiwa penyalaan terjadi dengan dimulainya pembentukan oksida api
pada permukaan magnesium paduan. Magnesium paduan apabila
digesekkan dengan logam nikel, kuningan dan alumunium akan
memperlambat penyalaan geram. Secara teoritik dan eksperimental
paduan magnesium dan logam akan menyala jika konduksi panas tidak
cukup untuk menghilangkan panas dari gesekan antarmuka pada logam.
Selain daripada itu juga dihindari penggunaan media pendingin
berbasis air karena dapat terjadi reaksi antara magnesium dengan
hidrogen yang dihasilkan oleh cairan pendingin berbasis air.
Bagaimanapun hal tersebut dapat berpotensi menimbulkan reaksi
letupan/ledakan. Terdapat beberapa parameter dan kondisi pemotongan
untuk memimalisir terjadinya penyalaan geram yaitu (Burhanuddin,
dkk., 2015; Harun, dkk., 2012; Kim dan Lee, 2010):
a. Penggunaan pahat tajam dengan sudut relief yang besar.
16
b. Penggunaan kecepatan potong yang besar.
c. Setelah pemotongan selesai pahat dijauhkan dari benda kerja.
d. Geram yang menumpuk harus dibuang.
e. Pengunaan zat pendingin yang tepat dalam kecepatan makan tinggi
dan kedalaman potong yang rendah.
2.4. Permesinan dengan Pahat Potong Berputar
Penggunaan pahat potong berputar adalah untuk meminimalisir suhu
pemotongan dan meningkatkan produktivitas permesinan. Pada Gambar 6
ditunjukkan ilustrasi permesinan dengan pahat potong berputar. Mata pahat
yang berputar akan didinginkan selama periode tanpa pemotongan dalam satu
putaran mata potong. Penggunaan alat ini digunakan pada mesin bubut
konvensional, dengan harapan agar dapat mengurangi suhu jika dibandingkan
mekanisme pahat diam. Material logam yang akan dipotong dengan alat ini
diantaranya magnesium, nikel, titanium, dan paduannya.
Gambar 6. Ilustrasi permesinan dengan pahat potong berputar
(Sumber: Harun, dkk., 2013)
Terdapat beberapa sumber panas dalam permesinan dengan pahat potong
berputar. Sumber panas terdiri dari 3 zona deformasi yang berada dekat mata
pisau, zona deformasi yang pertama yaitu deformasi utama (primer), kedua
17
(sekunder), dan ketiga (tersier). Sumber panas lain berasal dari akumulasi pada
mata pisau pahat. Daerah sumber panas digambarkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Aliran panas saat proses permesinan
(Sumber: Che, et al., 2012)
Pada daerah satu mata potong berputar secara terus-menerus memotong
benda kerja sehingga terjadi deformasi plastis pada benda kerja yang
membentuk geram. Dibutuhkan gaya yang besar untuk mendeformasi benda
kerja, hal ini menyebabkan timbulnya panas pada deformasi geser. Pada
penelitian Harun, dkk., (2008) peningkatan kecepatan putar dapat menurunkan
kecepatan potong sehingga memicu reduksi gaya geser. Hal tersebut dapat
berdampak pada penurunan energi spesifik dan menurunkan panas selama
deformasi geser.
Geram selanjutnya mengalir di atas permukaan pahat pada daerah dua
(sekunder). Pada daerah tersebut timbul panas akibat geram yang bergesekan
dengan pahat potong. Panas pada daerah dua ini merupakan panas terbesar
yang dapat terjadi selama proses permesinan sebagian besar panas dialirkan ke
geram dan mata potong.
Daerah tiga panas ditimbulkan oleh daerah antarmuka tepi pahat dengan
benda kerja. Pada daerah ini mengalami peningkatan suhu akibat energi gesek
1
2
3
18
dan terbentuknya permukaan baru yang dihasilkan antarmuka tepi pahat
dengan benda kerja. Panas pada daerah ini sebagian besar dialirkan ke dalam
benda kerja.
2.5. Metode Elemen Hingga
Hasil penelitian yang cepat dan tidak mengeluarkan biaya yang banyak
sangat dibutuhkan saat ini. Pada awal tahun 1970, ribuan karya ilmiah telah
dipublikasikan mengenai penelitian metode elemen hingga. Perkembangan
terus dilakukan untuk menyempurnakan penggunaan metode elemen hingga.
Hasil elemen hingga sendiri mendekati data eksperimental, terlebih lagi biaya
dan waktu yang dibutuhkan berkurang (Markopoulos, 2013).
Definisi metode elemen hingga adalah pendekatan numerik untuk
memprediksi suatu sistem. Secara umum metode elemen hingga ditingkatkan
untuk memperoleh nilai tegangan dari perpindahan suatu struktur. Struktur
dibagi menjadi elemen-elemen kecil yang memiliki titik nodal di setiap elemen.
Titik nodal tersebut digunakan untuk menyambung elemen kecil dengan
elemen kecil lainnya sehingga menjadi suatu struktur. Jika dilakukan
pemberian beban pada struktur maka nodal akan merespon tegangan dengan
perpindahan. Nilai perpindahan setiap nodal dikonversi menjadi nilai tegangan.
Jika digunakan elemen yang kecil maka jumlah nodal menjadi semakin banyak,
sehingga perhitungan suatu elemen semakin akurat (Moel, 2017).
Terdapat beberapa hal penting yang harus diperhatikan agar simulasi
pemodelan dengan FEM dapat mendekati hasil data pengujian eksperimental:
19
2.5.1. Perumusan Model
Terdapat tiga tipe analisis peumusan pemodelan elemen hingga
yaitu eulerian, lagrangian, dan abitrary lagrangian-eulerian (ALE).
Perumusan eulerian, lagrangian, dan ALE digunakan untuk perumusan
model pembentukan geram. Eulerian cocok digunakan untuk simulasi
pemotongan kondisi steady. Lagrangian dapat mengurangi waktu
simulasi dalam proses permesinan. Sedangkan ALE merupakan
gabungan antara perumusan model Eulerian dan Lagrangian
(Markopoulos, 2013).
2.5.2. Mesh, elemen, kondisi batas, dan kontak
Jumlah mesh yang digunakan dalam pemodelan sangat
mempengaruhi hasil simulasi. Semakin besar jumlah mesh yang
digunakan maka semakin banyak elemen yang digunakan, dan
perhitungan semakin akurat, akan tetapi waktu komputasi akan semakin
lama. Pada Gambar 8 diperlihatkan penggunaan (mesh) pembagian
elemen dimana daerah primer dan sekunder memiliki sambungan
elemen yang lebih rapat (pembentukan geram) dari pada benda kerja,
sehingga pembentukan geram pun semakin akurat.
Setelah dilakukan pemberian mesh tidak kalah pentingnya adalah
penetapan kondisi batas. Kondisi batas dapat diterapakan dengan
penggunaan sumbu yang tepat antara kontak benda kerja dan pahat.
Pergerakan yang digunakan yaitu dengan pahat yang bergerak dan
benda kerja yang diam. Pergerakan pahat bergerak sama atau sesuai
dengan kecepatan potong yang diberikan.
20
Selain daripada itu juga kondisi batas suhu tidak kalah penting
dimana faktor perpindahan panas dapat terjadi dalam proses
permesinan. Perpindahan panas yang digunakan dalam operasi
pemotongan yaitu dari konduktivitas jenis cairan pendingin atau tipe
permesinan kering dan juga perpindahan panas dari benda kerja, geram,
dan pahat ke lingkungan. Nilai yang menjadi perhatian adalah koefisien
perpindahan panas secara konveksi.
Gambar 8. Diskritisasi pembentukan geram dalam FEM
(Sumber: Markopoulos, 2013)
2.5.3. Pemodelan material
Pemodelan material sangat sangat penting khususnya untuk sifat
tegangan alir benda kerja dan persamaan yang sesuai harus dimasukkan
ke dalam FEM. Pada Tabel 6 di lampirkan beberapa persamaan yang
digunakan dalam pemodelan material elemen hingga. Pemodelan dalam
permesinan mengacu pada persamaan konstitutif. Persamaan konstitutif
menggambarkan tegangan aliran atau kekuatan luluh saat benda kerja
mulai berdeformasi, regangan elastis jauh lebih rendah jika
dibandingkan dengan regangan plastis.
21
Tabel 6. Pemodelan material dalam pemotongan logam
(Sumber: Markopoulos, 2013)
2.5.4. Pemodelan gesekan
Pemodelan gesekan sama pentingnya dengan pemodelan
material. Pemodelan gesekan ini digunakan untuk menentukan gaya
pemotongan, keausan pahat, dan juga kualitas permukaan benda kerja.
Untuk pemodelan gesekan dalam pemotongan logam koefisien gesek
yang biasanya digunakan, yaitu gesekan eksternal (coulomb friction)
dan gesekan internal (shear friction). Gesekan eksternal merupakan
koefisien gesek yang digunakan untuk menentukan nilai gesekan antara
geram dan pahat, sedangkan gesekan internal merupakan koefisien
gesek yang digunakan untuk menentukan kondisi gesekan kontak
antara geram dengan pahat. Berikut ini disajikan pada Tabel 7 beberapa
hukum yang digunakan untuk pemodelan gesekan.
Tabel 7. Pemodelan gesekan dalam pemotongan logam
(Sumber: Markopoulos, 2013)
22
2.5.5. Pemisahan geram dan pemecahan geram
Pada pemodelan pemisahan geram digunakan perumusan model
lagrangian, didalam keadaan aktual pemisahan geram terjadi deformasi
dan beberapa retakan akibat pemotongan. Di bawah ini dilampirkan
beberapa pemodelan sebagai kriteria untuk pemisahan geram dan
pemecahan geram pada Tabel 8.
Tabel 8. Kriteria pemisahan geram dan pemecahan geram
(Sumber: Markopoulos, 2013)
2.5.6. Adaptive mesh
Pada Gambar 9 terlihat bahwa adaptive mesh digunakan oleh
komputer guna melakukan remeshing secara kontinu dengan bagian-
bagian tertentu sebelum terjadinya distorsi pada material. Langkah-
langkah dimulai saat tempat antara pahat dan benda kerja yang
terdistorsi akan dilakukan remeshing agar solusi perhitungan numerik
23
dapat dianalisis dengan akurat. Selama simulasi dilakukan node atau
penambahan mesh baru.
Gambar 9. Meshing adaptif
(Sumber: Markopoulos, 2013)
2.6. Kamera Inframerah
Kamera inframerah secara umum digunakan untuk mengamati suhu
suatu objek. Salah satu contoh penggunaan kamera inframerah adalah untuk
mengukur suhu dalam sebuah proses permesinan. Prinsip kerja kamera
inframerah sendiri yaitu sinar radiasi inframerah dari suatu objek diukur dan
dikonversi menjadi sinyal elektrik, kemudian sinyal tersebut diteruskan ke
monitor, dan dari monitor ditampilkan keluaran dalam bentuk digital yaitu
indikasi termal dalam tampilan vidio pada berbagai tingkatan suhu. Pada
Gambar 10 dapat dilihat contoh hasil pengukuran suhu permesinan dengan
kamera infra merah (Kurniajaya, 2011).
Gambar 10. Suhu termal proses permesinan bubut MgAZ31
(Sumber: Danish, et al., 2017)
24
2.7. Sinar Inframerah
Sinar inframerah merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik
yang memiliki panjang gelombang yang besar dan memiliki frekuensi yang
kecil. Panjang gelombang sinar inframerah sekitar 700 nm sampai 1 mm.
Aplikasi dari sinar inframerah berbeda dengan sinar lainnya seperti Sinar
Gamma, Sinar X, Sinar Ultraviolet, dan Sinar tampak (lihat Tabel 9). Sinar
inframerah biasanya digunakan untuk mengamati suhu suatu objek, sinar
inframerah mampu medeteksi suhu objek meskipun pada tempat yang gelap,
dimana saat kedaan gelap gelombang elektromagnetik yang tersisa adalah sinar
inframerah. Selain itu juga, sinar inframerah mampu membaca suhu sampai
dengan -273 °C. Gelombang inframerah tersebut diproses dengan kamera
untuk menghasilkan beberapa gambar sehingga dapat dilihat oleh mata
manusia (Cosmos, 2018).
Tabel 9. Spektrum gelombang elektromagnetik
Spektrum Frekuensi Panjang
gelombang Aplikasi
Sianr Gama 1019-1025 Hz 10-7-10-5 μm Pengobatan kanker
Sinar X 1016 – 1020 Hz 10-5-10-2 μm Rontgen organ tubuh
mahluk hidup
Sinar
Ultraviolet 1015-1018Hz 10-2- 4x 10-1 μm
Kesehatan tulang
mahluk hidup
Sinar Tampak 4 x 1014 – 7,5 x
1014 Hz
4x 10-1 – 7,6 x
10-1 μm
Penerangan rumah atau
ruangan
Sinar
Inframerah 1011 -1014 Hz
7,6 x 10-1 – 102
μm
Mengamati suhu suatu
objek
(Sumber: Cosmos, 2018)
III. METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan dalam kurun waktu tujuh bulan. Waktu penelitian
dilakukan mulai Maret 2018 sampai dengan September 2018. Tempat
penelitian berada di Laboratorium CNC/CAD-CAM dan Laboratorium
Teknologi Produksi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Lampung.
3.2. Tahapan Penelitian
3.2.1. Studi literatur
Studi literatur yang digunakan meliputi sifat ketermesinan
Magnesium AZ31, mekanisme sistem pahat berputar pada mesin bubut
konvensional, pemodelan permesianan bubut menggunakan perangkat
lunak berbasis metode elemen hingga (FEM) dan flow stress material
Magnesium AZ31.
3.2.2. Pemodelan 3D sistem pahat berputar (Preprocessing)
Pemodelan 3D sistem pahat berputar mengacu pada penelitian
yang dilakukan oleh Harun, dkk., (2013). Adapun tahapan pemodelan
yang dilakukan adalah sebagai berikut:
26
1. Membuat model geometri pahat menggunakan perangkat lunak
SolidWorks;
2. Menyimpan model dalam format file yang dapat diimpor ke dalam
software FEM.
3.2.3. Simulasi
Proses simulasi dilakukan untuk melihat sifat ketermesinan
MgAZ31 dan pengaruh parameter pemotongan terhadap suhu
pemotongan. Sebelum melakukan simulasi, dilakukan proses persiapan
sebagai berikut:
1. Memasukkan model geometri sistem pahat berputar ke dalam
perangkat lunak FEM.
2. Memasukkan parameter permesinan dan sifat material Magnesium
AZ31.
3. Memasukkan data tegangan alir persamaan konstitutif Johnson-Cook
yang dikembangkan oleh Pu, et al., (2014) kedalam perangkat lunak
FEM.
4. Mendefinisikan gerakan kinematik pahat dan memasukkan
parameternya kedalam perangkat lunak FEM.
3.2.4. Verifikasi (Postprocessing)
Setelah dilakukan simulasi selanjutnya data diverifikasi dengan
membandingkan kecenderungan antara hasil simulasi dengan
eksperimental. Kecenderungan hasil yang mirip dengan tingkat
27
kesalahan sekitar maksimumn 30% dapat dinyatakan sebagai hasil yang
valid.
3.2.5. Analisis data
Setelah data hasil simulasi dinyatakan valid, kemudian dilakukan
analisis data pengaruh parameter pemotongan material MgAZ31
terhadap suhu pemotongan. Adapun parameter yang dianalisis adalah
sebagai berikut:
1. Pengaruh kecepatan potong terhadap suhu geram.
2. Pengaruh kecepatan putaran pahat terhadap suhu geram.
3. Pengaruh gerak makan terhadap suhu geram.
4. Pengaruh kedalaman potong terhadap suhu geram.
Tahapan-tahapan alur penelitian secara terperinci mengenai
spesifikasi pahat dan benda kerja, pemodelan, data pemodelan, dan
prosedur penelitian menggunakan perangkat lunak FEM akan dijabarkan
pada subbab selanjutnya.
Pada penelitian ini dibuat diagram alir dengan tujuan agar
penelitian ini dapat diselesaikan dan dianalisis secara sistematis. Adapun
diagram alir penelitian yang disesuaikan dengan tahapan penelitian
digambarkan sebagai berikut:
28
Studi literatur:
• Sifat ketermesinan MgAZ31
• Mekanisme sistem pahat putar
• Permesinan berbasis FEM
• Flow stress MgAZ31
Pembuatan model 3D pahat putar
• Membuat model geometri pahat dan benda kerja
• Membuat model sistem pahat putar
• Menyesuaikan format file model dengan FEM engine
Apakah pemodelan pahat dan
benda kerja berhasil dilakukan?
Ya
Simulasi permesinan magnesium AZ31 dengan pahat putar
• Memasukkan parameter pemesinan dan sifat material MgAZ31
• Memasukkan data flow stress Johnson-Cook MgAZ31
• Mendefinisikan gerakan pahat dan parameternya
• Mensimulasikan ketermesinan material MgAZ31 dengan sistem pahat putar
Mulai
Apakah simulasi
permesinan MgAZ31 berhasil
dilakukan?
Ya
Validasi data hasil simulasi dengan data eksperimental
Membandingkan kecenderungan grafik hasil simulasi dengan
hasil grafik eksperimental
Menganalisis data pengaruh parameter pemesinan material MgAZ31
terhadap suhu pemotongan, menambah percobaan dan membuat grafik
penyalaan geram
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Tidak
Tidak
Ya
Apakah hasil simulasi valid
(error
Tidak
Gambar 11. Diagram alir penelitian
29
3.3. Bahan dan Perangkat Lunak Penelitian
3.3.1. Bahan penelitian
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian adalah
komputer. Komputer digunakan untuk menjalankan perangkat lunak
simulasi dan mengolah data hasil simulasi. Adapun spesifikasi dari
komputer yang digunakan adalah sebagai berikut:
Tabel 10. Spesifikasi komputer
Merek HP pavilion 14 notebook PC
Prosesor Intel i5-5200U CPU @ 2.2 GHz
RAM 8 GB DDR3
VGA NVDIA GeForce 840M 2GB
HDD 700 GB
OS Windows 10
Selain itu, untuk validasi data simulasi dengan data eksperimental
digunakan mesin perkakas, sistem pahat putar modular, dan kamera
termal. Adapun penjelasan, spesifikasi dan gambar bahan yang
digunakan dalam eksperimental adalah sebagai berikut:
1. Mesin bubut konvensional
Mesin bubut konvensional adalah mesin perkakas manual
yang digunakan untuk memotong benda yang berputar. Bubut
merupakan suatu proses pemotongan benda kerja yang sayatanya
dilakukan dengan memutar benda kerja dan dikenakan pada pahat
yang berpindah secara translasi sejajar dengan sumbu putar benda
kerja. Gerak putaran benda kerja kemudian disebut gerak potong
relatif dan gerak translasi pahat kemudian disebut gerak makan.
30
Penelitian ini akan menggunakan mesin bubut untuk
melakukan permesinan dengan benda kerja Magnesium AZ31
dengan menggunakan parameter-parameter permesinan yang sudah
ditentukan. Kemudian dari proses permesinan bubut menggunakan
pahat putar ini akan diukur suhu geram dan pahat. Adapun
spesifikasi dan gambar mesin bubut yang digunakan dalam
penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 11 dan Gambar 12.
Tabel 11. Spesifikasi mesin bubut konvensional
Fitur Spesifikasi
Merek PHINACO
Tipe S-90/200
Motor Main motor power 4 kW
Central high 200 mm`
Central distance 750-1150 mm
Swing over bed 400 mm
Swing over carriage 370 mm
Swing cross slide 210 mm
Gambar 12. Mesin bubut konvensional
31
2. Sistem pahat putar modular
Pahat putar modular merupakan sistem yang digunakan dalam
penelitian ini, Dengan metode pemotongan menggunakan pahat
putar modular ini maka mata pisau akan didinginkan selama periode
tanpa pemotongan dalam satu putaran pahat potong. Hal ini
diharapkan akan menurunkan suhu pemotongan sehingga penyalaan
geram pada Magnesium dapat dikendalikan. Sistem pahat putar
modular ini akan ditempatkan pada dudukan pahat mesin bubut
untuk menggantikan sistem pahat diam pada mesin bubut
konvensional (lihat Gambar 13).
Gambar 13. Sistem pahat putar modular
3. Kamera inframerah
Kamera inframerah secara umum digunakan untuk mengamati
suhu suatu objek. Salah satu contoh penggunaan kamera inframerah
adalah untuk mengukur suhu dalam sebuah proses permesinan.
Sistem pahat
putar modular
32
Prinsip kerja kamera inframerah sendiri yaitu sinar radiasi
inframerah dari suatu objek diukur dan dikonversi menjadi sinyal
elektrik, kemudian sinyal tersebut diteruskan ke monitor, dan dari
monitor ditampilkan keluaran dalam bentuk digital yaitu indikasi
termal dalam tampilan vidio pada berbagai tingkatan suhu. Adapun
spesifikasi dan gambar kamera infra merah yang digunakan
dilampirkan pada Tabel 12 dan Gambar 14.
Tabel 12. Spesifikasi kamera infra merah
Fitur Spesifikasi
Tipe Cheap-Thermocam V4
Resolusi termal 80 x 60
Sensivitas termal <0.05oC (50 mK)
Display 3,2” 320 x 240 touch
Spot sensor temp. range -70 – 380oC
Spot sensor temp. accuracy 0,5 oCover wide range
Temp. meassurement mode Every position after calibration
Images modes IR image, visual image, combined
(Sumber: Hermanto, 2016)
Gambar 14. Kamera infra merah
Selain itu, pada penelitian ini digunakan termokopel untuk
mengkalibrasi nilai suhu spesimen MgAZ31 dengan kamera termal
33
infra merah, berikut spesifikasi dan gambar termokopel yang
digunakan pada penelitian dilampirkan pada Tabel 13 dan Gambar
15.
Tabel 13. Spesifikasi termokopel
Fitur Spesifikasi
Tipe KW0600278
Rentang temperatur 50 °C – 1300 °C
Dimensi (165 × 76 × 40) mm
Berat 400 gram
(Kribow katalog, 2015)
Gambar 15. Termokopel digital
3.1.1. Perangkat lunak penelitian
Perangkat lunak yang digunakan dalam penelitian ini adalah
software FEM. Perangkat lunak ini merupakan perangkat lunak
berbasis elemen hingga yang dapat mensimulasikan beberapa proses
manufaktur, diantaranya pembentukan dan permesinan logam. Pada
penelitian ini digunakan pemodelan elemen hingga untuk proses
permesinan bubut, yang dikembangkan untuk sistem pahat yang
berputar.
34
Pemodelan dan simulasi permesinan bubut dengan pahat putar
mirip dengan pengujian yang dilakukan secara eksperimental, dimana
terdapat parameter masukan (input) seperti kecepatan potong,
kedalaman makan, gerak makan, dan kecepatan putar pahat. Dengan
pemodelan dan simulasi menggunakan perangkat lunak maka biaya
pengujian dapat diminimalisir, dikarenakan pengujian tersebut tidak
dilakukan secara fisik yang memerlukan biaya.
3.2. Rancangan Eksperimen (Preprocessing)
3.2.1. Pemodelan
Bentuk geometri pahat didesain dengan perangkat lunak
SolidWorks kemudian diimpor ke dalam software FEM dengan
format stl. Adapun bentuk geometri pahat digambarkan pada Gambar
16 (a).
Tabel 14. Spesifikasi pahat
Merek Sumitomo
Tipe RCMT
Seri 1606MON-RX
Material Carbide (TiN)
Dimensi
S = 6,35 mm
d = 16 mm
d1 = 5 mm
(Sumber: Sumitool, 2015)
35
Gambar 16. (a). Pemodelan pahat dan (b). Benda kerja
Setelah pemodelan pahat kemudian dilakukan pemodelan
geometri benda kerja Gambar 16 (b), bentuk dari geometri benda kerja
akan disesuaikan oleh software FEM dengan memasukkan parameter
yaitu kecepatan potong (Vc), kedalaman potong (d), dan gerak makan
(f) dan kecepatan putar pahat (Vt). Asumsi sifat benda kerja yang
digunakan adalah plastis, dimana benda kerja akan mengalami
deformasi secara permanen sesuai dengan bentuk yang diinginkan
menggunakan mesin perkakas. Pada penelitian ini perlu didefinisikan
material baru karena material Magnesium AZ31 tidak terdapat dalam
library perangkat lunak. Definisi material baru pada software FEM
diperlukan data tegangan alir dan sifat material.
Pada skripsi dilakukan studi literatur dimana data tegangan alir
yang digunakan mengacu pada penelitian yang telah dilakukan Pu, et
al., (2014). Penggunaan acuan penelitian tersebut dikarenakan hasil
simulasi lebih mendekati dengan hasil eksperimental. Pada
penelitiannya pemodelan material dibuat dengan menggunakan
a b
36
perangkat lunak FEM, dan menggunakan persamaan konstitutif
Johnson-Cook sebagai pemodelan tegangan alir material MgAZ31
yang dituliskan pada persamaan (5). Penggunaan persamaan
konstitutif Johnson-Cook dikarenakan memiliki error yang cukup
kecil jika dibandingkan persamaan lain, dan telah dibuktikan oleh
peneliti sebelumnya (Iqbal, et al., 2006). Data parameter pemodelan
dan sifat material dilampirkan pada Tabel 15 dan Tabel 16.
𝜎 = (𝐴 + 𝐵. 𝜀𝑛). [1 + 𝐶. 𝑙𝑛 (𝜀
0
)] . [1 − (𝑇− 𝑇𝑟
𝑇𝑚− 𝑇𝑟)
𝑚
] (5)
Keterangan:
𝜎 = Tegangan alir (MPa)
A = Yield strength (MPa)
B = Hardening modulus (MPa)
C = Strain-rate coefficient
n = Hardening coefficient
m = Thermal softening coefficient
𝜀 = Plastic strain
𝜀 = Plastic strain rate (𝑠−1)
𝜀0 = Plastic strain rate reference (𝑠−1)
𝑇 = Temperatur (K)
𝑇𝑚 = Temperatur leleh (K)
𝑇𝑟 = Temperatur ruang (K)
37
Tabel 15. Sifat fisikal dan termal MgAZ31
Sifat material Nilai
Temperatur leleh [K] 891
Modulus young [GPa] 45
Poisson’s ratio 0,35
Konduktivitas termal [W/(m.K)] 77 + 0,096 x T
Kapasitas panas spesifik [J/kg.K] 1000 + 0,666 x T
Koefisien ekspansi termal [K-1] 2,48 x 10-5
(Sumber: Pu, et al., 2014)
Tabel 16. Parameter pemodelan persamaan
Parameter Nilai
Koefisien yield strength (A) 200 Mpa
Koefisien modulus hardening (B) 400 Mpa
Koefisien strain-rate sensitivity (C) 0,016
Koefisien hardening (n) 0,337
Thermal softening exponent (m) 1,829
Critical damage value (Dcritical) 5-100
Friction coefficient (μ) 0,7
Koefisien perpindahan panas di antarmuka
pahat dengan geram, hint
40-5000 kW/(m2K)
(Sumber: Pu, et al., 2014)
3.2.2. Meshing dan Step
Jenis elemen mesh 3D yang digunakan dalam penelitian ini
adalah tetrahedron. Jumlah elemen pahat yang digunakan dalam
penelitian ini adalah 5000-25000 elemen, jumlah elemen mesh benda
kerja adalah 23-60% dari persentase kecepatan makan, dan step yang
digunakan adalah 300-5000 step. Pemberian nilai meshing dan step
tersebut dilakukan untuk meringankan kinerja komputer. Selain itu,
metode meshing yang digunakan pada penelitian ini adalah adaptive
meshing yaitu adaptive mesh digunakan oleh komputer guna
melakukan remeshing secara kontinu dengan bagian-bagian tertentu
sebelum terjadinya distorsi pada material. Langkah-langkah dimulai
38
saat tempat antara pahat dan benda kerja yang terdistorsi akan
dilakukan remeshing agar solusi perhitungan numerik dapat dianalisis
dengan akurat. Selama simulasi dilakukan node atau penambahan mesh
baru (Markopoulos, 2013). Meshing benda kerja dan pahat
digambarkan pada Gambar 17.
Gambar 17. (a). Meshing pahat dan (b). Benda kerja
a
b
39
3.3. Verifikasi Permesinan Bubut Magnesium AZ31
Untuk meyakinkan bahwa simulasi ini valid diperlukan validasi data.
Proses validasi data untuk simulasi dilakukan dengan pengujian secara
eksperimental dengan menggunakan alat ukur. Penelitian ini digunakan
kamera infra merah sebagai alat ukur suhu. Adapun tahapan dalam pengujian
eksperimental adalah sebagai berikut:
1. Setting pahat putar modular
2. Set-up eksperimen pengukuran suhu pemotongan
3. Pengambilan data
3.3.1. Setting pahat putar modular
Pahat putar modular dipasang pada tail stock mesin bubut
PINACHO Tipe S-90/200. Pahat putar modular digunakan motor
AXUM590-A dengan kecepatan putaran maximum 2000 rpm. Pahat
insert yang digunakan adalah merek sumitomo tipe RCMT 1606MON-
RX.
3.3.2. Set-up eksperimen pengukuran suhu pemotongan
Gambar 18 ditunjukkan skema eksperimen yang dilakukan
sebelum pengambilan data. Panjang pemotongan yang dilakukan yaitu
63 mm (satu kali pemakanan). Proses set-up eksperimen disesuaikan
dengan simulasi. Kondisi pemotongan, sifat material benda kerja dan
pahat dapat dilihat pada Tabel 17, 15, dan 19.
40
Gambar 18. Set-up eksperimen
Pah
at Putar M
odular
Motor Listrik
cw
Benda Kerja
Kamera Infra
Merah
Mesin Bubut Konvensional
41
3.3.3. Pengambilan data suhu permesinan
Setelah set-up eksperimen selesai kemudian dilanjutkan dengan
pengambilan data. Proses pengambilan data dilakukan dengan
pengambilan suhu di bagian bawah dan samping objek ukur. Gambar
19 menunjukkan proses pengambilan data suhu pemotongan. Sebelum
pengambilan data dilakukan proses kalibrasi kamera inframerah dengan
membandingkannya dengan termokopel. Proses kalibrasi pada kamera
dilakukan dengan mengklik kalibrasi pada menu interface kamera
Cheap-Thermocam V4. Pada kalibrasi tersebut akan ditunjukkan
temperatur warna dalam bentuk bar yang menunjukkan korelasi antara
temperatur aktual dengan nilai pada warna yang berada pada bar. Jika
kalibrasi aktif maka nilai temperatur akan tersimpan pada tiap gambar.
Selama proses kalibrasi kamera diletakkan pada titik objek yang
berbeda (objek panas dan dingin) untuk didapatkan kalibrasi yang baik.
Pada skripsi ini diambil sampel spesimen uji MgAZ31 sebagai objek
kalibrasi dengan meletakkan termokopel dan titik kamera pada tempat
yang sama.
Pada penelitian sebelumnya suhu permesinan MgAZ31 dengan
menggunakan kamera tidak pernah di bawah 40 °C (Danish, et al.,
2017). Oleh karena itu proses kalibrasi dilakukan dengan spesimen
yang dipanaskan mulai dari suhu 30 °C sampai 120 °C. Proses kalibrasi
dilakukan secara kontinu dengan mengkalibrasi kamera dan suhu
termokopel kemudian dibuat grafik persamaan dan sehingga
didapatkan nilai kelinierannya.
42
Setelah proses kalibrasi, selanjutnya dilakukan pengambilan data
suhu pemotongan. Proses pengambilan data dilakukan dengan
perekaman vidio menggunakan ponsel supaya didapatkan data suhu
pemotongan secara real time. Durasi perekaman vidio rata-rata kurang
lebih 1 menit.
Gambar 19. Ilustrasi pengambilan data
Pada proses pengukuran suhu pemotongan menggunakan kamera
inframerah, kamera diletakkan pada dua bagian daerah pengukuran,
yaitu pada daerah bagian bawah dan daerah bagian samping
pemotongan (lihat Gambar 20 dan 21). Letak kamera daerah bagian
bawah digunakan untuk mengukur suhu pahat (agar dapat dilihat
bentuk geometri pahat yang lebih jelas saat memotong benda kerja
sehingga lebih mudah untuk dianalisis) sedangkan letak kamera daerah
bagian samping digunakan untuk mengukur suhu geram (agar dapat
Thermocam
obyek
43
dilihat secara jelas proses jatuhnya geram sehingga lebih mudah untuk
dianalisis). Sedangkan pada Gambar 22 dan 23 ditunjukkan hasil
pengukuran suhu pemotongan dan titik pengukuran pengambilan data.
Gambar 20. Ilustrasi pengukuran bagian samping dengan kamera infra merah
44
Gambar 21. Ilustrasi pengukuran bagian bawah dengan kamera infra merah
Gambar 22. Daerah objek ukur suhu permesinan bagian samping
Pahat
Benda
Kerja
Benda
Kerja
Pahat
Suhu Pahat
Suhu Geram
Suhu Geram/Benda Kerja
45
Gambar 23. Daerah objek ukur suhu permesinan bagian bawah
3.3.4. Parameter permesinan
Parameter permesinan yang ditentukan pada penelitian ini yaitu
sebagai berikut:
Tabel 17. Parameter permesinan
Kecepatan
potong (Vc)
m/menit
Gerak
makan
(f)
mm/rev
Kedalaman
potong (d)
mm
Kecepatan
putar
pahat (Vt)
rpm
Suhu permesinan
T (oC)
Pahat Geram
50 0,1 0,2 200
0,15 0,4 700
0,2 0,6 1000
100 0,1 0,2 200
0,15 0,4 700
0,2 0,6 1000
150 0,1 0,2 200
0,15 0,4 700
0,2 0,6 1000
200 0,1 0,2 200
0,15 0,4 700
0,2 0,6 1000
250 0,1 0,2 200
0,15 0,4 700
0,2 0,6 1000
Suhu Pahat
Suhu Geram/Benda Kerja
Rotasi Pahat
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1. Simpulan
Setelah dilakukan proses penelitian mulai dari pemodelan, simulasi,
validasi data dan pemetaan penyalaan geram diperoleh beberapa kesimpulan
sebagai berikut:
1. Pemodelan dan simulasi permesinan bubut magnesium AZ31 dengan pahat
putar berbasis FEM telah berhasil dilakukan, dengan memodelkan pahat
putar beserta mekanisme kinematiknya, serta memodelkan material
magnesium AZ31 dengan menggunakan persamaan model tegangan alir
Johnson-Cook.
2. Hasil pengujian parameter pemesinan terhadap suhu pahat dan geram secara
simulasi dan eksperimental menunjukkan kecenderungan hasil yang mirip
dengan galat (error) berkisar masing-masing 12 % dan 13 % untuk suhu
pahat dan geram.
3. Secara umum hasil pengujian permesinan bubut dengan pahat berputar
secara simulasi dan eksperimental memiliki kecenderungan grafik yang
sama, yaitu sama -sama meningkat pada kondisi pemotongan tertentu.
4. Pengaruh kecepatan potong (Vc), gerak makan (f), dan kedalaman potong
(d) berbanding lurus dengan nilai suhu pada geram. Apabila Vc, f,dan d
meningkat maka nilai suhu geram juga meningkat.
81
5. Pengaruh kecepatan putaran pahat (Vt) berbanding terbalik dengan nilai
suhu geram pada rentang kecepatan tertentu. Apabila Vt meningkat maka
nilai suhu pada geram akan menurun.
6. Untuk mengendalikan penyalaan geram pada suhu 600 oC telah dibuat Peta
Penyalaan Geram, dimana dipetakan parameter pemesinan yang paling
berpengaruh terhadap perubahan suhu pemotongan (geram).
7. Pada pemesinan bubut kering Magnesium AZ31 dengan pahat berputar
direkomendasikan, yaitu (1) parameter kecepatan potong yang dipilih lebih
kecil dari 700 m/min untuk kecepatan putar pahat lebih kecil atau sama
dengan 200 rpm. (2) parameter kecepatan potong yang dipilih lebih kecil
dari 800 m/min untuk kecepatan putar 200 sampai dengan 700. Dan (3)
parameter kecepatan potong yang dipilih lebih kecil dari 900 m/min untuk
kecepatan putar 700 sampai dengan 1000 rpm.
8. Dengan mengacu pada kecepatan potong yang direkomendasikan, maka
kondisi pemesinan ini adalah proses pemesinan dengan kecepatan tinggi
sehingga peningkatan produktifitas dan keamanan pemesinan Magnesium
AZ31 dapat tercapai.
5.2. Saran
Adapun saran dalam pemodelan dan simulasi permesinan bubut
magnesium AZ31 dengan pahat berputar adalah sebagai berikut:
1. Pada penelitian selanjutnya penulis berharap, agar digunakannya kamera
infra merah dengan resolusi yang lebih baik guna mendapatkan data
(gambar) yang lebih baik sehingga lebih mudah untuk dianalisis.
82
2. Simulasi suhu permesianan dengan menggunakan FEM pada penelitian ini
hendaknya digunakan sebagai pembanding untuk penelitian selanjutnya
guna meneliti lebih lanjut bahaya penyalaan geram pada permesinan
MgAZ31 dengan pahat berputar.
DAFTAR PUSTAKA
Agus, H. P., Widodo, P. J., dan Nizam, M. 2011. Pengaruh Parameter
Permesinan Bubut Terhadap Munculnya Built-Up Edge (BUE) Dalam Proses
Permesinan Pembubutan Alumunium. Mekanika, Vol. 10 No. 1.
Akhil, C. S., Ananthavishnu, M. H., Akhil, C. K., Afeez, P. M., Akhilesh, R.,
dan Rahul Rajan. 2016. Measurement of Cutting Temperature during Machining.
IOSR journal of Mechanical and Civil Engineering. Vol. 13., pp. 108 – 122.
Buldum, B. B., Sik, A., and Ozkul, I. 2012. Investigation of Magnesium
Alloys Machinability. International Journal of Electronics; Mechanical and
Mechatronics, Vol. 2, p. 263.
Burhanuddin, Y., Setiawan, F., Harun, S., dan Fitriawan, H. 2015. Pemodelan
Penyalaan Pada Proses Bubut Kering Magnesium AZ31 Menggunakan Jaringan
Syaraf Tiruan. Banjarmasin, Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin
XIV (SNTTM XIV), p. 25.
Burhanuddin, Y, Suryadiwansa, H., dan Arinal, H., 2010, Effect of Cutting
Speed Variation on Temperature when Drilling AISI1045: Simulation and
Experiment, Jurnal Mechanical, Vol. 1 No. 1, pp. 45-50
Che, D., Han, P., Guo, P. & Ehmann, K., 2012. Issues in Polycrystalline
Diamond Compact Cutter–Rock Interaction From a Metal Machining Point of
View—Part I: Temperature, Stresses, and Forces. Journal of Manufacturing
Science and Engineering, Vol. 134, p. 4.
Danish, M., Ginta, T. L., Habib, K., Carou, D., Rani, A. M. A., & Saha, B.
B., 2017. Thermal Analysis During Turning of AZ31 Magnesium Alloy Under Dry
and Cryogenic Conditions. Advance Manufacturing Technology, p. 6.
Davoudinejad, A., Tosello, G., Parenti, P., and Annoni, M., 2017.3D Finite
Element Simulation of Micro End-Milling by Considering the Effect of Tool Run-
Out. Micromachines.
Filice, L., Micari, F., Rizzuti, S., and Umbrello, D., 2007.A critical analysis
on the friction modelling in orthogonal machining. International Journal of
Machine Tools and Manufacture. P. 709-714
Harun, S., Shibasaka, T., and Moriwaki, T. 2008. Study Cutting Mechanics of
Turning with Actively Driven Rotary. Journal Of Advanced Mechanical Design,
Systems, and Manufacturing, p. Vol. 2 No. 4.
Iqbal, S. A., Mativenga, P. T., and Sheikh, M. A., 2006. An Evaluation of
Flow Stress Material Models of AISI 1045 for High Speed Machining. Konferensi
Internasional Pada Penelitian Maanufaktur (ICMR). Universitas John Moors.
Kauppinen, 2012. Enviromentally Reducing Of Coolants In Metal Cutting.
Editura “Academica Brâncuşi” , Târgu Jiu, ISSN 1844 – 640X, p. No. 2.
Kipcak, A. S., Senberber, F. T., Derun, E. M., and Piskin, S. 2012. Evaluation
of the Magnesium Wastes with Boron Oxide in Magnesium Borate Synthesis.
International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical
Engineering, Vol. 6, p. 610.
Kim, J. D. & Lee, K. B. 2010. Surface Roughness Evaluation in Dry-Cutting
of Magnesium Alloy by Air Pressure Coolant. Engineering, Vol. 2, p. 788.
Pu, Z., Umbrello, D., Dillon Jr, O. W., Lu, T., Puleo, D. A., Jawahir, I. S.
2014. Finite element modeling of microstructural changes in dry and cryogenic
machining of AZ31B magnesium alloy. Journal of Manufacturing Processes, pp.
353-354.
Ulacia, I., Salibury, C.P., Hurtado, I., Worswick, M.J., 2010. Tensile
characterization and constitutive modeling of AZ31B magnesium alloy sheet over
wide range of strain rates and temperatures. Journal of Materials Processing
Technology, pp. 830-839.
Zhang, Z., Zhang, W., Zhiqiang, J. Z., and Yan, Q., 2007. Evaluation of
Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed
Environments by CFD: Part 2—Comparison with Experimental Data from
Literature.
Ulacia, I., Salibury, C.P., Hurtado, I., Worswick, M.J., 2010. Tensile
characterization and constitutive modeling of AZ31B magnesium alloy sheet over
wide range of strain rates and temperatures. Journal of Materials Processing
Technology, pp. 830-839.
Ye, G., Xue1, S., Tong, X., and Dai, L., 2011. Influence of cutting conditions
on the cutting performance of TiAl6V4. Advanced Materials Research, pp. 387-391.
Callister, D. W. 2007. Materials Science and Engineering. United States of
America: John Wiley & Sons, Inc.
Friedrich, H. E. & Mordike, B. L. 2006. Magnesium Technology. Verlag
Berlin Heidelberg, Germany: Springer.
Groover, M. P. 2013. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials,
Processes, and Systems. 5 ed. United States: John Wiley & Sons.
Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. 2012. Inorganic Chemistry. Fourth Edition
penyunt. Barcelona: Pearson.
Kalpakjian, S. & Schmid, S. R. 2017. Manufacturing Engineering and
Technology. 7 ed. Singapore: Pearson.
Markopoulos, P. J. 2013. SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology
Manufacturing and Surface Engineering. Series Editor ed. London: Springer.
Polmear, I. E. A. 2017. Light Alloys: Metallurgy of the Light Metals. 5 ed.
United KIngdom: Elsevier.
Widarto. 2008. Teknik Permesinan Jilid 1. Jakarta: Direktorat Pembinaan
Sekolah Menengah Kejuruan.
Hasenpouth, D., 2010. Tensile high strain rate behavior of AZ31B magnesium
alloy sheet. Tesis. Universitas Waterloo. Kanada. Amerika Utara.
Hariyanto, B., 2015. Kajian Suhu Pemotongan Permesinan Bubut
Menggunakan Pahat Potong Berputar Pada Material Paduan Magnesium AZ31.
Skripsi. Fakultas Teknik, Teknik Mesin, Universitas Lampung. Bandar Lampung,
Indonesia.
Harun, S., Burhanuddin, Y., Ibrahim, G. A., dan Herlinawati. 2012.
Peningkatan Produktifitas dan Pengendalian Suhu Pengapian Permesinan
Magnesium Dengan Sistem Pahat Putar (Rotary Tool System) dan Pendinginan
Udara (Air Cooling). Proposal penelitian. Fakultas Teknik, Teknik Mesin,
Universitas Lampung. Bandar Lampung, Indonesia.
Harun, S., Burhanuddin, Y., dan Ibrahim, G. A. 2013. Rancang Bangun
Sistem Pahat Putar Modular (Modular Rotary Tool System) Untuk Permesinan
Material Alat Kesehatan Ortopedik (Titanium Alloy). Laporan penelitian. Fakultas
Teknik, Teknik Mesin, Universitas Lampung. Bandar Lampung, Indonesia.
Hermanto, D. R., 2016. Analisis Konsumsi Energi Listrik Pada Mesin Frais
Universal Milko 12 Dengan Variasi Parameter Permesinan. Skripsi. Fakultas
Teknik, Teknik Mesin, Universitas Lampung. Bandar Lampung, Indonesia.
Ismail, 2012. Studi Fenomena Proses Pembentukan Geram Pada Proses
Pembubutan (Turning) Kecepatan Tinggi Baja AISI 1045 Dengan Menggunakan
Metode Simulasi Berbasis Elemen Hingga. Skripsi. Fakultas Teknik, Teknik Mesin,
Universitas Lampung. Bandar Lampung, Indonesia.
Kurniajaya, D., 2011. Pengaruh emissivity terhadap hasil pengukuran pada
sistem dengan menggunakan kamera inframerah. Skripsi. Universitas Diponegoro.
Moel, S. S. H., 2017. Analisis Komputasional Mekanika Retak Pada Pelat
Metal Berlubang Berpenambal Metal dan Komposit. Skripsi. FTMD, Teknik
Mesin, Institut Teknologi Bandung. Bandung, Indonesia.
Novriadi, D., 2016. Rancang Bangun Sistem Pahat Putar Modular (Modular
Rotary Tool System) Untuk Pemesinan Alat Kesehatan Ortopedi. Skripsi. Fakultas
Teknik, Teknik Mesin, Universitas Lampung. Bandar Lampung, Indonesia.
Anonim. Manual Book Cheap-Thermocam V4.
AZoM, 2012. Magnesium AZ31B Alloy (UNS M11311). Tersedia online di:
https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6707 [diakses pada 11 Desember
2017].
Cosmos, 2018. Infrared Astronomy. Tersedia online di:
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/ir_tutorial/what_is_ir.html
[diakses pada 28 Desember 2018]
Sumitool, 2015. Sumitomo Electric Industries. Tersedia online di:
www.sumitool.com/id/downloads/cutting-tools/general-catalog/assets/pdf/b.pdf
[diakses pada 7 mei 2018].
Krisbow, 2015. 13 Katalog Krisbow 9 measuring-min. Tersedia online di
https://ecatalog.krisbow.com.pdf [dikses pada 19 November 2018]