BAB II DASAR TEORI 2.1 Proses Permesinan - Universitas Diponegoro

14Dari Gambar 2.4 terlihat bahwa pada Gambar (a) brittle regime, geometri pahatyang menghasilkan rake angle bernilai positif, maka terjadi pengkonsentrasian teganganpada permukaan benda kerja akibat ujung pahat yang lancip. Tegangan yangterkonsentrasi ini akan menyebabkan crack atau retak yang akan cepat menjalar kepermukaan yang lain. Sedangkan pada Gambar (b) ductile regime, geometri pahat yangmenghasilkan rake agle yang negatif akan membuat tegangan yang terjadi menyebarsecara seragam dan tidak terjadi konsentrasi tegangan. Oleh karena itu crack atau retakyang kemungkinan dapat terjadi pada permukaan kaca dapat dihindari. Kondisi inilahyang disebut dengan kondisi hydrostatic pressure.Kondisi hydrostatic pressure memegang peranan yang sangat penting untukmendapatkan kondisi permesinan yang ulet (Nakatsuji, 1990). Hal ini berhubungan eratdengan mekanisme pembentukan geram pada proses permesinan. Kondisi ini dapatdidapat dengan menurunkan uncut chip thickness dan atau rake angle dari pahat (Patten,2004., Rusnaldy, 2007). Uncut chip thickness haruslah lebih kecil daripada nilai kritis(critical value), akibatnya kedalaman potong (depth of cut) yang bisa diterapkan harussangat kecil atau dengan kata lain proses permesinan dilakukan dalam skala mikro(micromachining). Padahal untuk melakukan proses permesinan secara mikro akanmembutuhkan biaya yang banyak dan permesinan hanya terbatas untuk materialtertentu. Oleh karena hal lain yang mungkin dilakukan yaitu dengan membuat rakeangle dari pahat yang digunakan bernilai negatif.Nilai negatif rake angle yang besar akan menghasilkan kondisi hydrostaticpressure sehingga deformasi plastis akan mungkin terjadi pada sisi bidang potong.Efektive rake angle dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan berikut ini,(Fang,2003)(2.10)(2.11)(2.12)

15Dimana :γe efektif rake angleAc uncut chip arear radius potongap depth of cutt uncut chip thicknessf feed rateWc uncut chip widthDengan menggunakan ketiga Persamaan di atas, maka dengan mengetahuiradius potong dan uncut chip thickness, maka besarnya negatif rake angle dapatdiketahui. Semakin negatif rake angle, maka kondisi hydrostatic pressure akan semakinbesar peluang untuk tercapainya.Persamaan di atas berlaku untuk berbagai jenis proses permesinan, termasukproses bubut. Pada proses bubut, kondisi permesinan dan proses pembentukan geramharus disesuaikan dengan kondisi yang sesungguhnya terjadi pada saat proses bubutberlangsung.Pada kondisi ini geram diusahakan agar tidak lepas, namun tetap menempelsecara continous atau terus menerus dan akan tergerus atau ikut menyatu / tersapubersama bergeraknya permukaan pahat yang dipakai. Adanya geram yang terusmenempel dan ikut tersapu akan dapat membantu mengurangi terjadinya konsentrasitegangan yang mungkin ditimbulkan oleh gaya dari pahat yang kontak denganpermukaan benda kerja yang akan di bubut. Di bawah ini merupakan ilustrasi prosespembentukan geram dan pengaruh rake angle yang bernilai negatif (Fang, 2003).Gambar 2.5 Pengaruh geometri pahat terhadap pembentukan geram pada prosespermesinan (Fang, 2003)

16Dari ilustrasi Gambar 2.5 dapat dilihat bahwa pada proses permesinan materialgetas, dengan radius potong yang lebih besar daripada uncut chip thickness, danwalaupun rake angle yang sesungguhnya adalah 0 derajat, maka nilai negative rakeangle yang terbentuk akan menjadi semakin besar. Dengan demikian dapat dikatakanbahwa untuk mendapatkan nilai rake angle yang negatif, maka bisa dilakukan denganmembuat radius potong (cutting edge radius) yang besar. Sehingga dengan begitukondisi hydrostatic pressure akan tercapai, dan kondisi permesinan yang ulet bisadidapatkan.2.4Material PahatDalam proses permesinan pahat memegang peranan penting dalam pembubutan.Pemilihan material yang benar akan memperpanjang umur pahat dan menentukan hasilsuatu proses. Untuk membuat bearing tentu membutuhkan jenis pahat yang berbedadengan membuat shaft pompa sentrifugal dan lain sebagainya. Oleh karena itu dikenalberbagai material penyusun pahat.Proses pembentukan geram dengan cara permesinan berlangsung denganmempertemukan dua jenis material. Untuk menjamin kelangsungan proses ini makajelas diperlukan material pahat yang lebih unggul daripada material benda kerja.Keunggulan tersebut dilihat dari segi (Rochim, 1993):a. Kekerasan: Melebihi kekerasan benda kerja tidak saja pada temperatur ruangmelainkan juga pada temperatur tinggi saat proses pembentukan geraberlangsung.b. Keuletan: Cukup untuk menahan beban kejut yang terjadi sewaktu permesinandengan interupsi maupun sewaktu memotong benda kerja yang mengandungpertikel / bagian yang keras.c. Ketahanan beban kejut termal: Keunggulan yang dibutuhkan jika terjadiperubahan temperatur yang cukup besar secara berkala.d. Sifat adhesi yang rendah: Sifat ini mengurangi afinitas benda kerja terhadappahat, mengurangi laju keausan, serta penurunan gaya pemotongan.e. Daya larut elemen / komponen material pahat yang rendah: Kemampuan yangdibutuhkan demi memperkecil keausan akibat mekanisme difusi.

17Kekerasan yang rendah dan daya adhesi yang tinggi tidak diinginkan sebab matapotong akan terdeformasi, terjadi keausan flank dan crater yang besar. Keuletan yangrendah serta ketahanan beban kejut termal yang kecil mengakibatkan rusaknya matapotong maupun retak mikro yang menimbulkan kerusakan fatal.Berikut merupakan urutan material pahat dari yang paling lunak tetapi uletsampai paling keras tetapi getas (Rochim, 1993):a. Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel; Carbon Tool Steels)b. HSS (High Speed Steels; Tool Steels)c. Paduan Cor Nonferro (Cast Nonferous Alloys; Cast Carbides)d. Karbida (Cemented Carbides; Hardmetals)e. Keramik (Ceramics)f. CBN (Cubic Boron Nitrides)g. Intan (Sintered Diamonds dan Natural Diamond )2.4.1HSS (High Speed Steel)Pada tahun 1898 ditemukan jenis baja paduan tinggi dengan unsur paduan Krom(Cr) dan Tungsten / Wolfram (W). Mulai proses penuangan (Molten Metallurgy)kemudian diikuti pengerolan atau penempaan baja ini dibentuk menjadi batang, atausilinder. Pada kondisi lunak (Annealed ) bahan tersebut dapat diproses secarapermesinan menjadi berbagai bentuk pahat potong. Setelah proses perlakuan panasdilaksanakan, kekerasannya akan cukup tinggi sehingga dapat digunakan padakecepatan potong yang tinggi (sampai 3 kali kecepatan potong untuk pahat CTS yangdikenal pada saat itu sekitar 10 m/min, sehingga dinamakan dengan Baja kecepatantinggi, HSS). Pahat ini apabila mengalami aus dapat diasah sehingga tajam kembali.Jenis pahat ini mempunyai Resistance dan Abrasive resistance yang tinggi. KomposisiHSS terdiri dari campuran:a. Carbon (C)Sejauh ini yang paling penting dari unsur-unsur dan sangat ketat dikontrol.Sedangkan kandungan karbon dari salah satu kecepatan tinggi baja perkakasbiasanya tetap dalam batas-batas yang sempit, variasi dalam batas-batas ini dapatmenyebabkan perubahan penting dalam sifat mekanik dan kemampuan pemotongan.

18Ketika konsentrasi karbon meningkat, maka kekerasan juga meningkat, sedangkankekerasan suhu tinggi lebih tinggi. Sehingga meningkatkan ketahanan ausnya.b. Tungsten (T) atau Wolfram (W)Tungsten atau Wolfram dapat membentuk karbida yaitu paduan yang sangatkeras (Fe2 W2 C) yang menyebabkan kenaikan temperatur untuk proses Hardeningdan Tempering. Dengan demikian Hot hardness dipertinggi.c. Chromium (Cr)Menaikkan Hardenability dan Hot hardness. Chrom merupakan elemenpembentuk karbida, akan tetapi Cr menaikkan sensivitas terhadap overheating.d. Vanadium (V)Menurunkan sensivitas terhadap overheating serta menghaluskan besar butir.Vanadium juga merupakan elemen pembentuk karbida.e. Molydenum (Mo)Memiliki efek yang sama seperti W akan tetapi lebih terasa (2 % W dapatdigantikan oleh 1 % Mo). Dengan menambah 0,4 % sampai 0,9 % Mo dalam HSSpaduan utama W (W-HSS) dapat dihasilkan HSS yang mampu dikeraskan di udara(Air Hardening Properties ). Selain itu, Mo-HSS lebih liat sehingga mampumenahan beban kejut. Kejelekannya adalah lebih sensitif terhadap overheating(hangusnya ujung-ujung yang runcing) sewaktu dilakukan proses Heat treatment.f. Cobalt (Co)Bukan elemen pembentuk karbida. Ditambahkan dalam HSS untuk menaikkanHot hardness dan tahan keausan. Besar butir menjadi lebih halus sehingga ujungujung yang runcing tetap terpelihara selama Heat treatment pada temperatur tinggi.g. SilikonPengaruh silikon pada HSS sampai sekitar 1,00% adalah sedikit.meningkatkan kandungan silikonDan0,15-0,45% dengan memberikan sedikitpeningkatan dalam kekerasan pada waktu ditemper meskipun tampaknya ada sedikitpenurunan ketangguhan.

192.4.2Material Pahat KarbidaCemented carbide atau karbida yang disemen merupakan material pahat yangdibuat melalui sintering serbuk karbida yang terdiri dari nitrida dan oksida denganbahan pengikat berupa Cobalt (Co). Melalui carburizing masing-masing serbukTungsten, Titanium, Tantalum dibuat menjadi Karbida yang kemudian digiling dandisaring. Salah satu atau campuran sebuk Karbida tersebut kemudian dicampur denganbahan pengikat Co dan dicetak dengan memakai bahan pelumas. Setelah itu dilakukanpresintering (10000C pemanasan mula untuk menguapkan bahan pelumas) dankemudian sintering (16000C) sehingga bentuk sisipan hasil proses cetak tekan akanmenyusut menjadi sekitar 80% dari volume semula. Semakin besar prosentase pengikatCo maka kekerasannya menurun dan sebaliknya keuletannya membaik. Tiga jenisutama pahat karbida sisipan, yaitu: (Rochim, 1993)a. Karbida Tungsten (WC Co) merupakan jenis pahat karbida untuk memotongbesi tuang.b. Karbida Tungsten Paduan (WC - TiC Co; WC – TaC - TiC Co; WC - TaC Co; WC – TiC - TiN Co; TiC Ni, Mo) merupakan jenis pahat karbida yangdigunakan untuk pemotongan baja.c. Karbida lapis (Coated Cemented Carbides) merupakan jenis pahat KarbidaTungsten yang dilapis karbida, nitrida, atau oksida lain yang lebih rapuh tetapihot hardnessnya tinggi.2.4.2.1 Pahat karbida tungstenKarbida tungsten murni merupakan jenis yang paling sederhana dimana hanyaterdiri atas dua elemen yaitu karbida Tungsen (WC) dan pengikat Cobalt (Co). Jenisyang cocok untuk permesinan dimana mekanisme keausan pahat terutama disebabkanoleh proses abrasi seperti pada permesinan berbagai jenis besi tuang. Apabila digunakanpada benda kerja baja akan terjadi keausan kawah yang berlebihan (Rochim, 1993).2.5Keausan PahatSelama proses pembentukan geram berlangsung, pahat dapat mengalamikegagalan dari fungsinya karena berbagai sebab antara lain: (Rochim, 1993)

20a. Keausan yang secara bertahap membesar (tumbuh) pada bidang aktif pahat.b. Retak yang menjalar sehingga menimbulkan patahan pada mata potong pahat.c. Deformasi plastik yang akan mengubah bentuk/geometri pahat.Jenis kerusakan yang terakhir diatas jelas disebabkan tekanan temperatur yangtinggi pada bidang aktif pahat dimana kekerasan dan kekuatan material pahat akan turunbersama dengan naiknya temperatur. Keausan dapat terjadi pada bidang geram dan /atau pada bidang utama pahat. Karena bentuk dan letaknya yang spesifik, keausan padabidang geram disebut dengan keausan kawah (crater wear) dan keausan pada bidangutama dinamakan sebagai keausan tepi (flank wear).2.5.1Keausan FlankSalah satu kegagalan pahat adalah keausan flank. Flank merupakan sisi sampingmuka pahat potong dimana terletak tepi potong utama. Ini merupakan bagian pahatyang berkontak langsung dengan benda kerja dan menahan gaya pemakanan. Keausanini bermula dari tepi potong dan terus melebar. Pelebaran area kontak geram disebutdengan wear land.Keausan flank seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut,(Viktor, 2008)Gambar 2.6 Keausan flank pada pahat bubut2.5.2 Keausan CraterCrater merupakan keausan pahat yang berbentuk seperti kawah atau lubang,lokasinya dimulai dari beberapa jarak dari tepi potong sampai area kontak geram. Jikakeausan ini semakin lama semakin bertambah, crater menjadi makin lebar, panjang, dandalam, bahkan bisa mencapai tepi pahat. Crater menyebabkan tepi potong pahat

21menjadi lemah dan rusak. Keausan jenis ini lebih cepat terjadi pada pahat denganmaterial ulet, Gambar 2.8 menunjukkan lokasi keausan tersebut,( Viktor, 2008)Gambar 2.7 Keausan crater pada pahat bubut2.5.3 Mekanisme Keausan PahatBerdasarkan hasil-hasil penelitian mengenai keausan dan kerusakan pahat dapatdisimpulkan bahwa penyebab keausan dan kerusakan pahat dapat merupakan suatufaktor yang dominan atau gabungan dari beberapa faktor yang tertentu. Faktor-faktorpenyebab tesebut antara lain: (Rochim, 1993)a. Proses AbrasifPermukaan dapat rusak atau aus karena adanya partikel yang keras pada bendakerja yang menggesek bersama-sama dengan aliran material benda kerja padabidang geram dan bidang utama pahat. Partikel-partikel keras dalam struktur besituang yang berupa karbida, oksida ataupun nitrida (juga dalam sturktur baja paduanNi) akan mampu merusakkan permukaan pahat HSS yang sebagian besarstrukturnya terdiri atas martensit atau pahat karbida dengan prosentase pengikatCobalt yang cukup besar. Proses abrasif merupakan faktor dominan sebagaipenyebab keausan pada pahat HSS dengan kecepatan potong yang relatif rendah(sekitar 10 s.d. 20 m/min). Bagi pahat karbida pengaruh proses abrasif ini tidakbegitu mencolok karena sebagian besar struktur pahat karbida merupakan karbida–karbida yang sangat keras.

22Gambar 2.8 Metode keausan abrasif (www.scribd.com)Faktor yang berperan dalam kaitannya dengan ketahanan material terhadapkeausan abrasif (abrasive wear) antara lain:a. Kekerasan material (hardness)b. Kondisi struktur mikroc. Ukuran abrasifd. Bentuk abrasifb. Proses KimiawiDua permukaan yang saling bergesekan dengan tekanan yang cukup besarbeserta lingkungan kimiawi yang aktif (udara maupun cairan pendingin dengankomposisi tertentu) dapat menyebabkan interaksi antara material pahat denganbenda kerja. Permukaan material benda kerja yang baru saja terbentuk (permukaangeram dan permukaan benda kerja yang telah terpotong) sangat kimiawi aktifsehingga mudah bereaksi kembali dan menempel pada permukaan pahat. Padakecepatan potong yang rendah, oksigen dalam udara pada celah–celah diantarapahat dengan geram atau benda kerja mempunyai kesempatan atau peluang untukbereaksi dengan material benda kerja sehingga akan mengurangi derajat penyatuan(afinitas) dengan permukaan pahat. Akibatnya daerah kontak dimana pergeseranantara metal dengan metal (pahat dengan geram/benda kerja) akan lebih luassehingga proses keausan karena gesekan akan terjadi lebih cepat. Pada kecepatanpotong yang rendah, temperatur pemotongan masih cukup tinggi untuk mengubahair atau cairan pendingin atau pelumas menjadi uap yang dapat berfungsi sebagaioksigen sebagaimana yang dibahas diatas. Dengan demikian, pelumas amat

23diperlukan untuk mengurangi kontak antara metal dengan metal (boundarylubrication)Gambar 2.9 Temperatur pada proses pemotongan (Kalpakjian, 1992)c. Proses AdhesiPada tekanan dan temperatur yang relatif tinggi, permukaan metal yang barusaja terbentuk akan menempel (bersatu seolah-olah dilas) dengan permukaan metalyang lain. Proses adhesi tersebut terjadi disekitar mata potong pada bidang geramdan bidang utama pahat. Dengan demikian permukaan bidang geram dan bidangutama didekat mata potong tidak pernah mengalami gesekan langsung dengan aliranmaterial benda kerja (geram). Kontak hanya mungkin terjadi pada daerah disebelahbelakang daerah penempelan tersebut.Gambar 2.10 Tekanan permukaan ujung pahat pada benda kerja (ASM Handbook,Vol. 16, 1995)

24Karena aliran metal yang kura ng teratur pada kecepatan potong yang rendahdan bila daya adhesi atau afinitas antar material benda kerja dan material pahatcukup kuat maka akan terjadi proses penumpukan lapisan material benda kerja padabidang geram didaerah dekat mata potong. Penumpukan lapisan material tersebutdalam proses permesinan terkenal dengan nama BUE (Built Up Edge) yangmengubah geometri pahat (sudut geram γ o ) karena berfungsi sebagai mata potongyang baru dari pahat yang bersangkutan. BUE merupakan struktur yang dinamik,sebab selama proses pemotongan pada kecepatan potong rendah berlangsung, BUEakan tumbuh dan pada suatu saat lapisan atas atau seluruh BUE akan tergeser atauterkelupas dan berulang dengan proses penumpukan lapisan metal yang baru. BUEyang terkelupas sebagian akan terbawa geram dan sebagian lain akan menempelpada benda kerja pada bidang transien (yang akan terpotong pada langkah/siklusberikutnya) serta pada bidang yang telah terpotong (machined surface). Permukaan(surface finish) akan menjadi lebih kasar dengan adanya penempelan serpihan BUEyang relatif keras tersebut.Gambar 2.11 Plot mekanisme keausan dan daerah pengoperasian yang aman untukproses pemotongan (ASM Handbook, Vol. 16, 1995)

25Ditinjau dari kekerasan permukaan hasil pemotongan, jelas BUE akanmerugikan. Dalam proses pemotongan terputus atau bila getaran cukup besar, padasaat beban kejut terjadi seluruh struktur BUE dapat terkelupas dan akan membawasebagian lapisan terluar material pahat yaitu pada batas butir Martensit (pahat HSS)atau butir Karbida (pahat karbida). Proses pertumbuhan dan pengelupasan BUEtersebut terjadi secara periodik sehingga mata potong pahat akan cepat aus dan padasuatu saat ujung pahat tidak kuat lagi untuk menahan gaya pemotongan yang makinmembesar sehingga terjadi kerusakan fatal. Untuk proses pemotongan dengankecepatan rendah dengan kondisi tanpa beban kejut, BUE akan lebih stabil.Pengelupasan hanya terjadi pada lapisan atas BUE sehingga permukaan pahatjustru akan terlindungi. Jikalau geram mempunyai bentuk serpihan (pemotonganbesi tuang) dengan adanya BUE yang stabil umur pahat akan sangat panjang dan halini kadangkala dimanfaatkan dalam praktek terutama dalam proses permesinan(proses pengasaran) dengan mesin perkakas otomatik dimana ongkos perkakas(tooling cost, termasuk pengasahan atau penyetelan pahat) relatif mahal. Untukgeram yang kontinu, sedapat mungkin proses permesinan direncanakan pada kondisidimana BUE tidak terbentuk, sebab kekasaran permukaan dan keausan karenaabrasi akan menjadi dominan (adanya gerakan relatif atau gesekan metal denganmetal) (Oberg, 2008).d. Proses DifusiPada daerah dimana terjadi pelekatan (adhesi) antara meterial benda kerjadengan pahat dibawah tekanan dan temperatur yang tinggi serta adanya aliran metal(geram dan permukaan terpotong relatif terhadap pahat) akan menyebabkantimbulnya proses difusi. Dalam hal ini terjadi perpindahan atom metal dan karbondari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi rendah.Kecepatan keausan karena proses difusi tergantung pada beberapa faktor, antaralain:a. Daya larut (solubility) dari berbagai fasa dalam struktur pahat terhadapmaterial benda kerjab. Temperatur, danc. Kecepatan aliran metal yang “melarutkan”

26Untuk pahat HSS, atom besi dan karbon terdifusi sehingga butir karbidanyaakan kehilangan pegangan dan terkelupas terbawa oleh gesekan metal benda kerjayang melekat karena adanya tegangan geser yang tinggi. Pada pahat karbida(Cemented Carbide) Cobalt sebagai pengikat butiran karbida akan terdifusi, akantetapi butiran karbida tidak mudah terkelupas. Hal ini disebabkan oleh dua faktor,pertama karena ikatan antara butiran karbida cukup

Berdasarkan gambar teknik, dimana dinyatakan spesifikasi geometrik suatu produk komponen mesin, proses bubut dipilih sebagai suatu proses atau urutan proses yang digunakan untuk membuatnya. Bagi suatu tingkatan proses, ukuran obyektif ditentukan dan pahat harus membuang sebagian material benda kerja sampai ukuran obyektif tersebut dicapai. Hal ini dapat dilaksanakan dengan cara menentukan .