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]