## PENELITIAN EFISIENSI ENERGI PADA MESIN HORIZONTAL BORING & MILLING

## Sony Harbintoro
Balai Besar Logam dan Mesin Kementerian Perindustrian Jl. Sangkuriang 12 Bandung - Jawa Barat Email: sonystrada@yahoo.com

## ABSTRAK
Penelitian  mengenai  efisiensi  energi  pada  mesin horizontal  boring  &  milling telah  dilaksanakan  di workshop pemesinan Metal  Industries  Development  Center Bandung.  Efisiensi  energi  pada  bidang manufaktur  merupakan salah satu faktor penting  dalam proses  mendukung green industry . Penelitian ini  menganalisa  dampak  dari retrofit sistem  kendali  terhadap  penggunaan  energi  listrik  pada  mesin horizontal  boring  &  milling .  Metode  penelitian  efisiensi  penggunaan  daya  listrik  dilaksanakan sebelum  dan  sesudah retrofit pada  sistem  kendali.  Pengukuran  penggunaan  daya  listrik  dilaksanakan pada  saat  mesin  mengerjakan  benda  kerja  dengan  material  yang  sama.  Data  dari  hasil  pengukuran, dianalisis  untuk  mendapatkan  besaran  efisiensi  energi  listrik.  Dari  penelitian  ini  ditampilkan  bahwa setelah  dilakukan retrofit sistem  kendali,  dapat  dicapai  penurunan  penggunaan  energi  listrik  sebesar 21,5%.
Kata Kunci: sistem kendali, efisiensi, energi, horizontal boring & milling

## ABSTRACT
Research on energy efficiency in a horizontal boring and milling machine has been implemented in the machining  workshop  at  Metal  Industries  Development  Center  Bandung.  Energy  efficiency  in  the manufacturing  process  is  one  of  the  important  factors  to  support  the  green  industry.  This  research analyzed the impact of the control system retrofit on the horizontal boring and milling machine for the electric energy consumption. The methods of research  was conducted before and after the retrofit of the control system. Measurements was carried out on the use of electrical power was using the same workpiece material. Data from the experiment was  analyzed to obtain the amount of electrical energy efficiency. This research was shown that, after the control systems retrofit, the reduction about 21.5% of electrical energy can be achieved.
Keywords: control system, eficiency, energy, horizontal boring & milling

## PENDAHULUAN
Mesin horizontal  boring  &  milling merupakan  salah  satu  mesin  perkakas  yang banyak  digunakan  dalam  proses  pemesinan benda  kerja  yang  besar  sehingga  dibutuhkan energi  listrik  yang  besar  untuk  menggerakan mesin  tersebut.  Kapasitas  mesin horizontal boring  &  milling dapat  dilihat  dari  seberapa berat meja mesin tersebut mampu mengerjakan benda  kerja  dan  seberapa  besar  diameter perkakas potong yang dapat dipasang pada quil spindle- nya.
Workshop pemesinan Metal  Industries Development  Center (MIDC)  mempunyai  satu unit mesin horizontal boring & miiling dengan kapasitas  meja  mesin  3  ton  benda  kerja  dan diameter spindle 90  mm.  Mesin  tersebut merupakan  mesin  buatan  tahun  1973  dengan menggunakan sistem kontrol yang tua
sehingga mengakibatkan mesin tersebut menjadi  boros  energi.  Untuk  mendapatkan kinerja  mesin  yang  tetap  optimal  namun pemakaian  energi  listrik  menjadi  lebih  efisien, maka  dilakukan retrofit sistem  kontrol  dengan menambahkan  fitur-fitur  teknologi  baru  pada sistem  kontrol  yang  lama. Sistem retrofit  yang dilakukan  yaitu  mengganti  sistem  kontrol motor-generator operated  drives menjadi variabel speed DC drive. Pengambilan  data penggunaan  energi  pada  mesin  ini  dilakukan sebelum  proses  retrofit  sistem  kontrol  pada tahun  2011  dan  setelah  dilakukan  retrofit sistem  kendali  pada  tahun  2013.  Sasaran  yang dicapai  dari  penelitian  ini  adalah  didapatkan data  penghematan  energi  listrik  dari  mesin horizontal  boring  &  milling di  MIDC  setelah dilakukan  proses retrofit sistim  kontrol/  sistim kendali.  Hasil  dari  penelitian  ini  dapat
digunakan  untuk  mengidentifikasi  tingkat penggunaan  konsumsi  energi  sebagai  data menuju kearah konservasi energi.

## Studi Pustaka
Mesin Horizontal Boring & Milling Mesin horizontal  boring  &  milling merupakan  gabungan  mesin boring dan  mesin milling dengan  konstruksi horizontal .  Mesin horizontal  boring  &  milling merupakan  salah satu  mesin  perkakas  yang  banyak  digunakan dalam  pengerjaan  benda  kerja  berat  seperti engine  frames,  steam  engine  cylinders, machine  housing ,  dll.  Benda  kerja  yang  dapat dikerjakan  pada  mesin horizontal  boring  & milling merupakan  benda  kerja  yang  spesifik yang  tidak  bisa  dikerjakan  pada  mesin  bubut atau mesin drilling . Dengan menggunakan alat bantu  yang  terdapat  pada  mesin  itu,  mesin  ini dapat  difungsikan  sebagai  mesin  bubut,  mesin drilling , face milling atau gear cutting (1) . Pada mesin horizontal boring & milling , benda kerja ditempatkan  pada  meja  sedangkan  perkakas potong/ tools berputar  pada  sumbu horizontal . Dengan tools yang  sesuai,  mesin  dapat melakukan berbagai  operasi pemesinan seperti boring , reaming , turning,  threading,  facing, milling dan grooving .  Gambar  1  berikut  ini menunjukkan  mesin horizontal  boring  & milling .
Gambar 1. Mesin horizontal boring & milling
Tipe  mesin horizontal  boring  & milling dapat  dikategorikan  menjadi  empat yaitu: (a) Table type , (b) Floor type (c), Planer type dan (d) Multiple head type . Bagian-bagian utama  dari  mesin horizontal  boring  &  milling antara lain:
(1) Bed:  bed merupakan  bagian  dari  mesin yang  terpasang  pada  lantai workshop ,  fungsi bed yaitu  menyangga columns ,  meja,  dan bagian lainnya dari mesin.
(2) Headstock  supporting  column :  bagian  ini berfungsi menyangga headstocks dan menuntunnya  dalam  gerakan  naik  turun melalui guide ways pada column .
(3) End  supporting  column :  bagian  ini dipasang  pada bed sebagai  tumpuan boring bar ,  penempatan  bagian  ini  dapat  diatur mendekati atau menjauhi headstock tergantung  pada  seberapa  panjang boring  bar yang digunakan.
(4) Headstocks :  bagian  ini  terletak  pada column dan  dapat  bergerak  naik-turun.  Pada bagian  ini  terdapat spindle untuk  memutar perkakas potong/ tools sedangkan untuk melakukan operasi long drilling dapat digunakan quill yaang dapat bergerak longitudinal . (1)
(5) Saddle dan table : table berfungsi  untuk menempatkan benda kerja yang akan dikerjakan.  Pada table terdapat T-slots untuk pemasangan  baut  pencekam  benda  kerja. Saddle merupakan  bantalan/tumpuan  yang mana table dapat  bergerak transversal atau longitudinal ,  pergerakan table dilaksanakan dengan motor servo .
(6) Boring  bars :  bagian  ini  digunakan  pada saat melakukan operasi memperbesar
lubang/ boring dengan  diameter tools yang besar,  sedangkan  untuk  melakukan  operasi facing  mill langsung  dipasang  pada taper spindle nose . (2)
Ukuran  mesin horizontal  boring  & milling ditentukan oleh seberapa besar diameter spindle (mm),  diameter spindle bervariasi  dari  75  s.d.  355  mm.  Untuk spesifikasi  yang  lebih  lengkap  dapat  dilihat dari  seberapa  besar  daya  motor spindle ,  tinggi columns ,  ukuran table ,  kecepatan  putaran spindle, feeds dan panjang dari feeds , total luas lantai yang diperlukan, berat mesin dll.
Mekanisme mesin horizontal boring & milling yaitu:  (a) headstock dapat  bergerak naik turun dengan digerakan oleh motor servo .
(b) Spindle dapat  memutarkan tools dengan kecepatan  yang  bervariasi digerakan  oleh motor spindle . (c) Quill spindle dapat bergerak masuk  atau  keluar  dengan  digerakan manual atau  motor servo .  (d) Saddle dan table dapat digerakan  arah longitudinal atau transversal dengan  tenaga  motor servo .    Pada  tabel  1
(2) (4) (1) (5)
ditampilkan  harga    kecepatan  potong  mesin horizontal boring & milling Pegard.
Tabel 1. Kecepatan Potong : V (m/min) Material To Be Machined High Speed Steel Tools Carbide Tipped Tools Roughing Finishing Roughing Finishing Cast steel 18 30 80 120 Cast Iron 23 35 80 120 Steel 50 K 35 50 100 220 Steel 70 K 20 35 80 180 Bronze 45 80 250 500 Alumunium Alloys 65 100 150 400

## Efisiensi Energi Mesin Perkakas
Mesin  perkakas  dilengkapi  dengan beberapa motor listrik dan komponen tambahan  yang  memerlukan  konsumsi  energi yang  bervariasi  selama  proses  pemesinan berlangsung.  Energi  listrik  yang  dibutuhkan pada  saat  proses milling yaitu  diantaranya untuk sistim kontrol   motor spindle dan motor pergerakan axis ,    motor  pompa  untuk pendingin pada saat pemakanan ( coolant ), unit pendingin  oli  hidrolik  ( oil  cooler )  dan komponen tambahan/aksesoris yang menggunakan  energi  listrik  seperti  lampu penerangan  mesin  dan  ventilasi  udara  pada lemari sistem kontrol. (3)

## METODOLOGI Benda kerja dan alat yang digunakan
Benda  kerja/objek  yang  digunakan untuk  penelitian  ini  adalah  mesin horizontal boring & milling dengan kapasitas meja 3 ton, diameter spindle 90mm,  buatan  Belgia,  tahun pembuatan  1973. (2) Sedangkan  alat  ukur  yang digunakan  pada  penelitian  ini  yaitu  volt  meter digital ,  ampere  meter,  KWH  meter, clamp meter, power meter dan tools set.

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  merupakan  penelitian eksperimental  dimulai  dengan  melakukan pengamatan  karakteristik  mesin horizontal boring  &  milling dengan  mempelajari manual book  , dan  penelitian  sejenis    yang  telah dilakukan,  melakukan pengambilan data awal pemakaian  energi  listrik  pada  mesin  meliputi data  tegangan  (volt),  besaran  arus  (ampere) dan  daya  listrik  (watt),  melakukan retrofit sistem kelistrikan dan sistem kendali, melakukan pengambilan data akhir, melakukan
analisa  data  dengan  membandingkan  data pengukuran  awal  dan  data  pengukuran  akhir serta menarik kesimpulan.
Berikut  ini  ditampilkan flow  chart dari penelitian yang dilakukan:

## Gambar 2. Diagram alir penelitian yang dilakukan

## HASIL PENELITIAN
Hasil  pelaksanaan  penelitian  yang telah  dilakukan  terhadap  mesin horizontal boring  &  milling di  workshop  MIDC  yaitu meneliti cara kerja sistem kelistrikan khususnya  sistem  kontrol  pada  motor spindle dan motor axis sebelum dan sesudah dilakukan retrofit .  Bagian  sistem  kelistrikan  motor spindle dan motor axis merupakan bagian yang paling besar penggunaan energi listriknya pada mesin  tersebut.  Sistem  kontrol  orisinil  dari mesin horizontal  boring  &  milling ini  yaitu menggunakan sistem motor-generator operated drives dimana  masukan  energi  listrik tegangan  AC  380  volt,  3  phase  digunakan untuk  menggerakan  motor listrik  yang  dikopel dengan  generator  arus  searah  (DC),  generator DC  mengeluarkan  tegangan  listrik  arus  searah
yang digunakan untuk menggerakan motor DC servo ,  untuk  mengatur  kecepatan  motor  DC servo digunakan rheostat /tahanan  muka  yang dapat diubah besaran tahanannya (2) . Berikut ini gambar  dari  sistem  motor-generator operated drives .

## Gambar 3. Sistem motor-generator
Dari  gambar  3,  motor  listrik  akan berputar  dikarenakan  ada  daya  listrik  yang masuk ( power in ), poros dari motor dihubungkan/dikopel  dengan  poros  generator sehingga generator akan berputar dan menghasilkan daya listrik (p ower out ). Pada  mesin horizontal  boring dan milling ini  terdapat  dua  generator  DC  yang difungsikan  sebagai  sumber  tenaga  listrik untuk motor spindle dan motor axis . Gambar 4 adalah sistem motor-generator untuk penggerak motor spindle .
Gambar 4. Sistem motor–generator untuk penggerak motor spindle
Penggerak
motor spindle menggunakan sistem motor – generator dengan kapasitas daya 15 KW, tegangan 380 volt, arus 28  ampere  dan  putaran  nominal  2900  rpm dengan  tipe  vertikal  motor–generator coupled .
Pengaturan  kecepatan  putaran  motor spindle menggunakan dua cara yaitu (1) menggunakan variabel  resistor  yang  diatur  melalui  panel kendali  dan  (2)  secara  manual  menggunakan tuas pengatur transmisi roda gigi.
Motor axis terdiri  atas  dua  motor servo yang  disuplai  dari  satu  set  motor- generator  yang  bekerja  secara  bergantian. Gambar  motor-generator  yang  digunakan untuk  penggerak  motor axis pada  gambar  5  di bawah ini.
Gambar 5. Sistem motor–generator untuk penggerak motor axis
Sumber  tenaga  untuk  motor axis didapat  dari  motor-generator  dengan  kapasitas 5  KW,  tegangan  380  volt  dan  putaran  3470 rpm,  untuk  pengaturan  kecepatan  motor axis hanya  menggunakan  variabel  resistor  yang diatur melalui panel kendali. Motor axis hanya dapat  dijalankan  secara  bergantian  antara motor axis meja  dan  motor axis headstock dengan  perantara magnetic  coupling .  Berikut ini  ditampilkan  skema  diagram  penggerak motor spindle dan motor axis .
Generator Motor Generator Power Out Motor Daya Masuk

## Gambar 6. Skema diagram penggerak motor spindle sebelum retrofit
Gambar 7. Skema diagram penggerak motor axis sebelum retrofit
Pengambilan data dilakukan sebanyak  enam  kali    untuk  mengetahui penggunaan  daya  listrik  pada  mesin
horizontal boring and milling sebelum
dilakukan proses retrofit sistem kelistrikan khususnya  pada  sistem  kendali  didapat data sebagai berikut:
Gambar 8. Data konsumsi daya listrik sebelum retrofit
0.00 1,000.00 2,000.00 3,000.00 4,000.00 5,000.00 6,000.00 7,000.00 8,000.00 9,000.00 10,000.00 I II III IV V VI D ay a (w at t) Pengambilan Data Daya  Phase R
Daya Phase S
Daya Phase T
Proses retrofit sistem kelistrikan dilakukan  pada  bagian  sistem  kendali  motor spindle dan  motor axis .  Sistem  kendali  untuk motor spindle dan  motor  axis  diubah  dari sistem motor-generator operated drives menjadi  sistem  variabel speed DC drives (5) sehingga  sistem  motor-generator  set  tidak  lagi
digunakan,  namun  tetap  menggunakan  motor DC servo yang  lama  ( existing ).  Setelah dilakukan  proses  retrofit  sistem  kelistrikan khususnya  pada  bagian  sistem  kendali  motor spindle dan motor axis maka skema diagramnya  dapat  dilihat  pada  gambar  9  dan 10 di bawah ini.
Gambar 9. Skema diagram sistem kendali motor spindle setelah retrofit
Gambar 10. Skema diagram sistem kendali motor axis setelah retrofit
Pada  skema  diagram  sistem  kendali motor spindle ,  listrik  arus  bolak  balik  yang masuk  ( power  in )  langsung  terhubung  ke drives kemudian  diubah  menjadi  arus  searah dan  dihubungkan  ke  motor  DC spindle .  Pada motor spindle terdapat tacho generator  yang berfungsi memberikan sinyal umpan balik/ feedback kepada drives .  Poros  motor spindle  terhubung  dengan  rangkaian  gigi transmisi  pada  rumah  roda  gigi/ gearbox .
Proses  retrofit  sistem  kendali  pada  motor axis seperti  terlihat  pada  gambar  10  yaitu  dengan menggunakan sistem variabel speed DC drives untuk  menggantikan  sistem  lama  yaitu  sistem motor-generator operated  drives .  Pada  sistem
variabel speed DC drives tidak lagi menggunakan  motor-generator sebagai sumber tenaga  listrik    untuk  penggerak  motor axis namun arus listrik tiga phase  dari PLN diubah oleh  DC drives menjadi  arus  searah  DC sehingga  dapat  dihubungkan  dengan  motor axis yang merupakan motor DC servo .
Pengambilan  data  dilakukan  sebanyak enam  kali untuk  mengetahui penggunaan  daya listrik pada  mesin horizontal boring  & milling setelah  dilakukan  proses retrofit sistem kelistrikan  khususnya  pada  sistem  kendali. Data  yang  didapat  dapat  dilihat  pada  gambar dibawah ini.
Gambar 11. Data konsumsi daya listrik setelah retrofit

## PEMBAHASAN
Dari hasil pengambilan data penggunaan daya listrik pada mesin horizontal boring  &  milling setelah  dilakukan  proses retrofit sistem  kelistrikan  khususnya  sistem kendali  motor spindle dan  motor axis dapat dilihat  adanya  penurunan  konsumsi  daya listrik.  Pengukuran  yang  dilakukan  pada kondisi  motor  listrik  yang  bekerja  yaitu  motor sp indle ,  motor axis Z,  motor  hidrolik  dan motor cooling  fan untuk  spindle,    dengan kondisi  yang  sama,  hasil  pengukuran  jumlah penggunaan daya listrik dapat dibandingkan. (6)
Di  bawah  ini  ditampilkan  gambar proses  pemesinan  pada  mesin horizontal boring & milling.
Gambar 12. Proses pemesinan pada mesin horizontal boring & milling.
Dari hasil pengukuran terhadap konsumsi daya listrik setelah dilakukan retrofit sistem  kelistrikan  khususnya  sistem  kendali, didapat  penurunan  konsumsi  daya  listrik  per phasa,  hal  ini  diakibatkan  dari  perubahan sistem kendali yang asalnya dari sistem motor- generator operated  drives menjadi  sistem variable speed DC drives .  Dari  hasil pengukuran  konsumsi  daya  listrik  per  phase didapat  prosentase  penurunan  konsumsi  daya listrik dari setiap phase. Penurunan daya listrik setelah dilakukan proses retrofit sistem kendali yaitu untuk (1) phase R penurunannya sebesar 30%;  (2) phase S penurunan sebesar 29% dan (3)  phase  T  penurunan  sebesar  19%.  Pada phase  T  penurunan  daya  listrik  yang  terjadi tidak  sebesar  pada  phase  R  maupun  S disebabkan  adanya  beberapa  komponen  listrik 1  phase  yang  terhubung  ke  phase  T. Komponen listrik 1 phase yang terhubung pada phase  T  yaitu  diantaranya,  sistem  lampu penerangan  mesin,  transformator  untuk  sistem DC eksitasi motor servo spindle dan servo axis serta transformator untuk magnetic  coupling . Rata-rata  Penurunan  konsumsi  daya  listrik setelah  dilakukan  proses  retrofit  pada  sistem kelistrikan  lama  khususnya  pada  sistem kendali  motor spindle dan  motor axis yaitu sebesar  21,5%.  Hal  ini  sejalan  dengan penelitian  yang  telah  dilakukan  oleh  Bosch Rexroth  yang  menyatakan  bahwa  perubahan
0.00 1,000.00 2,000.00 3,000.00 4,000.00 5,000.00 6,000.00 7,000.00 8,000.00 9,000.00 I II III IV V VI D a ya ( w a tt ) Pengambilan Data Daya Phase R Daya Phase S
Daya Phase T
motor-generator operated drives dengan sistem variable  speed  DC  drives dapat  menghemat energi hingga mencapai 50%. (7)

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  penelitian  mengenai  efisiensi energi pada mesin horizontal boring & milling yang  terdapat  di workshop pemesinan  MIDC, dapat  ditunjukan  bahwa  setelah  dilakukan proses  retrofit  pada  sistem  kendali,  dapat dicapai  penurunan  konsumsi  daya  listrik  total sebesar 21,5%.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan syukur
alhamdulillah  kepada  Allah  SWT.  Ucapan terima  kasih  kepada  bapak  Agus  Supriatna, yang telah membantu dalam proses pengumpulan  data,  bapak  Ir.  Hafid,  MT.  yang telah  memberikan  pengarahan  pada  saat penelitian,  ibu  Dewi  Apriliani  dan  ibu  Mila yang  telah  membantu    pada  saat  penyusunan karya tulis ilmiah.

## DAFTAR PUSTAKA
Bosch Rexroth AG. 2008. Energy Efficiency in
Machine Tools . Dietmair, A., Verla. 2009. Energy Consumption Forecasting and Optimization for Tool Machines, Modern Machines Science Journal.
F.  Draganescu,  M.  Gheorghe,  C.V.  Doicin,
2002. Models of Machine Tools Efficiency and Specific Consumed
Energy ,  Journal  of  Materials  Processing
Technology 141 (2003) 9-15.
Heidenhain. 2010. Aspect of Energy Efficiency in Machine Tools.
Pegard  S.A..  1973. Operation  and  Service Manual Book . Belgium.
S.K. Hajra Choudhury, A.K. Hajra Choudhury, Nirjhar Roy. 2006, Element of Workshop
Technology  Vol.  II  Machine  Tools . Mumbai: Media Promoteurs & Publishers. Siemens. 2007. Simoreg DC-Master, Operation Instruction .