Sari, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 1  (Januari  2023) Hal. 40-46

## Pengaruh Variasi Kecepatan Pemakanan (Feed Rate) terhadap Gaya Potong Proses Gurdi dengan Material Aluminium
Fitria Nofita Sari a , Agus Susanto a,* , Wida Yuliar Rezika a , Josia Adya Putra a , Muhammad Adhi Maulana a a Prodi Teknik Perkeretaapian, Jurusan Teknik, Politeknik Negeri Madiun
Kampus 2, Jl. Ring Road Barat, Winongo, Kec. Manguharjo, Kota madiun, Jawa Timur 63162 *E-mail: agus_eng.dept@pnm.ac.id

## Abstract
Drilling process is one of the important machining processes for making holes in the workpiece using a  drill  bit.  During  the  drilling  process,  the  workpiece  are  generated  a  cutting  forces.  Cutting  forces that are influenced by several parameters including type of material, cutting speed, tool geometry, feed rate,  and  the  cooling  method.  Cutting  forces  are  one  of  the  most  parameters  that  can  be  used  to monitor  the  drilling  conditions,  avoid  cutting  tool  damage,  and  improve  the  quality  of  the  drill  hole results.  This  article  discusses  the  effect  of  feed  rate  variations  on  the  cutting  forces.  Finite  Element Method (FEM) are used for analyzing the cuting force in drilling of Aluminum using carbide cutting tool.  The results show that the greater the value of the feed rate,  the greater the value of the cutting force. So can be concluded that the feed rate affects the cutting force.
Keywords: cutting force; drilling process; feed rate variations; finite element method

## Abstrak
Proses gurdi merupakan salah satu proses pemesinan yang penting untuk membuat lubang pada benda kerja  dengan  menggunakan  mata  bor.  Selama  proses  gurdi,  benda  kerja  menghasilkan  gaya  potong. Gaya  potong  dipengaruhi  oleh  beberapa  parameter  antara  lain  jenis  material,  kecepatan  potong, geometri  pahat,  kecepatan  pemakanan,  dan  metode  pendinginan.  Gaya  potong  merupakan  salah  satu parameter  yang  dapat  digunakan  untuk  memantau  kondisi  dari  proses  gurdi,  menghindari  kerusakan pahat,  dan  meningkatkan  kualitas  lubang  hasil  penggurdian.  Artikel  ini  membahas  pengaruh  variasi kecepatan  pemakanan  ( feed  rate )  terhadap  gaya  potong. Finite  Element  Method (FEM)  digunakan untuk  menganalisis  gaya  potong  pada  penggurdian  Aluminium  menggunakan  pahat  karbida.  Hasil penelitian  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  nilai feed  rate maka  semakin  besar  pula  nilai  gaya potong. Jadi dapat disimpulkan bahwa feed rate mempengaruhi gaya potong.
Kata kunci: gaya potong; metode elemen hingga; proses gurdi; variasi kecepatan pemakanan

## 1. Pendahuluan
Pemesinan  adalah  bagian  utama  dari  pengerjaan  logam  yang  memegang  peranan  penting,  dimana  proses pemesinan  ini  akan  mungkin  menjadi  proses  terakhir  ( finishing  step )  dalam  rantai  proses  manufaktur.  Pentingnya proses  pemesinan  dalam  sistem  manufaktur  modern  semakin  meningkat,  dikarenakan  kebutuhan  untuk meningkatkan  kinerja  teknologi  operasi  pemesinan  yang  dapat  dinilai  dari  suhu  pemotongan,  gaya  potong,  umur pahat,  dan  permukaan  akhir  dari  proses  pemesinan  [1].  Diantara  banyak  proses  pemesinan  yang  ada,  proses penggurdian ( drilling ) menjadi salah satu proses yang banyak dilakukan.
Penggurdian  adalah  proses  pemotongan  untuk  membuat  lubang  penampang  melingkar  dengan  menggunakan mata bor dan merupakan salah satu proses pemesinan penting yang memiliki aplikasi yang luas [2]. Selama proses gurdi berlangsung, benda kerja atau material menghasilkan gaya potong yang merupakan salah satu parameter yang digunakan untuk memantau kondisi proses pemesinan dan menganalisis konsumsi daya potong selama proses gurdi. Gaya  potong  umumnya  dipengaruhi  oleh  beberapa  parameter  diantaranya  adalah  jenis  material,  kecepatan  potong ( cutting  speed ),  kedalaman  pemotongan  ( depth  of  cut ),  geometri  pahat,  kecepatan  makan  ( feed  rate )  dan pendinginan benda kerja [3]. Gaya potong proses gurdi terurai menjadi komponen gaya tangensial ( F y ), gaya radial ( radial force ) ( F x ), dan gaya dorong ( thrust force ) ( F z ).  Selain melalui pengukuran, gaya potong ini dapat diprediksi agar  dapat  digunakan  untuk  mengoptimalkan  proses  gurdi,  meningkatkan  kualitas  hasil  gurdi,  dan  mengetahui keausan  pahat. Data-data  mengenai  proses  pemesinan  termasuk  gaya  potong  tidak  dapat  ditransfer  dari  mesin  ke mesin,  sehingga  setiap  pengguna  harus  memiliki  data  proses  pemesinannya  masing-masing.  Oleh  karena  itu  perlu dilakukan simulasi proses pemesinan guna  memprediksi gaya potong. Ni et al. [4] menyatakan bahwa penurunan feed rate dan peningkatan cutting speed akan mengurangi gaya potong dan torsi. Yasar et al. [5] menyatakan bahwa parameter proses gurdi yaitu cutting speed dan feed rate sangat berpengaruh terhadap peningkat thrust force . Ahmed [6] menyatakan bahwa peningkatan feed rate dan cutting speed akan meningkatkan thrust force dan torsi. Susanto et
Sari, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 1  (Januari  2023) Hal. 40-46
al  [7] mengamati  pengaruh  parameter  proses  pemesinan  terhadap  gaya  potong  temperatur,  dan power pada proses bubut menggunakan Finite Element Method (FEM).
Tujuan dari penelitian ini adalah mensimulasikan gaya potong proses gurdi akibat perubahan feed rate dengan menggunakan Metode Elemen Hingga ( Finite Element Method ).

## 2. Material dan metode penelitian
A. Material Benda Kerja dan Drill Bit
Material  benda  kerja  yang  digunakan  adalah  aluminium.  Aluminium  adalah  logam  melimpah  yang dalam  pengaplikasiannya  cukup  luas  digunakan  nyaris  di  semua  aspek  kehidupan,  contohnya  aluminium digunakan  dalam  industri  penerbangan  ( aircraft ),  industri  perkeretaapian,  bahan  pembuatan  alat  medis. Material drill bit yang digunakan adalah carbide dengan diameter 8 mm. Spesifikasi material aluminium dapat dilihat pada Tabel 1 , dan spesifikasi material carbide dapat dilihat pada Tabel 2 .
Tabel 1 . Karakteristik Material Aluminium Sifat – sifat Aluminium Struktur kristal FCC Densitas pada 20 o C 2.698 10 3 kg/m 3 Titik cair 660.1 o C Konduktifitas panas 20 o ~400 o C 238 W/m · K Modulus elastisitas 70.5 GPa Kekakuan 26.0 GPa Tabel 2 . Karakteristik Material Carbide Sifat – sifat Carbide Struktur kristal Hexagonal Densitas 15.7 g/cm 3 Titik cair 2785 o C Konduktifitas panas 85 W/m · K Tensile strength 350 MPa Kekakuan 530-700 MPa

## B. Proses Gurdi dan Persamaan Gaya Potong
Proses  gurdi  dimaksudkan  sebagai  proses  pembuatan  lubang  bulat  dengan  menggunakan  mata  bor ( twist  drill ).  Ketika  proses  gurdi  berlangsung,  beram  dapat  keluar  melalui  galur  pahat.  Selama  proses  gurdi, terdapat banyak parameter yang terlibat, seperti yang terlihat pada Gambar 1 . Berdasarkan Gambar 1 , pahat dengan  diameter  ( d ),  gerak  makan  ( f ),  dan  kedalaman  potong  ( a )  untuk  melubangi  benda  kerja  dengan ketebalan ℓ w . Hasil langsung dari proses ini adalah beram ( chip ) dengan lebar beram ( b ) yang mana beram ini dapat  diorientasikan  pada Gambar  1 tersebut.  Terlihat  bahwa  beram  juga  mempunyai  ketebalan  sebelum terpotong ( uncut chip thickness ) ( h ) dan ketebalan saat terpotong ( chip thickness ) ( h c ).
Sari, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 1  (Januari  2023) Hal. 40-46
Gambar 1 . Parameter proses gurdi dan orientasi chip saat memotong benda kerja
Berdasarkan parameter-parameter tersebut, elemen proses gurdi dapat ditemukan diantaranya [8];
Kecepatan potong ( v c )
; m/min (1)
kecepatan pemakanan
; mm/min (2)
dimana z adalah mata pahat ( cutting edges ) dengan jumlah 2 mata pahat.
waktu pemotongan
; min (3) kecepatan penghasilan geram ; cm 3 /min (4)
Selain itu, parameter dan elemen proses gurdi tersebut juga menentukan gaya potong yang merupakan salah  satu  indikator  kinerja  pemesinan  yang  paling  penting.  Secara  teknis,  gaya  potong  mewakili  aksi pemotongan  material  benda  kerja  ketika  bersentuhan  dengan cutting  edge ,  dan  juga  menggambarkan  jumlah daya yang dikonsumsi dan energi yang dibutuhkan untuk memotong bahan dan geometri yang diinginkan [9]. Representasi generik dari komponen gaya potong dapat dilihat pada Gambar 2 . Gaya tersebut terurai menjadi komponen gaya tangensial ( F y ), gaya radial ( radial force ) ( F x ), dan gaya dorong ( thrust force ) ( F z ).
Sari, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 1  (Januari  2023) Hal. 40-46
Gambar 2 . Komponen gaya potong yang terjadi selama proses gurdi
Rumus gaya tangensial yaitu [8];
; N (6) dimana Fv = gaya potong, dengan persamaan = ;N (7) F α
= gaya gesek pada bidang utama, tergantung pada gaya gesek spesifik persatuan panjang aktif mata potong  ( k f ;  N/mm)  yang  dipengaruhi  oleh  geometri  pahat,  benda  kerja,  cairan  pendingin,  dan  kondisi pemotongan.
= ; N (8) maka, + ; N (9)
Momen torsi yang diperlukan untuk memutar pahat gurdi adalah,
; N mm (10) Gaya dorong ( thrust force ) yang diperlukan supaya proses pemakanan berlangsung adalah,
; N (11)
dimana,
F z = gaya dorong ( thrust force ) total untuk dua mata potong ; N,
F f = gaya pemakanan, seperti halnya dalam proses membubut
= ; N (12)
Sari, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 1  (Januari  2023) Hal. 40-46
F α n = gaya normal pada bidang utama, tergantung pada gaya normal spesifik persatuan panjang aktif mata potong  ( k n ;  N/mm)  yang  dipengaruhi  oleh  jenis  geometri  pahat,  benda  kerja,  cairan  pendingin  dan  kondisi pemotongan.
= ; N (13) F e
= gaya ekstruksi diujung pahat gurdi, sesuai dengan penampang diameter inti d i dari hasil percobaan umumnya berharga sekitar 50% s.d. 55% dari gaya tekan total ; N
Oleh sebab itu,
; N (14)
C. Finite Element Method (FEM)
Simulasi pemodelan proses gurdi ( drilling ) dilakukan dengan menggunakan Metode Elemen Hingga ( Finite Element Method (FEM)). Pemodelan dilakukan dengan menginputkan geometri pahat dan benda kerja pada perangkat lunak berbasis Einite Element Method . Pada simulasi ini twist drill dimodelkan sebagai rigid body .  Kontak  dan  parameter  gesekan  antar  pahat  dan  benda  kerja  dipengaruhi  oleh  sejumlah  faktor  seperti cutting  speed , feed  rate ,  geometri  dan  sifat  permukaan  sebagaimana  yang  dijelaskan  sebelumnya.  Pada simulasi  ini  digunakan  koefisien  gesekan  konstan  sebesar  0,3.  Interaksi  antara  benda  kerja  dan  pahat dimodelkan dengan menggunakan kontak surface-surface kinematic seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4 .  Simulasi  dilakukan  dalam  tiga  variasi.  Variasi  ke-1  dengan cutting  speed 100  m/min  dan feed  rate 0,02 mm/rev. Variasi ke-2 dengan cutting speed 100 m/min dan feed rate 0,06 mm/rev. Variasi ke-3 dengan cutting speed 100 m/min dan feed rate 0,09 mm/rev sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 3 .
Gambar 4 . Tampilan simulasi dari proses gurdi
Tabel 3 . Parameter proses yang digunakan dalam simulasi
Parameter Simbol Variasi 1 2 3 Cutting Speed V (m/min) 100 100 100 Feed Rate f (mm/rev) 0,02 0,06 0,09 Feeding Speed V f (mm/min) 159,2 477,7 716,5

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  gaya  potong  dari  proses  gurdi  dapat  dilihat  pada Gambar  5(a) yang  menampilkan  proses simulasi proses gurdi dengan menggunakan Finite Element Method (FEM). Sedangkan Gambar 5(b) menunjukkan grafik  gaya  potong  dari  hasil  simulasi  proses  gurdi  variasi  ke-1.  Didapatkan  hasil thrust  force ( Fz )  maksimum sekitar 800 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 750 N, dan radial force ( Fx ) maksimum sekitar 200 N.
(a)
(b)
Gambar 5(a) , tampilan simulasi variasi ke-1. Sedangkan Gambar 5(b) , Grafik gaya potong hasil simulasi variasi ke-1
Hasil  simulasi  gaya  potong  dari  proses  gurdi  dapat  dilihat  pada Gambar  6(a) yang  menampilkan  proses simulasi proses gurdi dengan menggunakan Finite Element Method (FEM). Sedangkan Gambar 6(b) menunjukkan grafik  gaya  potong  dari  hasil  simulasi  proses  gurdi  variasi  ke-2.  Didapatkan  hasil thrust  force ( Fz )  maksimum sekitar 1500 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 1750 N, dan radial force ( Fx ) maksimum sekitar 400 N.
(a) (b)
Gambar 6(a) , tampilan simulasi variasi ke-2. Sedangkan Gambar 6(b) , grafik gaya potong hasil simulasi variasi ke-2
Hasil  simulasi  gaya  potong  dari  proses  gurdi  dapat  dilihat  pada Gambar  7(a) yang  menampilkan  proses simulasi proses gurdi dengan menggunakan Finite Element Method (FEM). Sedangkan Gambar 7(b) menunjukkan grafik  gaya  potong  dari  hasil  simulasi  proses  gurdi  variasi  ke-3.  Didapatkan  hasil thrust  force ( Fz )  maksimum sekitar 2500 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 2250 N, dan radial force ( Fx ) maksimum sekitar 800 N.
(a)
(b)
Gambar 7(a) , tampilan simulasi variasi ke-3. Sedangkan Gambar 7(b) , grafik gaya potong hasil simulasi variasi ke-3
Dari ketiga variasi simulasi dapat dilihat bahwa peningkatan nilai feed rate dari 0,02; 0,06; 0,09 mm/rev akan meningkatkan  nilai  gaya  potong  pada  proses  gurdi.  Kemudian  nilai thrust  force memiliki  nilai  paling  tinggi dibandingkan nilai tangensial  force dan radial  force .  Hal  tersebut  dikarenakan thrust  force dipengaruhi  oleh  gaya makan  (gaya  makan  dipengaruhi  oleh feed  rate ),  gaya  gesek,  dan  gaya  ekstruksi.  sebagaimana  dapat  dilihat  pada persamaan 11.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  simulasi  tersebut  disimpulkan  bahwa  peningkatan  nilai feed  rate akan  meningkatkan  gaya potong proses gurdi. Dengan hasil simulasi proses gurdi variasi ke-1 didapatkan  nilai thrust force ( Fz ) maksimum sekitar 800 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 750 N, dan radial force ( Fx ) maksimum sekitar 200 N. Hasil simulasi proses gurdi variasi ke-2 didapatkan nilai thrust force ( Fz ) maksimum sekitar 1500 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 1750 N, dan radial force ( Fx ) maksimum sekitar 400 N. Hasil simulasi proses gurdi variasi ke-3 didapatkan nilai thrust force ( Fz ) maksimum sekitar 2500 N, tangensial force ( Fy ) maksimum sekitar 2250 N, dan radial  force ( Fx )  maksimum  sekitar  800  N.  Dapat  dilihat  bahwa  thrust  force  memiliki  nilai  yang  paling  tinggi dibandingkan tangensial force dan radial force. Hal tersebut dikarenakan thrust force dipengaruhi oleh gaya makan (gaya  makan  dipengaruhi  oleh feed  rate ),  gaya  gesek,  dan  gaya  ekstruksi.  Sebagaimana  dapat  dilihat  pada persamaan 11.

## Daftar Pustaka
[1]  G.  S.  Uttam,  G.  D.  Sonawane,  A.  D.  More,  and  B.  J.  Vispute,  “A  Review  on  Machining  Process  and  Cooling Techniques in Machining: Milling and Cutting Operation,” Int. J. Curr. Res. , vol. 7, no. 04, Apr. 2015.
[2]  J. S. Subramanian et al. , “Study on Drilling Process Parameters - Review,” Int. J. Eng. Res. Technol. IJERT , vol. 6, no. 07, 2018.
[3]  F. Ridwan and R. Harvendri, “Perancangan Dinamometer untuk Mengukur Gaya Potong pada Mesin Freis untuk Pemesinan Material Fiber Reinforced Polymer,” Met. J. Sist. Mek. Dan Termal , vol. 4, Apr. 2020.
[4]  J. Ni et al. , “Effect of Drilling Parameters on Machining Performance in Drilling Polytetrafluoroethylene,” Mater. 2022 , vol. 15, no. 19, 2022.
[5]  N.  Yasar,  M.  Boy,  and  M.  Gunay,  “The  Effect  of  Drilling  Parameters  for  Surface  Roughness  in  Drilling  of AA7075 Alloy,” MATEC Web Conf. , vol. 112, 2017, doi: 10.1051/matecconf/201711201018.
[6]  N. Ahmed, “Effect of Changing Drilling Parameters on Thrust Force and Torque,” Middle-East J. Sci. Res. , vol. 21, no. 2, pp. 347–352, 2014, doi: 10.5829/idosi.mejsr.2014.21.02.2008.
[7]  A.  Susanto,  H.  Arrosida,  M. F.  Subkhan,  A.  C.  Arifin,  and  M.  Azka,  “Hubungan  Parameter  Pemesinan  terhadap Gaya Potong, Temperatur, dan Power pada Proses Bubut Inconel 718,” vol. 24, no. 3, pp. 43–49, 2022.
[8]  T. Rochim, Teori & Teknologi Proses Pemesinan . 1993.
[9]  S. Pervaiz, S. Kannan, and A. Subramaniam, “Optimization of Cutting Process Parameters in Inclined Drilling of Inconel 718 Using Finite Element Method and Taguchi Analysis,” MDPI , 2020, doi: 10.3390/ma13183995.