## ANALISIS TEGANGAN PAHAT BUBUT PADA PROSES PERAUTAN POROS MODEL PROPELLER
On The Stress Analysis of A Chisel in a Propeller Model Shaft Lathing
Suyadi, Wibowo H. Nugroho
UPT-Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika, BPPT suyadi1suyadi@gmail.com
Diterima: 1 Nopember 2013; Direvisi: 27 Nopember 2013; Disetujui: 16 Desember 2013

## Abstrak
Proses  pembubutan  dalam  pembuatan  poros  model  baling  –  baling  kapal  merupakan  pekerjaan  yang  rutin dilakukan  di  UPT  –  BPPH.  Pekerjaan  utama  dalam    proses  ini  memerlukan    penggunaan  pahat  mata  potong standar  (  Hight  Speed  Steel  ),    oleh  sebab  itu  kajian  teknis    tentang    besarnya  gaya  pemotongan  sangat diperlukan  dalam    memprediksi  umur    pakai  mata  pahat  tersebut.  Untuk  mendapatkan  umur  pakai  dari  mata pahat  tersebut    dilakukan    analisa  pada  proses  pemotongan  dengan  menggunakan  pahat  mata  potong  standar (HSS/AISI  1020)  dimana    variabel  yang  dipilih  dalam  proses  pemesinan  ini  berupa    putaran  mesin  yang merupakan  parameter  sangat  berpengaruh  terhadap  perubahan  gaya,torsi  dan  tegangan.  Hasil  penelitian  ini menunjukkan bahwa    untuk proses perautan pada    putaran mesin 300 rpm dan 400 rpm mata pahat beroperasi pada kondisi normal sedangkan pada    putaran mesin 500 rpm mata pahat beroperasi pada kondisi ekstrim dimana tegangan yang dihasilkan sebesar    31,5 Ksi dan umur pakai    pahat 139 hari    operasional pahat bubut atau 6,3 bulan kalender,.
Kata kunci : Gaya, torsi, tegangan , poros model propeller, mata pahat

## Abstract
A process of machining in the manufacture of shaft for a ship-model propeller is routine at UPT - BPPH. This cutting  process  requires  the  use  of  standard  tool  bit  HSS  (High  Speed  Steel),  and  therefore  a  technical assessment of the  magnitude  of the  cutting force is needed in predicting  the  service  life of  the  tool  bit.  The analysis  of  the  cutting  process  is  conducted  by  using  tool  bit  standard  (HSS  /  AISI  1020  )  in  which  the variables selected based on the machine speed. These variables are  very influential parameter  in related to the force , torques and working stresses . The results of this study indicate that for the cutting at the speed of 300  rpm  and  400  rpm  tool  bit  operating  at  normal  conditions  while  at  the  speed  of  500  rpm  the  tool  bit operating at extreme conditions. At this condition the working stresses on the tool bit shows at 31.5 Ksi and the lifespan are lasting    for 139 working days or 6.3 months of calendar.,
,.
Key words : Force, toque, stress, propeller model shaft, tool bit

## PENDAHULUAN
Setiap  fasilitas  work  shop  di  Unit  Pelaksana  Teknis Balai  pengkajian  dan  Penelitian  Hidrodinamika Surabaya (UPT-BPPH) dilengkapi mesin bubut yang berfungsi  untuk  menyayat  permukaan    logam dengan  bentuk-bentuk  silinder  lurus,  silinder bertingkat,  silinder  tirus  dan  pembentukan  ulir  luar maupun  ulir  dalam  dan  Pembuatan  poros  model
baling – baling yang merupakan    fungsi utama dari pelaksanaan  model  uji  „ self  propulsion  test’  dan ‘ free running seakeeping test’ .
Untuk  menyayat  logam  tersebut  diperlukan  pahat bubut, dimana pahat bubut yang mempunyai dimensi geometrik  /bentuk  sudut-sudut  tertentu  yang  dapat menghasilkan permukaan yang halus pada permukaan  benda  kerja  (model  poros  propeller). Poros propeller    berfungsi untuk memindahkan atau
meneruskan  tenaga  dari  transmisi  ke  propeller sehingga  propeller  bisa  berputar.  poros  propeller dibuat  dari    pipa  baja  atau  stainlees  stell  yang memiliki  ketahanan  terhadap  gaya  puntiran  atau bengkok. Pada umumnya poros propeller    terdiri dari satu  pipa  yang  mempunyai  dua  penghubung  yang terpasang pada kedua ujung berbentuk universal joint. Dimana  universal  joint  berfungsi  untuk  meredam perubahan sudut dan untuk melembutkan perpindahan  tenaga.Oleh  sebab  itu  poros  propeller harus  dibuat  halus  dan  ketelitian  tinggi    sesuai dengan Standart Nasional (SN) dan ISO (Internasiona Standard  Organisation)    untuk  mengurangi  geskan dengan  stern  tube  yang  berfungsi  sebagai  bantalan luncur.

## Gambar 1 Perautan poros propeller
Pada gambar.1 proses perautan poros propeller dengan menggunakan  pahat  bubut  ,dimana  pada  timbul Gaya-gaya  yang  bekerja  pada  proses  pemotongan seperti diperlihatkan Gambar.2
Gambar.2: Lingkaran Gaya Pemotongan    atau Lingkaran Merchant, (Taufiq R, 1993)
yaitu gaya pemotongan (cutting force)F v , dimana gaya ini  diperlukan  untuk  proses  pemotongan.  Gaya dorong kebawah  (trust  force),  F t ,  bekerja  pada  garis normal  terhadap  kecepatan  potong  yaitu  tegak  lurus terhadap benda kerja. Kedua gaya tersebut membentuk resultan  gaya  pada  ujung  pahat  bubut,  maka    perlu dianalisa  untuk  mengetahui  besarnya  tegangan  yang terjadi  untuk  mengetahui  batas  operasional  pahat bubut  ,agar  bekerja  dengan  aman  sehingga  kerusakan pada  ujung  pahat  bubut  dan  pahat  bubut    menjadi patah dapat terhindarkan.

## DASAR TEORI
Poros  propeller  merupakan  salah  satu  bagian terpenting  dari  instalasi  penggerak  kapal.  Putaran mesin ditransmisikan ke propeller melalui poros, maka poros  sangat  mempengaruhi  kerja  mesin  bila  terjadi kerusakan.  Untuk  mengurangi  terjadinya  kerugian gesekan  antara  model  poros  propeller  dan  bantalan luncur      ( stern tube) maka pemukaan poros propeller harus  dibuat  halus,Sesuai  dengan  Standart  Nasional (SN)  258440  dan  standart  ISO/R  286  (  Internasional Standard  Organisation).  Pada  standart  Nasional  untuk mengetahui  hasil  perautan  model  poros  propeller dengan menggunakan mesin bubut mempunyai bentuk halus,menengah  dan  kasar,seperti  dipresentasikan Tabel  1.  Pada  pengamatan  dilapangan  pembuatan model  poros  propeller  panjang  antara  60cm  –  70cm maka  untuk  mendapatkan  permukaan  yang  halus toleransi pengukuran    ±0,3mm. ( Tabel 1 )
Tabel .1 Toleransi Umum    Standart Nasional (SN) 258440 Untuk Ukuran Panjang Poros, (Anton CN, 2012)
Tingkat Ketelitian Ukuran nominal (cm) 12 - 40 40 - 100 100 - 200 Penyimpangan (mm) Halus ±    0,2 ±      0,3 ±    0,5 Menengah ±    0,5 ±      0,8 ±    1,2 Kasar ±    1,2 ±      2 ±      3
Pada standar internasional yaitu ISO (Internasional Standard  Organisatioan)  adalah  suatu  badan  yang menentukan masalahstandarisasi,yang menentukan dan mengembangkan suatu standar toleransi. Dalam suaian basis poros selalu dinyatakan dengan “h”,ukuran batas poros selalu sama dengan ukuran nominal.
Tabel .2 Toleransi standar internasional ISO    R /286 Untuk ukuran diameter poros    (Anton CN ,2012) Simbol Ukuran Nominal (mm) 18 - 30 30 - 50 50 - 65 h6 - 0,013 -0,016 -0,019 h7 -0,021 -0,025 -0,030 h8 -0,033 -0,039 -0,046 h9 -0,052 -0,062 -0,074
Tanda  minus  yang  ditunjukakan  pada  Tabel  2.  Itu berarti  ukuran  dimeter  poros  selalu  dibawah  ukuran diameter nominal . proses  pemotongan  dengan  menggunakan  pahat mata potong standar  AISI,  HSS /1020 (The American Iron  &  steel  Institue).  Variabel  yang  dipilih  dalam proses perautan ini adalah putaran mesin, gerak makan dan kedalaman potong karena variabelvariabel tersebut
( Suyadi dan Wibowo H. Nugroho )
sangat  berpengaruh  terhadap  perubahan  gaya  potong (F v )
Gaya  yang bekerja pada proses pemotongan  dapat dilihat  pada  gambar.2  Gaya  pemotongan  (cutting force), F v Meskipun  gaya-gaya  yang  terjadi  pada  proses pemotongan  adalah  hanya  beberapa  ratus  Newton namun  gaya  tersebut  dapat  menyebabkan  tegangan local  yang  sangat  besar  pada  pahat  potong  karena kontak  areanya  sangat  kecil,  dimana  panjang kontaknya rata-rata sekitar 1  mm (0,04 in). Hal  inilah yang  menyebabkan  tegangan  yang  besar  dan mengakibatkan kerusakan pada pisau potong. Suatu  analisis  mekanisme  pembentukan  geram  yang dikemukakan  oleh  Merchant  mendasarkan  teorinya atas  model  pemotongan  sistem  tegak  ( orthogonal system ).  Tergantung  dengan  cara  penguraiannya  gaya dibagi menjadi tiga macam, yaitu :
Gaya total (F), ditinjau dari proses deformasi material, dapat diuraikan menjadi dua komponen, yaitu :
F s: Gaya  geser  yang  mendeformasikan  material  pada
bidang geser sehingga melampaui batas elastic
F sn: Gaya normal pada bidang geser yang menyebabkan pahat tetap menempel pada benda kerja(N).
F v : Gaya potong, searah dengan kecepatan potong
F f : Gaya makan, searah dengan kecepatan makan Gaya total (F)  yang beraksi pada bidang  geram (A  , face ,  bidang  pada  pahat  dimana  geram  mengalir) diuraikan  menjadi  dua  komponen  untuk  menentukan koefisien gesek geram terhadap pahat, yaitu :
F  : Gaya gesek pada bidang geram
F  n : Gaya normal pada bidang geram Karena  berasal  dari  satu  gaya  yang  sama  mereka dapat dilukiskan pada suatu lingkaran dengan diameter yang  sama  dengan  gaya  total  (F),  seperti  Gambar.3. Lingkaran tersebut digambarkan persis di  ujung pahat sedemikian rupa sehingga semua komponen menempati  lokasi  seperti  yang  dimaksud.  Gambar  ini merupakan sistem gaya pada pemotongan orthogonal Dari  gambar.2  dapat  dicari  besarnya  sudut  geser  (ɸ) dan  sudut  gesek  (η),  dapat  dihitung,  sedangkan besarnya sudut side rake angel pahat bubut (  ᵞₒ ) dapat ditentukan  pada  Gambar  .3  Geometri  pahat  bubut.  ini bertujuan  untuk  mencari  besarnya  resultan  gaya /resultan tegangan yang terjadi pada pahat bubut.
F = F v / Cos (η- ᵞₒ)                              (1)
F s = F v . Cos ɸ                                        (2)
F sn = F v . Sin (η- ᵞₒ)                                (3)
Tan ɸ = Cos ᵞₒ /rc - sinᵞₒ                        (4) dimana : ɸ = Sudut geser(.º) ᵞₒ = Sudut side rake angel pahat bubut(.º) rc= Rasio pemampatan geram F s:= Gaya geser(N) F sn= Gaya normal(N) F v = Gaya potong(N) F f = Gaya makan(N) F = Resultan gaya(N)
rc = h / hc                                              (5) η= 90º + ᵞₒ - 2 ɸ                                  (6) dimana : η= Sudut gesek(.º) h = Tebal pemotongan(mm) hc = Tebal geram pemotongan(mm) .
Side rake angel (ᵞₒ)=14º        Back rake angel ( ᵞ ) = 8º
Gambar.3    Geometri pahat bubut (Pariyanto, 2000)
Sewaktu  pemotongan  mulai  berlangsung,  gaya potong  F v akan  membesar.  Daerah  di  muka  potong akan  menderita  tegangan  geser  dengan  orientasi  dan harga  yang  bervariasi.  Salah  satu  bidang  akan menderita  tegangan  geser  yang  terbesar  dan  dengan naiknya gaya potong maka tegangan geser pada bidang tersebut  (bidang  geser)  akan  melampaui  batas  (yield) sehingga  terjadi  deformasi  plastik  yang  menyebabkan terbentuknya.geram.
Bila  hal  ini  telah  terjadi  maka  gaya  potong  telah mencapai harga maksimum.
Kecepatan pemotongan (cutting  speed) adalah kecepatan pemotongan pada permukaan  kontak antara benda kerja dengan pahat bubut.
V=π.D o .n (7)
t = L/ f.n                                                  (7)
D avg = (D o + D f )/2                                    (8)
dimana : t =waktu pemotongan benda kerja(det) L =panjang benda kerja(mm) f    =kedalaman pemakanan (mm/put) D f = diameter pemotongan (mm) D avg =diameter rata-ra(mm) D o= diamater luar benda kerja (mm) n = putaran benda kerja (rpm) V =kecepatan potong (m/s)
Tabel3.Kecepatanpemotongan(B.H.Amstead1977)
Daya potong adalah daya  yang  diperlukan  oleh  mesin untuk melakukan proses pemotongan. Gaya Pemotongan(F v )  adalah  gaya  tangensial  pada  titik potong  benda  kerja  yang  disebabkan  oleh  gerakan pahat  potong.  Oleh  karena  daya  merupakan  perkalian antara torsi    dan besarnya putaran (dalam radian) per unit waktu.
Torsi (T) = P/ n.2π                              (9)
F v = T / l p (10) dimana : l p = jarak antara ujung pahat yang menempel pada benda kerja dan bagian pahat yang dijepit pada penjepit pahat. F v =gaya pemotongan(N). T =torsi(Nm). P = daya potong(watt)
Gambar.4 Ukuran panjang lp pada pahat bubut
Seperti  diperlihatkan  pada  Gambar  4.  mata  pahat mengalami  momen  lentur (bending  moment )  sebesar torsi (momen puntir) yang dihasilkan oleh benda kerja. Stress  adalah  momen  dibagi  modulus  penampang pahat
Stress:    σ    = M/W                                          (11)
W    = 1/6.bt 2 = 1/6.b 3 (12)
dimana W = modulus penampang mata pahat (mm 3 ) b = tebal mata pahat (mm) t = tinggi mata pahat(mm) b = t (penampang pahat bujur sangkar) σ = tegangan (N/m 2 ) M=momen(Nm)
Tabel.4 Properties tegangan untuk material    baja AISI 1020 (David Roylance2008) Mechanical properties Metric Imperial Tensile Strength,Ultimate 394,72 MPa 57249 psi Tensile Strength,Yield 294,74 Mpa 42748 psi

## METODOLOGI
Metodologi  ini  terdiri  dari  Studi  pustaka  dan pengamatan lapangan yang dilakukan untuk mendapatkan  hasil  model  poros  propeller  dengan permukaan  halus  dan  umur  pakai  pahat  pada  proses perautan  dengan  menggunakan    mesin  bubut  adalah sebagai berikut :
1. Dilakukan pembentukan geometri pahat bubut untuk mendapatkan ketajaman  sisi–sisi  potong  pahat berdasarkan  hasil  perhitungan  dari  persamaan  (1) hingga    (6)
2.  Dilakukan  pengukuran  diameter  poros  propeller dengan menggunakan standar ISO /R 286.
Tabel.5 Hasil pengukuran diameter poros.
Rata-rata  toleransi  hasil  pengukuran  0,05,  maka  dari standard  internasional    ISO  R/286,  hasil  perautan poros  propeller  untuk  ukuran  diameter  18-30  mm
Diameter poros Hasil rata-rata pengukuran Toleransi 12 mm 16 mm 18 mm 20 mm 11,95 mm 15,96 mm 18,93 mm 19,96 mm 0,05 mm 0,04 mm 0,07 mm 0,04 mm
( Suyadi dan Wibowo H. Nugroho )
mendapatkan  hasil    h9  (Tabel.2),  berarti  tingkat kehalusannya paling rendah.
3.  Pemilihan  bahan  poros  propeller  (stainlles  steels) dan pahat bubut hight speed steels ( HSS/1020).    yang ada dipasaran 4.  Dilakukan  pengamatan  lapangan  seperti  yang ditampilkan pada Gambar.5 dan perhitungan matematis  untuk  analisa  tegangan  dengan  variable putaran  mesin  bubut  menggunakan    persamaan  (7) hingga    (12).
Gambar.5    Pengamatan proeses perautan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan  Poros  propeller  pada  model  pengujian kapal  di  Laboratorium  UPT-BPPH  yang  dikerjakan pada  bengkel  mekanik,  material  poros  terbuat  dari stainlles steels dan bahan pahat bubut terbuat dari hight speed steels (HSS/1020).
Dimana  pada  proses  perautan  menggunakan  mesin bubut, dengan    pahat rata kanan yang dibentuk sisi sisi sudut geometrinya, pembuatan model poros propeller dari bahan stainlees steels, pahat bubut HSS ( 16 x 16 x 100 mm ), panjang poros  700  mm,diameter  12  mm,dibubut  menjadi  11,2 mm, Putaran mesin bubut (500 rpm, 400 rpm dan 300 rpm) pahat bubut bergerak aksial dengan kecepatan 200 mm/menit  ,daya  mesin  bubut  4103  watt  dan  jarak antara  ujung  pahat  yang  menempel  pada  benda  kerja dan bagian pahat yang dijepit pada penjepit pahat (L p ) 5 cm.
Perhitungan  dibuat  berdasarkan  Tabel  1-5  dan mengimplementasikan  Persamaan  1-12  maka  hasilnya hasil  yang  diperoleh  diperlihatkan  pada  Tabel  .6  dan Tabel.7
Untuk  memudahkan  pembahasan,  maka  dibuatkan Tabel  6.  yang  menunjukkan    Perbandingan  sudut geometri pahat bubut hasil perhitungan dan pengamatan lapangan. Sedangkan Tabel.7
memperlihatkan  perbandingan  kecepatan  potong,gaya torsi  dan  tegangan  hasil  perhitungan  dan  pengamatan dilapangan dengan variabel putaran mesin. Timbulnya  gaya  pemotongan  (  F v )  pada  Gambar  2.. perlu  mendapat  pehatian  kerana  gaya  tersebut  yang
dapat menyebabkan timbulnya tegangan dan torsi pada ujung pahat yang dapat merusak    geometri pahat bubut dan    yang lebih ektrim yaitu pahat bubut    patah.
Tabel.6 Perhitungan geometri pahat
Hasil pehitungan Pariyanto,2000 Sudut sisi potong 14º 14º Sudut geser 28,8º - Sudut gesek 46,4º - Tabel.7    Perhitungan gaya,torsi dan tegangan Hasill perhitunga n B.H.Amstead,1977 300 rpm 400 rpm 500 rpm Roylance,2008 v 0,19 m/s 0,25 m/s 0,31 m/s 0,15-0,5m/s FV 1470 N 1960 N 2450 N - Fs 1288,2 N 1727,4 N 2159,2 N - F 1750 N 2333,3 N 2916,6 N - T 87,5 Nm 116,7 Nm 145,8 Nm - σ 127,7Mpa 18,6 Ksi 173,8Mpa 25,2 Ksi 217,3Mpa 31,5 Ksi 294,74 Mpa 42,75 Ksi
Gambar .6    Grafik S – N,    ( Alaa A.Ateia , 2009)
Kecepatan potong untuk putaran mesin 300 Rpm, 400 Rpm dan 500 Prm (0,19 m/s,0,25 m/s dan 0,31m/s) pada hasil pehitungan,sesuai denga    ketentuan yaitu 0.15-0,5 m/s ( B.H.Amstead1977)
Pada Tabel.7 dan grafik S - N, .diperoleh data yaitu untuk  putaran  mesin  300  rpm  didapat  tegangan  dari resultan gaya 18,6 ksi, untuk putaran 400 rpm tegangan dari  resultan  gaya  25,2  ksi,  jadi  proses  perautan  pada kedua  putaran  tersebut  berjalan  normal  karena posisinya  masih  berada  dibawah  garis  grafik    S–N steel  1020.  Sedangkan  untuk  putaran  mesin  500  rpm, Posisinya  memotong  grafik  S  -  N  dengan  nilai tegangan  dari  resultan  gaya  31,5  ksi  (Tabel.7). Penggunaan  mesin  bubut  di  UPT  –  BPPH  rata-rata pemakainnya  2  jam  /hari  dengan  putaran  mesin  500
rpm maka didapat umur 139 hari, ini berarti pahat bubut beroperasi pada kondisi ektrim, hal tersebut menyebabkan  pahat  bubut  menjadi  patah/rusak..Maka disarankan pada proses perautan tersebut menggunakan putaran mesin dibawah 500 rpm.

## KESIMPULAN
Untuk melakukan pekerjaan perautan logam pada pembubutan poros model    propeller , hal yang harus diperhatikan adalah terjadinya gaya    resultan    dan tegangan pada ujung pahat karena pengaruh putaran dari mesin bubut yang dapat menyebabkan rusaknya pahat bubut dan atau pahat bubut patah.
Untuk  pemilihan  material  poros  model  propeller berupa  baja  stainles  dan  jenis  pahat  bubut  yaitu HSS/1020,  maka  disarankan  untuk  memilih  putaran mesin dibawah 500 Rpm. Hal ini akan memeperpanjang umur pakai dari mata pahat.    Untuk kecepatan    putaran  500  rpm  tersebut,  pahat  bubut mengalami  tegangan  kerja  sebesar  31,5  ksi,  berarti mendekati  batas  tegangan  luluh  materialnya  yaitu sebesar  42,75  ksi.  Untuk  kondisi  ekstrim  ini  mata pahat  sanggup  beroperasi  hingga  139  hari  kerja  atau 6,3 bulan kalendar..
Sekiranya perlu juga dilakukan penelitian lebih lanjut tentang    pengaruh  tegangan  pada  mata  pahat  bubut terhadap  putaran  mesin  bubut  yang      menyebabkan pahat menjadi patah sebulum umur pakai terlampaui.

## DAFTAR PUSTAKA
Amstead,    B.H., (1977) Manufacturing Processes, John Wiley & Sons Anton CN (2012) Toleransi dan Suaian Teknik Mesin Manufaktur Taufiq Rochim(1993) Teori dan Teknologi Proses Permesinan Bandung Jurusan Teknik Mesin    FTI – ITB    . Tim Fakultas Teknik Mesin Universitas Negeri Yogyakarta Modul Menggerinda Pahat Potong 1997. Dr.Eng.Alaa A.Ateia PhD (2009) Manufacturing Processes II 3 rd Materials Engineering David Roylance (2008) Mechanical Properties of Material
Pariyanto,M.Pd. (2000)Proses Pembubutan    Logam Universitas Negeri Yogyakarta. Applications, Vol. 6, No. 1, pp.1-11