## STUDY PENGARUH PARAMETER PEMOTONGAN TERHADAP GEOMETRI GERAM PADA PEMESINAN LAJU TINGGI, KERAS DAN KERING

## Berta br Ginting
Dosen Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan Email: berthaginting@yahoo.co.id

## ABSTRACT
In this research, the material of AISI 4140 at 55 HRC was cut using CBN tool in high speed machining, hard and dry  machinery  process. The chips,  as  the result of the whole condition  of the  cutting  are  observed    morphologically  and    measured  geometrically  in  the  case  of  the thickness.
The  method  used  in  this  research  is  incremental  experiment  done  in  every  segment performed in the certain cutting condition. In this case, the varieties of cutting: the speed cutting (V) ( m/min ), the feed (f) ( mm/rev ) and the depth of cutting c ( mm ) are performed.
The  result  shows  that  the  morphology  of  the  chips  formed  have  the  geometrical  feature such  as  saw-tooth;  the  higher  the  cutting  speed (V), the  thickness  of  the  chip  after  the  cutting (hc) tends  to  decrease  and  the  distance  between  the  edges  of  the  saw ( δ ) tends to  increase. Meanwhile the feed parameter (f) and the depth of the cutting (a) is in reverse with the speed of cutting (V) ; the higher the feed (f) and the depth of the cutting (a), the thickness of the chip after cutting (hc) tends to decrease.
Keywords : the  cutting parameter, geometrical chip,high- speed machining, hard machining, dry machining.

## 1. Pendahuluan
Perkembangan industri manufaktur menjadi  suatu  alasan  utama  dilakukan proses  pemesinan  yang  berbeda  dari sebelumnya.  Tiga  isu  penting  yang berkembang  saat  ini  yaitu  proses  yang cepat, biaya murah dan ramah lingkungan menjadikan tantangan sendiri  bagi  industri  manufaktur  untuk dapat  melakukan  inovasi  dibidang pemesinan. Untuk menjawab isu produktifitas  tinggi  proses  pemesinan menawarkan  teknologi  pemesinan  laju tinggi  dan  pemesinan  keras.  Untuk menjawab biaya yang murah diperkenalkan teknologi pemesinan kering,  sebab  tidak  digunakan  lagi cairan pemotongan yang mana biasanya cairan pemotongan ini
mengkontribusi  hingga  20%  biaya produksi.  Teknologi  pemesinan  kering juga  berdampak  pada  keselamatan lingkungan,  oleh  karena  itu  teknologi
pemesinan kering juga disebut sebagai pemesinan hijau ( Green Machining ). Sejak  akhir  tahun  1970  penggunaan proses pembubutan keras ( hard turning )  dijadikan  inovasi  berikutnya untuk  mengatasi  permasalahan  yang ada,  hal  ini  terbukti  melalui  proses pembubutan  keras  dapat  mereduksi waktu pemesinan hingga 60 % (Thonsoff, et.al, 1995). Literatur menyebutkan  bahwa  penelitian  yang telah  dilakukan  dikonsentrasikan  pada mekanisme pembentukan geram dalam rangka  mencari  hubungan  karakteristik proses dan stabilitas pemotongan pada proses proses bubut keras.
Menanggapi isu strategis industri manufaktur tersebut diatas perlu dibuat satu penelitian untuk  memastikan penggabungan  teknologi  pemesinan laju  tinggi,  pemesinan  keras  dan pemesinan  kering  untuk  satu  bahan tertentu.  Pada  penelitian  ini  dipilih bahan AISI 4140 yang banyak digunakan untuk suku cadang
transportasi  yang selama  ini  diproduksi dalam  kondisi  basah.  Dengan  mem- variasikan parameter pemotongan akan dianalisa  morfologi  geram  AISI  4140
yang terbentuk
pada
proses pembubutan  keras  dan  kering  dengan menggunakan pahat CBN (Cubic Boron Nitride) pada laju pemotongan tinggi.

## 2.  Tinjauan Pustaka
Ada  tiga  parameter  utama  yang mempengaruhi gaya potong, peningka- tan  panas,  keausan,  dan  integritas permukaan  benda  yang  dihasilkan pada proses pembubutan. Ketiga parameter itu adalah kecepatan potong ( v ),  pemakanan  ( f ),  dan  kedalaman potong  ( a ).  Kecepatan  potong  adalah kecepatan  keliling  benda  kerja  dengan satuan  (m/min).  Pemakanan  adalah perpindahan  atau  jarak  tempuh  pahat tiap satu putaran benda kerja (mm/rev). Kedalaman  potong  merupakan  tebal material  terbuang  pada  arah  radial (mm).
Proses  pemesinan  laju  tinggi,  keras dan kering merupakan proses pemesinan dengan kecepatan pemotongan minimum 200 m/min untuk bahan  yang  terbuat  dari  baja  dengan kekerasan  bahan  antara  45  sampai  75 HRC yang menggunakan partikel udara sebagai media pendingin.
Elemen  dasar  untuk  proses  bubut dapat diketahui dengan memperhatikan gambar di bawah ini.
Gambar 1. Proses Bubut
Geometri benda kerja ; d o = diameter mula (mm) d m = diameter akhir (mm)
l t =  panjang pemesinan (mm) Pahat :
K r =  sudut potong utama γ o =  sudut geram Mesin bubut :
a =  kedalaman potong a = (mm) f =   pemakanan (mm/putaran) n =  putaran poros utama (rpm)
Sudut  potong  utama  (principal  cutting edge  angle/ K r )  adalah  sudut  antara mata  potong  utama  dengan  laju pemakanan ( V f ), besarnya sudut tersebut ditentukan oleh geometri pahat dan  cara  pemasangan  pada  mesin bubut.  Untuk  nilai  pemakanan  ( f )  dan kedalaman potong ( a ) yang tetap maka sudut  ini  akan  mempengaruhi  lebar pemotongan  ( b ) dan  tebal  geram sebelum terpotong ( h) sebagai berikut :
Lebar pemotongan (b)
b = (mm)
Tebal geram sebelum terpotong (h) h = (mm) Dengan demikian penampang geram sebelum terpotong adalah : A = f.a =b.h (mm)

## Proses Pembentukan Geram
Geram  yang  dihasilkan  berupa suatu  tali  berkelanjutan  atau  berupa potongan-potongan. Terbentuknya geram  dapat  dianalogikan  sebagai tumpukan  kartu  dengan  posisi  sedikit miring seperti pada Gambar 2. Gambar 2  menunjukkan  bahwa  pemotongan adalah  proses  diskontinu  dan  gaya antara  geram  dan  alat  potong  tidak konstan (Kalpakjian, et.al, 2002)
Gambar 2. Formasi geram pada proses bubut menurut analogi kartu
Formasi  geram  yang  dihasilkan juga dapat dilakukan dengan pendekatan model
pemesinan
Orthogonal sebagaimana yang dikemukakan  oleh  Merchant,  model  ini mengasumsikan formasi geram dengan dua dimensi.

## 3.  Metode Penelitian
Benda  kerja  yang  digunakan  adalah AISI  4140  berbentuk  silindris  dengan diameter 80 mm dan panjang 250 mm. Benda kerja ini terlebih dahulu dikeraskan sampai 55 HRC. Komposisi kimia  dan  sifat  mekanik  benda  kerja AISI  4140  dengan  kekerasan  55  HRC diberikan masing – masing pada tabel 1 dan tabel 2.
Pahat  yang  digunakan  pada penelitian  ini  adalah  pahat  sisipan Cubic  Boron  Nitride  (CBN).  Pahat sisipan ini dipasangkan pada
pemegang  pahat  sehingga  memiliki geometri  sudut  geram  (rake  angle/ γ o ) pada sistem pahat terpasang yaitu -6 o . Pemesinan dilakukan dengan mesin  bubut  konvensional  Emco  tipe  : Maximat V13. Susunan Peralatan yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada gambar 3. Gambar 3. Susunan Peralatan Penelitian  Pengujian  Pemesinan:    (1) Pencekam  benda  kerja  ( Chuck) (2) Benda  kerja  (AISI  4140  (kekerasan  55 HRC))  (3)  Dudukan  pemegang  pahat ( Tool  Post) (4)  Pahat  CBN  (5) Pemegang Pahat ( Tool Holder)
Pengujian  pemesinan  seluruhnya dilakukan  pada  kondisi  kering.  Kondisi pemotongan yang dipilih pada penelitian  ini  berturut  dimulai  dari  laju pemotongan (m/min); pemakanan (mm/rev); kedalaman pemotongan
(mm) adalah 225; 0.125; 1.1, 225; 0.16; 0.7,  250;  0.1;  0.3,  250;  0.1;  1,  250;
0.15;  0.3.  Dalam  prosesnya  setiap kondisi  pemotongan  akan  dihentikan jika aus pahat (V B ) sudah diperoleh 0,3 mm  atau  nilai  kekasaran  permukaan dari benda kerja  yang  telah  dipotong  sudah menunjukkan 1.6 µ m.

## Pengukuran Geometri Geram
Pengukuran tebal geram setelah terpotong  (h c )  diukur  dengan  mistar ingsut  digital  untuk  seluruh  proses pemotongan pada setiap kondisi pemesinan  lalu  dirata  –  ratakan. Formula yang digunakan adalah sebagai berikut: h c !""
Selanjutnya jarak antar mata gergaji ( δ ) dan  jumlah  mata  gergaji  (n p )  yang  ada pada  setiap  gambar  morfologi  geram diukur dengan cara yang sama dengan point  3  yaitu  menggunakan  gambar double    arrow. Untuk menghitung  rasio geram  (r p )  digunakan  formula  sebagai berikut:
# $ % $
&!'
Dimana:
r p = rasio geram
n p = jumlah mata gergaji 1,05 = lebar morfologi geram/ Skala pembesaran (210/200)
Gambar 4. Cara Penghitungan Jumlah Mata Gergaji (n p )
Gambar 5. Cara Pengukuran Tebal Geram (hc)
Gambar 6. Cara Pengukuran jarak antar mata gergaji ( δ )
Tabel 1. Komposisi Kimia AISI 4140
C Fe Mn P S Si Cr Mo 0,38 – 0,43 96,78 – 97,77 0,75 – 1,00 0,035 (maks) 0,04 (maks) 0,15 – 0,30 0,80 – 1,10 0,15 – 0,25 Tabel 2. Sifat Mekanik AISI 4140 Mod. Elastis Kek. Tarik Kekuatan Luluh Elongation   Kekerasan Massa Jenis Kond. Panas Panas Spesifik (Gpa) (Mpa) (Mpa) (%) (HRC) (g/cc) (W/mK)  (J/kg.oK) 205 1965 1735 11 55 7,85 42,6 561 hc ≈ hc rata-rata

## 4.Hasil Dan Pembahasan
1.  Morfologi Geram yang Dihasilkan    Pada  Setiap  Kondisi Pemotongan Pada gambar 7 akan disajikan morfologi  geram  yang  diamati  dengan menggunakan  USB  mikroskop  Digital Rax  Vision  dengan  pembesaran  200 kali.
(a) (b) (c)
(d)
Gambar  7  Morfologi  Geram    yang terbentuk. (a) laju pemotongan 225 m/min dengan pemakanan 0,125 mm/rev dan kedalaman pemotongan 1,1 mm (b) laju pemotongan 225 m/min dengan pemakanan 0,165 mm/rev dan kedalaman pemotongan 0,7 mm (c) laju pemotongan 250 m/min dengan pemakanan 0,1 mm/rev dan kedalaman pemotongan 1 mm (d)   laju pemotongan 250 m/min dengan  pemakanan  0,15  mm/rev  dan kedalaman pemotongan 0,3 mm Pada gambar 7 ini  dapat dilihat bahwa morfologi geram yang terbentuk memiliki  geometri  seperti  mata  gergaji ( saw-tooth ).  Hal  yang  menarik  untuk diamati lebih lanjut adalah jumlah mata gergaji  yang  terbentuk  untuk  setiap satuan panjang (n p ), jarak antar puncak mata  gergaji  ( δ )  dan  tentu  saja ketebalan geram yang terbentuk ( deformed chip thickness / h c ). Berdasarkan laporan dari peneliti terdahulu untuk morfologi
geram  seperti  mata  gergaji  ( saw-tooth ) terdapat  suatu  fenomena  yang  disebut pita  geser  Adiabatik  ( Adiabatic  shear bands ).  Menurut  Molinari  et.  al  (2002)
Pita geser Adiabatik adalah manifestasi dari  ketidakstabilan  termomekanikal yang dihasilkan pada konsentrasi geser yang  besar  pada  layar  yang  sempit. Regangan  terlokalisasi  ini  disertai dengan  besarnya  pertumbuhan  suhu yang  diperlukan  untuk  kondisi  pita geser  Adiabatik.  Dengan  kata  lain, karena  pergeseran  yang  besar  dan berlangsung cepat terjadilah deformasi.
Pada  saat  deformasi  terjadi  tidak  ada perubahan suhu yang mengakibatkan mikrostruktur  dari geram berubah seperti  pita  yang  disebut  pita  geser Adiabatik.  Pita  geser  Adiabatik  inilah yang menyebabkan geram bersegmen.
Hasil peneliti lainnya yaitu Morehead dan Huang (2007) melaporkan  bahwa  pemesinan  untuk bahan getas ( brittle ) dengan kekerasan 62  HRC  juga  akan  menghasilkan morfologi  geram  seperti  mata  gergaji ( saw-tooth ),  dengan  jarak  antar  mata gergaji  yang  selalu  meningkat  seiring dengan meningkatnya kecepatan pemotongan,  pemakanan  rata  –  rata dan kedalaman pemotongan. Selain itu, jarak  pita  geser  pada  morfologi  seperti mata gergaji dapat diperkirakan melalui konfigurasi  pemotongan,  sifat  mekanik dan termal dari bahan benda kerja.
Pada tabel 3 disajikan hasil pengukuran  dan perhitungan    geometri geram dari setiap kondisi pemesinan. Pengamatan bagaimana hubungan antara  geometri  geram  dengan  kondisi pemotongan  yang  dipilih  maka  data dari  tabel  3  tersebut  akan  disajikan dalam bentuk grafik Gambar 8, Gambar 9 dan Gambar 10.
Tabel 3. Ukuran Geometri Geram untuk Setiap Kondisi Pemesinan
2.  Pengaruh kecepatan pemotongan (Vc) terhadap geometri geram
Gambar  8a.    Hubungan  Kec.  potong (Vc) dengan tebal geram  (h c )
Gambar  8b.    Hubungan  Kec.  potong (Vc)  dengan  jarak  antar  puncak  mata gergaji ( δ )
Gambr 8c.  Hubungan Kec. potong (Vc) dgn jumlah puncak mata gergaji (n p ) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 220 230 240 250 260 T e b a l G e ra m (h c ) (m m ) Kecepatan Pemotongan (Vc) (m/min) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 220 230 240 250 260 Ja ra k a n ta r pu nca k m a ta g e rg a ji ( d) ( m m ) Kecepatan Pemotongan (Vc) m/min 0 2 4 6 8 10 12 14 220 230 240 250 260 Jum la h pu nca k m a ta
g e rg a ji (n p ) Kecepatan Pemotongan (Vc) (m/min) Vc (m/min) 225 225 250 250 f (mm/rev) 0,125 0,16 0,1 0,15 a (mm) 1,1 0,7 1 0,3 h c (mm) 0,24 0,25 0,19 0,2 δ (mm) 0,084 0,165 0,115 0,196 n p 13 7 13 6 r p 12,38 6,67 12,38 5,71
Gambar  8d.    Hubungan  Kec.  potong (Vc) dengan rasio geram (r p )
Dari  gambar  8a  s/d  8d  dapat  diamati bahwa semakin tinggi kecepatan pemotongan  maka  tebal  geram  (h c ) akan  cendrung  menurun.  Berbanding terbalik  dengan  jarak  antar  puncak mata gergaji, semakin tinggi kecepatan pemotongan  maka  jarak  antar  puncak mata gergaji ( δ ) cendrung naik, naiknya jarak  antar  puncak  mata  gergaji  ( δ ) tersebut  menyebabkan  jumlah  puncak mata  gergaji  (n p ),  rasio  geram  (r p ) cendrung naik.
3.  Pengaruh pemakanan (f) terhadap geometri geram Gambar  9a.  Hubungan  pemakanan  (f) dengan tebal geram  (h c )
Gambar 9b. Hubungan pemakanan (f) dengan jarak antar puncak mata gergaji ( δ )
Gambar  9c.  Hubungan  pemakanan  (f) dengan  jumlah  puncak  mata  gergaji (n p )
Gambar  9d.  Hubungan  pemakanan  (f) dengan rasio geram (r p )
Dari  gambar  9a  s/d  9d    dapat  diamati bahwa  semakin  tinggi  pemakanan  (f) maka  tebal  geram  setelah  terpotong (h c ),  cendrung  naik.  Demikian  juga jarak  antar  puncak  mata  gergaji; semakin  tinggi  pemakanan  (f)  maka jarak antar puncak mata gergaji ( δ ) juga
0 2 4 6 8 10 12 14 220 230 240 250 260 R a si o G e ra m ( r p ) Kecepatan Pemotongan (Vc) (m/min) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 T e b a l G e ra m S e te la h T e rp o to n g ( h c ) (m m ) Pemakanan (f) (mm/rev) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.06 0.11 0.16 Ja ra k a n ta r p u n ca k m a ta g e rga ji ( d ) (m m ) Pemakanan (f) (mm/rev) 0 2 4 6 8 10 12 14 0.08 0.13 0.18 ju m la h P u n ca k m a ta
g e ga ji ( n p ) Pemakanan (f) (mm/rev) 0 2 4 6 8 10 12 14 0.08 0.13 0.18 R a si o g e ra m ( r p ) Pemakanan (f) (mm/rev)
kita lihat cendrung naik. Kecendrungan naiknya  jarak  antar  puncak  mata gergaji  ( δ )  ini  akan  menyebabkan jumlah  puncak  mata  gergaji  (n p )  dan rasio  geram  (r p )  cendrung  turun.  Nilai rasio  (r p )  ini  akan  bergantung  kepada jumlah  mata  gergaji  (n p )  semakin banyak  jumlah  mata  gergaji  (n p )  maka semakin besar nila rasio (r p ).
4.  Pengaruh kedalaman pemotongan (a) terhadap geometri geram
Gambar  10a.  Hubungan  kedalaman pemotongan  (a)  dengan  tebal  geram (h c )
Gambar  10b.  Hubungan  kedalaman pemotongan  (a)  dengan  jarak  antar puncak mata gergaji ( δ )
Gambar  10c.  Hubungan  kedalaman pemotongan (a) dengan jumlah puncak mata gergaji (n p )
Gambar  10d.  Hubungan  kedalaman pemotongan  (a)  dengan  rasio  geram (r p )
Dari gambar 10a s/d 10d dapat diamati bahwa  tebal  geram  setelah  terpotong (h c )  cendrung  naik  seiring  dengan meningkatnya kedalaman pemotongan. Adapun  penyebab  meningkatnya  tebal geram  setelah  terpotong  ini  dimungkin kan akibat adanya kenaikan suhu pada daerah  pemotongan  tersebut  sehingga terjadi  pemuaian  tebal  geram.  Untuk memastikan dugaan ini perlu dilakukan penelitian lebih lanjut hubungan geometri geram terhadap suhu pemotongan. Berbeda untuk jarak antar puncak mata gergaji ( δ ), semakin tinggi kedalaman pemotongan (a) maka jarak antar  puncak  mata  gergaji  cendrung semakin  rapat  (jumlah  mata  gergaji lebih  banyak  terbentuk).  Hal  tersebut akan  menyebabkan  jumlah  puncak mata  gergaji  (n p )  dan  rasio  geram  (r p ) cendrung meningkat.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.5 1 1.5 T e b a l ge ra m s e te la h te rp o to n g (h c ) (m m ) Kedalaman Pemotongan (a) (mm) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.5 1 1.5 T e b a l ge ra m s e te la h
te rp o to n g (h c ) (m m ) Kedalaman Pemotongan (a) (mm) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 Ju m la h P u n ca k m a ta ge rg a ji ( n p ) Kedalaman Pemotongan (a) (mm) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 R a si o G e ra m ( r p ) Kedalaman Pemotongan (a) (mm)

## KESIMPULAN
1.  Morfologi  geram  yang  terbentuk pada  kondisi  proses  pemesinan  laju tinggi,  keras  dan  kering  bahan  AISI 4140  menggunakan  pahat  CBN adalah  seperti  mata  gergaji  ( saw- tooth chips ). 2.  Semakin tinggi kecepatan pemotong- an (V) maka tebal geram (h c ) akan cendrung menurun. Sebaliknya,  bila pemakanan (f) dan kedalaman  pemo-tongan  (a)  naik maka tebal geram setelah terpotong (h c ), cendrung naik juga. 3.  Rasio  (r p )  untuk  geram  dipengaruhi oleh  jumlah  mata  gergaji  (n p )  dan jarak persatuan panjang. Jarak yang digunakan  dalam  penentuan  nilai rasio  (r p )  pada  penelitian  ini  adalah 0,36  mm  dan  sama  untuk  setiap kondisi pemotongan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  Terima  kasih  disampaikan kepada  Prof.Dr.Ir.Armansyah  Ginting, M.Eng yang telah memberikan bimbingan  selama  penelitian  ini  serta kepada mahasiswa program pascasarjana  Teknik  Mesin  Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan  kesempatan  untuk  ikut dalam  penelitian  pemesinan  laju  tinggi, keras,  dan  kering.  Akhirnya,  terima kasih  kepada  Politeknik  Negeri  Medan dan Departemen Teknik
Mesin
Universitas Sumatera Utara

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Boothryod.  G.  1963.  Fundamental of Metal Cutting.
[2]  Fachriza.  2011.  Skripsi:  Analisa Gaya  dan  Suhu  Pemotongan Terhadap  Geometri  Geram  Pada Proses  Pemesinan  Tinggi,  Keras dan  Kering  (Bahan  AISI  4140-
Pahat CBN). USU digital library
[3]  Ginting,  A.  2006.  Karakteristik Pemotongan Ortogonal Kering
Paduan Titanium Ti6Al4V Menggunakan Pahat Karbida. Jurnal  Departemen  Teknik  Mesin Fak  Teknik  Industri,  Universitas
Kristen Petra. 37 – 43.
[4]  Juanda. 2008. Skripsi: Karakteristik Aus  Pahat  Karbida  Berlapis  Pada Proses  Pembubutan  Kering  Bahan Otomotif. USU digital library
[5]  Morehead,  D,  Mason.  and  Huang,
Yuang. 2007. Journal: Chip Morphology  Characterization  And Modeling  In  machining  hardened 52100  steels.  Machining  Science and Technology. 11:335–354 [6]  Rochim T. 1993. Proses Permesinan. Higher Education Development Support Project. Jakarta. [7]  Yuliarman.  (2008).  Tesis  :  Studi Pemotongan Optimum Pembubutan  Keras  Dan  Kering Baja Perkakas AISI O1 Menggunakan Pahat Keramik (Al 2 O 3 + TiC). USU digital library.