Prestasi Pahat Karbida Berlapis TiN-Al 2 O 3 -TiCN Pada Saat Pembubut Baja Perkakas AISI D2

## Gusri Akhyar Ibrahim
Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung gusri@unila.ac.id

## Abstrak
Kajian terhadap pahat karbida dilakukan untuk menginvestigasi umur pahat sifat ausnya  pada berbagai kondisi proses pemesinan. Pahat karbida yang dilapisi (KC 125) dan tidak dilapisi (K 313) digunakan untuk membubut baha perkakas AISI D2 yang berbentuk bulat dengan nilai kekerasan 25 HRC. Pengujian dilakukan dalam keadaan kering atau tanpa menggunakan pelumas pada  berbagai jenis  keceptan  potong  dan  pemakanan,  sedangkan  kedalaman  potong  konstan.  Disain  penelitian Metode Tagcuhi diimplementasikan untuk mengakomodir parameter pemesinan pada beberapa jenis kecepatan potong dan pemakanan.  Hasil penelitian  menunjukan bahwa progress  haus  untuk kedua jenis  pahat  karbida  terdiri  dari  tiga  tahap  yaitu  mekanisme  haus  awal,  pertengahan  (teratur)  dan akhir pemesinan. Mekanisme aus perlahan dan seragam terjadi pada kadar pemakanan rendah, 0,05 mm/rev.  secara  umum,  pahat  karbida  yang  dilapisi  menunjukkan  prestasi  yang  lebih  baik berbanding  dengan  pahat  karbida  yang  tidak  dilapisi.  Umur  pahat  yang  panjang  dan  keadaan permukaan yang baik diperoleh bila mengunakan pahat karbida yang dilapisi.
Kata kunci : umur pahat, pahat karbida, pembubutan dan AISI D2.

## PENDAHULUAN
Pahat  karbida  yang  dilapisi  dan  tidak dilapisi  telah  digunakan  secara  meluas  di bidang  industry  pengolahan  logam,  bahkan pahat  ini  telah  menjadi  alternative  terbaik untuk  proses  pemesinan  logam.  Pada  waktu pemesinan menggunakan pahat karbida dengan metode  pemesinan  konvensional,  aus  berlaku pada  permukaan  rusuk  dan  kawah  menjadi penyebab  utama  terjadinya  kegagalan  pahat [1].  Mekanisme  aus  dapat  diklasifikaskan menjadi aus adhesi, abrasi, difusi dan lelah [2]. Beberapa  peneliti  menegaskan  bahwa  aus rusuk  pada  pahat  potong  diawali  dengan  aus abrasi.  Pemotongan  pada  kecepatan  tinggi selalu  menghasilkan  suhu  yang  tinggi  pula, yang mana menyebabkan aus difusi dan proses oksidasi pada permukaan pahat potong [3].
Keuntungan  pemesinan  kecepatan  tinggi adalah  kemampuannya  untuk  menghasilkan dimesin  yang  presisi,  produktifiti  tinggi  dan kwalitas komponen yang baik. Sewaktu proses pemesinan, sebagian besar panas yang dibangkitkan  digunakan  untuk  membuang geram, sementara suhu pahat potong dan bahan kerja  dipertahankan  pada  suhu  ambang batasnya.
Kualitas  permuhaan  bahan  yang  dimesin menjadi  hal  yang  sangat  kritikal  dalam  kontek permintaan yang tinggi terhadap prestasi, umur pahat dan kelayakannya. Komponen- komponen yang digunakan di industry atomotif,  pesawat  luar  angkasa,dan  industry lainnya,  beroperasi  pada  kondisi  tekanan  dan temperatur  tinggi.  Oleh  sebab  itu,  integritas permukaan  dari  komponen  yang  dimesin menjadi  sangat  penting,  karena  hal  itu  dapat menyebabkan  kegagalan  secara  mendadak. Oleh  karena  itu,  investigasi  lebih  jauh dilakukan pada permukaan bahan yang dimesin seperti baja sangat diperlukan.
Tulisan  ini  membahas  secara  detail tentang  proses  pembubutan  yang  dilakukan untuk  menginvestigasi  prestasi  pahat  karbida yang  dilapisi  dan  tidak  dilapisi  pada  saat memotong materil baja perkakas AISI D2.

## EXPERIMENTAL METHOD

## Pengujian Pemesinan
Pengujian
pemesinan dilakukan
mengunakan  mesin  bubut  Cincinati  Milacron Avenger  200T  dalam  keadaan  pemesinan kering  pada  berbagai  level  kecepatan  potong
dan  pemakanan,  dimana  kedalaman  potong dijaga  konstan  pada  0.15  mm.  Sedalam  5  mm permukaan  terluar  bahan  dipotong,  untui mendapatkan kondisi permukaan yang seragam dan menghilangkan tegangan sisi pada permukaan bahan. Pemesinan dan pengambilan data  umur  pahat  pahat  dan  kekasaran permukaan  dilakukan  setiap  kali  pemotongan pada interval tertentu. Pemesinan akan dihentikan  apabila V B telah  mencapai  0,3  mm atau V Bmax mencapai 0.6 mm untuk pahat yang tidak  dilapisi  dan  20  menit  untuk  pahat  yang dilapisi.  Nilai  kekasaran  permukaan R a and R max diukur  menggunakan  alat  ukur  kekasaran
permukaan  bermerek  Mitutoyo  Surf  test-SJ 301  setiap kali setelah pemotongan.

## Bahan Benda Kerja dan Pahat Bubut
Material  benda  kerja  yang  digunakan pada  penelitian  ini  adalah  baja  perkakas  AISI D2    dengan  nilai  kekerasan  sebesar  25  HRC yang  telah  diperlakukan  anneling.  Bahan  kerja disediakan  berbentuk  bar  dengan  dimensi panjang 330 mm dan diameter 100 mm.  Tabel 1  dan  2  menunjukan  kompoisi  kimia  dan  sifat fisika bahan AISI D2.
Tabel 1. Komposisi kimia baja perkakas AISI D2 (% wt)
C Cr Fe Mn Mo Si V 1.5 12 84 0.5 0.8 0.3 0.9
Tabel 2. Sifat fisika baja perkakas AISI D2 yang digunakan dalam penelitian
Konduktivitas termal (W/m  C) Densitas (kg/m 3 ) Kekerasan (HRC) Modulus elasitas (N/mm 2 ) Kapasitas panas spesifik (J/kg  C) 7700 19300 22 60 460
Ada  dua  jenis  pahat  bubut  karbida  yang digunakan  dalam  penelitian  ini  yaitu  pahat yang  dilapisi  dan  tidak  dilapisi.  Standar  ISO untuk    kedua  pahat  tersebut  adalah  CNMG 120408.  Komposisi  kimia  untuk  kedua  pahat sebagaimana ditunjukan pada Tabel 3.
Pahat  karbida  yang  dilapisi  secara metode  chemical  vapor  deposition  (CVD)
adalah  berstandar  KC  9125,  yang  terdiri  dari tiga  jenis  lapisan  keras  yaitu    TiN,  Al 2 O 3 and TiCN.  TiN adalah lapisan paling dalam, Al 2 O 3 adalah lapisan tengah dan TiCN adalah lapisan terluar.  Pahat  bubut  dalam  ukuran  kecil  yang lebih  dikenal  dengan  insert,  dipasang  dengan kuat  pada  holder.  Holder  yang  digunakan adalah berstandar MCLNR-2020K12 ND4.
Tabel 3. Chemical composition of carbide tools (% wt)
Co Cr 3 C 2 WC 6.0 0.5 93.5 Disain Penelitian Disain penelitian Metode Taguchi dengan  standar  L 12 digunakan  karena  bisa menggunakan  jumlah  sampel  yang  lebih sedikit dan memberikan hasil yang memuaskan.  Dua  belas  jumlah  eksperimen dengan kombinasi kecepatan potong
diaplikasikan  untuk penelitian ini. Empat level kecepatan  potong  dipilih  dan  dua  level  kadar pemakanan. Sedangkan kedalam potong dijaga konstan  pada  0,15  mm  dan  sudut  sadak  0  . Faktor  dan  level  setiap  parameter  pemotongan ditunjukan pada Tabel 4.
Tabel 4. Faktor dan level yang digunakan pada penelitian
Faktor Level 1 2 3 4 Kec. potong (mm/min) 150 200 250 600 Pemakanan (mm/rev) 0.05 0.10 Kedalaman pot (mm) 0.15 Sudut rake (  ) 0

## HASIL DAN DISKUSI

## Haus Pahat Karbida
Umur  pahat  karbida  ketika  membubut baja  perkakas  AISI  D2    menggunakan  pahar yang  dilapisi  dan  tidak  dilapisi  sebagaimana yang ditunjukan pada Tabel 5. Aus rusuk pahat karbida  yang  dilapisi  dan  tidak  dilapisi  untuk kondisi  pemotongan  pada  berbagai  kecepatan potong melawan umur pahat seperti
ditunjukan  pada  Gambar  1  dan  2.  Kedua gambar  tersebut  beroperasi  pada  kadar  supan 0.05  mm/rev  dan  kedalaman  potong  0.15  mm. Kurva tersebut menunjukan secara jelas bahwa aus  rusuk  terdiri  dari  tiga  step  yaitu  awal pemotongan,  dilanjutkan  dengan  progress teratur  dan  terakhir  kerusak  parah  pada  muka rusuk.  Hasil  penelitina  yang  sama  juga dikemukan oleh  peneliti lain antaranya adalah [4,5,6,7].
Tabel 5. Data umur pahat  untuk masing-masing pahat karbida
Nomor Pengujian Pahat bubut Pemakanan (mm/rev) Kec. Potong (m/min) Umur pahat (detik) 1 Uncoated 0.05 150 772.57 2 Uncoated 0.05 200 496.35 3 Uncoated 0.05 250 352.07 4 Uncoated 0.10 150 670.74 5 Uncoated 0.10 200 430.86 6 Uncoated 0.10 250 305.65 7 Coated 0.05 150 1332745 8 Coated 0.05 200 612621.4 9 Coated 0.05 250 3350130.2 10 Coated 0.10 150 31532.26 11 Coated 0.10 200 18868.08 12 Coated 0.10 250 12662.94 13 Coated 0.10 600 2652.454
Pola  aus  pada  awal  pemotongan  pada muka  rusuk  dan  jari-jari  ujung  pahat  karbida yang  dilapisi  adalah  sama  dengan  yang  terjadi pada  pahat  karbida  yang  tidak  dilapisi.  Pada awal pemotongan, aus meningkat secara cepat, kemudian  diikuti  oleh  aus  abrasive  hingga akhir umur pahat bubut. Pada awal pemotongan,  aus  rusuk  terjadi  pada  ujung potong  dan  sebagaian  lapisan  pahat  terlepas karena  terkikis  oleh  abrasive  antara  pahat bubut  dan  bahan  kerja.      Pada  tingkat  teratur, aus  rusuk  meningkat  dan  bahan  lapisan  pahat terlepas dari permukaan pahat, sedangkan pada
akhir  tingkat  akhir  (akhir  umur  pahat),  aus rusuk  rusuk  meningkat  dengan  cepat  sehingga pahat  tidak  bisa  digunakan  atau  telah mengalami kegagalan.
Gambar (1a) dan (1b) menunjukan bahwa waktu  yang  diperlukan  untuk  mencapai  aus rusuk  sebesar  0.6  mm  pada  kecepatan  potong 150  m/min  adalah  lebih  lama  dibandingkan dengan  waktu  yang  dicapai  untuk  keceptan potong  200  m/min  dan  250  m/min.    Hal  yang sama  juga  berlaku  pada  pahat  karbida  yang dilapisi,  sebagaimana  yang  ditunjukan  oleh Gambar  (2a)  dan  (2b),  aus  rusuk  pada
permukaan  pahat  meningkat    seiring  dengan peningkatan kecepatan potong.
Bila
dibandingkan  Gambar    (2a)  dan  (2b),  waktu yang diperlukan pahat karbida mencapai kadar aus  maksimum  adalah  pada  kadar  pemakanan 0.10  mm/rev,  kondisi  ini  lebih  pendek dibandingkan  dengan  pada  kadar  pemakanan 0.05  mm/rev.  ini  menunjukan  bahwa  kadar
pemakanan memberikan pengaruh yang signifikan. Keadaan yang sama juga ditemukan oleh  peneiti  sebelumnya,  Haron  [1].  Dia menyatakan  bahwa  penurunan  yang  dilapisi dan  tidak  dilapisi  pada  kadar  pemekanan  yang lebih tinggi dapat ditandai dengan peningkatan suhu pada ujung pahat.
Gambar 1. Aus rusuk melawan umur pahat untuk pahat yang tidak dilapisi (a) pemakanan 0.05 mm/rev  (b) pemakanan 0.10 mm/rev.
Gambar 2. Aus mata pahat melawan umur pahat untuk pahat karbida yang dilapisi (a) pemakanan 0.05 mm/rev, (b) pemakanan of 0.10 mm/rev.
Peneliti  sebelumnya  [6,8]  menemukan bahwa  gaya  potong  rendah  diperoleh  pada kadar  pemekanan  rendah,  dan  sebaliknya  bila kadar  pemkanan  ditingkatkan  maka  gaya potong  juga  lebih  besar.  Pada  kecepatan
potong tinggi, 600 m/min, umur pahat hanya 6 min untuk mencapai levar aus VBmax 0,6 mm. pada  muka  rusuk  pahat  karbida  terjadi pengelupasan  (chipping)  karena  suhu  tinggi yang  dihasilkan  sewaktu  pemesinan.  Hai  ini
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0 2 3 5 6 A u s r u s u k ( m m ) Umur Pahat (min) 150 m/min, 0.05 mm/rev 200 m/min, 0.05 mm/rev 250 m/min, 0.05 mm/rev 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0 2 3 5 A u s r u s u k ( m m ) Umur Pahat (min) 150 m/min, 0.10 mm/rev 200 m/min, 0.10 mm/rev 250 m/min, 0.10 mm/rev 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 4 8 12 16 20 24 A u s r u s u k ( m m ) Umur Pahat (min) 150 m/min, 0.05 mm/rev 200 m/min, 0.05 mm/rev 250 m/min, 0.05 mm/rev 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0 4 8 12 16 20 24 A u s r u s u k ( m m ) Umur Pahat (min) 150 m/min, 010 mm/rev 200 m/min, 0.10 mm/rev 250 m/min, 0.10 mm/rev 600 m/min, 0.10 mm/rev (a) (b)
(a) (b)
menyebabkan  terjadi  perubahan  jenis  aus  dari aus  abrasiv  menjadi  aus  termal,  sebagaimana yang ditunjukan oleh Gambar 4.
Gambar  3.  Pola  aus  rusuk  pahat  karbida  yang tidak  dilapisi:  (a)  kecepatan  250  mm/min dan  kadar  pemakanan  0.05  mm/rev,  (b) kecepatan potong  250 mm/min dan kadar pemakanan 0.10 mm/rev.
Gambar  4.  Aus  rusuk  pahat  karbida  yang dilapisi  pada  kecepatan  600  m/min dan kadar pemakanan 0.10 mm/rev
CS = 150m/min   d = 0.15mm
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Cutting length (km) R a (  m) Uncoated carbide tools (f = 0.05mm/rev) Uncoated carbide tools (f = 0.10mm/rev) Coated carbide tools (f = .05mm/rev) Coated carbide tools (f = 0.10mm/rev) (a) CS = 200m/min   d = 0.15mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1 2 3 4 5 Cutting length (km) R a (  m) Uncoated carbide tools (f = 0.05mm/rev) Uncoated carbide tools(f = 0.10mm/rev)
Coated carbide tools (f = 0.05mm/rev)
Coated carbide tools (f = 0.10mm/rev) (b) CS = 250m/min   d = 0.15mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 6 Cutting length (km) Ra (  m) Uncoated carbide tools (f = 0.05mm/rev) Uncoated carbide tools (f = 0.10mm/rev)
Coated carbide tools (f = 0.05mm/rev)
Coated carbide tools (f = 0.10mm/rev)
(c)
Gambar  5.  Kurva  nilai  kekasaran  permukaan:
(a)  kecepatan  potong  150  m/min,  (b) kecepatan  potong  200  m/min,  dan  (c) kecepatan potong 250 m/min.
(a) (b) flacking

## KESIMPULAN
1. Progres aus yang berlaku pada pahat karbida yang dilapisi dan tidak dilapisi, secara umum terdiri  dari  tiga  tahap;  tahap  awal,  tahap pertengahan  dan  tahap  akhir  dengan  aus cepat.  Bagaimanapun  juga  aus  pada  pahat yang  tidak  dilapisi  lebih  cepat  dibandingkan dengan pahat yang dilapisi.
2. Pada  kadar  pemakan  rendah  0.05  mm/rev, aus muka rusuk berlaku secara seragam pada ujung potong dengan kadar rendah.
3. Secara  umum    pahat  karbida  yang  tidak dilapisi menghasilkan nilai kekasaran permukaan lebih besar dibandingakan dengan  pahat  yang  dilapisi.  Nilai R a untuk pahat  yang  tidak  dilapisi  adalah  dalam rentang  0.36  –  4.05  m  dan  pahat  yang dilapisi adalah 0.3 – 1.51  m. 4. Nilai  optimum  kekasaran  permukaan  untuk pahat  karbida  yang  dilapisi  dicapai  pada kondisi  pemotongan  kecepatan  potong  250 m/min dan kadar pemakanan 0.05 mm/rev.

## REFERENSI
[1] Che  Haron,  C.H.  2001,  “ Tool  life  and surface  integrity  in  turning  titanium alloy ”,  Journal  of  Materials  Processing and Technology, No. 118, pp. 231–237.
[2] Trent,  E.M.  1995, Metal  cutting  third edition , Oxford: Buterworth-Heinemenn.
[3] Venkatesh,  V.C.  1980,  “ Tool  wear investigations  on  some  cutting  tool materials ”, Journal
of Lubricant
Technology, No. 102, pp. 556-559.
[4] Chubb,  J.P.  and  Billingham,  J.  1980, “ Coated  coating  tools  –  a  study  of  wear mechanism  in  high  speed  machining ”,
Wear, No. 61, pp. 283-293.
[5] Bonifacio,  M.E.R.  and  Diniz,  A.E.  1994, “ Correlating  tool  wear,  tool  life,  surface integrity” , Journal of Materials Processing and Technology.
[6] Fang,
X.D. 1994, “ Experimental investigation of overall machining performance  with  overall  progressive  tool wear  at  different  tool  faces ”,  Wear,  No.
173, pp. 171-178.
[7] Vaughn,  R.L.  1966,  “ Modern  metals
machining technology ”, Journal lf Engineering Ind., pp. 65-71.
[8] Rech,  J.  and  Moison,  A.  2003,  “ Surface integrity  in  finish  hard  turning  of  case- hardened  steels ”,  International  Journal  of Machine  Tool  and  Manufacture,  No.  43, pp. 543-550.
[9] Schintlmeister, W. and Wallgram, S. 1989,
“ Cutting tool materials coated by chemical vapor deposition ”, Wear, no. 100, pp. 153- 169.