http://jurnal.umsb.ac.id/index.php/RANGTEKNIKJOURNAL

## PERANCANGAN ALAT BANTU MESIN BUBUT UNTUK
MENAIKKAN GAYA CEKAM (Studi Kasus untuk produk poolschif, part dari Mikroskop Elektron)
NEFLI YUSUF, AGUS KAMIL
Fakutlas Teknik UMSB 1
nelfiyusuf@umsb.ac.id 1
Abstrak - Produk poolschijf merupakan bagian ( part ) dari mikroskop elektron berbentuk pipih karena itu sulit dicekamketikadimesin oleh mesin bubut CNC ( Computer Numerical Control ).Pada penelitian ini dilakukan perancangan alat bantu ( fixture ) untuk menaikkan gaya cekam ini agar dapat dipenuhi parameter permesinan optimum yang diinginkan. Parameter permesinan optimum yang ingin dicapai adalah kecepatan potong ( cutting speed ) 200 m/min, kecepatan makan ( feed ) 0,3 mm/put, kedalaman potong  1,5  mm  pada  kecepatan spindle 1500  rpmmenggunakan  pahat insert  Taegutec ,  grade TT5100(P20).  Sebelumnya  tanpa  menggunakan  alat  bantu  kondisi  permesinan  adalah  kecepatan potong ( cutting speed ) 160 m/min, kecepatan makan ( feed ) 0,15 mm/put, kedalaman potong 1,0 mm. Dari hasil perancangan alat ini  diperoleh kenaikkan gaya cekam 40,91% menjadi 2,2 Mpa sekaligus menurunkan  gaya  centrifugal  serta  menambah  kekakuan  benda  kerja  sehingga  kondisi  pemotongan optimum  yang  diinginkan  dapat  tercapai.  Dipihak  lain  terjadi  pengurangan  waktu  permesinan  dan pengurangan  bahan  baku  produk.  Demikian  penggunaan  alat  bantu  ini  dapat  menurunkan  ongkos produksi serta menghemat bahan baku.
Kata Kunci: alat bantu ( fixture ), mesin bubut CNC, parameter permesinan, ongkos produksi
Abstract  - The poolschijf product is  a part of electron microscope formed a flat-shaped so that it is difficult  to  be  gripedin  aa  CNC  (Computer  Numerical  Control)  lathe  machine.  In  this  research,  it design  the  fixture  tools  to  increase  the  griping  force  in  order  to  meet  the  optimum  parameters  of machine design. The optimum machining parameters to be achieved are 200 m/ minof cutting speed, 0.3  mm  /  put  of  feed  rate,  1.5  mm  of  slice  cut  at  1500  rpm  of  spindle  speed  using  insert  chisel. Taegutec  grade  TT5100  (P20  ).  Previously  without  the  use  of  machine  tool  conditions  are  cutting speed 160 m / min, feeding speed (feed) 0.15 mm / put, 1.0 mm cutting depth. From the results of this tool  design  is  obtained  the  increasing  of  burden  of  40.91%  that  is  2.2  Mpa  as  well  as  reduce  the centrifugal force and increase the rigidity of workpiece so that the desired optimum cutting conditions can  be  achieved.  On  the  other  hand  there  is  a  reduction  in  machining  time  and  reduction  of  raw materials  of  the  product.  Thus  the  use  of  this  tool  can  reduce  the  cost  of  production  and  save  raw materials.
Keywords : fixture, CNC lathe, machining parameters, production cost

## PENDAHULUAN
Proses  manufaktur  menggunakan  mesin perkakas  sampai  saat  ini  masih  tetap merupakan  proses  yang  dominan  digunakan (60%  -  80%)  untuk  pembuatan  bagian  (part) suatu  mesin  dibanding  jenis  proses  yang  lain, seperti  proses  pengelasan  ( welding ),  proses pembentukan ( forming ) dan proses pengecoran ( casting )  karena  mesin  perkakas  lebih  unggul dalam  menghasilkan  ketepatan  dan  ketelitian permukaan sehingga dapat memenuhi toleransi suaian pasanggannya, demikian Taufiq Rochim  (2007)[5].    Mesin  perkakas  yang paling banyak digunakan pada proses
manufaktur adalah mesin bubut ( lathe ) dimana gerak  utamanya  adalah  benda  kerja  berputar sementara  pahat  ( tool) yang  umumnya single cutting  point bergerak  searah  sumbu  rotasi atau translasi.
Penentuan parameter permesinan, seperti  gaya  potong,  gerak  makan,  putaran spindle ,  kekakuan,  sifat  material  dan  lainnya, mempengaruhi  kondisi  permesinan.  Untuk mendapatkan kondisi permesinan yang optimum  sering  membutuhkan  perangkat  alat bantu ( fixture ). Agar diperoleh gaya potong/gerak  makan  yang  tinggi  diperlukan kekakuan benda kerja ( workpiece ) yang tinggi
pula,  kecuali  untuk  mendapatkan  hasil pengerjaan  yang  baik.    Kompromi  penentuan antara penentuan kecepatan pengerjaan dengan hasil  pengerjaan  permukaan  yang  diinginkan akan mempengaruhi biaya dan waktu, baik itu dikerjakan  oleh  mesin  konvensional  maupun mesin CNC( Computer Numerical Control ). Proses  permesinan  menggunakan  mesin bubut CNCdiperuntukkan untuk menghasilkan produk  masal  dengan  jumlah  dan  ketelitian yang tinggi. Berbeda dengan mesin konvensional  yang  sangat  dipengaruhi  oleh keterampilan  operator,  mesin  CNC  sangat dipengaruhi  oleh  pengetahuan  teoritis  dan kreatifitasoperatornya.Walaupun  sulit  untuk menilai seorang operator berdasarkan keberhasilan  pembelajarannya  secara  teori ( cognitive ),kepandaian ( skill ) dan keterampilan ( psychomotor ) tetapi penulis ingin menekankan bahwa aspek teori dan kreatifitas merupakan hal yang sangat menentukan untuk membuat mesin CNC dapat berjalan produktif.Di  negara  maju  masyarakatnya sangat  memberikan  penghargaan  terhadap aspek teori dan kreatifitas ini, tetapi masyarakat kita kadang melecehkannya dengan sanggahan “itu kan teori?”
Makalah  ini  mengungkapide  rekayasa pembuatan  produk poolschijf menggunakanalat bantuyang  dikerjakan  oleh  mesin  perkakas bubut  CNC  dalam  menaikkan  efisiensi, efektifitas  dan  produktifitas  kerja  mesin. Selanjutnya  dianalisis  melalui  perumusan teoritis  berbagai  sumber  yang  relevan  untuk kemudian
dibuktikan
dalam aplikasinya.Betapapun  sederhananya  ide  yang dikemukakan  tetapi  apabila  dianalisis  melalui ilmu pengetahuan dan teknologi yang komprehensiftentu akan
memberikan keuntungan dan pemahaman yang baik sebagai referensi  terhadap  berbagai  kasus  serupa lainnya.
Secara  sederhana  mesin  bubut  dapat beroperasi  maksimum  melalui  parameter kecepatan potong, kecepatan makan, kedalaman potong yang tinggi. Tetapi parameter  ini  selalu  dibatasi  oleh  kemampuan dan kondisi mesin serta pahat yang digunakan, alih-alih  juga  dipengaruhi  oleh  ketelitian proses  yang  diinginkan,  lingkungan  kerja  dan lainnya.  Kondisi  pencekaman  benda  kerja ( workpiece ) menggunakan alat bantu sederhana, yang akan dibahas berikut ini,dapat
memenuhi  kondisi  operasi  optimumproses yang diinginkan.

## DASAR TEORI Terminologi Proses Bubut
Ada  tiga  parameter  utama  dalam  proses bubut  yaitu  kecepatan  potong  ( V ),  pemakanan ( f ), dan kedalaman potong ( a ). Pemilihan atau penerapan harga dari tiga parameter pemesinan  tersebut  ditentukan  oleh  bahan produk  yang  dikerjakan,  jenis insert yang dipakai dan  kondisi  pemotongan,  dalam  kasus ini  kondisi  pencekaman  produk.Menurut Rochim  (2007)  pada  setiap  proses  pemesinan ada  lima  elemen  dasar  yang  perlu  dipahami dan berhubungan satu sama lainnya, yaitu:
a. Kecepatan potong ( V ), b. Kecepatan makan ( V f ), c. Kedalaman potong ( a ),
d. Waktu pemotongan ( t c ) dan e. Sudut potong utama (κ r )
Hubungan kelima elemen dasar tersebut sesuai persamaan yang diturunkan berdasarkan Gambar 1.berikut:
Gambar 1. Proses bubut, Taufiq Rochim (2007) Geometri benda kerja: d o = diameter awal [mm] d m = diameter akhir [mm] l t = panjang pemesinan [mm] Geometri pahat: κ r = sudut potong utama [º] ϒ o = sudut geram [º]
Kondisi pemesinan:
a = kedalaman pemakanan = [mm]
f = pemakanan [mm/putaran] n = putaran poros utama [rpm]
Dengan  diketahuinya  besaran-besaran  di  atas sehingga  kondisi  pemotongan  dapat  diperoleh sebagai berikut:
http://jurnal.umsb.ac.id/index.php/RANGTEKNIKJOURNAL
 Gaya potong F V dapat dinyatakan sebagai rumus empirik berikut:
F V = k s . A Dengan: F V = gaya potong; N
A  =  penampang  geram  sebelum terpotong [mm 2 ] =b . h = a . f  (lihat Gambar 1.) k s =  gaya  potong  spesifik  ( specific cutting force )[N/mm 2 ], disebut juga  energi  potong  spesifik [J/cm 3 ] = k s1.1 = gaya potong spesifik referensi [N/mm 2 ]
h  =  tebal  geram  sebelum  terpotong [mm 2 ]
z  =  pangkat  tebal  geram  (rata-rata berharga = 0.2)
 Waktu pemotongan:
Dengan: t c = waktu pemotongan (dalam satu kali lintasan) [menit] l t = panjang pemesinan[mm]
Gaya  yang  timbul  sewaktu  proses pemotongan  berlangsung  harus  dapat  diserap dan ditransmisikan oleh pemegang benda kerja ( chuck) ,  pada  Gambar  2.dapatdilihat  gaya  dan arahnya yang muncul sewaktu proses pemotongan berlangsung.
Gambar 2. Gaya dan titik pencekaman pada proses bubut ( http://www.roehm.biz/fileadmin/products/me dia/en/DC0000221.PDF )
Keterangan:
F S = gaya potong utama
F sBo = gaya potong pada axial (drill) F vax = gaya pengumpanan ( feed force ) F spz = gripping force yang dibutuhkan (tanpa perhitungan efek dari angular speed ) F C = gaya sentrifugal dari rahang F spo = total gripping force pada kondisi chuck diam l z = panjang dari yang diproses ke titik pusat pencekaman d z = diameter yang dibubut d sp = diameter yang diklem l sp = panjang yang diklem
 Untuk mengetahui besarnya gaya pencekaman  yang  dibutuhkan,  digunakan rumus berikut:
Dengan: F spz =  gaya  cekam  pada  kondisi chuck diam [N] F S =  gaya  potong  utama  ( main cutting force ) ; atau F V = k s . a . f ; N d z = diameter yang dibubut; mm d sp = diameter yang diklem; mm µ sp = koefisien
friksi
(friksi/gesekan antara rahang chuck dan benda kerja) S Z =  faktor  keselamatan  ( safety factor ), nilainya harus ≥ 2 Untuk harga µ sp mengacu kepada tabel berikut:
Tabel 1. Harga koefisien friksi (µ sp )
Gaya  pencekaman  yang  dibutuhkan  dengan mempertimbangkan  gaya  sentrifugal  yang terjadi:
Dengan: F spo = gaya pencekaman yang dibutuhkan pada kondisi chuck berputar; N
F C =  jumlah  gaya  sentrifugal  dari rahang chuck; N S sp =  faktor  keselamatan  untuk chuck mengacu  kepada  rekomendasi  VDI 3106, dan nilainya ≥ 1,5
±  =  tanda  [+]  digunakan  untuk pencekaman luartanda [–] digunakan untuk pencekaman dalam.
 Sedangkan  gaya  sentrifugal  dari chuck dihitung  dengan  menggunakan  rumus berikut:
di mana,
F C = gaya sentrifugal [N] m = berat rahang per set ( base dan top jaws )[kg] r s =  jarak  dari  titik  tengah  rahang chuck ke sumbu (radius)[m]
Gambar 3. Untuk mencari harga r s dalam menghitung gaya sentrifugal ( http://www.schunk.com/schunk_files/attachm ents/lathe_chuck_chuck_jaws_technology_DE _EN.pdf )
Pengertian Alat Bantu ( Fixture)
Alat  bantuyang  dimaksud  adalah  alat untuk  menempatkan  dan  memegang  benda kerja  sewaktu  proses  pemesinan  berlangsung. Pada  penggunaannya fixture harus  dikunci dengan kuat pada mesin yang menggunakannya. Fixture biasanya
diklasifikasikan  berdasarkan  kepada  jenis mesin dimana fixture tersebut akan digunakan, milling  fixture adalah fixture yang  digunakan di  mesin  milling  dan lathe  fixture adalah fixture yang  digunakan  di  mesin lathe (Henriksen, 1973).
Prinsip-Prinsip Perancangan Fixture
Henriksen  (1973)  menguraikan  hal-hal yang  harus  diperhatikankan  oleh  seorang perancang fixture ketika  melakukan  proses perancangan:
- Ukuran dan bentuk dari produk.
- Tipe dan jenis material dari produk.
- Jenis proses pemesinan yang akan dilakukan.
- Tingkat ketelitian ( accuracy ) dari produk yang harus diproduksi.
- Jumlah produk yang akan diproduksi.
- Permukaan dari locating dan clamping . Bagian-bagian utama fixture beserta fungsinya adalah sebagai berikut:
a) Locating/Locator ,  untuk  menahan  dan memposisikan  benda  kerja  secara  tepat pada posisi yang diinginkan.
b) Clamping ,  untuk  memegang/mencekam benda  kerja  secara  aman  pada  posisinya selama proses pemotongan berlangsung.
c) Supporting ,  bagian  untuk  menahan  benda kerja  ketika  mendapat  tekanan  dari tool sewaktu proses pemotongan berlangsung.
d) Fixture  body ,  adalah  bagian  utama  dari fixture tempat dimana beradanya locating ,
clamping dan supporting .

## Analisa Data dan Perhitungan
Data  yang  dianalisa  dan  dihitung  pada  bagian ini adalah:
 Parameter Pemesinan ( cutting parameters )
 Waktu Pemotongan ( cutting time )
 Gaya Potong ( cutting force )
 Gaya Sentrifugal ( centrifugal corce )
 Gaya Pencekaman ( clamping force ) Untuk  data-data  tersebut  diatas  diambil  dari data-data  yang  dimiliki  oleh  operasi  20  dan operasi  30pada  proses  pengerjaan  bubut roughing external .
1. Data Teknis dari bahan Produk Nama/Jenis Bahan  :  Ferro  Nickel  48 1.3926 DIN 17405-RNi12 Kandungan Karbon : 0.02% Tegangan Tarik : 750 N/mm 2 Kekerasan : 97 HRB
http://jurnal.umsb.ac.id/index.php/RANGTEKNIKJOURNAL
2. Data Tool/Insert yang dianalisa Tabel 2. Jenis dan tipe insert yang diteliti
No Tool Proses Tool/Insert Gr ade M er k 0101 -Roughing External CNMG 120408- ML (Shank : C5- DCLNL- 35060-12) TT 510 0 (P2 0) T A E G
U
T E
C
3. Parameter  Pemesinan  yang  Dipakai
(parameter operasi 30)
Tabel 3. Parameter pemesinan operasi 30 Nomor Operasi Cutting Speed (m/min) - Vc Feed (mm/r) - f Depth of cut (mm) – a Spin dle Spee d (rpm ) 30 160 0,15 1,0 1500 4. Parameter  Pemesinan  yang  Dijadikan Target (parameter operasi 20) Tabel 4. Parameter pemesinan operasi 20 Nomor Operasi Cutting Speed (m/min) - Vc Feed (mm/r) - f Depth of cut (mm) – a Spindle Speed (rpm) 20 200 0,3 1,5 1500
5. Kondisi  Proses  pemesinan  Operasi  20 dan Operasi 30
Tabel 5. Kondisi proses pemesinan operasi 20 dan operasi 30 No Keterangan Op.20 Op.30 Satu an A. Waktu 1 Waktu  Pemotongan  (1x lintasan) 0.19 0.32 meni t B. Pencekaman 2 rahang( Jaws ) Hard Jaws Soft Jaws 3 Chuck Pressure 2.20 1.30  MPa 4 Panjang yg dicekam 10.00 4.50  mm 5 Panjang yang dikerjakan 7.00 11.50  mm C.  Gaya  Yang  Terjadi (perhitungan) 6 Cutting Force 1,423.00 545.00  N 7 Centrifugal Force 2,741.00 4,871. 00 N 8 Clamping Force yg dibutuhkan 26,790.00 29,291 .00 N
Gambar 5. Grafik kondisi parameter pemesinan yang dipakai pada operasi 20 dan operasi 30 dibandingkan dengan
parameter pemesinan yang direkomendasikan oleh Tool Manufacturer .
Dari  Gambar  5.diatas  terlihat  bahwa kondisi  penggunaan  parameter  pemesinan ( Vc,a dan f )  pada  operasi  30  kondisinya  tidak optimal  dibandingkan  dengan  operasi  20  dan rekomendasi tool manufacturer (taegutec).
“Gambar  (6)”  di  bawah  memperlihatkan kondisi pencekaman pada operasi 30 mengacu kepada operasi 20, adalah:
Gambar 6. Grafik kondisi pencekaman operasi 30 mengacu kepada kondisi pencekaman operasi 20.
Dari Gambar 6.diatas terlihat bahwasanya  kondisi  pencekaman  operasi  30 adalah sebagai berikut:
 Chuck pressure 40% lebih rendah dibanding operasi 20
 Panjang  produk  yang  dicekam  55%  lebih pendek dari operasi 20
 Panjang produk yang dikerjakan 64% lebih panjang dari operasi 20
 Clamping force yang dibutuhkan 9% harus lebih besar dari operasi 20
Sehingga dari kondisi pencekaman yang sekarang  dipakai  oleh  operasi  30  tidak memungkinkan  untuk  menerapkan  parameter
pemesinan  ( Vc , a dan f )  yang  optimal  seperti pada  operasi  20,  dikarenakan  oleh  kondisi sebagai berikut:
 Kekerasan  produk  42%  lebih  lunak daripada  kekerasan  pencekam  ( soft  jaws )- nilai  kekerasan  ini  akan  berpengaruh kepada  penggunaan chuck  pressure untuk gaya pencekaman.
 Panjang yang dicekam hanya 28% dari total panjang produk – perbandingan panjang ini akan  berpengaruh  kepada  penggunaan
depth of cut ( a ).
Perancangan Lathe Fixture Supporting , Locating dan Clamping
Mengacu  kepada  kondisi  produk  hasil operasi  20,  maka  kondisi  rancangan  untuk supporting , locating dan clamping untuk lathe fixture adalah seperti gambar di bawah:
(a)
(b) Gambar 7. Rancangan dari (a) supporting , locating dan (b) clamping
Agar  menghasilkan  produk  dengan variasi  ukuran  yang  terkontrol  dan  juga memudahkan  dalam loading dan unloading produk dari lathe fixture , maka harga toleransi yang dipakai untuk produk dan locating adalah 24H7/24g6.

## Body
Dengan  pertimbangan  fungsi body sebagai  tempat  dudukan  dari supporting dan locating dan  yang  akan  menahan cutting force dari  tool  yang  ditransmisikan  melalui permukaan  produk  dan  juga  yang  akan  secara langsung  bersentuhan  dan  dicekam  oleh chuck ( jaws ),  maka  bahan  dari body menggunakan steel C45 yang memiliki kekerasan HRB 207- 255 dengan bentuk rancangan seperti “Gambar (8)” di bawah:
(a) (b) Gambar 8. Rancangan untuk body , supporting , locating dan clamping dari lathe fixture, (a) tampilan 2D, dan (b) tampilan 3D
Dari hasil rancangan-rancangan tadi, maka gambar lathe fixture adalah seperti berikut:
Gambar 9. Lathe fixture hasil rancangan

## Evaluasi dan Analisa Hasil Rancangan
Untuk  mendapatkan  kesesuaian  antara target  yang  ingin  dicapai  dengan  hasil rancangan, maka gambar di bawah memperlihatkan penjelasan dari hasil
rancangan lathe fixture untuk seluruh bagiannya.
http://jurnal.umsb.ac.id/index.php/RANGTEKNIKJOURNAL
Gambar 10. Evaluasi hasil rancangan lathe fixture
Dari  data-data  yang  dikumpulkan  yang terdapat  pada  operasi  30  yang  sekarang digunakan  dan  juga  target  yang  ingin  dicapai dibandingkan  dengan  kondisi  hasil  rancangan lathe  fixture ,  maka  analisa  datanya  adalah seperti  “Table  (6)”  dan  untuk  analisa  kondisi parameter pemesinan diperlihatkan pada Gambar 11.di bawah:
Tabel 6. Analisa hasil rancangan dari lathe fixture
Gambar 11. Grafik kondisi parameter pemesinan operasi 30 sebelum dan sesudah
menggunakan lathe fixture dengan mengacu kepada parameter pemesinan operasi 20.

## SIMPULAN DAN SARAN Simpulan
1.  Bahwa lathe  fixture dengan  desain  dan dimensi seperti yang penulis rancang secara teoritis  akan  mampu  menahan  gaya pemotongan  yang  ditimbulkan  oleh  adanya interaksi insert  CNMG  120408-ML dengan produk poolschijf/ 402218716371 pada operasi  30  dengan  menggunakan  nilai cutting  parameters yang  sama  dengan operasi 20.
2.  Dengan  menggunakan lathe  fixture pada operasi 30 akan mendapatkan penghematan dari konsumsi kebutuhan material sehingga dengan  material  yang  lebih  pendek  maka waktu  pemotongan  akan  lebih  cepat  dan ongkos produksi akan menurun.

## Saran
Berdasarkan hasil analisa dalam pembahasan  penelitian  ini  maka  penulis memberikan  saran-saran  kepada  pembaca. Saran-saran tersebut adalah sebagai berikut: 1. Untuk mendapatkan gaya pencekaman yang  optimal  sesuai  kebutuhan  maka hendaknya diperhatikan dengan sungguh-sungguh gaya sentrifugal yang  terjadi  yang  akan  mengurangi gaya  pencekaman  seiring  dengan meningkatnya putaran spindel. 2. Pada  penelitian  berikutnya  hendaklah lebih dikembangkan dan lebih diperluas  lagi  ruang  lingkupnya, bukan hanya pada kondisi penggunaan satu jenis insert saja. Akan tetapi bisa dikembangkan dengan diteliti penggunaan insert-insert yang lainnya dan  juga  penggunaan soft  jaws yang lain pula.
3. Agar  bisa  mendapatkan  perbandingan antara  hasil  rancangan  secara  teoritis dengan penggunaan secara langsung di lapangan  dalam  kondisi  yang  real maka  rancangan lathe  fixture untuk produk poolschijf/ 402218716371ini agar  dilanjutkan  ke  tahap  berikutnya yaitu dibuat produk jadinya.

## DAFTAR PUSTAKA
Henriksen, Jig  and  Fixture  Design  Manual , Industrial Press, New York, 1973. Hoffman  Edward, Jig  and  Fixture  Design , Edisi  kelima,  Thomson,  New  York, 2004. Ingersoll  Taeguline,  Taegutec  Catalogue, 2007. Isakov  Edmund, Cutting  Tool  Engineering Magazine , Power  Equations ,  Vol.53 no.5, May 2001. Rochim  Taufiq, Klasifikasi  Proses , Gaya  dan Daya  Pemesinan ,  Buku  1  dan  Buku  2, Penerbit ITB, Bandung, 2007. SMW  AUTOBLOK,  Instruction Manul  Quick Jaw Change Power Chuck Type KNCS- N. Unterweiser  M.  Paul  at.al, Heat  Treater’s Guide Standard Practise and Procedures  for  Steel ,  Edisi  keempat, American  Society  for  Metals,  Ohio, 1987.