pemesinan non-tradisional

11. PROSES PEMESINAN NONTRADISIONAL
DAN PEMOTONGAN TERMAL
PROSES ENERGI MEKANIK
Berdasarkan energi yang digunakan, proses pemesinan nontradisional dapat dibagi
atas empat katagori :
- pemesinan ultrasonik (ultrasonic machining, USM),
- pemotongan pancaran air (water jet cutting, WJC),
- pemotongan pancaran air abrasif (abrasive water jet cutting, AWJC), dan
- pemesinan pancaran abrasif (abrasive jet machining, AJM).
Pemesinan ultrasonik (USM), adalah pemesinan nontradisional yang menggunakan
campuran air dengan partikel abrasif (slurry), digerakkan dengan kecepatan tinggi
ke suatu bendakerja, dengan menggetarkan perkakas pada amplitudo yang rendah
yaitu sekitar 0,003 in. (0,076 mm) dan frekuensi tinggi mendekati 20.000 Hz.
Perkakas berisolasi dengan arah tegaklurus terhadap permukaan bendakerja, dan
partikel abrasif akan mengikis bendakerja sedemikianrupa sehingga dihasilkan
bentuk yang sesuai dengan bentuk perkakas seperti ditunjukkan dalam gambar 11.1.
Gambar 11.1 Pemesinan ultrasonik
Amplitudo vibrasi harus diatur mendekati sama dengan ukuran butir partikel,
sedang celah antara perkakas dengan benda kerja harus diatur sekitar dua kali
ukuran butir partikel.
Gambar 11.2 menunjukkan hubungan antara osilasi frekuensi dan amplitudo dengan
kecepatan pembentukan gram (MRR) pada proses USM.
221
Gambar 11.2 Hubungan antara osilasi frekuensi dan amplitudo dengan kecepatan
pembentukan gram (MRR) pada proses USM
Pemotongan pancaran air (WJC); menggunakan aliran air halus dengan tekanan dan
kecepatan tinggi, yang diarahkan pada permukaan bendakerja sehingga menyebabkan bendakerja terpotong seperti ditunjukkan dalam gambar 11.3. Proses
pemotongan ini juga disebut pemesinan hidrodinamik.
Gambar 11.3 Pemotongan pancaran air
Untuk mendapatkan aliran air yang halus digunakan pembukaan nosel dengan
diameter sekitar 0,004 sampai 0,016 in (0,1 sampai 0,4 mm). Agar diperoleh aliran
dengan energi yang cukup untuk pemotongan, digunakan tekanan di atas 60.000
lb/in2 (400 Mpa), dan pancaran mencapai kecepatan di atas 3000 ft/sec. (900m/s).
Cairan ditekan sesuai tingkat yang diinginkan dengan menggunakan pompa hidraulik.
Sebagai cairan pemotong biasanya digunakan larutan polimer karena cendrung
menghasilkan aliran yang lebih menyatu (coherent stream). Aliran cairan dari nosel
dapat diatur besarnya, untuk material yang tipis pembukaan diatur lebih kecil agar
dihasilkan pemotongan yang lebih halus.
222
Parameter dalam proses WJC adalah :
- jarak antara nosel dan permukaan bendakerja (standoff distance).
- diameter pembukaan nosel,
- tekanan air dan kecepatan potong.
Jarak antara pembukaan nosel dengan permukaan bendakerja harus diatur sekecil
mungkin untuk menghindari adanya percikan aliran cairan. Jarak yang umum
digunakan adalah 1/8 in (3,2 mm). Ukuran pembukaan nosel berpengaruh terhadap
ketelitian pemotongan, pembukaan kecil digunakan untuk pemotongan halus pada
material yang tipis, sedang untuk memotong material yang lebih tebal dibutuhkan
pancaran aliran dan tekanan yang lebih besar pula. Kecepatan pemotongan yang
sering digunakan dari 12 in./min (5 mm/s) sampai di atas 1200 in./min (500 mm/s).
WJC sangat efektif digunakan untuk memotong alur yang sempit dalam bendakerja
datar seperti plastik, tekstil, komposit, ubin, karpet, dan kulit.
Pemotongan pancaran air abrasif (AWJC); bila WJC digunakan untuk pemotongan
bendakerja logam, maka biasanya harus ditambahkan partikel abrasif kedalam
aliran pancaran. Partikel abrasif yang sering digunakan adalah oksida aluminium,
dioksida silikon, dan garnet (mineral silikat). Partikel abrasif yang ditambahkan
kedalam aliran air sekitar 0,5 lb/min (0,23 kg/min) setelah keluar dari nosel.
Parameter dalam proses AWJC sama dengan pada proses WJC, yaitu :
- diameter pembukaan nosel,
- tekanan air, dan
- jarak antara pembukaan nosel dan permukaan bendakerja.
Diameter pembukaan nosel berkisar antara 0,010 in. (0,25 mm) sampai 0,025 in.
(0,63 mm), sedikit lebih besar daripada WJC. Tekanan air yang digunakan hampir
sama seperti WJC, sedang jarak antara pembukaan nosel dengan permukaan
bendakerja sedikit lebih kecil, untuk meminimalkan dampak dari percikan cairan
pemotong, yang sekarang mengandung partikel abrasif. Jarak tersebut sekitar
seperempat dan setengah dari jarak yang biasa dipakai pada WJC.
Pemesinan Pancaran Abrasif (AJM); adalah proses pelepasan material yang
menggunakan aliran gas kecepatan tinggi yang mengandung partikel-pertikel abrasif
kecil seperti ditunjukkan dalam gambar 11.4. Disini digunakan gas kering dengan
tekanan 25 sampai 200 lb/in2 (0,2 sampai 1,4 MPa) dialirkan melalui lubang nosel
dengan diameter 0,003 sampai 0,040 in. (0,075 sampai 1,0 mm) pada kecepatan 500
sampai 1000 ft/min (2,5 sampai 5,0 m/s). Gas yang digunakan adalah udara kering,
nitrogin, dioksida karbon, dan helium.
Untuk mengarahkan nosel pada bendakerja biasanya dilakukan secara manual oleh
seorang operator. Jarak antara ujung nosel dengan permukaan bendakerja sekitar
223
1/8 in. sampai beberapa in. Tempat kerja harus disiapkan dengan ventilasi yang
cukup memadai untuk operator.
Gambar 11.4 Pemesinan pancaran abrasif
AJM pada umumnya digunakan untuk proses penyelesaian seperti pemangkasan,
pembersihan, pemolesan, dan sebagainya. Pemotongan dapat dilakukan untuk
material yang keras dan getas ( sebagai contoh gelas, silikon, mika, dan keramik)
yang berbentuk rata dan tipis. Abrasif yang sering digunakan adalah oksida
aluminium (untuk aluminium dan kuningan), karbida silikon (untuk baja tahan karat
dan keramik), dan butir gelas (untuk pemolesan). Ukuran diameter butir sangat
halus, berkisar antara 15 sampai 40 m, dan untuk dapat digunakan ukuran tersebut
harus seragam.
PROSES ENERGI TERMAL
Karakteristik proses pelepasan material dengan menggunakan energi termal
ditandai dengan pemakaian temperatur lokal yang sangat tinggi, cukup panas untuk
melepaskan material dengan peleburan atau penguapan.
Proses Pelepasan Muatan Listrik (Electric Discharge Processes) adalah proses
pelepasan logam dengan menggunakan pelepasan muatan listrik yang mengakibatkan
terjadinya temperatur lokal cukup tinggi untuk melebur atau menguapkan logam.
Dua proses utama yang termasuk dalam katagori ini adalah :
- pemesinan pelepasan muatan listrik (electric discharge machining, EDM), dan
- pemotongan kabel pelepasan muatan listrik (electric discharge wire cutting,
EDWC).
Pemesinan pelepasan muatan listrik (EDM), seperti ditunjukkan dalam gambar 11.5
termasuk proses nontradisional yang paling banyak digunakan. Bentuk permukaan
akhir bendakerja dihasilkan oleh elektrode pembentuk. Pelepasan muatan listrik
terjadi pada celah antara elektrode dan permukaan bendakerja. Proses EDM harus
dilakukan dalam suatu media fluida dielektrik, yang merupakan penghantar untuk
224
setiap pelepasan muatan listrik (discharge) karena fluida akan menjadi terionisasi
di dalam celah. Pelepasan muatan listrik dihasilkan oleh catu daya listrik arus
searah yang dihubungkan dengan bendakerja dan elektrode.
Gambar 11.5 Pemesinan pelepasan muatan listrik
Gambar 11.5(b) menunjukkan celah antara elektrode perkakas dan benda kerja.
Pelepasan muatan listrik terjadi pada dua permukaan yang terdekat. Ionisasi fluida
dielektrik pada lokasi tersebut merupakan penghantar untuk pelepasan muatan.
Pada daerah tempat terjadinya pelepasan muatan listrik tersebut akan timbul panas
dengan temperatur sangat tinggi sehingga bagian kecil permukaan bendakerja
secara tiba-tiba menjadi lebur dan terlepas. Aliran fluida kemudian membersihkan
partikel kecil (serpihan) tersebut. Melepasnya bagian kecil dari permukaan
bendakerja menyebabkan jarak dari elektrode perkakas menjadi lebih jauh,
sehingga bagian lain yang lebih dekat akan mengalami proses yang sama dengan
sebelumnya. Demikian seterusnya sampai semua daerah mengalami pengurangan
yang sama. Walupun pelepasan muatan listrik secara individual melepaskan bagian
demi bagian dari bendakerja, tetapi hal ini terjadi ratusan bahkan ribuan kali per
225
detik sehingga pengikisan secara bertahap akan terjadi pada semua bagian
permukaan dalam daerah celah tersebut.
Dua variabel proses utama dalam EDM adalah :
- arus, dan
- frekuensi pelepasan muatan listrik.
Bila salah satu parameter ini meningkat, maka laju pelepasan material juga akan
meningkat. Kekasaran permukaan juga dipengaruhi oleh arus dan frekuensi, seperti
ditunjukkan dalam gambar 11. 6. Permukaan akhir yang paling baik dihasilkan dalam
EDM dengan pengoperasian pada frekuensi yang tinggi dan arus pelepasan muatan
listrik yang rendah.
Gambar 11.6 Penyelesaian permukaan dalam EDM sebagai fungsi arus pelepasan muatan
dan frekuensi pelepasan muatan
Karena perkakas memberikan penetrasi pada bendakerja, maka ini berarti telah
terjadi proses pemesinan lubang pada bendakerja diluar ukuran perkakas (perkakas
tidak menyentuh bendakerja). Jarak antara perkakas dengan bendakerja pada saat
pemesinan lubang terjadi disebut overcut. Overcut sebagai fungsi arus dan
frekuensi ditunjukkan dalam gambar 11.7.
Gambar 11.7 Overcut sebagai fungsi arus dan frekuensi
226
Perlu dicatat bahwa temperatur bunga api yang tinggi tidak hanya menyebabkan
meleburnya bendakerja tetapi juga melebur perkakas, sehingga akan terjadi rongga
kecil pada permukaan yang berhadapan dengan rongga yang dihasilkan pada
bendakerja. Keausan perkakas biasanya diukur sebagai rasio antara material yang
dilepaskan pada bendakerja dengan material yang dilepaskan pada perkakas. Rasio
ini berkisar antara 1,0 sampai 100 atau sedikit di atasnya, tergantung pada
kombinasi material bendakerja dengan material elektrode perkakas. Elektrode
perkakas biasanya dibuat dari :
- grafit,
- tembaga tungsten,
- tembaga,
- perak tungsten, dan
- kuningan,
- material yang lain.
Kekerasan dan kekuatan material bendakerja bukan merupakan faktor dalam EDM,
karena prosesnya tidak melalui persentuhan antara perkakas dengan bendakerja.
Tetapi titik lebur material bendakerja adalah merupakan sifat yang sangat penting,
dan laju pelepasan material dapat dihubungkan secara pendekatan dengan titik
lebur, dengan menggunakan rumus empiris sebagai berikut :
MRR = K I / Tm1,23
Dimana :
MRR = laju pelepasan material, in. 3/min (cm3/min);
K = konstante personalitas
= 5,08 dalam satuan US, atau = 39,86 dalam satuan SI
I = arus pelepasan muatan (discharge current), Amper,
Tm = temperatur lebur bendakerja, oF, (oC).
Contoh soal :
Suatu alloy memiliki titik lebur = 200oF akan dimesin dalam operasi EDM. Bila
8material (MRR) ?
Jawab :
MRR = 5,08 (25)/20001,23 = 0,11 in.3/min.
Pemotongan kabel pelepasan muatan listrik (EDWC), sering disebut EDM kabel,
adalah bentuk khusus pemesinan pelepasan muatan listrik yang menggunakan kabel
berdiameter kecil sebagai elektrode untuk memotong bendakerja, seperti
ditunjukkan dalam gambar 11.8. Proses pemotongan dalam EDM kabel dilakukan
dengan energi termal dari pelepasan muatan listrik antara kabel elektrode dan
bendakerja. Kendali numerik digunakan untuk mengendalikan gerakan bendakerja
selama pemotongan. Pada saat pemotongan, kabel secara kontinu digerakkan dari
satu penggulung ke penggulung yang lain agar elektrode ke bendakerja selalu dalam
keadaan baru dengan diameter konstan, sehingga celah pemotongan yang dihasilkan
227
tetap sama selama proses berlangsung. Seperti pada EDM, EDM kabel harus
dilakukan dalam media dielektrik. Hal ini dilakukan dengan nosel yang diarahkan
pada antarmuka (interface) perkakas dan bendakerja, atau dengan memendam
bendakerja dalam bak dielektrik.
Gambar 11.8 Pemotongan kabel pelepasan muatan listrik
Diameter kabel berkisar dari 0,003 hingga 0,012 in. (0,076 hingga 0,30 mm),
tergantung pada lebar potongan yang diinginkan. Material yang digunakan untuk
kabel adalah kuningan, tembaga, tungsten, dan molibdenum. Fluida dielektrik yang
digunakan adalah air atau oli yang telah dideionisasi. Seperti pada EDM, pada EDM
kabel juga terjadi overcut yang membuat celah potong (kerf) lebih lebar daripada
diameter kabel, seperti ditunjukkan dalam gambar 11.9. Overcut ini berkisar dari
0,0008 hingga 0,002 in. (0,020 hingga 0,051 mm).
Gambar 11.9 Definisi dari kerf dan overcut dalam pemotongan kabel pelepasan muatan
listrik
Walupun EDWC mirip dengan operasi gergaji sabuk (bandsaw), tetapi ketelitiannya
jauh melebihi gergaji sabuk. Celah potong jauh lebih sempit, sudut dapat dibuat
228
jauh lebih tajam, dan gaya potong terhadap bendakerja adalah nol. Sebagai
tambahan, kekerasan dan ketangguhan material bendakerja tidak berpengaruh
terhadap performansi. Yang menjadi persyaratan hanyalah bahwa bendakerja harus
memiliki sifat hantaran listrik.
Pemesinan Berkas Laser
Laser digunakan untuk berbagai jenis operasi dalam industri, termasuk perlakuan
panas (heat treatment), pengelasan, dan pengukuran, serta penggoresan (scribing),
pemotongan, dan penggurdian. Istilah laser merupakan singkatan dari light
amplification of stimulated emission of radiation. Laser adalah suatu transduser
optik yang mengkonversikan energi listrik menjadi berkas sinar yang menyatu.
Berkas sinar laser memiliki beberapa sifat berbeda dari sinar yang lain, yaitu :
- hanya memiliki satu panjang gelombang (monokromatik), dan
- memiliki berkas sinar sejajar (hampir sempurna).
Sifat-sifat ini memungkinkan sinar laser dapat difokuskan menggunakan lensa optik
konvensional, menjadi titik terpusat sehingga memiliki densitas daya yang tinggi.
Tergantung pada jumlah energi yang terkandung dalam berkas sinar dan tingkat
konsentrasi sinar kesuatu titik, berbagai proses industri dapat dilakukan.
Pemesinan berkas laser (laser beam machining, LBM), seperti ditunjukkan dalam
gambar 11.10 adalah proses pemesinan menggunakan energi sinar laser untuk
melepaskan material bendakerja dengan menguapkan dan membakar.
Gambar 11.10 Pemesinan berkas laser
229
Pemesinan berkas laser digunakan dalam berbagai jenis penggurdian, pembelahan,
pembuatan alur, penggoresan, dan operasi penandaan. Penggurdian diameter lubang
kecil dapat dilakukan di bawah 0,001 in. (0,025 mm). Untuk lubang yang lebih besar,
diameter di atas 0,020 in. (0,50 mm), dilakukan dengan mengendalikan berkas laser
memotong garis luar dari lubang. LBM tidak digunakan untuk proses produksi
massal, dan pada umumnya digunakan untuk bendakerja yang tipis. Material kerja
yang dapat dikerjakan dengan LBM sebenarnya tidak terbatas. Sifat material yang
ideal untuk dikerjakan dengan LBM adalah material yang memiliki :
- daya absorbsi energi sinar tinggi,
- reflektivitas (daya pantul sinar) rendah,
- konduktivitas termal baik,
- panas lebur rendah,
- panas penguapan rendah.
Material bendakerja yang dapat dikerjakan dengan LBM adalah :
- logam dengan kekerasan dan kekuatan yang tinggi,
- logam lunak,
- keramik,
- gelas dan epoksi gelas,
- plastik,
- karet,
- kain, dan
- kayu.
230