Studi eksperimental pengaruh konsentrasi larutan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH KONSENTRASI
LARUTAN TERHADAP LAJU PELEPASAN MATERIAL
PADA PROSES ELECTROCHEMICAL MACHINING
Arief Budiman, Prof.Dr.Ing. Suhardjono, Msc
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri , Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Abstrak
Pada proses elektrochemical machining peran dari
elektrolit sangat penting. Tanpa adanya elektrolit proses
machining tidak akan terjadi. Pada kebanyakan literatur
belum ada pembahasan yang rinci mengenai pengaruh
perubahan konsentrasi elektrolit terhadap laju pelepasan
material (MRR), overcut, dan tapering. Dengan adanya
penelitian ini diharapkan dapat menemukan hubungan
perubahan nilai konsentrasi elektrolit
terhadap laju
pelepasan material (MRR), overcut, dan tapering pada proses
electrochemical machining.
Pada penelitian ini diamati bagaimana hubungan antara
perubahan nilai konsentrasi elektrolit dengan laju pelepasan
material (MRR), overcut, dan tapering dengan cara
memvariasikan nilai konsentrasi elektrolit yang digunakan..
Oleh karena itu, pada tugas akhir ini akan dilakukan
penelitian untuk mengetahui pengaruh konsentrasi terhadap
laju pelepasan material (MRR), overcut maupun efek
ketirusan/tapering pada benda kerja. Penelitian dilakukan
dengan memvariasikan konsentrasi larutan NaCl yakni : 1,7
M ; 2,56 M ; 3,42 M ; 4,27 M ; 5,13 M ; 5,98 M ;6,83 M,
dengan diameter luar elektroda 10 mm dan diameter dalam
elektroda 9 mm.
Dari hasil penelitian dapat diketahui sejauh mana
pengaruh variasi konsentrasi larutan dengan menggunakan
elektroda tanpa isolasi yang akan mempengaruhi kondisi
MRR pada produk pengerjaan ECM.
Kata Kunci : Electrochemical Machining (ECM), overcut,
efek ketirusan, MRR, konsentrasi larutan.
I. PENDAHULUAN
Proses pemesinan adalah suatu proses yang digunakan
untuk mengubah bentuk produk dari logam dengan cara
memotong. Proses permesinan terbagi atas dua macam yaitu
proses permesinan konvensional dan non konvensional. Salah
satu dari permesinan non konvensional yang digunakan adalah
electrochemical machining. Proses pengerjaan material benda
kerja pada proses ECM sampai menjadi bentuk yang
diinginkan adalah dengan cara pelarutan anodis dari material
benda kerja dengan memanfaatkan suatu reaksi kimia dan
pelepasan muatan listrik antara pahat (elektroda) dan benda
kerja yang mempunyai sifat konduktor listrik melalui sebuah
sumber arus searah (DC) didalam suatu cairan elektrolit.
Pada tahun 2008 telah dilakukan penelitian oleh saudara
Agung Hermawan dengan memvariasikan ukuran diameter
pahat, baik untuk penggunaan pahat tanpa isolasi maupun
terisolasi, diperoleh data hasil percobaan yang kemudian
dilakukan pengolahan data tersebut sehingga didapatkan data
overcut dan ketirusan sebagai fungsi diameter pahat. Akan
tetapi seiring dengan penggunaan pahat dengan ukuran
diameter yang semakin besar maka overcut lubang yang
dihasilkan juga akan semakin besar.
Overcut lubang yang paling besar terlihat pada penggunaan
pahat dengan ukuran Ø 18,70 mm, yaitu sebesar 1,56 mm
untuk pemakaian pahat tanpa isolasi dan 1,20 mm untuk pahat
terisolasi. Terjadinya kondisi tersebut disebabkan adanya
pengaruh dari jumlah muatan listrik dan kecepatan aliran
flushing cairan elektrolit. Dengan semakin besar ukuran
diameter pahat yang digunakan, baik untuk pahat tanpa isolasi
maupun pahat terisolasi, dimana dari data percobaan yang
didapat menunjukkan adanya aliran arus dan waktu
pelubangan yang semakin besar pula. Dengan semakin
meningkatnya jumlah muatan listrik tersebut maka
menyebabkan jumlah material logam benda kerja yang terlarut
atau terlepas dari logam induknya juga akan semakin besar.
Namun penelitian diatas belum mempelajari pengaruh
variasi konsentrasi larutan terhadap overcut, ketirusan dan
MRR sehingga perlu untuk diteliti lebih lanjut sejauh mana
pengaruh variasi konsentrasi larutan tersebut, terutama pada
hasil produk pengerjaan lubang. Dari uraian diatas, maka
pada penelitian ini dilakukan pembuatan bentuk lubang
melalui percobaan ECM. dengan parameter variasi konsentrasi
larutan.
II. DASAR TEORI
II.1 Prinsip kerja ECM
Electrochemical Machining (ECM) adalah salah satu
proses pemesinan non konvensional, yang prinsip kerjanya
berdasarkan hukum Faraday. Proses permesinan terjadi akibat
adanya reaksi oksidasi dan reduksi pada saat elektrolisis. Pada
ECM reaksi reduksi dan oksidasi ditunjukkan dengan adanya
pengerosian (lepasnya elektron) benda kerja dan penambahan
massa (penempelan elektron/geram) pada pahat. Untuk proses
ECM penempelan electron dicegah dengan memberikan
flusing (elektrolit disemprotkan) pada area kerja. Sehingga
elektron/ geram yang lepas dari benda kerja tidak sempat
menempel pada pahat.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
II,2 Elemen dari proses Electrochemical machining
1. Pahat (katode)
2. Benda kerja (anode)
3. Sumber arus DC
4. Elektrolit
Elektrolit yang digunakan pada proses ECM
mempunyai banyak fungsi, antara lain:
Sebagai pelengkap rangkaian listrik antara
benda kerja dan pahat.
Menyebabkan
reaksi
permesinan
yang
diinginkan dapat terjadi.
Menjaga temperatur akibat panas yang
dihasilkan oleh reaksi kimia yang terjadi.
Menjaga agar reaksi yang terjadi hanya pada
area pemesinan.
2
keluar berupa Fe(OH)3. Besi hidroksida bereaksi lebih lanjut
dengan air dan oksigen membentuk ferrik hidroksid. Ion yang
bermuatan negatif adalah (OH)- dan Cl- menuju ke arah anode
sedangkan ion positif H+ dan Na+ menuju ke katode.
Walaupun semua terkonsentrasi pada reaksi namun tidak
semua partikel terelektrolisis. Garam (contohnya NaCl) tidak
dikonsumsi pada proses elektro kimia, oleh karena itu untuk
membuat konsentrasi elektrolit konstan perlu ditambahkan
larutan dalam hal ini adalah H2O atau aquades. Reaksi antara
H20 dan Nacl akan menghasilkan asam atau HCl dimana
akan,mengakibatkan lepasnya besi dari anode. Konsentrasi
yang semakin tinggi yaitu gabungan antara NaCl dan H 2O
akan menyebabkan kadar hidrogen dan asam yang terbentuk
semakin tinggi. Hal ini berpengaruh pada tingkat pelepasan
besi dari anoda akan semakin cepat sehingga MRR akan naik.
II.4 Konduktivitas Larutan
Konduktivitas adalah ukuran seberapa kuat suatu larutan
dapat menghantarkan listrik. K o n d u k t i v i t a s b e r p e r a n
p e nt i n g p a d a p r o s e s e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g
Karena ada relevansi antara konsentrasi dan konduktivitas
suatu larutan, maka untuk menentukan konsentrasi suatu
larutan
dapat
dilakukan
dengan
cara mengukur
konduktivitas larutan tersebut.
II.3 Elektrolisis pada ECM
k = C l/A
dimana;
Gambar 1.2 Reaksi elektrokimia pada anoda dan
Katoda
REACTION AT ANODE:
Fe ↔ Fe2+ + 2e
Fe2+ + 2Cl
↔ FeCl2
REACTION AT CATHOD:
Na+ + e- ↔ Na
Na + H2 O ↔ Na (OH) + H+
Fe2+ + 2OH ↔ Fe (OH)2
2H+ + 2e- ↔ H2↑
FeCl2 + 2 OH ↔ Fe(OH)2 + 2 Cl2Cl-↔ Cl2 (g) + 2e2FeCl2 + Cl2 ↔2FeCl3
H+ + Cl- ↔ HCl
2Fe (OH)2 + H2O + O2 ↔2Fe(OH)3↓
Fe(OH)3 + 3HCl ↔FeCl3 + 3H2 O
FeCl3 + 3 NaOH ↔ Fe(OH)3↓+3NaCl
Dari gambar 1.2 .Hasil dari reaksi elektro kimia adalah ion
besi yang bergabung dengan ion lain untuk mempercepat ion
k = konduktivitas, mho/cm
C = konduktansi, mho
3
A = Luas elektroda, cm
l = Jarak antara elektroda, cm
Dari persamaan diatas suatu konduktansi dengan nilai 1
mho dapat dinyatakan sebagai kemampuan hantar dari zat cair
yang berukuran luas penampang 1 cm3 untuk arus 1 Ampere
dengan tegangan 1 Volt. Jika arus yang dapat dihantarkan
lebih besar lagi, maka konduktansinya lebih besar pula. Jika
pada suatu resistor dialirkan arus yang membesar maka
tahanan atau resistansinya akan mengecil. Hal ini berarti
bahwa konduktivitas adalah kebalikan dari resistansi, mho =
1/ohm.
III. METODOLOGI PERCOBAAN
Benda kerja yang digunakan pada pengujian ini adalah
SKD 11 yang biasa digunakan untuk pembuatan punch, dies,
cutting tool, dan proses lainnya yang membutuhkan sifat tahan
aus yang tinggidengan panjang 100 mm, lebar 36,80 mm dan
tebal 4,2 mm. Material pahat yang digunakan dalam
percobaan ini adalah tembaga ( Cu.) berbentuk silinder
berlubang dengan diameter dalam 9mm dan diameter luar 10
mm. Pemilihan tembaga sebagai material dari pahat karena
tembaga mempunyai sifat penghantaran listrik yang baik dan
material tersebut mudah didapatkan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
3
Parameter Percobaan
Konsentrasi Larutan 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4 (M)
Tegangan
24 V
Arus
1 A
Gap
2 mm
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
IV.1 Data Hasil Percobaan
Setelah dilakukan percobaan dengan variasi konsentrasi
larutan yang berbeda dengan arus dan tegangan konstan
masing 1 A dan 24 V serta gap efektif antara 0,2-2 mm. Setiap
titik pelubangan dilakukan pengambilan data sebanyak 3 kali
sehingga dari percobaan dengan variasi konsentrasi larutan
sebanyak 7 tingkatan akan didapat data sebagai berikut :
IV.2 Analisa Grafik
IV.2.1 Analisa Pengaruh Variasi Konsentrasi Terhadap
MRR
30
MRR (mm3/menit)
Tabel 1. Data Hasil Percobaan
25
20
y = 35.5x + 9.04
R² = 0.988
Perc 1
perc 2
15
perc 3
10
5
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Linear
(MRR
rata2)
Konsentrasi (M)
Gambar 4.1 Grafik hubungan variasi konsentrasi terhadap
MRR pada proses ECM
Dari Gambar 4.1 yaitu grafik hubungan variasi nilai
konsentrasi terhadap MRR terlihat bahwa semakin besar nilai
konsentrasi larutan maka laju pelepasan material (MRR) yang
terjadi akan semakin besar. Hal ini mengacu pada reaksi kimia
antara NaCl dan H2O. Dimana dengan semakin pekatnya
konsentrasi larutan yang terbentuk dari reaksi antara NaCl dan
H2O maka kadar asam (HCl) yang terbentuk juga akan
meningkat. Asam (HCl) sendiri mempunyai sifat korosif
terhadap material yang terbuat dari logam. Semakin tinggi
kadar asam maka sifat korosif yang ditimbulkan juga akan
meningkat. Hal inilah yang mempengaruhi laju pengerjaan
material yang terjadi, dimana unsur Fe yang merupakan salah
satu unsur pembentuk material benda kerja yang dalam hal ini
terbuat dari baja SKD11 akan semakin mudah terlepas dari
logam induknya karena tingkat intensitas HCl yang semakin
tinggi. Sehingga bila semakin tinggi nilai konsentrasi elektrolit
yang digunakan maka Laju Pelepasan Material (MRR) akan
semakin meningkat.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
waktu (menit)
IV.2.2 Analisa Pengaruh Variasi Konsentrasi Terhadap
Waktu Pengerjaan Material
60
55
50
45
40
35
30
25
20
4
1.
perc 1
y = -68.6x + 61.9
R² = 0.964
2.
perc 2
3.
perc 3
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Linear
(waktu
rata2)
konsentrasi (M)
Gambar 4.2 Grafik hubungan variasi konsentrasi terhadap
waktu pengerjaan pada proses ECM
Dari Gambar 4.2 yaitu grafik hubungan variasi konsentrasi
larutan terhadap waktu pemesinan menggambarkan bahwa
semakin besar nilai konsentrasi maka waktu pemesinan akan
semakin turun. Hal ini berarti bahwa waktu yang dibutuhkan
untuk proses pemesinan akan lebih cepat untuk nilai
konsentrasi yang lebih tinggi.
Nilai konsentrasi yang tinggi akan mempengaruhi laju
pelepasan material tiap menit (MRR) dimana semakin tinggi
nilai konsentrasi maka MRR yang terjadi juga akan naik
(grafik 4.8). Hal inilah yang mempengaruhi waktu pemesinan
yang semakin cepat seiring bertambahnya nilai konsentrasi
larutan karena material yang dilepaskan dari logam induk
semakin banyak dan cepat.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
V.1. Kesimpulan
Dari hasil analisa data percobaan pada proses ECM dengan
variasi konsentrasi larutan terhadap Laju Pelepasan Material
(MRR), Overcut, dan Tapering dengan benda kerja SKD11,
arus dan tegangan konstan 1 Ampere dan 24 Volt .Dapat
ditarik kesimpulan :
1. Semakin besar nilai konsentrasi larutan pada proses
electrochemical machining (ECM), maka laju pelepasan
material (MRR) yang terjadi juga akan semakin
meningkat..
2. Semakin besar nilai konsentrasi larutan pada proses
electrochemical machining (ECM), maka overcut yang
terjadi semakin naik.
3. Semakin besar nilai konsentrasi larutan pada proses
electrochemical machining (ECM), maka tapering yang
terjadi akan semakin menurun.
4. Semakin besar nilai konsentrasi larutan pada proses
electrochemical machining, maka waktu pengerjaan akan
semakin cepat.
V.2 Saran.
Dalam penelitian proses ECM ini masih terdapat
kekurangan yang mungkin dapat menjadi masukan yang
mungkin dapat diperbaiki pada penelitian selanjutnya.
Berikut adalah saran untuk penelitian lanjutan :
4.
5.
6.
Diperlukan suatu power supply yang dapat
menghasilkan arus listrik yang besar untuk
menghasilkan waktu tempuh proses pemesinan yang
lebih cepat.
Diperlukan kontrol temperatur pada cairan elektrolit
agar proses elektrolisis dapat dikendalikan dengan
baik.
Diperlukan suatu sistem filterisasi dari cairan
elektrolit yang baik untuk menghasilkan kondisi
elektrolit agar tetap jernih selama proses pemesinan
berlangsung.
Diperlukan suatu sistem mekanisme pengaturan gap
secara otomatis untuk menjaga konstan gap selama
proses permesinan berlangsung.
Diperlukan desain alat khususnya bak cairan yang
lebih tertutup untuk menghindari kebocoran cairan.
Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui
variasi tekanan pompa pada percobaan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini kami ucapkan terima
kasih kepada:
1. Bapak Prof.Dr.Ing.Suhardjono, MSc selaku dosen
pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya
untuk memberikan bimbingan dan petunjuk sampai Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
2. Bapak Ir.Hari Subiyanto, MSc selaku dosen pembahas
Tugas Akhir atas arahan dan saran nya.
3. Bapak Ir. Winarto,DEA selaku dosen pembahas Tugas
Akhir atas arahan dan saran nya.
4. Bapak Ir. Sampurno, MT selaku dosen pembahas atas
arahanya selama ini
5. Bapak M. Khoirul Effendi ST.MSc selaku dosen
pembahas Tugas Akhir atas arahan dan saran nya.
6. Bapak Ir. Suwarmin. PE selaku dosen wali yang telah
membimbing selama perkuliahan.
7. Bapak Ir. Bambang Pramujati, M.Sc, Ph.D selaku ketua
Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya.
8. Buat ayahanda dan ibunda Drs. Karsun dan Dra. Endy
W.R yang tercinta terimakasih atas semua semangat dan
dukungannya untuk menyelesaikan tugas akhir ini.Buat
kakak Novi dan mas Arif BS terimakasih atas dukungan
dan bantuannya selama ini. Buat adik Bekti suwun ya
udah sering membantu financial.Dan buat keluarga besar
dan terimakasih selalu mengingatkan agar cepat lulus.
9. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin ITS yang telah
memberikan ilmu pengetahuan kepada saya.
10. Semua karyawan Teknik Mesin ITS Cak To, Cak
Bud,Pak Agus,Pak Pambudi,Bu Sri, Pak Gianto suwun ya
pak, dan semuanya yang tidak sempat disebut.
11. Teman-teman teknik mesin semuanya yang sedikit
banyak sudah membantu .Buat teman M46, Tipu, Azam,
Heidi, Fuad, Adi Cahyanto, Medy, Kubon, wis kabehlah
pokoke suwun udah menyadarkan kekhilafan selama ini
hingga akhirnya tugas akhir dapat terselesaikan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
12. Buat Jaenal Dedik Santoso dan Anggit Restu,
alhamdulillah akhirnya lulus kawan suwun udah sering
mengingatkan.
13. Buat teman-teman benteng17 yang tidak bias disebutkan
satu persatu,terimakasih banyak atas semuanya.
Dengan segala kerendahan hati, peyusun menyadari bahwa
masih terdapat banyak kekurangan dalam tugas akhir ini,
untuk itu saran dan kritik sangatlah di harapkan untuk
kesempurnaan Tugas Akhir ini.Dan pada akhirnya semoga
Tugas Akhir ini dapat menambah falsafah keilmuan untuk
semuanya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Pandey, P.C., 1980, Modern Machining Processes, Mc Graw-Hill, New
Delhi.
[2] Montgomery, D. C., 1976, Design and Analysis of Experiment, John
Willy and Son, New York.
[3] Rochim, Taufik., 1985, Spesifikasi, Metrologi dan Kontrol Kualitas
Geometri, ITB, Bandung.
[4]Schey, John A., 2000, Introduction To Manufacturing Processes, Third
Edition, Mc Graw-Hill.
[5] Rajurkar, K.P., Kozak, J., Wei, B., and McGeough, J.A. (1993),
Study of Pulse Electrochemical Machining Characteristics,
Annuals of the CIRP, Vol. 42, 231
∗
[6] H.Hocheng , Y.H. Sun, S.C. Lin, P.S. Kao. 2003 “ A Material
Removal analysis of Electrochemical Machining Using flat-end
Cathode”. Journal of Materials Processing Technology, Taiwan.
[7] Umasankar Mallick, “Estimation of MRR using U-Shape electrode in
Electrochemical Machining” Department of Mechanical Engineering
National Institute of Technology Rourkela.
[8] Jenny J. Sun., E. Jennings Taylor., Lawrence E. Gebhart., Chengdong D.
ZhouJeffrey M. Eagleton., Robert P. Renz., Volume XXVI, 1998
“INVESTIGATION OF ELECTROCHEMICAL PARAMETERS
INTO AN ELECTROCHEMICAL MACHINING PROCESS”. Faraday
Technology, Inc. 315 Huls Drive Clayton, Ohio 45315-8983
[9]
http://www.scribd.com/doc/72474326/Laporan-Praktikum-Daya-HantarListrik)
5