perancangan tool dynamometer pada mesin frais konvensional

MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
PERANCANGAN TOOL DYNAMOMETER PADA MESIN FRAIS
KONVENSIONAL UNTUK MENGUKUR GAYA POTONG
Hafis Rizka Mustafa(1), Duskiardi(2),Hendra Suherman(3)
Jurusan Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri
Universitas Bung Hatta Padang 2016
Kampus III : Jl. Gajah Mada, No 19. Olo Nanggalo Padang 25143
E-mail : [email protected]
ABSTRAK
Mesin freis adalah proses penyayatan benda kerja dengan alat potong dengan mata potong jamak
yang berputar. Proses penyayatan dengan gigi potong yang banyak yang mengitari pahat ini bisa
menghasilkan proses pemesinan lebih cepat.Saat proses pengefraisan berlangsung, material yang
terpotong akan menghasilkan gaya potong. Alat yang digunakan untuk mengukur besarnya gaya
potong yang terjadi dinamakan dynamometer. Komponen-komponen penyusun dalam pembuatan
dynamometer adalah strain gauge, jembatan wheatstone, ampliflier dan akuisisi data. Adapun tujuan
dalam perancangan dynamometer adalah merancang sebuah tool holder untuk mendapatkan
spesifikasi fungsional dan spesifikasi geometris dengan memperoleh gambar teknik sebagai acuan
dalam proses pembuatan. Dynamometer yang didesain ini adalah untuk menentukan besarnya gaya
potong
) gaya makan
) dan gaya horizontal( . Pada gaya potong
) didapatkan gaya sebesar
39,44 N dan gaya makan
) didapatkan besarnya gaya 39,44 N dan gaya horizontal(
didapatkan
sebesar 39,44 N. Dalam dinamometer ini, pemotongan pengukuran gaya terutama didasarkan pada
deformasi elastis dari bahan. Berbagai penelitian mengenai desain dinamometer dan konstruksi dapat
ditemukan menggunakan oktagonal-ring jenis dinamometer atau berbentuk cincin segi delapan, bahan
cincin segi delapan atau octogonal ring yang digunanakan dalam perancangan dinamometer ini
menggunakan allumunium. Dynamometer dapat mengukur kekuatan maksimum yang diizinkan 250
⁄
. Untuk Dimensi dynamometer dirancang dengan panjang 150 mm,lebar 150 mm dan tinggi
15 mm.
Kata kunci : Mesin Frais, Tool Dynamometer, Gaya Potong
), Gaya Makan
) dan gaya
horizontal( .
ABSTRACT
Machine Freis is the process of slicing the workpiece with the cutting tool to cut plural rotating eye.
The process of slicing with teeth cut into the many surrounding the chisel can generate machining
process more cepat.Saat pengefraisan process takes place, the material cut will result in cutting forces.
The tools used to measure the cutting force that occurs is called a dynamometer. The constituent
components in the manufacture of the dynamometer is a strain gauge, Wheatstone bridge, ampliflier
and data acquisition. The objectives in the design of the dynamometer is designing a tool holder to
acquire functional specifications and geometric specifications by obtaining a technical drawing as a
reference in the manufacturing process. Dynamometer is designed to determine the magnitude of
cutting forces (Ft) style of eating (Fz) and the horizontal force (fy). In the style of cut (F_) obtained a
force of 39.44 N and a style of eating (Fz) got the force 39.44 N and a horizontal force (fy) obtained
amounted to 39.44 N. In this dynamometer, cutting force measurement is mainly based on
deformation elastic material. Various studies on the dynamometer design and construction can be
found using the octagonal-shaped ring type dynamometer or octagonal ring, the material octogonal
ring that in the design of this dynamometer using allumunium. Dynamometer can measure the
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
strength of the maximum permissible 250 ⁄
Dimensions dynamometer designed for a length of
150 mm, width 150 mm and height 15 mm.
Keywords: Frais Machine, Tool Dynamometer, Style Cut (Ft), Style Spot (Fz) and style
Horizontal (fy).
I . PENDAHULUAN
Mesin freis adalah proses penyayatan
benda kerja dengan alat potong dengan mata
potong
jamak yang berputar. Proses
penyayatan dengan gigi potong yang banyak
yang mengitari pahat ini bisa menghasilkan
proses pemesinan lebih cepat. Permukaan
yang disayat bisa berbentuk datar, menyudut,
atau melengkung. Permukaan benda kerja bisa
juga berbentuk kombinasi dari beberapa
bentuk.
Proses pengefreisan merupakan salah
satu proses permesinan yang cukup penting di
dunia industri. Saat proses pengefreisan
berlangsung, material yang terpotong akan
menghasilkan gaya potong. Besarnya gaya
potong di pengaruhi oleh beberapa parameter
diantaranya kecepatan pemotongan, rata-rata
pemakanan, kedalaman pemotongan, geometri
alat potong dan jenis material benda kerja.
Perhitungan gaya potong secara
teoritis tidak bisa mendapatkan hasil yang
akurat karena banyak sekali parameter yang
mempengaruhi besar nya gaya potong. Selain
itu, perhitungan gaya potong secara teoritis
juga hanya bisa digunakan untuk mengukur
gaya potong utama.
Alat yang digunakan untuk mengukur
besar nya gaya potong yang terjadi dinamakan
dynamometer. Dynamometer dipasangkan
pada pahat potong sehingga ketika proses
pengefreisan
berlangsung, pahat
yang
memotong benda kerja akan menimbulkan
regangan dari strain gauge pada dynamometer.
Regangan dari strain gauge pada
dynamometer akan dibaca oleh komputer
melalui sistem akuisisi data. Sehingga gaya
potong pada proses permesinan bisa diketahui
besar nya (IIT karagpur, 2004).
Harga dynamometer buatan pabrik
cukup
mahal.
Salah
satu
univesal
dynamometer piezzoelektrik buatan pabrik
yang ada di pasaran merek Kistler, harganya
mencapai 616 juta rupiah (PT. Taharica,2012).
Univesal dynamometer piezzoelektrik ini bisa
mengukur 3 arah gaya yang bisa digunakan
untuk pengukuran gaya potong di mesin
freis/milling, mesin bubut, mesin bor maupun
mesin gerinda. Karena mahalnya dynamometer
buatan pabrik dan adanya beberapa kelemahan
perhitungan gaya potong secara teoritis, maka
pelu dirancang dan dibuat dynamometer.
II.TINJAUAN PUSTAKA
Prof. A.B Chattophadyay IIT karagpur
(2004) menyatakan Dynamometer adalah alat
yang digunakan untuk mengukur kekuatan
memotong dalam operasi mesin freis. Gaya
pemotongan tidak dapat dideteksi atau diukur
secara langsung tetapi efeknya dapat dirasakan
menggunakan,tranducer.Sebagai contohsebuah
kekuatan yang dapat tidak terlihat atau
digenggam tetapi dapat dideteksi dan juga
masing-masing diukur dengan efeknya, dan
jumlah efek (pada beberapa material) seperti
defleksi elastis , deformasi , tekananan ,
regangan dll .Efek ini disebut sinyal.
Menurut Korkut, (2008) saat proses
pembubutan berlangsung, material yang
terpotong akan menghasilkan gaya potong.
Besarnya gaya potong dipengaruhi oleh
beberapa parameter diantaranya kecepatan
pemotongan, rata-rata pemakanan, kedalaman
pemotongan,geometri alat potong, jenis
material benda kerja dan cara pendinginan
benda kerja.
Gaya-gaya potong ini biasanya diukur
dengan suatu alat yang bernama dinamometer.
Alat ini adalah salah satu dari metoda-metoda
paling terandalkan mengukur gaya potong
karena efisiensi mekanis dari motor dan mesin
dihapuskan. Alat ini diletakkan antara pahat
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
dan mesin sebagai suatu dynamometer
magnetik toolholder atau antara pekerjaan dan
mesin sebagai suatu dinamometer workholding-type.
Dynamometer- dynamometer bisa
mengukur dua atau tiga komponen gaya dari
waktu
yang
sama,
tergantung
atas
kompleksitas dinamometer. Daya neto di
pemotong dan faktor yang lain dapat
ditentukan dari komponen gaya ini.skema
pembuatan tool dynamometer pada mesin freis
dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 1. Skema dynamometer pada
mesin freis
 Pemilihan Dynamometer
Metode pemilihan desain dynamometer ini
menggunakan metode perbandingan relatif
sehingga menghasilkan beberapa penilaian.
Tabel 1. Pemilihan dynamometer terbaik
Keterangan Bobot :
- 0 : tidak penting
- 3 : penting
- 1 : kurang penting
- 4 : sangat penting
-2 : cukup penting
Berdasarkan tabel 1, dynamometer
terbaik terdapat pada dynamometer strain
gauge karena mendapatkan poin penilaian
yang paling tinggi dibandingkan dengan
dynamometer dial indikator.
 Komponen- Komponen Penyusun
Pembuatan Tool Dynamometer
1. Strain Gauge
Adalah alat sensor yang digunakan
untuk mendeteksi adanya gaya-gaya yang
bekerja pada suatu proses mekanis yang tidak
dapat dilihat namun dapat dirasakan.alat strain
gauge digunakan untuk mengukur gaya yang
bekerja pada gaya tangensial, aksial, radial.
Deformasi pada suatu material akibat
pemberian gaya pada suatu sistem.
strain gauge yang akan digunakan pada
penelitian ini adalah strain gauge jenis
Resistance Strain Gage karena paling banyak
digunakan.
Gambar 2. Resistance strain gauge
2. Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone merupakan
suatu susunan rangkaian listrik untuk
mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui
besarnya.
Prinsip
kerjanya
yaitu
membandingkan besar hambatan yang belum
diketahui dengan besar hambatan yang sudah
diketahui.Prinsip
dasar
dari
jembatan
wheatstone adalah keseimbangan. Sifat umum
dari arus listrik adalah arus akan mengalir
menuju polaritas yang lebih rendah. Jika
terdapat persamaan polaritas antara kedua titik
maka arus tidak akan mengalir dari kedua titik
tersebut.
Dalam kondisi zero (seimbang),
semua besar hambatan harus sama sehingga
arus yang mengalir di cabang “c” sama dengan
arus yang mengalir di cabang “d”.Dalam
kondisi tidak seimbang, ada beberapa macam
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
jalur untuk aliran arus dalam rangkaian
tersebut. Aliran arus yang melewati titik “c”
dan “d” adalah hasil dari perbedaan potensial
kedua titik tersebut, sehingga semakin besar
beda potensial maka aliran arus semakin besar
pula.
Gambar 4. Data Akuisisi
III METODOLOGI PERANCANGAN
Gambar 3. Rangkaian jembatan wheatstone
START
T
3. Ampliflier
Amplifier adalah komponen elektronika
yang di pakai untuk menguatkan daya atau
tenaga secara umum. Dalam penggunaannya,
amplifier akan menguatkan signal suara yaitu
memperkuat signal arus I dan tegangan V
listrik dari inputnya. Sedangkan outpunya
akan menjadi arus listrik dan tegangan yang
lebih besar.
Pengertian amplifier pada umumnya
terbagi menjadi 2, yaitu power amplifier dan
integrated amplifier. Power Amplifier adalah
penguat akhir yang tidak sertai dengan tone
control (volume, bass, treble), sebaliknya
integrated amplifier adalah penguat akhir yang
telah disertai dengan tone control.
4. Data Akuisisi
Output voltase yang keluar dari strain
amplifier merupakan sinyal analog. Agar
output tegangan bia ditampilkan ke monitor
dibutuhkan data akuisisi yang merupakan alat
penyimpanan data yang berfungsi untuk
merubah signal analog menjadi signal digital.
Data
akuisisi
dihubungkan
pada
komputer untuk melihat hasil seperti grafik
dan data digital. Hardware akusisi data yang
digunakan adalah jmida MF-126 software
yang digunakan jmida Mf -126.
Study Literatur
Pemilihan Jenis Tool
dynamometer
Perancangan Komponen
Utama
Pemilihan Komponen Pendukung
Strain
Gauge
Strain
Amplifier
monitor
Spesifikasi dan Gambar
Teknik
STOP
Diagram alir perancangan
Alat dan bahan yang digunakan tool holder
dynamometer meliputi :
A. Alat
 Mesin freis
 Strain gauge
B. Bahan
 Baja ST-37
 Alumunium
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
Perancangan Tool Holder Dynamometer
Perubahan strain ini mengakibatkan
perubahan tahanan listriknya. Perubahan
tahanan dari empat strain gauge yang
dihubungkan sehingga membentuk jembatan
wheat stone akan menyebabkan ketidak
seimbangan yang mana mengakibatkan
timbulnya perbedaan voltase pada kedua titik
input.
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN
IV.I Analisa gaya potong
Gambar 5. Tool holder dynamometer
Keterangan:
1. Tool holder down
2. Base strain gauge
3. Ring
4. Tool holder up
5. Ragum
6. Baut ragum
7. Rahang ragum
8. Tangkai ragum
x
Sebagaimana yang telah kita ketahui
besarnya gaya potong ditentukan oleh luas
penampang geram dan gaya potog spesifik.
gaya potong spesifik tersebut dipengaruhi oleh
gerak makan f atau lebih tepatnya tebal geram
sebelum terpotong h, yaitu sebagaimana rumus
korelasi yang telah dibahas dalam proses
bubut,gurdi dan mesin freis. Semakin tebal h
maka gaya potong spesifik atau material yang
dipotong akan menurun.
Dalam proses freis tegak maka
beberapa rumus
gaya tangensial pergigi
diturunkan sebagai berikut.Untuk setiap sudut
posisi ,karena ;
Ft = k . A
K =k
h
y
Maka :
Ft = C (sin
;N
Dimana :
C=
Oleh karena itu gaya
pergigi pada berbagai sudut posisi
Gambar 6. Gaya yang bekerja pada tool holder
dynamometer
Karena adanya gaya pemotongan, elemen
elastik menderita stess dan strain yang timbul
pada permukaan cincin akan menimbulkan
regangan pada strain gauge.
tangensial
adalah :
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
Untuk menetukan gaya yang bekerja pada
empat buah cincin menggunakan rumus
sebagai berikut
0
IV.II Penentuan Dimensi Cincin Segi
Delapan
Dimana :
material
yang akan dipotong
P dipengaruhi oleh material benda kerja ,dan
kecepatan potong rata - rata berharga 0,25.
Keterangan pada rumus diatas dapat dilihat
dan diketahuii dengan jelas pada gambar atau
sketsa dibawah ini:
Penentuan dimensi cincin segi delapan
dengan ketebalan, jari-jari ( r ), dan lebar ( b )
ketegangan cincin melingkar adalah tiga dasar
parameter terkendali yang mempengaruhi
kekakuan dan sensitivitas.
Karena tidak ada efek lebar cincin b
dan modulus elastisitas (E) defleksi. Lebar
minimal pada cincin per unit dapat diambil 20
mm dan tebal cincin 3 mm untuk mengatur
cincin aman dan sensitivitas yang tinggi dan r
atau jari – jari 24 mm. material yang
digunakan dalam perancangan ini adalah
allumunium dapat dilihat dari table dibawah
ini :
Tabel 2. Tegangan tarik pada alumunium
Gambar 7. sketsa gaya potong pada mesin
freis
Gaya geser pada cincin segi delapan
Gambar 9. Cincin segi delapan tool hoder
dynamometer
Gambar 8. Menetukan ƩF
Untuk menentukan dimensi cincin
yang berbentuk segi delapan atau tempat
dudukan dari strain gauge maka, dihitung
kekakuan dan sensitivitas pada cincin yang
dapat dilihat pada gambar diatas dengan
menggunakan rumus dibawah ini:
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
Dimana : L
∆L
Tegangan yang terjadi pada cincin
yang disebabkan oleh gaya dorong(Fz) dan
gaya potong utama (Ft) dapat dihitung dengan
menempatkan nilai-nilai rasio regangan elastis
dalam Persamaan dibawah ini :
= E
= E
Karena gaya potong sama nilainya dengan
gaya makan maka persen dari kedua gaya
tersebut sama yaitu 55 . Jadi, gaya potong
total yang dibaca oleh sensor strain gauge
pada empat cincin segi delapan adalah 55
dari 216,7 N.
= panjang mula-mula
= pertambahan panjang
Tegangan
yang
muncul
dari
ketidakseimbangan jembatan wheatstone oleh
karena perubahan resistansi sensor strain
gauge
sangatlah kecil karena perubahan
resistansinya juga kecil. Pada rangkaian listrik
sensor.
selain
menggunakan
jembatan
Wheatstone pastilah menggunakan penguat
tegangan agar tegangan yang kecil ini
diperbesar beberapa ribu kali dan kemudian
dapat lebih mudah di baca oleh alat ukur.
 Maka persamaan untuk tegangan
jembatan wheatstone tidak seimbang
adalah
 Rangkaian Wheatstone
=
F
Setelah didapatkan tegangan listrik pada
wheatstone yang tidak setimbang maka kita
dapat menghitung besarnya gaya yang muncul
akibat tegangan listrik tersebut adalah
(Faktor konversi)
Gambar 10. Rangkaian wheastone
F =
V. HASIL DAN KESIMPULAN
Keterangan : nilai dari
=
=
di
dapat dari tegangan strain gauge

untuk
menentukan
tegangan
wheastone pada saat setimbang
adalah
=
+
+
Dari hasil analisa perhitungan dan
perancangan tool holder dynamometer atau
alat ukur gaya potong dapat dihasilkan sebagai
berikut:
Jadi apabila tegangan yang terjadi pada
wheatstone 0 maka wheatstone dalam keadaan
setimbang tanpa diberikan gaya.
akan dipotong = 185
 Definisi modulus Young yaitu
perbandingan stress dengan strain
adalah
1. Analisa gaya potong
Tegangan max material yang
Kecepatan potong (V) =
⁄
Jumlah gigi yang efektif
bekerja(ze) = 1 buah
Pangkat Lebar geram rata – rata
(p) = 0,5
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
Gaya maksimum yang di izinkan
adalah sebesar 250 ⁄
Gaya potong (Ftm) = 39,44 N
Gaya makan (Fz) = 39,44 N
Gaya horizontal (Fy) = 39,44 N
2.
Torsi (T) = 1295 ⁄
Untuk persen dari gaya potong
dan gaya makan adalah 55 .
2. Analisa pada cincin segi delapan
(base strain gauge)
Strain elatis gaya potong ( ) =
3.
4.
0,0082
Strain elatis gaya makan ( )
5.
= 0,0082
Tegangan yang terjadi pada
cincin yang mengalami gaya
potong (
)=
Tegangan yang terjadi pada
cincin yang mengalami gaya
potong ( )
3. Analisa pada jembatan wheatstone
Rangkaian A = 700Ω
Rangkaian B = 700Ω
Apabila
jembatan
dalam
keadaan setimbang maka vab
adalah 0
Vab = 0,000258 volt
Besarnya gaya potong dan
gaya makan pada cincin segi
delapan 1 ,2 ,3 dan 4 akibat
adanya tegangan adalah 216,7
N.
6.
7.
8.
luas penampang tempat strain gauge
adalah 10 mm, dan tebal (t) 3 mm,
dengan jari – jari 24 mm.
Tool holder up dan down dibuat dari
ST-37 dengan panjang 150 mm dan
lebar 150 mm dengan ketebalan 15
mm.
Ragum dibuat menggunakan plat u
dengan panjang 100 mm,tebal 10 mm
dan tinggi 35 mm.
Baut ragum dibuat dengan ST -37
dengan diameter 12 mm,dan panjang
ulir 70 mm dengan ukuran M12 x
1,75.
Baut untuk menghubungkan base
strain gauge atau cincin segi delapan
dipilih baut baja dengan diameter 8
mm.
Tangkai ragum dengan panjang 100
mm dengan diameter 12 mm.
Strain gauge yang digunakan adalah
350 ohm
Menggunakan akuisisi data Jmida-126
dan ampliflier.
DAFTAR PUSTAKA
Baldoukas,
. Κ., Soukatzidis,
F. A.,
Demosthenous, G. A., and Lontos, A.
E., 2008, Experimental investigation
of the effect of cutting depth, tool
rake angle and workpiece material
type on the main cutting force during a
KESIMPULAN
Dari perancangan dan perhitungan yang
telah dilakukan maka dapat disimpulkan
bahwa komponen-komponen utama yang
dibutuhkan dalam pembuatan tool holder
dynamometer adalah sebagai berikut :
1. Base strain gauge dibuat dari
aluminium yang berbentuk cincin segi
delapan dengan diameter 30 mm, lebar
(b) 20 mm ,penampang cincin atau
base strain gauge diberi cuakan jadi
turning
process,
Conference
3rd
on
International
Manufacturing
Engineering.
Brianti satrianti utama. Proses manufaktur dan
optimasinya
.
FT
Universitas
Indonesia . 2008.
Dandage R. V.1, Bhatwadekar S.G.2, Bhagwat
M.M.,2012, Design, Development and
testing of a four component milling
MANUFAKTUR BUNG HATTA UNIVERSITY
tool
dynamometer
,
International
Ramang magga. Pengunaan strain gauge untuk
Journal of Applied Engineering and
analisa tegangan pada pembebanan
Technology,volume 2.
statik batang aluminium. Universitas
Tadulako . 2011.
Elektronika dasar . web.com.
Raldi artono . teknik pengukuran untuk
Ery yulian t adesta. Tool life estimation model
based
on
simulated
flank
mahasiswa.
Universitas
indonesia.ISBN.1998.
wearduringhigh speed hard turning.
Internasional
islamic
universit
malaysia . 2010.
permesinan, bandung 1993.
e.p. popov mekanika teknik (mekanika of
materials) ,penerbit Erlangga ,1983
Gandum
sam
p.
Rancang
bangun
dynamometer untuk pengukuran gaya
potong
mesin bubut. Universitas
sebelas maret. 2013.
Force
of
Sularso.,Dasar
perencanaan
dan
pemilihan,elemen mesin,bandung 1997.
S. shigley.perancangan teknik mesin.ISBN
1991.
Sularso,dan
Kiyokatsu
Suga.1987.Dasar
Perencanaan dan Pemlihan Elemen
Korkut, I., and Boy, M., 2008, Experimental
Examination
Rochim Taufiq ., Teori dan teknologi proses
Main
and Surface
Cutting
Mesin.Jakarta
:
PT.
PRANDNY
PARAMTA
Roughness
Saglam Haci., and Isic Hacan .,2007, Design
Depending on Cutting Parameters,
,development and testing of a four-
Journal
component milling dynamometer for
of Mechanical Engineering
54, hal. 531 – 328.
the measure of cutting force and
Kistler Instrument Corp. Force Sensors:
High-resolution
Measurement
of
Force, Torque and Strain, US, 2004.
Liu mingyao dkk, A dynamometer design and
analisis for measurement the cutting
force on turning based on optical fiber
brag gratting sensor.university wuhan
torque
Yaldız,
S., and Ünsaçar,
dynamometer design for measurement
the cutting forces on turning, Journal
of Measurement, Volume 39.
Zhao you dkk, A high performance sensor for
turning. 2015.
Prof.a.b.Chattopadhyay Indian Institute
Kharagpur.
2011, dynamometer
cutting force.
A
tri axial cutting forcemeasurement in
cina. 2012.
Technology
F., 2006,
of
India,
for measuring
http. Geogle .co.id