TI-2121: PROSES MANUFAKTUR

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

TI-2121: Proses Manufaktur Teori Pemesinan Logam

Laboratorium Sistem Produksi www.lspitb.org ©2003

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

1. Hasil Pembelajaran •

Umum: ƒ Memberikan mahasiswa pengetahuan yang komprehensif tentang dasar-dasar proses pemesinan dan mesin perkakas, proses forming dan molding, metrology dan aplikasi terhadap kualitas produk dan analisis system manufaktur.

•

Khusus: ƒ Memberikan pemahaman terhadap proses pemesinan serta gaya-gaya yang terjadi saat pemotongan.

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

2

1

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Istilah • • • • •

Machining = pemesinan Shear deformation = deformasi potong Chip = gram Cutting tool = pahat Material removal = pembentukan/pembuangan material

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

3

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Klasifikasi Proses Material Removal (1)

•

Biasanya dilakukan setelah proses manufaktur lainnya seperti: casting, forging, drawing dll. TI2121 - Proses Manufaktur - 9

4

2

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pemesinan •

Proses manufaktur yang menggunakan pahat untuk memotong material sesuai dengan bentuk yang diinginkan

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

5

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pemesinan: keunggulan •

• • •

Keragaman material kerja ƒ Hampir semua logam dapat dipotong ƒ Plastik dan plastik komposit juga dapat dipotong ƒ Ceramic sulit untuk dipotong (keras & getas)

Keragaman geometri potong ƒ Fitur standar: lubang, slot, step dll ƒ Fitur non-standar: tap hole, T slot

Keakuratan dimensi ƒ Toleransi hingga ± 0.025mm

Permukaan potong yang baik ƒ Kekasaran permukaan hingga 0.4 µm

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

6

3

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pemesinan: kerugian • •

Material terbuang ƒ Gram yang dihasilkan oleh pemotongan → waste

Waktu pemotongan ƒ Waktu pemotongan relatif lebih lama dibandingkan dengan proses lainnya seperti casting atau forging

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

7

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Proses Pemesinan Umum

(a) turning (b) drilling (c) peripheral milling (d) face milling

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

8

4

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pahat • •

Rake: mengarahkan aliran gram Flank: celah antara pahat dan permukaan setelah pemoongan; melindungi permukaan hasil pemotongan dari abrasi

(a) single point tool (b) Multiple cutting tool edges TI2121 - Proses Manufaktur - 9

9

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Parameter Pemotongan • •

MRR = material removal rate mm3/s MRR = v(mm/s) x f(mm) x d(mm)

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

10

5

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Jenis Pemotongan •

•

Roughing ƒ Pemotongan awal hingga volume sedikit lebih besar dari volume akhir produk ƒ Feed berkisar 0.4 ∼ 1.25mm/rev ƒ Depth berkisar 2.5 ∼ 20mm

Finishing ƒ Pemotongan akhir untuk memperoleh dimensi, toleransi dan kerataan permukaan yang diinginkan ƒ Feed berkisar 0.125 ∼ 0.4mm/rev ƒ Depth berkisar 0.75 ∼ 2.0mm

11

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Mesin Perkakas Operation

Machine tool

Turning

Lathe

Drilling

Milling

Speed Workpiece rotates. Speed = surface speed of workpiece

Feed

Depth of Cut

Tool is fed parallel to work axis

Tool penetration beneath original work surface

Drill press Tool rotates. Drill bit diameter determines hole diameter

Tool feeds in direction parallel to tool axis

Depth of cut = depth of hole

Milling machine

Work feeds in direction perpendicular to tool axis

Tool penetration beneath original work surface

Tool rotates. Speed = surface speed of tool

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

12

6

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Teori Pembentukan Gram (1) • Chip thickness rasio

r = to =

t l c

tan φ =

l

s

s

sin φ

cos(φ − α )

r cos α 1 − r sin α

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

13

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Teori Pembentukan Gram (2) • Shear strain

AB AD + DC = BD BD γ = tan(φ − α ) + cot φ

γ=

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

14

7

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pembentukan Gram Aktual (1)

• • •

Deformasi potong tidak terjadi pada bidang tetapi pada zona tertentu Terbentuknya secondary shear akibat friksa gram dengan permukaan pahat (rake) Formasi gram bergantung pada material dan parameter pemotongan

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

15

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pembentukan Gram Aktual (2) (a) Discontinuous chip • •

Material getas dengan kecepatan potong rendah Feed tinggi dan depth besar sehingga friksi pahat & material tinggi

(b) Continuous chip ƒ ƒ ƒ ƒ

Material ductile denga kecepatan potong tinggi Feed dan depth rendah Permukaan potong halus/baik Khusus untuk turning, continuous chip dapat mengakibatkan kekusutan

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

16

8

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Pembentukan Gram Aktual (3) (c) Continuous chip with Built-Up Edge (BUE) ƒ ƒ ƒ

Material ductile dengan kecepatan potong rendah Siklus BUE: form, growth, break-off Umum pahat berkurang

(d) Serrated chips ƒ ƒ ƒ

Sering disebut: shear-localized and segmented Terbentuk karena siklus antara: shear strain tinggi dan shear strain rendah Terjadi pada material yang sulit dipotong: titanium alloy, nickel-base superalloy dll atau pada pemotongan dengan kecepatan yang sangat tinggi (high speed machining)

17

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Gaya Pemotongan Logam (1)

• • • • • •

F = friction force N = normla force to friction µ = coefficient of friction S = shear stress Fs = shear force As = are of the shear plane

µ= S=

F = tan β N

F A = t

s

s

A

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

s

o

w

sin φ 18

9

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Gaya Pemotongan Logam (2) F = F c sin α + F t cos α

N = F c cos α + F t sin α

F =F F =F • • • • • •

s

c

n

c

cos φ + F t sin φ

sin φ + F t cos φ

F = friction force N = normla force to friction Fs = shear force Fn = normal force to shear Fc = cutting force Ft = thrust force

F

c

=

F

t

=

S t o w cos( β − α )

=

S t o w sin( β − α )

=

sin φ cos(φ + β − α ) sin φ cos(φ + β − α )

F

s

cos( β − α )

F

s

sin( β − α )

cos(φ + β − α ) cos(φ + β − α )

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

19

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Persamaan Merchant (1) • Shear stress

τ=

F

c

cos φ − F t sin φ

(t o w / sin φ )

φ = 45 +

α

2

−

β

2

ƒ φ = shear angle that minimizes energy

• Persamaan merchant

ƒ Mendeskipsikan hubungan rake angle, tool-chip friction dan shear plane angle ƒ Membesarnya rake angle mengakibatkan shear plane angle membesar ƒ Mengecilnya friction angle mengakibatkan shear plane angle membesar

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

20

10

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Persamaan Merchant (2)

• Pembesaran shear plane angle → shear plane area mengecil → shear force mengecil → energy pemotongan mengecil → temperatur pemotongan kecil → pemotongan lebih mudah

• Cara pembesaran shear plane angle ƒ Memperbesar rake angle ƒ Mengecilkan friction angle (dengan menggunakan lubrikasi)

21

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Tenaga dan Energi Pemotongan (1) • Cutting power (Pc)

P =F c

• Cutting horse power (HPc)

c

v

HPc =

F

c

v

33000

• Gross power of the machine tool motor ƒ E = mechanical efficiency

P

s

=

P E

c

atau HP g =

HP

c

E

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

22

11

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Tenaga dan Energi Pemotongan (2) • Unit power (Pu)

P

u

=

P

c

MRR

atau HPu =

HP

c

MRR

• Specific energy (HPu) U = Pu =

P

c

MRR

=

F v=F vt w t w c

o

c

o

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

23

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Energy Pemotongan vs. Kecepatan Pemotongan

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

24

12

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Temperatur Pemotongan (1) • • • • • •

T = rata-rata kenaikan temperatur U = energy pemotongan V = kecepatan potong to = ketebalan gram sebelum pemotongan ρC = volume panas material K = thermal diffusivity

0.333

T=

0.4U ⎛ vt o ⎞ ρC ⎜ K ⎟

⎝

⎠

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

25

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Temperatur Pemotongan (2)

• Experimentally

measured cutting temperatures plotted against speed for three work materials

TI2121 - Proses Manufaktur - 9

26

13