Download - Makalah Electrical Discharge Machine
A. Pengertian Electrical Discharge Machine
Electrical Discharge Machine merupakan mesin produksi non konvensional
yang memanfaatkan proses konversi listrik dan panas, dimana energi listrik
digunakan untuk memunculkan loncatan bunga api (spark) dan proses pemakanan
material terjadi akibat energi panas yang ditimbulkan dari bunga api tersebut. Proses
EDM merupakan proses pengerjaan material yang dikerjakan dengan
memanfaatkan loncatan bunga api listrik (spark) yang terjadi pada celah
diantara elektroda dan benda kerja. Loncatan bunga api tersebut terjadi tidak
kontinu, akan tetapi timbul secara periodik terhadap waktu. Dalam EDM tidak ada
proses kontak dan gaya pemotongan antara pahat dan material benda kerja.
Hal ini mengakibatkan tidak adanya tegangan mekanis, chatter, dan problem
getaran seperti yang pasti terjadi pada proses permesinan tradisional. Karena
EDM tidak menimbulkan tegangan mekanik selama proses maka akan
menguntungkan pada manufaktur benda kerja dengan bentuk yang rumit.
EDM juga disebut metode pemesinan yang pada dasarnya digunakan
untuk logam keras atau logam-logam yang tidak mungkin dapat diolah dengan
menggunakan mesin tradisional. Suatu batasan yang penting bahwa EDM hanya
bekerja untuk benda-benda yang dapat dialiri listrik atau benda-benda konduktif.
EDM dapat memotong sudut kecil atau sudut dengan bentuk tak beraturan, garis tak
beraturan atau lubang/rongga pada logam berat dan logam mulia seperti
titanium, hastelloy, kovar, inconel, dan carbide. Selain itu Mesin ini dapat
melakukan beberapa pengerjaan seperti menyisipkan, memotong, dan menggerinda.
Adapun salah satu jenis pengerjaan material dengan menggunakan mesin EDM
dapat dilihat pada gambar berikut.
1
Gambar 1 contoh pengerjaan dengan EDM
B. Macam-Macam Electrical Discharge Machine
Pada umumnya terdapat dua jenis mesin EDM antara lain:
a) EDM konvensional (disebut juga Sinker EDM dan Ram EDM)
Jenis EDM konvensional ini memanfaatkan elektrode yang telah dibuat
sedemikian rupa. Pada Ram EDM, sebuah elektroda benda kerja grafit atau
berillium diolah sesuai dengan keinginan (negatif) dan dimasukkan ke dalam
proses kerja mesin di akhir proses kerja ram vertikal.
Gambar 2 Proses EDM Konvensional, RAM EDM
Proses EDM pada dasarnya digunakan oleh alat pencetak dan industri, namun
proses ini telah menjadi metode yang biasa dipakai untuk membuat prototip dan
2
produksi bagian-bagian mesin, terutama di ruang angkasa, industri mobil, dan
industri elektronik dengan kuntitas produksi yang cukup rendah.
b) Wire EDM
Wire Cutting EDM, adalah jenis permesinan EDM dengan menggunakan
sebuah kawat kecil sebagai pahat, kemudian memakan benda kerja yang diberi
cairan dielektrik. Wire-Cut EDM secara khusus digunakan untuk memotong benda
kerja yang tebal dari bahan yang keras. Hal ini sangat sulit dikerjakan dengan
menggunakan metode permesinan yang lain.
Gambar 3 Proses Wire Cut EDM
Bahan kawat yang digunakan pada wire cut ini biasanya tembaga atau
kuningan, Akan tetapi pada akhir-akhir ini kecepatan potong Wire EDM telah
bertambah tinggi, sehingga lebih ekonomis bila menggunakan elektrode graphite.
Graphite angstrofine yang berstruktur padat dapat melakukan pemotongan dua
kali lebih cepat dari pada jenis graphite yang lain. Kawat yang dilapisi seng
juga dapat meningkatkan kecepatan proses EDM dari elektrode ini.
Hal ini memungkinkan arus EDM diprogram untuk memotong arus yang tak
beraturan dan juga yang beraturan. Wire-cut menggunkan air sebagai pengantar
arusnya dengan penghambat air dan partikel-partikel elektrik lain yang dikontrol oleh
penyaring (filters) dan unit de-ionizer.
3
Jenis-jenis Wire EDM adalah sebagai berikut :
1 Copper Wire
Kawat ini terbuat dari tembaga murni dan digunakan dalam tahap awal pada
proses EDM. Mempunyai ciri-ciri :
• Kekuatan tarik rendah, tingkat elongasi tinggi, tingkat kerusakan yang
berlebihan.
• Kondisi Flushing Miskin akibat penguapan temperatur tinggi.
• Kecepatan pemrosesan lambat karena konduktivitas yang tinggi.
• Pencairan lambat dan efisiensi rendah karena panas yang diserap oleh kawat
bukan pekerjaan sepotong.
2 Brass Wire
Mempunyai ciri – cirri :
• Rasio Alloy tembaga dan seng 65/35 – 63/37, kekuatan tarik 50,000-145,000
psi.
• Kekuatan tarik tinggi dibandingkan dengan kawat tembaga.
• Flushing dapat berjalan dengan sempurna karena rendahnya suhu penguapan.
• Wires dengan beberapa jumlah Aluminium atau Titanium memiliki kekuatan
tarik tinggi, tetapi efisiensi pembilasan yang memburuk.
3 Zn Coated Brass Core Wire
Kawat dengan ketebalan seng konstan yang dilapisi pada permukaan kawat kuningan.
4 Zn Diffusion annealed Bruss Core wire
Kawat berlapis seng yang terdapat pada permukaan kawat kuningan dan
mendapatkan diperlakukan panas membuat seng yang akan dilapisi meleleh dan harus
terpasang erat pada kawat kuningan. Seng biasanya digunakan sebagai bahan coating
dan paduan, untuk meningkatkan kecepatan pemotongan dan untuk mengurangi
4
kemungkinan kerusakan. Seng meningkatkan efisiensi pembilasan dengan temperatur
penguapan yang rendah dibandingkan dengan kuningan. Coated atau seng anil difusi
melakukan peran melindungi kuningan, jadi kemungkinan kerusakan kawat secara
drastis menurun.
C. Bagian-Bagian Electrical Discharge Machine
Komponen utama EDM
Proses EDM dilakukan dengan sebuah sistem yang mempunyai dua
komponen pokok yaitu mesin dan power supply.
Gambar 4 power supply dan mesin EDM
Bagian-bagian Electrical Discharge Machine
5
Gambar 5 komponen mesin
Komponen dan fungsinya:
a. Meja mesin EDM
digunakan sebagai tempat dudukan mesin EDM
b. Cairan dielektrik
merupakan fluida pendingin dan pembersih kotoran benda kerja
c. Elektroda
merupakan pahat yang digunakan untuk menghantarkan tegangan listrik
dan mengerosi benda kerja menjadi bentuk yang diinginkan
d. Kepala Mesin
sebagai tempat pahat dan komponen utama dari mesin EDM
e. Kapasitor
berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang akan dilepaskan pada
proses pengerjaan benda kerja
f. Voltmeter
digunakan untuk mengukur beda potensial pada rangkaian mesin
6
Keterangan:
1. Meja EDM2. Benda kerja 3. Cairan dielectric4. Elektroda5. Kepala EDM6. Rangkaian kapasitor7. Generator arus pulsa8. Voltmeter9. ampermeter
g. Amperemeter
digunakan untuk mengukur besar arus yang mengalir pada mesin
D. Karakteristik Electrical Discharge Machine
Berikut adalah beberapa ciri atau karakteristik dari Electrical Discharge
Machining:
a) Proses pemakanan dapat dilakukan oleh mesin dengan material apapun
yang digolongkan ke dalam material penghantar listrik (konduktor)
b) Sisa material terbuang yang dihasilkan bergantung pada sifat termal dari
benda kerja, misalnya dari kekuatan bahan tersebut, kekerasan bahan, dan
sebagainya.
c) Dalam EDM terdapat pahat fisik dan bentuk geometri dari pahat
tersebut merupakan bentuk cetakan dari benda kerja yang hendak dibuat.
d) Pahat dari EDM harus memenuhi sifat material sebagai konduktor yang
baik, bahkan harus lebih kuat dan awet daripada benda kerja yang nantinya
akan dibuat. Untuk itu, perlu dipahami sifat termal baik dari benda
kerja maupun pahat yang digunakan.
E. Prinsip Kerja pada Electrical Discharge Machine
Mesin mengendalikan pahat elektroda yang bergerak maju mengikis
material benda kerja dan menghasilkan serangkaian loncatan bunga api listrik
yang berfrekuensi tinggi (spark). Loncatan bunga dihasilkan dari pembangkit pulse
antara elektroda dan material benda kerja, yang keduanya dicelupkan dalam cairan
dielektrik, akan menimbulkan pengikisan material dari material benda kerja
dengan erosi panas atau penguapan.
7
Gambar 6 sistem kerja dasar
EDM juga kadang-kadang diasumsikan sebagai sebuah metode non-
tradisional atas perpindahan materi melalui suatu rangkaian pelepasan busur
elektrik yang berulang antara elektroda (tool pemotong) dan proses kerja pada
lingkungan berenergi listrik. Alat pemotong EDM diarahkan sepanjang jalur
yang diinginkan dan sangat dekat dengan tempat pemotongan, namun tidak
sampai menyentuh lembaran yang akan dipotong. Percikan listrik yang
berurutan memproduksi serangkaian ledakan yang sangat kecil (microcraters) pada
lembaran logam yang diproses dan memindahkan materi sepanjang jalur
pemotongan dengan cara pelelehan dan penguapan. Partikel-partikel akan tersapu
dan terbuang oleh cairan yang mengandung aliran listrik.
Proses pengerjaan dengan EDM dapat dikelompokkan secara garis besar ke
dalam bentuk-bentuk proses sebagai berikut :
1. Sinking Procces
a) Driling
b) Die sinking
2. Cutting process ;
a) Slicing dengan pahat yang berupa keping yang diputar
b) Slicing dengan pahat yang berupa pita metal
c) Cutting dengan pahat yang berupa kawat (wirecut)
3. Grinding procces :
8
a) Extrenal grinding
b) Internal grinding
c) Gerinda permukaan atau gerinda bentuk.
Proses EDM harus dilakukan dalam suatu media fluida dielektrik, yang
merupakan penghantar untuk 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 7 Pemesinan pelepasan muatan listrik
Gambar 7 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
9
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 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 8 Permukaan akhir yang paling baik dihasilkan dalam
EDM dengan pengoperasian pada frekuensi yang tinggi dan arus pelepasan muatan
listrik yang rendah.
10
Gambar 8 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 9.
Gambar 9 Overcut sebagai fungsi arus dan frekuensi
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
11
- kuningan, - material yang lain.
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 10. Proses pemotongan dalam EDM kabel dilakukan
dengan energi termal dari pelepasan muatan listrik antara kabel elektrode dan
bendakerja. Kendali numerik digunakan untuk mengendalikan gerakan benda kerja
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
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 10 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
12
kabel juga terjadi overcut yang membuat celah potong (kerf) lebih lebar daripada
diameter kabel, seperti ditunjukkan dalam gambar 11. Overcut ini berkisar dari
0,0008 hingga 0,002 in. (0,020 hingga 0,051 mm).
Gambar 11 Definisi dari kerf dan overcut dalam pemotongan kabel pelepasan
muatan listrik
F. Perhitungan pada Electrical Discharge Machine
Untuk mengetahui kecepatan pemakanan material atau Material Removal
Rate (MRR), maka perhitungan dilakukan dengan rumus berikut:
Dimana:
Volume = panjang x lebar x tinggi (mm3)
Waktu = Waktu proses EDM (min)
Untuk mengetahui keausan pahat, dengan mengukur massa elektroda yang
hilang selama proses, yang merupakan selisih massa sebelum dan setelah digunakan.
Perhitungan dilakukan dengan rumus berikut:
13
Dimana:
M1 = Massa elektroda sebelum proses
M2 = Massa elektroda setelah proses
M aus = Massa elektroda yang hilang selama proses
T = Waktu selama proses EDM (min)
Perhitungan overcut dan efek ketirusan yaitu:
Overcut (Oc) =d ₂−d ₀
2
Keterangan: d0 = diameter luar dari pahat (elektroda)
α = ¿¿ = r2−r ₁
h
α = arctan r2−r ₁h
Dimana:
d1 = diameter minimum dari tapering yang terjadi
14
d2 = diameter maksimum dari tapering yang terjadi
h = ketebalan lubang pada tapering yang terjadi pada benda kerja
G. Keuntungan dan Kerugian Electrical Discharge Machine
Keuntungan penggunaan EDM
Berikut ini adalah beberapa kelebihan yang diperoleh dari penggunaan mesin
EDM dalam manufaktur :
a. Dapat membuat bentuk kompleks yang kemungkinan sukar dilakukan dengan
mesin konvensional
b. Dapat mengerjakan material benda kerja yang keras dengan tingkat kepresisian
tinggi
c. Dapat mengerjakan bagian bentuk yang sangat kecil sekalipun, tanpa cemas
bagian tersebut ikut terpotong
d. Tidak ada kontak langsung antara alat dan benda kerja sehingga tidak timbul
distorsi pada pemakanan
e. Dapat membuat kehalusan permukaan benda kerja dengan baik
f. Lubang dapat dibuat secara mudah, tepat dan baik
Kerugian penggunaan EDM
Beberapa kerugian dari EDM meliputi:
a. laju pengikisan material benda kerja atau material removal rate (MRR) pada
operasi EDM lebih lambat dibandingkan metode permesinan tradisional yang
menghasilkan chips secara mekanis.
b. Tambahan waktu dan biaya yang digunakan untuk membuat elektroda untuk
RAM / setempel EDM.
c. Mereproduksi sudut tajam pada benda kerja sulit karena memakai elektroda.
d. Konsumsi daya spesifik sangat tinggi.
15
e. Timbul overcut. Over cut adalah suatu deviasi yang menunjukkan bahwa
besarnya diameter lubang yang dikerjakan dengan proses EDM lebih besar dari
ukuran elektrodanya.
f. Terjadi keausan pahat bila pemakaian berulang
g. Bahan yang bukuan konduktor listrik dapat dikerjakan dengan mesin yang diset
secara khusus
h. Mesin EDM dan perlengkapannya masih relatif mahal
i. Penggunaan mesin EDM dibatasi oleh ukuran tangki kerja penampung cairan
dielektrik. Mesin EDM standar populer yang digunakan sekarang memiliki
keterbatasan:
a. Untuk Wire EDM, ukuran maksimum benda kerja sekitar 59 inchi
(1.500 mm) pada sumbu Y, 24 inchi (600 mm) pada sumbu Z dan
tidak terbatas pada sumbu X.
b. Untuk Ram EDM, ukuran benda kerja maksimum sekitar 59 inchi
(1.500 mm) pada sumbu Y, 17 inchi (520 mm) pada sumbu Z, dan 98 inchi
(2500 mm) pada sumbu X.
c. Pembuatan bentuk sudut/tirus pada Wire EDM adalah hal yang perlu
dipertimbangkan. Sudut tirus maksimum adalah ± 450, walaupun
beberapa bengkel telah berhasil mencapai ± 500. Perbandingan sudut dan
tinggi maksimum adalah 300 pada ketinggian 16 inchi (400 mm).
d. Hambatan listrik maksimum untuk benda kerja dan pencekam sekitar 0,5-
5,0 ohm/cm untuk Mesin Wire dan Ram EDM.
e. Keakuratan sekitar 0,00002 inchi (0,0005 mm) untuk mesin Wire EDM.
f. Keakuratan ± 0,0001 inchi (0,0025 mm) untuk mesin Ram EDM.
g. Kehalusan permukaan sekitar VDI 0 (4 microinchi) untuk Wire EDM.
16
PENGARUH VOLTAGE TERHADAP "SPARK GAP" BEBERAPA JENIS
FLUIDA DIELEKTRIK YANG TERJADI PADA PROSES ELEKTRO
DISCHARGE MACHINING
Kinerja yang diinginkan pada proses EDM Sinking adalah laju pengerjaan
material yang tinggi dan kualitas kekasaran permukaan yang baik. Karena banyaknya
variabel di dalam prosesnya, maka untuk mencapai kinerja yang baik diperlukan
setting parameter yang tepat. Beberapa parameter yang mempengaruhi proses
pengerjaan ini antara lain adalah tegangan dan jarak gap antara electrode dan benda
kerja serta variasi cairan dielektrik . Kenaikan nilai tegangan harus disertai
penyesuaian jarak gap yang digunakan agar mendapatkan hasil pengerjaan yang
optimal.
Maka akan dilakukan penelitian untuk mengetahui sejauh mana pengaruh
perubahan nilai tegangan terhadap jarak gap maksimum yang terjadi dengan cara
memvariasikan nilai tegangan yang digunakan pada setiap setting parameter
percobaan. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan 5 variasi nilai tegangan
(45, 90, 160, 200, 250 Volt DC) dengan 4 variasi cairan dielektrikum (solar, kerosine,
aquades, minyak goreng) untuk kapasitor dengan kapasitas 200 μF. Material benda
kerja yang digunakan pada percobaan ini adalah SKD 11.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa perubahan tegangan dari 45 volt hingga
250 volt terjadi kenaikan spark gap dari 0.12 hingga 0.63mm pada cairan dielektrik
solar. Pada cairan dielektrik minyak goreng perubahan tegangan dari 45 volt hingga
250 volt terjadi kenaikan spark gap dari 0.1 hingga 0.29 mm. Pada cairan dielektrik
kerosene perubahan tegangan 45 voltv hingga 250 volt terjadi kenaikan spark gap
dari 0.11 hingga 0.43mm. Pada cairan Aquades perubahan tegangan 45 volt hingga
250 volt terjadi kenaikan spark gap dari 0.01 hingga 0,14 Hal ini juga membuktikan
17
bahwa parameter tegangan dan jenis cairan dielektrik sangat mempengaruhi proses
pengerjaan pada Elektrodischarge Machining (EDM).
Jadi kesimpulannya bahwa dalam pengerjaan EDM diperlukan cairan
dielektrik yang tepat serta tegangan yang sesuai dengan bahan yang dikerjakan. Jadi
untuk tegangan (voltage) harus diatur sesuai kebutuhan pengerjaan.
18
Kesimpulan
EDM (Electrical Discharge Machining) atau Pemesinan Energi Listrik
adalah suatu metode pemesinan yang pada dasarnya digunakan untuk logam keras
atau logam-logam yang tidak mungkin dapat diolah dengan menggunakan
mesin tradisional. EDM hanya dapat digunakan untuk benda-benda yang dapat
dialiri arus listrik. Cara kerja mesin ini merujuk spark (percikan) machining
atau spark eroding (mengikis permukaan logam sedikit demi sedikit/erosi). EDM
juga kadang kadang diasumsikan sebagai sebuah metode non-tradisional atas
perpindahan materi melalui suatu rangkaian pelepasan busur elektrik yang
berulang antara elektroda (tool pemotong).
Setelah mengenali mesin EDM, maka penjelasan berikut merupakan
ringkasan dari karakteristik yang diutamakan dalam penggunaan EDM Disarankan
menggunakan EDM jika bentuk benda kerja sebagai berikut.
• Dinding yang sangat tipis.
• Lubang dengan diameter sangat kecil.
• Rasio ketinggian dan diameter sangat besar.
• Benda kerja sangat kecil.
• Sulit dicekam.
Disarankan menggunakan EDM jika material benda kerja:
• Keras.
• Liat.
• Meninggalkan sisa penyayatan.
• Harus mendapat perlakuan panas.
19