5

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Proses Drilling

Proses drilling adalah proses permesinan untuk membuat lubang bulat pada benda

kerja. Drilling biasanya dilakukan memakai pahat silindris yang memiliki dua ujung

potong yang disebut drill. Pahat diputar pada porosnya dan diumpankan pada benda

kerja yang diam sehingga menghasilkan lubang berdiameter sama dengan diameter

pahat. Mesin yang digunakan disebut drill press, tetapi mesin lain dapat juga

digunakan untuk proses ini. Lubang yang dihasilkan dapat berupa lubang tembus

(through holes) dan tak tembus (blind holes). (Al Huda, 2008)

B. Kondisi Pemotongan Pada Drilling

Kecepatan potong (cutting speed) pada drilling didefinisikan sebagai kecepatan

permukaan terluar dari pahat drill relatif terhadap permukaan benda kerja.

Kecepatan potong dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

DNv

dimana, v : Kecepatan potong (m/min),

N : Kecepatan putaran (rpm: rev/min).

D : Diameter pahat.

6

Gambar 1. Kondisi pemotongan pada Drilling (Groover, 2002)

Waktu riil permesinan (time of actual machining), Tm (min) :

1. Pada pembuatan lubang tembus (through hole):

fN

AtTm

2. Pada pembuatan lubang tembus (through hole):

fN

dTm

dimana, f : Gerak makan (mm/rev).

Tm : Waktu riil permesinan (min).

t : Ketebalan benda kerja (mm).

A : Jarak antara sisi terluar pahat drill dengan permukaan benda kerja

ketika ujung drill mulai menyentuh permukaan.

d : Kedalaman lubang,

: Drill point angle.

7

Kecepatan pemindahan material (material removal rate), MRR:

4

2 NfDMRR

dimana, MRR: material removal rate (mm3/min)

C. Berbagai proses yang berhubungan dengan Drilling.

Terdapat beberapa jenis proses yang terkait dengan drilling. Proses ini memerlukan

lubang awal yang dibentuk dengan drilling, kemudian lubang dimodifikasi.

Beberapa proses tersebut diantaranya adalah:

a. Reaming. Digunakan untuk sedikit menambah lebar lubang, menghasilkan

toleransi yang lebih baik pada diameternya. Pahatnya disebut reamer, biasanya

berbentuk galur lurus..

b. Tapping. Proses ini dilakukan dengan pahat tap, untuk membuat internal ulir

pada permukaan dalam sebuah lubang.

c. Counter-boring. Menghasilkan lubang bertingkat, lubang diameter besar diikuti

dengan lobang diameter lebih kecil. Digunakan untuk "menyimpan" kepala baut

agar tidak menonjol.

d. Counter-sinking. Serupa dengan counter-boring, tetapi lubang lebar berbentuk

kerucut untuk "menyimpan" kepala sekrup bebentuk kerucut.

e. Centering. Disebut juga center-drilling, digunakan untuk membuat lubang awal

sehingga drilling dapat dilakukan pada posisi yang lebih akurat. Pahatnya

disebut center-drill.

8

f. Spot-facing. Mirip dengan proses milling. Digunakan untuk meratakan

permukaan tertentu benda kerja yang menonjol, terutama setelah proses drilling.

D. Variasi Pahat Pada Drilling

Mata bor adalah suatu alat pembuat lubang atau alur yang efisien, macam-macam

ukuran daripada mata bor terbagi dalam beberapa jenis, diantaranya ialah: didalam

satuan inchi, di dalam pecahan dari 1/64” sampai 3/8” dan seterusnya. Di dalam

satuan millimeter dengan setiap kenaikan bertambah 0,5 mm, dengan nomor dari

80 – 1 dengan ukuran 0,0135 – 0,228”, dengan tanda huruf A sampai Z dengan

ukuran 0,234 – 0, 413”.

Terdapat beberapa hal yang harus kita perhatikan untuk memilih mata bor yaitu :

1. Ukuran lubang

2. Benda kerja yang akan dibor

3. Sudut bibirnya

Ukuran lubang menentukan ukuran garis tengah dari mata bor, setiap mata bor

akan menghasilkan lubang yang lebih besar daripada garis tengahnya, sudut spiral

dan sudut bibir tergantung dari benda kerja yang akan dibor.

Alat penyudut dipakai untuk memeriksa sudut bibir, sisi potong yang tumpul akan

menyebabkan permukaan lubang menjadi kasar, hal ini terjadi bila jarak sudut

pahat dengan sisi potong 550, untuk mengurangi akibat yang tidak baik terhadap

sisi potong, jarak perlu diperpendek dengan menggerinda mata bor yang lebih

besar. (Daryanto, 1996)

9

1. Mata bor pilin dengan spiral kecil

Mata bor pilin dengan spiral kecil, sudut penyayatnya 130° digunakan untuk

mengebor aluminium, tembaga, timah, seng, dan timbel.

Gambar 2. Bor Pilin Spiral Kecil

2. Mata bor pilin spiral besar sudut penyayat 130°

Bor pilin dengan spiral besar, sudut penyayat 130° digunakan untuk mengebor

kuningan dan perunggu.

Gambar 3. Bor Pilin Kisar Besar

3. Mata bor pilin spiral besar sudut penyayat 80°

Mata bor pilin dengan spiral besar, sudut penyayat 80° digunakan untuk

mengebor batu pualam/ marmer, batu tulis, fiber, ebonit, dan sebagainya.

Gambar 4. Bor Pilin Kisar Besar Sudut Sayat Kecil

10

4. Mata bor pilin spiral besar sudut penyayat 30°

Mata bor pilin dengan spiral besar, sudut penyayat 30° digunakan untuk

mengebor jenis bahan karet yang keras (karet-karet bantalan).

Gambar 5. Bor Pilin Kisar Besar Sudut Lancip

E. Tool Geometry

Twist drill (drill dengan bermata dua) digunakan luas di industri untuk membuat

lubang secara cepat dan ekonomis, diameter berkisar 0.15 mm (0.006 in.) - 75 mm

(3.0 in.). Badan drill memiliki dua daun spiral (flutes). Sudut kemiringan spral daun

disebut helix angle, biasanya sekitar 30°. Saat proses drillinIg, daun ini_ berfungsi

untuk jalur pengeluaran geram dari lubang. Tebal (jarak) antara daun disebut web.

Ujung twist drill berbentuk kerucut, sudutnya disebut point angle, nilai sekitar

118°. Desain umum dari ujung drill adalah chisel edge. Chisel edge menyambung

dengan dua ujung (mata potong) disebut lips dan menyambung ke daun (flutes).

Permukaan flutes yang berhubungan dengan ujung potong berperan sebagai rake

face. Twist drill biasanya terbuat dari high-speed steel (HSS). Pembentukan pahat

dibuat dengan proses casting, kemudan dikeraskan permukaannya dengan proses

heat treatment sementara bagian dalamnya tetap kuat/ulet. Setelah itu dilakukan

proses Grinding untuk mempertajam ujung potongnya. (Daryanto, 1996)

11

Gambar 6. Geometri Pahat

F. Mesin Drilling (The Drill Press)

Mesin standar untuk drilling disebut drill press. Beberapa jenis drill press:

a. Upright drill. Mesin ini ditegakkan diatas lantai, terdiri dari meja untuk

meletakkan dan memegang benda kerja, drilling head yang digerakkan oleh

spindle untuk memasang pahat drill, serta landasan dan tiang penopang.

Gambar 7. Upright drill

12

b. Bench drill. Lebih kecil dari upright drill, diletakkan diatas meja atau bangku.

c. Radial drill. Drill press besar yang dirancang untuk melobangi benda kerja

besar. Memiliki lengan radial sehingga drilling head dapat digerakkan sepanjang

lengan ini untuk menjangkau lokasi yang relatif jauh dari tiang mesin.

Gambar 8. Radial drill

d. Gang drill. Mesin ini terdiri dari 2 - 6 mesin upright drill diatur saling

berhubungan dan segaris. Tiap spindle beroperasi sendiri-sendiri, tapi memiliki

satu meja kerja. Sehingga satu rangkaian proses drilling (centering, drilling,

reaming, tapping) dapat dilakukan secara berurutan dengan hanya menggeser

benda kerja tanpa mengganti pahatnya.

13

Gambar 9. Gang drill.

e. Multiple-spindle drill. Mirip dengan mesin gang drill, beberapa spindle

dihubungkan bersama untuk membuat berbagai lubang pada satu benda kerja

secara bersamaan.

f. Numerical control drill presses. Mesin ini mampu mengontrol pemosisian

lubang pada benda kerja. Sering dilengkapi dengan turrets untuk memegang

beberapa pahat drill sekaligus dan dapat dikontrol dengan NC program, sering

disebut mesin CNC turret drill.

14

G. Pemegang Benda Kerja Pada Drill Press

Peralatan yang biasa digunakan untuk memegang benda kerja pada mesin drill

press antara lain:

a. Ragum (Vise). Adalah alat yang umum digunakan, menjepit benda kerja pada

dua sisi berdampingan.

b. Perkakas Cekam (Fixture). Peralatan yang dirancang secara khusus untuk

komponen tertentu. Fixtures dirancang untuk mencapai tingkat akurasi

pemosisian yang lebih tinggi, tingkat produksi yang lebih cepat, dan kemudahan

operasi yang lebih besar.

c. Perkakas tuntun (Jig). Mirip seperti fixtures, tapi dilengkapi dengan alat

pengarah pahat drill terhadap benda kerja, sehingga akurasi penempatan pahat

lebih tinggi.

H. Sifat-sifat material

Dalam sebuah pemilihan material yang cocok maka diperlukan pengetahuan akan

sifat dari material tersebut. Walaupun memang sudah ada standar baku yang

mengatur akan kandungan bahan-bahan pembentuk yang akan membangun sifat

material, namun keahlian untuk menentukan berdasarkan metode-metode

pengujian material sangatlah penting bagi seorang material engineer.

15

Sifat-sifat (Properties) material yang dimaksud adalah :

1. Sifat Mekanis

2. Sifat Elektris

3. Sifat Elektrokimia

4. Sifat Magnetik

5. Sifat Termal

Kekuatan adalah kemampuan suatu material dalam menerima beban, semakin

besar beban yang mampu diterima oleh material maka benda tersebut dapat

dikatakan memiliki kekuatan yang tinggi. Dalam kurva stress-strain kekuatan

(strength) dapat dilihat dari sumbu-y (stress), semakin tinggi nilai stress-nya

maka material tersebut lebih kuat. Untuk memperjelas, lihat gambar 15 :

Gambar 10. kurva stress vs strain (tegangan vs regangan)

Kurva yang diberi label strongest (terkuat) digambarkan sebagai kurva yang

memiliki nilai sb-y tertinggi. Kemudian kurva yang diberi label Toughest adalah

kurva yang memiliki nilai ketangguhan tertinggi. Ketangguhan suatu material

16

dapat dilihat dari luas daerah sibawah kurva stress-strain nya. Semakin besar luas

daerah di bawah kurva, maka material tersebut dikatakan semakin tangguh. Lalu

untuk keuletan material digambarkan dari kurva yang diberi label most ductile.

Keuletan menggambarkan bahwa material tersebut sulit untuk mengalami patah

(fracture) yang dalam kurva dapat dilihat sebagai kurva yang memiliki nilai

sumbu-x (strain / regangan) tertinggi.

Ada beberapa lagi sifat mekanik material diantaranya kekerasan dan getas.

Kekerasan dapat diartikan ketahan suatu material terhadap deformasi lokal,

misalkan ketahanan terhadap goresan. Bila suatu material digores maka yang akan

menerima beban adalah bagian permukaannya saja bukan keseluruhannya, itulah

mengapa goresan dikatakan hanya menghasilkan deformasi lokal. Selanjutnya

sifat getas dari suatu material dapat diartikan ketidakmampuan suatu material

untuk berdeformasi plastis. Material yang getas berarti bila diberi suatu beban dia

hanya akan berdeformasi elastis, dan selanjutnya akan mengalami patah.

Mengetahui tentang sifat mekanik suatu material sangatlah penting terutama

dalam pemilihan material yang akan dipakai dalam kehidupan sehari-hari.

Misalkan kita disuruh memilih jenis baja yang akan digunakan untuk membuat

jembatan, maka hal terpenting yang harus kita perhatikan adalah bahan yang kita

pilih haruslah kuat, dalam arti dia tidak akan mudah mengalami deformasi plastis.

(http://geowana.wordpress.com/pentingnya sebuah ilmu material)

17

I. Baja (Material Benda Kerja)

Baja karbon dapat diklasifikasikan berdasarkan jumlah kadar karbonnya. Baja

karbon dibagi menjadi tiga kelompok. Adapun pembagian jenis – jenis baja

karbon adalah:

a). Baja karbon rendah

Baja karbon rendah yang biasanya disebut mild steel mengandung karbon

antara 0,1% sampai dengan 0,3% dan dalam perdagangan karbon rendah

berbentuk batang), pelat – pelat baja dan baja strip. Baja karbon rendah

memiliki kekuatan sedang dengan keuletan yang baik dan sesuai dengan

tujuan fabrikasi digunakan dalam kondisi anil atau normalisasi untuk tujuan

konstruksi dan struktural, seperti jembatan, bangunan gedung, kendaraan

bermotor, dan kapal laut.

b). Baja karbon sedang

Baja karbon sedang mempunyai kandungan karbon antara 0,3 % sampai

dengan 0,6 %. Penemperan di daerah temperatur lebih tinggi (yaitu 350-

550°C) menghasilkan karbida sferoidisasi yang meningkatkan keuletan baja,

dan dalam perdagangan baja karbon sedang digunakan untuk bahan baut, mur,

piston, poros engkol, material as roda, poros, roda gigi, dan rel. Proses

ausforming dapat diterapkan pada baja dengan kadar karbon sedang tersebut

sehingga dicapai kekuatan lebih tinggi tanpa mengurangi keuletan.

c). Baja karbon tinggi

Baja karbon tinggi mempunyai kandungan karbon antara 0,7 % sampai dengan

1,3 % dan setelah mengalami proses heat treatment, baja tersebut digunakan

18

untuk pegas (per), alat – alat perkakas, gergaji, pisau, kikir dan pahat potong.

Baja karbon tinggi umumnya dikeraskan dengan ditemper ring pada

temperatur 250°C untuk menghasilkan kekuatan dan keuletan yang memadai

untuk per, die, dan perkakas potong. Keterbatasan penggunaan terjadi karena

kemampukerasan yang kurang baik dan pelunakan cepat yang terjadi pada

penemperan temperatur sedang.

Klasifikasi dari jenis baja karbon tersebut diatas dapat dilihat lebih rinci pada

tabel 1.

Tabel 1. Klasifikasi Baja Karbon [Wiryosumarto, 1996]

Jenis Kadar

Karbon (%)

Kekuatan

Luluh

(kg/mm2)

Kekuatan

Tarik

(kg/mm2)

Kekerasan

(Brinell)

Perpanjangan

(%)

Baja Karbon Rendah :

a. Baja Lunak Khusus

b. Baja Sangat Lunak

c. Baja Lunak

d. Baja Setengah

Lunak

Baja Karbon Sedang :

a. Baja Setengah

Keras

b. Baja Keras

Baja Karbon Tinggi :

a. Baja Sangat Keras

0,08

0,08-0,12

0,12-0,20

0,20-0,30

0,30-0,40

0,40-0,50

0,50-0,80

18-28

20-29

22-30

24-36

30-40

34-46

36-47

32-36

36-42

38-48

44-55

50-60

58-70

65-100

95-100

80-120

100-130

112-145

140-170

160-200

180-235

40-30

40-30

36-24

32-22

30-17

26-14

20-11

19

J. Baja Karbon AISI 1045

Baja karbon AISI 1045 merupakan salah satu jenis baja karbon sedang (0,43 –

0,50 %C berat) yang banyak digunakan dipasaran karena memiliki banyak

keunggulan. Baja ini memiliki karakteristik sifat mampu mesin yang baik, wear

resistance-nya baik, dan sifat mekaniknya menengah. Dengan bantuan diagram

fasa yang merupakan landasan untuk perlakuan panas bagi logam, dan diagram

fasa besi-karbon diberlakukan untuk baja. Memahami diagram fasa menjadi

sebuah tuntutan karena terdapatnya hubungan antara struktur mikro dengan sifat-

sifat mekanis suatu material, yang semuanya berhubungan dengan karakteristik

diagram fasanya. Diagram fasa juga memberikan informasi penting tentang titik

leleh, titik kristalisasi, dan fenomena lainnya.

K. High Speed Steel (HSS)

Baja kecepatan tinggi (sering di singkat HSS/HS) adalah suatu material yang

biasanya digunakan di dalam manufaktur dari alat-alat pemesinan dan alat

pemotong yang lain. Sering digunakan juga dalam mesin pemotong dan bor.

Bahan ini lebih kuat daripada perkakas baja karbon tinggi yang mulai di gunakan

pada tahun 1940-an. Kandungan karbon : 0,70 % - 1,50 %. Sifat-sifat HSS untuk

memotong lebih cepat dari pada baja karbon tinggi, karena itu dinamakan baja

kecepatan tinggi (high speed steel/HSS). Pada suhu-kamar HSS dan baja karbon

tinggi mempunyai kekerasan yang tidak jauh berbeda, hanya pada suhu yang

sudah diatur HSS menjadi lebih menguntungkan. HSS menurut beratnya mulai

mencair pada 1130 ° C (2066 ° F), dan sudah benar-benar cair setelah mencapai

1315 ° C (2400 ° F).

20

Adapun aplikasi dari penggunaan utama dari baja kecepatan tinggi digunakan

pada manufaktur untuk berbagai pahat potong: drills, taps, milling cutters, tool

bits, gear cutters, saw blades, dll. Baja karbon tinggi menjadi suatu pilihan yang

baik untuk aplikasi kecepatan rendah di mana suatu ketajaman tepi sangat

diperlukan, seperti alat pemotong, pahat dan mata pisau.

Baja kecepatan tinggi menjadi Fe-C-X multicomponen bercampur menjadi sistem

logam di mana X mewakili; menunjukkan unsur logam pelapis chromium,

tungsten, molibdenum, vanadium, atau unsur kimia kobalt. Secara umum,

komponen X hadir lebih dari 7%, dengan karbon lebih dari 0,60%. Tingkatan T-1

dengan tungsten 18% tidak berubah komposisinya sejak tahun 1910 dan

penggunaan tipe utama pada 1940, ketika diganti oleh molibdenum. Sekarang ini,

hanya 5-10% dari HSS di Eropa dan hanya 2% di Amerika Serikat yang berasal

dari jenis ini. (Krar, 1997)

Penambahan 10% dari tungsten dan molibdenum secara keseluruhan

memaksimalkan secara efisien kekerasan dan ketahanan dari baja kecepatan tinggi

dan memelihara sifat-sifat pada temperatur tinggi yang dihasilkan ketika

pemotongan logam. (Taufiq Rochim, 1993)

L. Panas yang dihasilkan dan perpindahan panas

Mekanisme pemotongan logam melibatkan sejumlah interaksi kuat mekanis dan

proses thermal. Dalam perhitungan, kita memperhitungkan termo-mekanis

coupling dan interaksi antara gesekan, suhu dan plastisitas. Hukum keseimbangan

21

yang relevan yang perlu dipertimbangkan dalam hal ini adalah persamaan panas.

Panas yang dihasilkan oleh gesekan dan kerja plastik bertindak sebagai sumber

masalah termal. Pelunakan termal yang sesuai pada gilirannya mempengaruhi

masalah mekanis. Rincian dari pendekatan numerik yang digunakan untuk

memperhitungkan kopel termo-mekanis dapat ditemukan di tempat.

Laju panas per satuan volume akibat deformasi plastis dapat ditulis dalam bentuk:

p

Ws.

Dimana p

W

adalah kekuatan plastik per satuan volume deformasi, dan adalah

fraksi dari kerja plastik dikonversi menjadi panas. Untuk beberapa material,

koefisien diketahui untuk menjadi fungsi kekuatan pada deformasi. di sini,

bagaimanapun, diperlakukan sebagai konstan untuk kesederhanaan, di samping

itu, laju pemanasan per satuan luas karena gesekan :

vth .

dimana t adalah vektor dan kontak traksi dan v menunjukkan lompatan

kecepatan di permukaan bidang kontak. Jika, di samping itu, kita asumsikan

gesekan Coulomb, menjadi:

pvh

dimana µ adalah koefisien gesek (tanpa satuan), tekanan kontak p (N/m2), dan v

(m/s) besarnya kecepatan geser. H panas dapat dibagi ke tubuh dalam kontak

sesuai dengan hubungan :

pvh 1

22

pvh )1(2

Dimana persamaan di atas merujuk pada tubuh dalam kontak:

111222 /1

1

ckck

Kerja/energi mekanik dalam proses pemotongan yang bebas getaran seluruhnya

diubah menjadi panas/kalor. yang diubah menjadi energi panas per satuan waktu

tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

Q = ssh QQQ ; W

Dimana, Q = Panas total yang dihasilkan perdetik

60

vFv ; J/s atau W

Qsh = Panas yang dihasilkan perdetik pada bidang geser

60

ss vF ; J/s atau W

Q = Panas yang dihasilkan perdetik pada bidang geram

60

svF ; J/s atau W

Qc = Panas yang dihasilkan perdetik pada bidang utama

M. Temperatur Pemotongan

Hampir seluruh energi pemotongan diubah menjadi panas melalui proses gesekan,

antara geram dengan pahat dan antara pahat dengan benda kerja. Panas yang

ditimbulkan cukup besar karena tekanan yang besar akibat gaya pemotongan dan

luas bidang kontak relatif kecil maka temperature pahat dan bidang utamanya akan

23

Primary

deformation zone

Secondary

deformation zone

Primary

deformation zone

Secondary

deformation zone

sangat tinggi temperaturnya. Meskipun prosentase panas yang terbawah geram

sangat tinggi tidaklah berarti bahwa temperatur geram menjadi lebih tinggi dari

pada temperatur pahat.

Panas mengalir bersama sama geram yang selalu terbentuk dengan kecepatan

tertentu, sedangkan panas yang merambat melalui pahat terjadi sebagai proses

konduksi panas yang dipengaruhi olek konduktivitas panas material pahat serta

penampang pahat yang relatif kecil.

Panas dalam proses permesinan ketika logam dipotong, sejumlah energi

dibutuhkan dalam mendeformasi geram (chip) dan mengatasi gesekan antara

pahat dan benda. Hampir semua energi yang dibutuhkan itu diubah menjadi panas

(sekitar 98%) (M.C Shaw, 1984), menghasilkan suhu yang tinggi dalam area zone

deformasi (primary and secondary deformation zone) (lihat Gambar 14). Ini dapat

menyebabkan suhu panas yang sangat tinggi pada benda kerja dan pahat, energi

yang tersisa sekitar 2% adalah tetap dipertahankan sebagai energi elastis dalam

chip.

Gambar 11. Daerah zone deformasi selama proses pemotongan

24

Suhu pemotongan (cutting temperature) adalah perlu diperhatikan karena dapat

mempengaruhi unjuk kerja proses pemesinan. Temperatur pada daerah zone

deformasi utama (primary deformation zone), dimana terjadi deformasi benda

kerja menjadi geram akibar tegangan geser, mempengaruhi sifat mekanik benda

kerja dan selanjutnya gaya pemotongan (D.A Stephenson, 2006) serta keausan

tepi pahat.

Sedangkan temperatur pada zone deformasi kedua (secondary deformation zone)

sangat mempengaruhi umur pahat utamanya akibat keausan kawah. Peningkatan

temperatur pada zone ini menyebabkan pahat penjadi lunak dan keausannya

menjadi cepat melalui proses abrasi dan deformasi plastik.

Selama proses gurdi atau pengeboran kondisi panas pada daerah kontak antara

pahat dengan benda kerja dalam pengeboran memiliki perbedaan yang signifikan

dibandingkan dengan pemotongan ortogonal turning dan borring. Geram yang

terbentuk pada dasar lubang akan tetap mengalami kontak dengan mata bor dan

mengalami penumpukan karena titik pengeboran bergerak lambat kearah porsi

material kerja sehingga daerah kontak pahat – benda kerja mengalami pemanasan

karena terbentuknya geram.

Temperatur pada proses gurdi atau pengeboran sering kali tidak mencapai kondisi

steady, tapi meningkat seiring dengan kedalaman lubang. Pada proses

pemotongan yang lain temperatur pengeboran sangat dipengaruhi oleh kecepata

spindel dan laju gerak makan.

Diantara parameter geometri pahat point angel memiliki pengaruh yang paling

besar. Karena point angel meningkat, panjang ujung potongan pengeboran

25

menurun, dan temperatur meningkat seiring difusi panas yang konstan ke bagian

yang lebih kecil. Peningkatan sudut heliks, yang mengurangi torsi gurdi atau

pengeboran, tanpanya tidak mempengaruhi temperatur pengeboran seperti yang

diperkirakan karena panas yang dihasilkan dari pengeboran lebih berasal dari

gesekan dari pada pergeseran material kerja. (D.A Stephenson, 2006)

N. Metode elemen hingga

Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk

menyelesaikan permasalahan teknik dan masalah matematik dari suatu gejala

phisis. Tipe masalah teknik dan matematik fisik yang dapat diselesaikan dengan

metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu kelompok analisa

struktur dan kelompok masalah-masalah non struktur.

Tipe-tipe permasalahan struktur meliputi:

1. Analisa tegangan/stress, meliputi analisa truss dan frame serta masalah-

masalah yang berhubungan dengan tegangan-tegangan yang terkonsentrasi.

2. Buckling.

3. Analisa getaran.

Problem non struktur yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode ini

meliputi:

1. Perpindahan panas dan massa.

2. Mekanika fluida, termasuk aliran fluida lewat media porus.

3. Distribusi dari potensial listrik dan potensial magnet.

26

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti

persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada umumnya sulit

dipecahkan melalui matematika analisis. Hal ini disebabkan karena matematika

analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik

pada struktur yang dikaji.

Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang

kompleks, pembebanan yang rumit, tidak mudah diperoleh. Formulasi dari

metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi pemasalahan ini.

Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak

diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan dari suatu

benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan

masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi

dalam bagian yang kecil (meshing/diskritisasi). (Susatio, 2004)

O. Tahapan metode elemen hingga

Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam menggunakan metode

elemen hingga dirumuskan sebagai berikut:

1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi

Amatilah benda atau struktur yang akan dianalisa, apakah satu dimensi, dua

dimensi, atau tiga dimensi. Macam dan tipe elemen dasar yang digunakan:

27

Gambar 12. Bentuk-bentuk elemen dasar

(a). Elemen garis (1 dimensi)

(b). Elemen segitiga dan segi empat (2 dimensi)

(c). Elemen tetrahedra dan balok (3 dimensi)

(d). elemen segitiga axisimetri

Bagilah/potong benda dalam bagian-bagian kecil (disebut elemen). Langkah ini

disebut sebagai langkah diskritisasi. Banyaknya potongan yang dibentuk

bergantung pada geometri dari benda yang akan dianalisa, sedangkan bentuk

elemen yang diambil bergantung pada dimensinya (lihat Gambar 10).

2. Pemilihan fungsi pemindah/fungsi interpolasi

Jenis-jenis fungsi yang sering digunakan adalah fungsi linier, fungsi kuadratik,

kubik atau polinomial derajat tinggi.

28

3. Mencari hubungan strain/Displacement dan stress/strain

sebagai contoh, hubungan ini untuk kasus satu dimensi berlaku :

dx

dux atau xx E

dimana : x = Strain

x = Stress

E = Modulus elastis

u = Displacement

4. Dapatkan matrik kekakuan dari elemen yang dibuat

Untuk benda yang terdiri dari beberapa buah elemen , lakukan penggabungan

(assemblage) dari matrik kekakuan elemen menjadi matrik kekakuan global

yang berlaku untuk seluruh benda atau struktur.

5. Gunakan persamaan kesetimbangan F = [k] d

6. Selesaikan persamaan pada langkah 5, dengan menghitung harga yang belum

diketahui. Jika perhitungan melibatkan matrik dengan ukuran yang kecil,

biasanya ditempuh dengan cara partitioning matrik, tetapi jika perhitungan

melibatkan matrik dengan ukuran yang besar, komputer adalah jalan terbaik

dalam mendapatkan solusinya.

7. Hitung Strain dan Stress dari tiap elemen.

8. Interpretasikan kembali hasil-hasil perhitungan yang diperoleh.

29

P. Contoh-contoh Meshing

Berikut ini adalah beberapa contoh Meshing dari suatu struktur yang kompleks.

Meshing bergantung pada struktur yang akan dianalisa.

Gambar 13. Meshing dari suatu tower kontrol dengan 48 buah elemen beam dan

28 buah node

Gambar 14. Meshing dua dimensi, dengan 120 buah node dengan 297 elemen

segitiga

30

Gambar 15. Elemen masif tiga dimensi

Q. Kelebihan dan kekurangan dalam penggunaan elemen hingga

Beberapa kelebihan dalam penggunaan metode ini adalah :

1. Benda dengan bentuk yang tidak teratur dapat dengan mudah dianalisa.

2. Tidak terdapat kesulitan dalam menganalisa beban pada suatu struktur.

3. Pemodelan dari suatu benda kerja dengan komposisi materi yang berlainan

dapat dilakukan karena tinjauan yang dilakukan secara individu untuk setiap

elemen.

4. Dapat menangani berbagai macam syarat batas dalam jumlah yang tak terbatas.

5. Variasi dalam ukuran elemen memungkinkan untuk memperoleh detail analisa

yang diinginkan.

6. Dapat memecahkan masalah-masalah dinamik (time dependent).

Kekurangan yang terdapat dalam penggunaan metode ini adalah diperlukannya

komputer sebagai sarana hitung yang lebih cepat dan akurat. (Susatio, 2004)

31

R. Lagrangian

Finite element mesh melekat pada bahan benda kerja dan unsur-unsur deformasi

bersama dengan bahan selama pemotongan. Hal ini sangat cocok untuk solid

mechanics analysis dan sesuai untuk masalah aliran material yang tanpa terlibat.

Untuk simulasi pemotongan logam, rumus Lagrangian lebih disukai karena

pemodelan lebih mudah. Geometri kondisi batas (atau bentuk chip) tidak harus

ditentukan, tapi berkembang selama percobaan dari analisis sepenuhnya sebagai

fungsi dari proses deformasi fisik, parameter mesin, dan material bahan kerja.

Kerugian utama dari Lagrangian dalam simulasi adalah bahwa sebagai unsur

umumnya mengalami distorsi parah, geometris juga sebagai bahan non-linearities

diperkenalkan di persamaan FE yang sangat meningkatkan beban komputasi. Hal

ini menimbulkan substansial numerik.

kesulitan yang kadang-kadang memerlukan mesh untuk diregenerasi agar

mencegah simulasi dari “breaking down” prematur, selain itu berdampak negatif

pada efisiensi dan akurasi analisis. Dalam model-model berbasis Lagrangian,

perpisahan dari chip ke benda kerja secara tradisional dicapai melalui pemisahan

dari simpul di depan ujung alat sepanjang garis yang sudah ditetapkan mewakili

kedalaman potong. Prosedur pemisahan node diatur oleh kondisi kegagalan

material, yang merupakan fungsi dari salah satu dari beberapa kriteria dan

meskipun sederhana, metodologi tidak memiliki drawbacks.

Dengan deformasi besar yang ditemui selama pemotongan logam, ada

kecenderungan untuk simpul dalam depan alat sepanjang garis perpisahan akan

32

mendorong keluar dari posisi, sehingga menyebabkan keterikatan dari unsur-unsur

dengan pemotongan alat. Pemisahan prematur node yang mengakibatkan celah di

depan tool tip adalah masalah umum lain, yang biasanya disebabkan oleh

spesifikasi yang tidak benar kriteria besarnya pemisahan.

Hal itu dapat berkontribusi untuk mengurangi akurasi dan validitas hasil.

Bagaimanapun, beberapa peneliti telah meneliti metode alternatif untuk mencapai

aksi pemotongan seperti penghapusan elemen dan adaptif remeshing. (SL Soo and

D K Aspinwall, 2007)

S. Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)

Prosedur yang ALE dapat digambarkan sebagai rumus umum adalah

amalgamates dengan dua klasik Eulerian Lagrangian dan teknik menjadi satu

deskripsi untuk memanfaatkan jasa masing-masing. FE mesh dalam sebuah

simulasi ALE spasial maupun tidak tetap melekat pada materi, tetapi boleh

sewenang-wenang bergerak relatif terhadap materi. Perumusan itu sedemikian

rupa sehingga dapat dikurangi untuk Eulerian atau deskripsi Lagrangian jika

diperlukan.

00,

dx

df

xd

df

dt

ddttxtxf

Untuk simulasi pemotongan logam, ide umumnya menerapkan fitur dari jenis

Eulerian pendekatan untuk pemodelan sekitar daerah tool tip, sementara bentuk

Lagrangian dapat dimanfaatkan untuk pemodelan pada aliran yang tanpa bahan

pada batas bebas. Dengan cara ini, masalah berat distorsi dan keterlibatan unsur di

33

zona pemotongan bisa dikurangi tanpa perlu remeshing. Evolusi dari bentuk dan

ukuran dari chip dapat terjadi dengan bebas dan secara otomatis sebagai fungsi

dari material deformasi. Sejumlah peneliti telah mempelajari masalah ortogonal

berbalik dengan chip yang terus-menerus dengan menggunakan prosedur ALE.

(SL Soo and D K Aspinwall, 2007)

T. Komputasi Distribusi Temperatur Menggunakan FEM

Dengan asumsi pemesinan ortogonal steady dan kontinur persamaan pengatur

perpindahan panas adalah persamaan energi steady .

0..

2

qTkTVc p

dimana TS suhu tertentu sepanjang batas ST, fluks panas yang ditentukan, q pada

batas Sq, dan koefisien perpindahan panas yang ditetapkan, h pada batas Sh

dimana p adalah kepadatan, cP panas spesifik, V kecepatan, T suhu, k

konduktivitas termal, dan .

q laju penghasilan panas internal per satuan volume.

Untuk pemesinan ortogonal dimana ketebalan geram belum terdeformasi, t1, jauh

lebih kecil daripada lebar geram, perpindahan panas dapat diasumsikan dua-

dimensi.

Dengan menggunakan persamaan Galerkin, dapat ditunjukkan bahwa unsur

persamaan matriks.

pTHee

di mana Te adalah vektor nodal temperatur dari elemen,

hNdSNNdkNNdVcNH T

s

T

p

Teeq

ee

..

34

qdSNdShTNdNNp T

s

T

s

e

Teq

eb

e q

mana Ω2 adalah domain dari elemen dan N elemen bentuk fungsi matriks.

U. DEFORM™ 3D

Deform™ 3D adalah sebuah proses simulasi yang dirancang untuk menganalisis

tiga-dimensi (3D) aliran proses pembentukan logam kompleks.

Deform™ 3D adalah alat praktis dan efisien untuk memprediksi aliran material

dalam industri membentuk operasi tanpa biaya. Aplikasi yang ada pada DeformTM

3D meliputi:

- Penempaan - machining - rolling

- Ekstrusi - heading - gambar

- Cogging - pemadatan - boring

Didasarkan pada metode elemen hingga, Deform™ telah terbukti akurat dan

kuat dalam aplikasi industri selama lebih dari dua dekade. Software ini mampu

memprediksi deformasi besar aliran bahan dan perilaku termal dengan hasil yang

presisi.

The Automatic Mesh Generator (AMG) menghasilkan sistem mesh yang optimal

dengan pengendalian ukuran elemen lokal yang didasarkan pada proses yang

ingin dianalisa. Fasilitas ini merupakan resolusi yang disempurnakan fitur bagian

tetap menjaga kontrol yang baik masalah keseluruhan ukuran dan kebutuhan

komputasi. Sebuah ditetapkan pengguna mesh lokal kepadatan pengguna tingkat

35

lanjut memberikan kontrol yang fleksibel untuk memenuhi kebutuhan mereka.

Sementara Deform™ 3D menyediakan kemampuan analisis canggih, pengguna

berbasis grafik Antarmuka yang intuitif dan mudah dipelajari. Selain itu,

menyediakan utilitas untuk memanipulasi 3D geometri, termasuk kemampuan

untuk memangkas boolean flash. Geser dan pemangkasan operasi juga dapat

dianalisis menggunakan mesin FEM. Bahkan mesin kompleks

operasi dapat dimodelkan. Deform™ 3D adalah dasar yang komprehensif

sistem pemodelan yang mengintegrasikan produksi bahan baku, pembentukan,

perlakuan panas dan pemesinan. (http://www.deform.com)