OPTIMASI LAJU PENGERJAAN BAHAN (LPB) DAN KEKASARAN PERMUKAAN PADA PROSES WIRE-ELECTRIC DISCHARGE

MACHINING MATERIAL SKD-11 DENGAN METODE TAGUCHI DAN LOGIKA FUZZY

Tugas Akhir TM - 091486

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institute Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

Latar Belakang

Karakteristik Kinerja

Satu karakteristik kinerja • Metode Taguchi àdapat digunakan

untuk melakukan desain parameter secara offline à penentuan parameter proses yang menghasilkan output/respon yang optimal dan robust terhadap gangguan-gangguan atau noise.

Lebih dari satu karakteristik kinerja • Metode Taguchi tidak dapat digunakan kecuali

digabungkan dengan metode lain, seperti Logika Fuzzy, Grey Relational Analysis, Response Surface Methodology (RSM) dan sebagainya.

Tosun dkk. (2004) • Material AISI 4140 • Orthogonal array L18

• Faktor: Open circuit voltage, pulse duration, wire speed dan flushing pressure • Metode penentuan pengaruh faktor: analisis regresi • Prosentase kontribusi dari yang terbesar berturut-turut diberikan oleh:

• Kerf à Open circuit voltage, pulse duration, flushing pressure, wire speed • MRR à Open circuit voltage, pulse duration, wire speed, flushing pressure

Puri dan Despandhe (2004) • Material High-Carbon-High-Chromium (HCHC) • Orthogonal array L9 • Metode optimasi multi respon menggunakan logika fuzzy • Faktor: gap voltage, wire feed, gap current, dan duty factor • Respon: kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan • Kesimpulan: Prosentase kontribusi dari yang terbesar berturut-turut diberikan

oleh gap voltage, gap current, duty factor dan wire feed terhadap respon yang diamati secara serentak

Datta dan Mahapatra (2010) • Material AISI D2 • Orthogonal array L27 • Metode optimasi: Taguchi-Grey Relational Analysis • Faktor: discharge current, pulse duration, pulse frequency,

wire speed, wire tension dan dielectric flow rate • Respon: material removal rate (MRR), kekasaran permukaan

dan lebar pemotongan • Kesimpulan:

• discharge current, pulse duration, pulse frequency dan wire speed mempunyai efek positif terhadap semua respon (berbanding lurus)

• dielectric flow rate berefek negatif (berbanding terbalik) hanya terhadap respon kekasaran permukaan

• Apakah faktor-faktor seperti: flushing pressure, on time, open voltage, servo voltage dan off time memiliki kontribusi dalam mengurangi variasi dari respon kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan (material removal rate) secara serentak?

• Bagaimana seting yang tepat dari faktor-faktor tersebut pada proses pemesinan Wire-EDM sehingga dapat meminimalkan nilai kekasaran permukaan dan memaksimalkan material removal rate?

RUMUSAN MASALAH:

Flushing pressure

• Tidak membahas perubahan struktur mikro lapisan recast yang timbul pada permukaan benda kerja.

• Tidak membahas tentang komponen biaya pada proses pemesinan.

• Tidak membahas sistem elektronika, sistem kontrol, dan pemograman CNC yang digunakan pada proses pemesinan.

• Material yang digunakan merupakan material SKD-11. • Cairan dielektrik yang digunakan adalah air

aquadestilata. • Jenis kawat elektroda yang digunakan adalah kuningan.

BATASAN MASALAH:

• Faktor-faktor yang tidak diteliti dianggap selalu konstan dan tidak berpengaruh secara signifikan terhadap hasil penelitian.

• Material yang digunakan memiliki kehomogenan sifat mekanik dan komposisi kimia.

• Mesin dan operator bekerja dalam kondisi baik selama proses pemesinan.

• Alat ukur yang digunakan dalam keadaan layak dan terkalibrasi.

ASUMSI:

• Mengetahui besar kontribusi dari faktor-faktor seperti: flushing pressure, on time, open voltage, servo voltage dan off time dalam mengurangi variasi dari respon kekasaran permukaan dan laju pengerjaan bahan (material removal rate) secara serentak.

• Menentukan kombinasi optimum dari faktor-faktor tersebut pada Wire-EDM sehingga dapat meminimalkan nilai kekasaran permukaan dan memaksimalkan material removal rate.

TUJUAN TUGAS AKHIR:

• Menyempurnakan penelitian-penelitian terdahulu yang mengangkat masalah tentang optimasi laju pengerjaan bahan dan kekasaran permukaan pada pembuatan benda kerja.

• Menambah database tentang seting faktor pada proses pemesinan Wire-EDM untuk mengoptimasi laju pengerjaan bahan dan kekasaran permukaan pada pembuatan benda kerja.

• Sebagai bahan referensi bagi penelitian sejenisnya dalam rangka pengembangan pengetahuan tentang optimasi material removal rate dan kekasaran permukaan.

• Dapat digunakan sebagai masukan dalam seting mesin Wire-EDM agar mampu menghasilkan output produk dengan permukaan hasil pemotongan yang halus dan ketelitian yang tinggi.

MANFAAT:

METODOLOGI

Mulai

Identifikasi masalah

Penetapan rumusan masalah dan tujuan tugas akhir

Studi pustaka

Variabel-variabel penelitian Variabel proses:· On time (µs)· Off time (µs)· Servo Voltage (Volt)· Open voltage (Volt)· Flushing pressure (kg/cm2)Variabel respon:· Kekasaran permukaan (µm)· Laju pengerjaan bahan, (mm3/min)

Pemilihan matriks ortogonal

A

Identifikasi nilai variabel proses

A

Persiapan eksperimen

Pelaksanaan eksperimen

Pengambilan data hasil eksperimen

Perhitungan rasio S/N untuk masing-masing respon

Optimasi respon dengan logika Fuzzy

Kombinasi nilai parameter proses yang menghasilkan

respon optimal

Pelaksanaan eksperimen konfirmasi

Pembahasan

Penarikan kesimpulan dan pemberian saran

Selesai

Data eksperimen Seting faktor, kombinasi ke-

laju pengerjaan bahan kekasaran permukaan

(mm3/min) (µm) 1 17.116 18.446 2.42 2.57 2 14.916 15.008 2.54 2.65 3 13.585 14.297 2.5 2.63 4 20.978 22.001 2.62 2.77 5 19.221 21.126 2.63 2.83 6 19.203 18.8 2.63 2.65 7 25.541 25.648 2.68 2.88 8 25.072 26.132 2.67 2.84 9 26.556 28.756 3.66 3.38 10 12.844 14.043 2.26 2.38 11 17.056 20.358 2.48 2.58 12 15.14 14.553 2.58 2.77 13 18.026 19.827 2.38 2.56 14 23.107 21.543 2.32 2.54 15 23.645 24.747 3.17 3.06 16 27.263 26.035 2.3 2.45 17 29.203 29.546 3.13 2.94 18 22.642 26.548 3.2 3.09

Perhitungan rasio S/N untuk masing-masing respon

Unit logika fuzzy • Fuzzification • Fungsi keanggotaan • Aturan fuzzy • Mesin inferensi fuzzy • Defuzzification

Optimasi secara serentak

Eksperimen konfirmasi

Proses analisis data

KESIMPULAN

Kombinasi Awal Kombinasi Optimum

Nilai Level Nilai Level

Flushing pressure (kg/cm2) 6 1 10 2

On time (µs) 0,6 2 0.8 3

Open voltage (volt) 85 2 80 1

Off time (µs) 10 2 12 3

Servo reference voltage (volt) 35 2 30 1

optimum

Kekasaran permukaaan

Laju pengerjaan

bahan

Rasio S/N FRG Rasio S/N

LPB Kekasaran permukaan Kombinasi

25.8 -7.993 0.612 -4.264972 Awal

Prediksi 0.743

Kombinasi 28.652 -7.044 0.8244 -1.67724

Optimum

Peningkatan dari

kombinasi awal ke

kombinasi optimum

11.054 % 11.872 % 34.706 % 60.674 %

Kontribusi dari variabel proses yang signifikan dalam meminimumkan kekasaran permukaan dan memaksimalkan laju pengerjaan bahan (material removal rate) adalah sebagai berikut: •Flushing pressure sebesar 6.06%. •On time sebesar 33.93%. •Open voltage sebesar 37.91%. •Off time sebesar 5.76%.

a. Kontribusi error masih sebesar 13%, maka pada penelitian selanjutnya harus memperhitungkan faktor-faktor noise untuk mengurangi besarnya error.

b. Metode optimasi multirespon dalam penelitian ini menggunakan logika fuzzy. Pada penelitian selanjutnya, dapat dilakukan sebuah studi untuk melakukan optimasi multirespon dengan menggunakan metode-metode optimasi yang lain sebagai perbandingan.

Signal to Noise Ratio

Smaller is better

úû

ùêë

é= å

=

n

i

i

ny

1

2

log10- S/N

Larger is better

úû

ùêë

éå

=

n

i

i

ny

1

2 )/1(log10- = S/N

Nominal is best

úû

ùêë

é -å=

n

i

i

nyy

1

2)(log10- = S/N

• Sebagai contoh, rasio S/N untuk respon kekasaran permukaan dengan karakteristik respon semakin kecil semakin baik (smaller is better) untuk kombinasi seting faktor pertama adalah sebagai berikut:

Smaller is better úû

ùêë

é= å

=

n

i

i

ny

1

2

log10- S/N

Contoh perhitungan S/N Ratio

Pengolahan data unit logika Fuzzy

Unit logika fuzzy terdiri dari: 1. Fuzzification, berfungsi untuk merubah rasio S/N

masing-masing respon menjadi himpunan fuzzy. 2. Fungsi keanggotaan, berfungsi mengelompokkan nilai

rasio S/N sesuai dengan besar kecilnya nilai. 3. Aturan fuzzy, adalah aturan yang dibuat untuk

penggabungan himpunan fuzzy menjadi Fuzzy Reasoning Grade.

4. Mesin inferensi fuzzy, berfungsi melakukan penalaran fuzzy sesuai dengan aturan fuzzy.

5. Defuzzification, defuzzification mengkonversi nilai fuzzy menjadi Fuzzy Reasoning Grade.

Fungsi keanggotaan untuk laju pengerjaan bahan

Fungsi keanggotaan untuk kekasaran permukaan

Fungsi keanggotaan multirespon Fuzzy Reasoning Grade

Kekasaran permukaan (Ra)

S M L

LPB

S VS S M

M S M L

L M L VL

No.

Rasio S/N

FRG LPB

Kekasaran

permukaan

1 24.999 -7.945 0.5359

2 23.500 -8.285 0.4267

3 22.886 -8.185 0.3834

4 26.644 -8.615 0.5669

5 26.096 -8.729 0.5157

6 25.576 -8.432 0.5089

7 28.163 -8.887 0.6498

8 28.166 -8.807 0.6543

9 28.836 -10.938 0.4501

10 22.570 -7.313 0.4974

11 25.440 -8.064 0.5514

12 23.432 -8.552 0.4108

13 25.541 -7.860 0.5955

14 26.976 -7.721 0.6859

15 27.675 -9.871 0.5151

16 28.513 -7.518 0.7518

17 29.359 -9.647 0.6634

18 27.817 -9.954 0.4883

Level 1 Level 2 Level 3

Flushing pressure 0.5213 0.5733

On time 0.4676 0.5647 0.6096

Open voltage 0.5995 0.5829 0.4594

Off time 0.5471 0.5145 0.5803

Servo reference voltage 0.5700 0.5543 0.5176

Rata-rata 0.54729

DF SS MS F ρ - value Kontribusi

Flushing Pressure (A) 1 0.0122 0.0122 8.92 0.0170 6.06 %

On time (B) 2 0.0632 0.0316 23.18 0.0000 33.93 %

Open voltage (C) 2 0.0703 0.0352 25.78 0.0000 37.91 %

Off time (D) 2 0.0130 0.0065 4.77 0.0430 5.76 %

Servo reference voltage (E) 2 0.0087 0.0043 3.19 0.0960 3.35 %

Error 8 0.0109 0.0014 13 %

Total 17 0.1783

Analisis variansi dan kontribusi faktor pada FRG

Rata-rata FRG pada masing-masing level parameter proses

Sumber variasi F-hitung F-tabel Kondisi H0

A 8.92 5.318 ditolak

B 23.18 4.459 ditolak

C 25.78 4.459 ditolak

D 4.77 4.459 ditolak

E 3.19 4.459 gagal ditolak

Kondisi hipotesis nol multirespon

Bahan dan Peralatan

MITUTOYO SURFTEST-401

Wire-EDM Sodick AQ325L

NIKON MEASURESCOPE

1 2 Cutting width

Seting faktor pada mesin • Metode flushing yang digunakan adalah open contact

machining dengan jarak antara upper nozzle dan lower nozzle sebesar 10 mm

Catatan : NS = nilai sebenarnya NK = nilai kode

Faktor/parameter proses level 1 level 2 level 3

NS NK NS NK NS NK

A Flushing pressure kg/cm2 wea

k 1 -

stro

ng 5

B On time sm 0,4 4 0,6 6 0,8 8

C Open voltage volt 75 2 80 3 85 4

D Off time sm 10 10 11 11 12 12

E Servo voltage volt 30 30 35 35 40 40

No Faktor Jumlah Level (k) υfl (k-1)

1 Flushing pressure (A) 2 1

2 On time (B) 3 2

3 Open voltage (C) 3 2

4 Off time (D) 3 2

5 Servo voltage (E) 3 2

Total derajat kebebasan 9

Matriks ortogonal

Experiment

Number

Column

A B C D E - - -

1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 2 2 2 2 2 2

3 1 1 3 3 3 3 3 3

4 1 2 1 1 2 2 3 3

5 1 2 2 2 3 3 1 1

6 1 2 3 3 1 1 2 2

7 1 3 1 2 1 3 2 3

8 1 3 2 3 2 1 3 1

9 1 3 3 1 3 2 1 2

10 2 1 1 3 3 2 2 1

11 2 1 2 1 1 3 3 2

12 2 1 3 2 2 1 1 3

13 2 2 1 2 3 1 3 2

14 2 2 2 3 1 2 1 3

15 2 2 3 1 2 3 2 1

16 2 3 1 3 2 3 1 2

17 2 3 2 1 3 1 2 3

18 2 3 3 2 1 2 3 1

Matriks ortogonal standar untuk L18 (21x37)

Seting faktor,

kombinasi ke-

Laju pengerjaan

bahan

Kekasaran

permukaan

mm3/min µm

1 Y111 Y121

Y112 Y122

2 Y211 Y221

Y212 Y222

3 Y311 Y321

Y312 Y322

- - -

- -

- - -

- -

- - -

- -

18 Y1811 Y1821

Y1812 Y1822

Tampilan data hasil eksperimen

Keterangan: Yijk adalah data untuk kombinasi seting faktor ke-i, respon ke-j, dan replikasi ke-k. dengan: i = 1, ..., 27; j = 1, ..., 4; k = 1, ..., 3

Prosedur Eksperimen 1.Menyiapkan spesimen yang meliputi: penyesuaian ukuran, perataan dan penghalusan permukaan, serta pembersihan spesimen dari kotoran-kotoran yang dapat mengganggu proses pemotongan. 2.Memasang spesimen pada jig yang tersedia pada mesin dan menjepit bagian spesimen yang tidak mengalami proses pemotongan, kemudian menentukan sumbu referensi pemesinan pada spesimen. 3.Memeriksa kawat elektroda 0,25 mm pada jalur roll-roll yang tersedia pada mesin. 4.Menghidupkan mesin wire-EDM dan menyeting faktor-faktor yang telah ditetapkan sesuai dengan rancangan eksperimen. 5.Melaksanakan proses pemotongan berdasarkan seting faktor yang telah ditentukan. 6.Mengeluarkan dan mengeringkan benda kerja setelah proses pemotongan selesai. 7.Mencatat waktu pengerjaan yang tercantum pada layar display CNC LN1W. 8.Mengukur kekasaran permukaan dengan menggunakan surface roughness tester.

Pengambilan Data Laju Pengerjaan Bahan

Waktu yang diperlukan untuk melakukan sekali proses pemotongan dapat diketahui dari counter time pada display CNC LN1W wire-EDM CHMER CW32F. Besarnya waktu yang diperoleh digunakan untuk menghitung kecepatan pemotongan (Vc) à MRR

Pengambilan Data Kekasaran Permukaan

Pengambilan data kekasaran permukaan dilakukan sebanyak 2 kali dengan 3 macam arah yang berbeda seperti gambar dibawah. Panjang lintasan pengukuran 4 mm.

Metode Taguchi

Metode Taguchi

TINJAUAN

PUSTAKA

Wire Cuttingby

EDM

External Grindingby

EDM

Slicingby

EDM

Die Sinkingby

EDM

Drillingby

EDM

Internal Grindingby

EDM

Form Grindingby

EDM

Sinkingby

EDM

Grindingby

EDM

Cuttingby

EDMEDM

proses pengerjaan material pada Wire-EDM

variabel proses Wire-EDM • Open voltage (OV) à Open voltage adalah faktor yang mengatur perbedaan

tegangan antara benda kerja dan kawat elektroda selama proses pemesinan.

• Low power (LP)àLow power adalah faktor yang mengatur jenis sumber energi pemotongan (AC atau DC) dan besarnya energi tersebut.

• On time (ON) dan off time (OFF) à Loncatan bunga api listrik harus terjadi selama on time dan harus berhenti selama off time secara bergantian pada saat proses pemesinan Wire-EDM berlangsung. Pada saat on time, timbul tegangan listrik pada celah antara benda kerja dan kawat elektroda kemudian menghilang saat off time. Untuk mendapatkan waktu peloncatan bunga api yang lebih lama, dengan tujuan mempercepat material removal rate, dapat diperoleh dengan menetapkan waktu on time yang lebih besar. Tetapi dapat mengakibatkan hubungan arus pendek dan beresiko putusnya elektroda kawat.

ON OFF

Voltage

• Arc on time (AN) à Arc on time adalah faktor yang mengatur besarnya arus tambahan.

• Arc off time (AFF) à Arc off time adalah faktor yang mengatur frekuensi arus tambahan tersebut.

• Servo voltage (SV)àServo voltage adalah tengangan yang diberikan untuk menghindari hubungan singkat yang mungkin terjadi dengan mengatur jarak antara kawat elektroda dan benda kerja. Servo motor selalu berusaha menyesuaikan jarak antara katoda (benda kerja) dan anoda (elektroda kawat) sesuai besarnya tegangan referensi (servo reference voltage) yang telah ditentukan.

• Feedrate override (FR) à Feedrate override adalah faktor yang digunakan untuk menyesuaikan kecepatan pemakanan yang digunakan.

• Wire feed (WF) à Wire feed adalah faktor yang digunakan untuk mengatur kecepatan pemakanan kawat elektroda.

• Wire tension (WT) à Wire tension adalah faktor yang digunakan untuk mengatur ketegangan kawat elektroda.

• Water flow (WL) à Water flow adalah faktor yang digunakan untuk mengatur tekanan flushing dari upper dan lower nozzle.

• Feedrate mode (FM) dan feedrate (F) à Feedrate mode adalah faktor yang digunakan untuk memilih kecepatan pemakanan servo atau kecepatan pemakanan konstan sedangkan feedrate adalah faktor yang digunakan untuk menentukan kecepatan pemakanan yang konstan.

Work Piece Feed

Wire Diameter

Target Dimension Actual Cutting

Ideal Cutting Width

Actual Cutting Width

Offset Feed

X

Y

Inside radius

Dimana: Wg = spark gap (mm) d = diameter kawat (mm)

Dimana: Vc = kecepatan potong (mm/min) h = tinggi benda kerja (mm) b = lebar pemotongan (mm)

Wg

Terdapat empat metode flushing yang dikenal, yaitu: 1.Close contact machining 2. One side (upper) open clearance machining 3. One side (bottom) open clearance machining 4. Open contact machining

Metode flushing

Pemotongan material dilakukan sepanjang 10 mm dengan jarak antar pemotongan sebesar 5 mm. Setelah semua proses pemotongan selesai dilakukan dan lebar pemotongan untuk masing-masing eksperimen telah diukur, material dipotong dengan arah tegak lurus pemotongan awal pada jarak 5 mm dari ujung pemotongan awal

Faktor konstan

No Faktor konstan

Nilai

Kode Sebenarnya

1 Low power 10

2 Arc off time 13

3 Arc on time 4

4 Feedrate override 9

5 Wire tension 8

6 Feedrate mode 0

7 Feedrate 1

ON OFF

Voltage

ON OFF

Voltage

ON OFF

Voltage

ON OFF

Voltage

ò=l

ia dxhl

R0

1 ( )mm

• Kekasaran Rata-Rata Aritmatis (Ra) Merupakan harga rata-rata aritmatis dari nilai absolut jarak antara profil

terukur dengan profil tengah. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut:

…

Rasio S/N

• Rasio S/N digunakan untuk memilih faktor-faktor yang memiliki kontribusi pada pengurangan variasi suatu respon.

• Penggunaan rasio S/N untuk mengetahui level faktor mana yang berpengaruh pada hasil eksperimen.

Replikasi

• Menambah ketelitian data eksperimen. • Mengurangi tingkat kesalahan pada

eksperimen. • Memperoleh harga taksiran kesalahan

eksperimen sehingga memungkinkan diadakannya uji signifikan hasil eksperimen.

Randomisasi

• Meratakan pengaruh dari faktor-faktor yang tidak dapat dikendalikan pada semua unit eksperimen.

• Memberikan kesempatan yang sama pada semua unit eksperimen untuk menerima suatu perlakuan sehingga diharapkan ada kehomogenan pengaruh dari setiap perlakuan yang sama.

• Mendapatkan hasil pengamatan yang bebas satu sama lain.