PARAMETER PEMOTONGAN PEKERJAAN FRAIS

TUJUAN PEMBELAJARAN

BAHAN AJAR

A. JENIS-JENIS MESIN FRAIS DAN FUNGSINYA

Mesin frais (milling machine) adalah salah satu jenis mesin perkakas yang digunakan untuk proses penyayatan material dengan menggunakan alat potong berputar (disebut pisau frais). Fungsi utamanya adalah membuat permukaan rata, alur, roda gigi, dan berbagai bentuk kompleks lainnya pada benda kerja.

1. Berdasarkan Posisi Spindel

Secara umum, mesin frais diklasifikasikan berdasarkan orientasi atau posisi spindelnya. Spindel adalah komponen yang memegang dan memutar alat potong.

a. Mesin Frais Vertikal

Karakteristik: Memiliki spindel yang posisinya tegak lurus (vertikal) terhadap meja kerja.
Fungsi: Sangat efektif untuk berbagai macam pekerjaan, seperti membuat permukaan datar, alur, lubang, dan pengerjaan sudut. Tipe ini sering digunakan untuk pekerjaan yang membutuhkan presisi tinggi dan detail, terutama di bengkel kecil hingga menengah.

b. Mesin Frais Horizontal

Karakteristik: Memiliki spindel yang posisinya mendatar (horizontal), sejajar dengan meja kerja. Alat potong dipasang pada arbor yang dipasang di spindel.
Fungsi: Lebih cocok untuk pekerjaan berat, pemotongan alur memanjang, dan pembuatan permukaan datar yang luas. Mesin ini memiliki kekakuan yang lebih baik untuk pemotongan besar dan sering digunakan dalam produksi massal.

c. Mesin Frais Universal

Karakteristik: Merupakan gabungan dari mesin frais vertikal dan horizontal. Mesin ini dilengkapi dengan spindel yang dapat diatur baik dalam posisi vertikal maupun horizontal.
Fungsi: Mesin ini menawarkan fleksibilitas yang sangat tinggi, memungkinkan pengerjaan berbagai jenis bentuk dan permukaan tanpa perlu memindahkan benda kerja ke mesin lain. Sering dijuluki "Swiss Army Knife" di dunia permesinan karena kemampuannya yang serbaguna.

2. Berdasarkan Tingkat Otomatisasi

1. Mesin Frais Manual

Karakteristik: Pengoperasiannya sepenuhnya bergantung pada operator. Operator harus secara manual memutar roda tangan untuk menggerakkan meja kerja dan spindel.
Fungsi: Digunakan untuk pekerjaan yang tidak memerlukan produksi massal atau benda kerja yang sederhana. Biayanya lebih murah dan perawatannya lebih mudah.

2. Mesin Frais CNC (Computer Numerical Control)

Karakteristik: Mesin ini dikendalikan oleh komputer. Gerakan spindel dan meja kerja diatur melalui program kode (G-code) yang dimasukkan oleh operator.
Fungsi: Ideal untuk produksi massal, pembuatan benda kerja yang sangat kompleks, dan pekerjaan yang membutuhkan akurasi serta konsistensi tinggi. Mesin ini mengurangi kesalahan manusia dan meningkatkan efisiensi produksi.

B. JENIS-JENIS ALAT POTONG FRAIS

Jenis-jenis alat potong frais, juga dikenal sebagai pisau frais (milling cutters), sangat bervariasi tergantung pada fungsi, bentuk, dan materialnya. Berikut adalah beberapa jenis yang paling umum beserta fungsinya.

1. Jenis-jenis Alat Potong Frais

a. End Mill

Fungsi: Alat potong serbaguna yang paling sering digunakan untuk pengerjaan slotting (membuat alur), profiling (membentuk profil), dan contouring (membuat kontur). End mill dapat memotong baik secara aksial (ke bawah) maupun radial (ke samping).
Bentuk: Memiliki mata potong di bagian ujung dan sisi.
Variasi:

Square End Mill: Ujungnya datar, ideal untuk membuat slot dengan dasar rata.
Ball Nose End Mill: Ujungnya bulat seperti bola, digunakan untuk membuat permukaan 3D yang melengkung atau cetakan.
Bull Nose End Mill: Memiliki ujung dengan radius kecil, memberikan kekuatan lebih pada sudut tajam.

b. Face Mill

Fungsi: Digunakan khusus untuk meratakan dan menghaluskan permukaan lebar pada benda kerja. Pisau ini memotong dengan seluruh permukaannya, bukan hanya ujungnya.
Bentuk: Berdiameter besar dengan banyak mata potong (insert) yang dapat diganti. Biasanya dipasang pada spindel mesin frais vertikal.

c. Slot Drill

Fungsi: Dirancang khusus untuk membuat alur (slot) atau celah dengan lebar yang presisi. Slot drill biasanya memiliki dua atau tiga mata potong yang memanjang dari ujung ke sisi, memungkinkan pemotongan lurus ke dalam material.
Bentuk: Mirip dengan end mill, tetapi dirancang lebih kokoh untuk membuat alur yang dalam dan sempit.

2. Material Alat Potong Frais

Material yang digunakan untuk membuat alat potong sangat menentukan performa, ketahanan, dan jenis material benda kerja yang bisa dipotong.

a. HSS (High Speed Steel)

Karakteristik: Merupakan baja paduan tinggi dengan ketahanan panas yang baik.
Penggunaan: Umum digunakan untuk memotong material yang lebih lunak seperti baja karbon rendah, aluminium, dan plastik. HSS lebih murah dan lebih mudah diasah kembali, namun kurang tahan aus pada kecepatan potong tinggi.

b. Carbide (Tungsteng Carbide)

Karakteristik: Sangat keras, tahan aus, dan dapat beroperasi pada kecepatan potong yang jauh lebih tinggi daripada HSS.
Penggunaan: Ideal untuk memotong baja keras, baja tahan karat, dan material yang sulit dipotong lainnya. Alat potong karbida sering kali dilapisi (coated) untuk meningkatkan umur pakai dan mengurangi gesekan.

c. Keramik (Ceramics)

Karakteristik: Sangat tahan panas dan sangat keras.
Penggunaan: Digunakan untuk pengerjaan material super keras pada kecepatan sangat tinggi. Namun, material ini rapuh dan tidak cocok untuk pemotongan yang terinterupsi.

d. Diamond (Berlian)

Karakteristik: Material terkeras yang ada.
Penggunaan: Digunakan dalam bentuk PCD (Polycrystalline Diamond) untuk memotong material non-ferrous yang sangat abrasif seperti komposit, grafit, dan keramik.

C. PARAMETER PEMOTONGAN

Dalam dunia permesinan frais, ada empat parameter utama yang sangat penting untuk dipahami agar proses pemotongan berjalan efisien dan aman. Parameter-parameter ini memengaruhi kualitas permukaan, umur alat potong, dan produktivitas.

1. Kecepatan Potong (Vc)

Definisi: Kecepatan potong (Cutting Speed) adalah kecepatan linear dari mata potong yang menyentuh benda kerja. Parameter ini diukur dalam meter per menit (m/min).
Fungsi: Kecepatan potong adalah faktor utama yang menentukan umur alat potong. Kecepatan potong yang terlalu tinggi dapat menyebabkan mata potong cepat aus atau bahkan patah. Sebaliknya, kecepatan potong yang terlalu rendah dapat mengurangi efisiensi produksi.
Rumus : Vc = (π x d x n) / 1.000

di mana:

$V_{c}$ = Kecepatan potong (m/min)
$D$ = Diameter alat potong (mm)
$n$ = Putaran spindel (rpm)
$π$ = 3.14

2. Putaran Spindel (n)

Definisi: Putaran spindel (Spindle Speed) adalah kecepatan putar alat potong pada spindel mesin, diukur dalam putaran per menit (rpm).
Fungsi: Nilai n dihitung berdasarkan Vc dan diameter alat potong yang digunakan. Ini adalah parameter yang langsung diatur oleh operator pada mesin frais.
Rumus: n = (Vc x 1.000) / (π x d)

3. Gerak Makan (f)

Definisi: Gerak makan (Feed Rate) adalah kecepatan pergerakan alat potong relatif terhadap benda kerja, diukur dalam mm/menit.
Fungsi: Gerak makan memengaruhi kualitas permukaan akhir dan waktu pengerjaan. Gerak makan yang terlalu cepat dapat menghasilkan permukaan yang kasar dan beban yang berat pada alat potong. Sebaliknya, gerak makan yang terlalu lambat tidak efisien dan dapat menyebabkan getaran atau panas berlebih pada ujung mata potong.
Rumus: f=fz×z×n

di mana:

f = Gerak makan (mm/min) f_{z} = Gerak makan per mata potong (mm/tooth) z = Jumlah mata potong pada alat potong n = Putaran spindel (rpm)

4. Kedalaman Potong

Definisi: Kedalaman potong adalah ketebalan material yang disayat dalam satu kali pemotongan. Terdapat dua jenis:

Kedalaman Potong Aksial (ap): Kedalaman potong pada arah tegak lurus terhadap meja. Ini adalah seberapa dalam alat potong masuk ke dalam material.
Kedalaman Potong Radial (ae): Kedalaman potong pada arah sejajar dengan meja. Ini adalah lebar pemotongan.

Fungsi: Kedalaman potong memengaruhi beban pada alat potong dan waktu pengerjaan. Kedalaman potong yang terlalu besar dapat membebani mesin dan alat potong secara berlebihan. Penentuan kedalaman potong yang tepat sangat penting untuk menjaga keseimbangan antara produktivitas dan umur alat.

D. PENGARUH PARAMETER TERHADAP KUALITAS PERMUKAAN

Memilih parameter pemesinan yang tepat sangat krusial dalam proses frais karena secara langsung memengaruhi tiga aspek utama: kualitas permukaan, umur pahat, dan waktu pemesinan. Ketiga hal ini saling berkaitan dan sering kali menjadi kompromi yang harus dicapai oleh operator.

1. Kualitas Permukaan (Surface Finish)

Kualitas permukaan adalah tingkat kehalusan atau kekasaran permukaan benda kerja setelah dipotong.

Gerak Makan ( $f$ ): Ini adalah parameter yang paling signifikan dalam memengaruhi kualitas permukaan.

Gerak makan rendah menghasilkan permukaan yang lebih halus. Setiap mata potong menyayat material dalam jumlah yang kecil, sehingga jejak pemotongan menjadi sangat tipis dan rapat.
Gerak makan tinggi menghasilkan permukaan yang lebih kasar karena jejak dari setiap mata potong menjadi lebih dalam dan terlihat jelas.

Kecepatan Potong ( $V_{c}$ ):

Kecepatan potong tinggi cenderung menghasilkan permukaan yang lebih halus, terutama pada material yang lebih lunak, karena proses pemotongan lebih lancar. Namun, kecepatan yang terlalu tinggi bisa menyebabkan getaran.
Kecepatan potong rendah dapat menyebabkan "penumpukan" material di ujung mata potong (built-up edge), yang merusak permukaan akhir.

Kedalaman Potong ( $a_{p} / a_{e}$ ):

Untuk operasi finishing (penghalusan), kedalaman potong harus sangat kecil untuk meminimalkan beban pada pahat dan menghasilkan permukaan yang rata.
Untuk operasi roughing (penyayatan kasar), kedalaman potong yang besar tidak terlalu memengaruhi kualitas permukaan karena tujuan utamanya adalah membuang material sebanyak mungkin.

2. Umur Pahat (Tool Life)

Umur pahat adalah durasi waktu pemotongan efektif sebelum mata potong aus dan perlu diganti atau diasah ulang.

Kecepatan Potong ( $V_{c}$ ): Ini adalah faktor yang paling dominan dalam menentukan umur pahat.

Kecepatan potong tinggi secara eksponensial mengurangi umur pahat karena peningkatan gesekan dan suhu yang ekstrem. Panas yang tinggi dapat melunakkan mata potong, membuatnya cepat aus.
Kecepatan potong rendah memperpanjang umur pahat karena panas dan gesekan yang dihasilkan lebih sedikit.

Gerak Makan ( $f$ ):

Gerak makan tinggi meningkatkan beban mekanis pada mata potong, yang dapat menyebabkan keausan lebih cepat atau bahkan patah.
Gerak makan rendah mengurangi beban pada pahat, tetapi dapat menyebabkan getaran atau aus pada ujung mata potong karena gesekan yang berulang.

Kedalaman Potong ( $a_{p} / a_{e}$ ):

Kedalaman potong besar meningkatkan beban pemotongan, yang mempercepat keausan pahat. Oleh karena itu, roughing dengan kedalaman potong yang besar harus menggunakan parameter yang lebih konservatif untuk kecepatan potong dan gerak makan.
Kedalaman potong kecil mengurangi beban, sehingga ideal untuk finishing dan dapat menggunakan kecepatan potong yang lebih tinggi.

3. Waktu Pemesinan (Machining Time)

Waktu pemesinan adalah total waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proses pemotongan pada benda kerja.

Gerak Makan ( $f$ ): Parameter ini memiliki pengaruh langsung dan linier terhadap waktu pemesinan.

Gerak makan tinggi (dalam mm/menit) akan mengurangi waktu pemesinan secara signifikan. Semakin cepat pergerakan pahat, semakin cepat pekerjaan selesai.

Kecepatan Potong ( $V_{c}$ ) dan Putaran Spindel ( $n$ ):

Secara tidak langsung, kecepatan potong memengaruhi waktu pemesinan melalui putaran spindel ( $n$ ). Semakin tinggi $V_{c}$ , semakin tinggi pula $n$ , yang memungkinkan penggunaan gerak makan ( $f$ ) yang lebih tinggi untuk produktivitas.

Kedalaman Potong ( $a_{p} / a_{e}$ ):

Kedalaman potong yang besar memungkinkan material disayat dalam satu atau dua kali pemotongan, yang mengurangi jumlah lintasan yang diperlukan. Hal ini sangat penting untuk efisiensi pada operasi roughing di mana tujuannya adalah membuang material secepat mungkin.

Kesimpulan: Ada trade-off (pertukaran) yang harus diseimbangkan.

Untuk produktivitas tinggi, gunakan gerak makan dan kedalaman potong yang besar, tetapi harus mengorbankan kualitas permukaan dan umur pahat.
Untuk kualitas permukaan yang baik, gunakan gerak makan dan kedalaman potong yang kecil, tetapi waktu pemesinan akan lebih lama.
Operator atau teknisi harus memilih kombinasi parameter yang optimal berdasarkan material, alat potong, dan spesifikasi produk yang diinginkan.

E. TABEL PARAMETER PEMOTONGAN STANDAR

Tabel parameter pemotongan standar adalah pedoman penting dalam proses frais. Tabel ini memberikan nilai referensi untuk kecepatan potong ( $V_{c}$ ) dan gerak makan ( $f_{z}$ ) berdasarkan jenis material benda kerja dan alat potong. Menggunakan tabel ini membantu operator untuk menentukan parameter yang optimal guna mencapai keseimbangan antara produktivitas, kualitas permukaan, dan umur pahat.

Berikut adalah tabel parameter pemotongan standar sebagai panduan awal untuk beberapa material umum. Nilai-nilai ini bisa bervariasi tergantung pada kekakuan mesin, kondisi pendinginan, dan kekerasan material spesifik.

1. Penjelasan Tabel

Kecepatan Potong ( $V_{c}$ ):

Nilai ini adalah parameter dasar yang sangat penting. Perhatikan bahwa $V_{c}$ untuk alat potong Karbida jauh lebih tinggi daripada HSS. Ini karena Karbida memiliki kekerasan dan ketahanan panas yang superior, memungkinkannya memotong lebih cepat tanpa aus.
Nilai yang tertera adalah rentang. Pilih nilai yang lebih rendah untuk operasi penyayatan awal (roughing) dan nilai yang lebih tinggi untuk operasi penyelesaian (finishing) guna mendapatkan hasil permukaan yang lebih halus.

Gerak Makan per Gigi ( $f_{z}$ ):
- Nilai ini mengacu pada seberapa banyak material yang disayat oleh satu mata potong dalam satu putaran.

Putaran Spindel ( $n$ ):
- Putaran spindel tidak ada dalam tabel secara langsung. Anda harus menghitungnya menggunakan nilai $V_{c}$ dari tabel dan diameter pahat ( $D$ ) yang Anda gunakan.

Pilih nilai putaran spindel terdekat yang tersedia pada mesin Anda setelah melakukan perhitungan.

2. Contoh Kasus:

Anda ingin mengefrais permukaan baja karbon rendah dengan pisau frais karbida berdiameter 16 mm.

Ambil data dari tabel:

$V_{c}$ (Baja Karbon Rendah, Karbida) = 70 - 90 m/min. Pilih $V_{c} = 80$ m/min untuk pemotongan awal.

Hitung putaran spindel ( $n$ ):
- $n = \frac{80 \times 1000}{π \times 16} \approx 1591, 5$ rpm.

Atur parameter di mesin:

Anda akan mengatur putaran spindel ke nilai terdekat dari 1591 rpm, misalnya 1600 rpm.
Selanjutnya, Anda dapat menghitung gerak makan total ( $f$ ) jika Anda mengetahui jumlah mata potong ( $z$ ) pada pahat dan nilai $f_{z}$ yang diinginkan dari tabel.