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
Keterangan: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Gambar 5 komponen mesin
Meja EDM Benda kerja Cairan dielectric Elektroda Kepala EDM Rangkaian kapasitor 7. Generator arus pulsa 8. Voltmeter 9. ampermeter
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
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 nontradisional 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)
8
3. Grinding procces : 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
9
dielektrik pada lokasi tersebut merupakan penghantar untuk pelepasan muatan. Pada 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) = Keterangan: d0 = diameter luar dari pahat (elektroda)
( ) α=
=
α = arctan Dimana:
14
d1 = diameter minimum dari tapering yang terjadi 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.
15
c. Mereproduksi sudut tajam pada benda kerja sulit karena memakai elektroda. d. Konsumsi daya spesifik sangat tinggi. 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 0,55,0 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
