Analisis Konsumsi Energi Listrik Universal Milling Machine Pada Berbagai Keadaan Operasi dan Parameter Pemesinan Dimas Rizky
Hermanto1,
Yanuar
Burhanuddin2,*,,
Suryadiwansa
Harun2,
Gusri Akhyar
Ibrahim2
1.
PT. Pembangkitan Jawa Bali (PJB) UP Muara Karang
2.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung Jln. Prof.
SumantriBrojonegoro
No. 1 Gedung H FT Lt. 2 Bandar Lampung
*Corresponding author: yanuarb64@gmail.com Abstrak
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan melihat pengaruh kondisi mesin dan variasi parameter pemesinan terhadap konsumsi daya listrik mesin frais universal Milko 12. Pengujian pemotongan dilakukan pada baja karbon SS400 dengan tiga kondisi operasi yaitu kondisi idle, kondisi meja bergerak dan kondisi melakukan pemotongan, dimana pada masing-masing kondisi tersebut dibagi lagi menjadi tiga variasi kecepatan spindel, laju pemakanan, dan kedalaman pemotongan. Penelitian dilakukan dengan menggunakan mesin frais konvensional Universal Milko-12.Hasil penelitian menunjukan bahwa konsumsi daya dan temperatur mesin meningkat seiring waktu proses dan peningkatan kecepatan spindel. Pada kondisi pemotongan, selain peningkatan kecepatan spindel peningkatkan kecepatan gerak meja dan kedalaman potong menyebabkan peningkatan temperatur dan konsumsi daya pemotongan.
Kata kunci:
Paremeter pemesinan, termografi, konsumsi energi
PENDAHULUAN
Sektor industri hingga saat ini merupakan sektor yang mendominasi konsumsi energi di Indonesia, di mana porsinya mencapai 49,4 persen dari total konsumsi Energi Nasional.
Industri di Indonesia yangmenggunakan energi sebagian besarnya merupakan industri yang berbasis manufaktur[1]. Besarnya nilai konsumsi energi dalam industri manufaktur dikarenakan proses pembuatan produk manufaktur untuk dapat beroperasi dilakukan dengan bantuan peralatan dan mesin yang memerlukan energi. Sedangkanhampir seluruh proses produksi pembuatan produk manufaktur melakukan proses pemesinan [2]. Secara garis besar energi input dalam suatu proses pemesinan (energi listrik) ditransformasikan menjadi kerja berguna, dalam perwujudan bentuk komposisi produk, limbah serta panas buang [3]. Salah satu cara umum dalam penelitian untuk mengidentifikasi konsumsi energi input tersebut serta memperoleh pengukuran yang optimal yaitu dengan menganalisa profil energi mesin mesin perkakas [4]. Energi listrik dalam proses pemesinan dihitung berdasarkan seberapa besar konsumsi daya yang digunakan dalam peride waktu proses.Dalam prosesnya, nilai daya listrik tidak 100% ditransformasi menjadi daya mekanik berguna untuk proses pemotongan material, dimana selama proses juga terdapat kehilangan energi akibat gesekan yang terjadi pada elemen mesin yang berputar yang bertransformasi menjadi panas. Kemudian daya berguna tersebut digunakan kembali sebagai bentuk energi pemotongan spesifik yang besarnya hanya 10% - 15% [5]. dimana sisanya bertransformasi menjadi panas yang terdistribusi pada pahat, benda kerja, dan geram. Berdasarkan hal tersebut dapat dikatakan bahwa perilaku termal (thermal behaviour) mesin perkakas dapat menjadi gambaran besarnya konsumsi energi selama proses pemesinan berlangsung seperti yang telah diungkapkan oleh [6]. Melihat hubungan tersebut, maka penulis tertarik untuk melihat pengaruh konsumsi energi terhadap temperatur mesin dan proses pemotongan. Untuk dapat mengetahui hubungan profil transformasi energi tersebut dalam penelitian ini dilakukandua metode pemantauan yaitu konsumsi daya dan termografi. Dengan kedua metode pemantauan tersebut maka akan terlihat hubungan transformasi energi input berupa daya listrik menjadi panas pada struktur mesin perkakas dan proses pemotongan dengan variasi parameter pemesinan yang telah ditentukan dimana sesuai dengan tujuan dari
penelitian. METODE PENELITIAN
Mesin
yang digunakan
dalam
penelitian ini yaitu
mesin frais konvensional universal dengan tipe MILKO 12. Material
yang digunakan dalam penelitian ini
yaitu
baja karbon rendah
SS400
dengan nilai kekerasan
160 HB. Pahat yang digunakan merupakan jenis HSS 4 bilah (flutes) dengan diameter 16 mm. Pengukuran temperatur menggunakan kamera termografi Cheap-Thermocam 28 V4. Pengukuran arus dilakukan pada kabel input dan kabel suplai motor listrik mesin, sedangkan untuk pemantauan termografi, kamera diletakan didepan mesin tepat berhadapan dengan proses pemotongan material seperti ditunjukan
pada gambar 1. Gambar 1. Set-up Eksperimen
Pengukuran arus dan tegangan menggunakan clamp-on multimeter Mastech MS2115B dan alat pemantau arus yang dibuat dengan menggunakan mikrokontroller arduino dan sensor SCT-013-030 [7] dimana error pengukuran dari pengujian menunjukan nilai dibawah 1%. Data nilai arus terekam secara real-time dengan menggunakan software PLX-DAQ dan PC-Link Mastech MS2115B. Pemantauan dibagi menjadi tiga kondisi mesin yaitu idle spindel, idle spndle dengan meja bergerak, dan kondisi pemotongan. Dari tiap-tiap kondisi mesin tersebut, kecepatan spindel dan kecepatan gerak meja akan divariasikan. Untuk kondisi pemotongan akan ditambah dengan variasi kedalaman pemotongan pada . Tabel 1 meunjukan variasi parameter pemesinan yang digunakan dalam penelitian. Metode analisa data hasil pemantauan daya rata-rata dan pemantauan termografi dilakukan secara kualitatif. Tabel 1. Parameter proses pemesinan Vf 128 rpm 910 rpm 1700 rpm
(mm/min)
ap
(mm) ap (mm) ap (mm)
20 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 145 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 365 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 0,5 1 1,5 HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Idle. Grafik daya rata-rata untuk variasi kecepatan spindel 1700 rpm selama 30 menit yang ditunjukan pada gambar 2 menunjukan nilai yang konstan hingga akhir proses sebesar 1,93. Pada awal dihidupkannya mesin terlihat bahwa terjadi kenaikan daya hingga 10,4 kW hal ini terjadi akibat arus inrush. 10000 8000 Daya (w) 6000 4000 2000 0 0 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 1260 1380 1500 1620 1740 1801 1803 Waktu (s) Daya Motor Spindle Daya Input Gambar 2. Daya rata-rata Kondisi Idle n = 1700 rpm Secara keseluruhan, grafik menunjukan bahwa semakin tinggi putaran spindel, nilai arus dan daya juga meningkat, dimana pada kecepatan 128 rpm - 1700 rpm masing masing memiliki rentang nilai peningkatan daya rata rata sebesar 1,8 kW – 2,0 kW. Semakin lama waktu proses, konsumsi daya akan semakin besar. Hasil pemantauan termografi ditunjukan pada gambar 3 berupa gambar termal yang menunjukan bahwa temperatur tertinggi terjadi pada gearbox spindel arbor. Semakin tinggi putaran spindel maka temperatur meningkat secara signifikan dalam waktu yang lebih singkat. Hal tesebut dapat terjadi karena gesekan akan lebih besar terjadi pada putaran spindel yang tinggi, sehingga panas pada elemen mesin yang berotasi (bearing, gear, dll) terjadi lebih cepat. Grafik temperatur masing masing variasi kecepatan spindel ditunjukan pada gambar 4 untuk waktu idle 30 menit dimana masing masing kecepatan spindel 128 rpm, 910 rpm, dan 1700 rpm menunjukan nilai 33oC , 47 oC dan 49 oC. (a) (b) Gambar 3. Gambar termal Kondisi Idle Spindel 30 menit n = 1700 rpm ; (a) awal, (b) akhir 29 55 50 Temperatur (•C) 45 40 35 30 25 0 15 30 Waktu (menit) 128 rpm 910 rpm 1700 rpm Gambar 4. Grafik Temperatur Spindel Arbor 30 Menit kondisi idle Dari grafik pada gambar 4 menunjukan bahwa tempertur meningkat seiring waktu proses. Peningkatan temperatur tersebut dapat menyebabkan pengurangan viskositas pelumasan sehingga apabila gesekan terjadi terus menerus maka motor spindel akan mengkonsumsi daya yang lebih besar akibat beban mekanik akibat gesekan. Kondisi Idle Meja Bergerak Grafik daya rata-rata untuk variasi kecepatan spindel 1700 rpm dengan kecepatan gerak meja 20 mm/menit ditunjukan pada gambar 5. Terlihat bahwa daya pada awal proses meningkat hingga 11,9 kW. Grafik menunjukan tiga variasi gerakan meja. Kenaikan dan penurunan daya rata rata terjadi hingga akhir proses. Hal ini dapat terjadi karena stabilitas suplai daya input dapat sewaktu waktu naik dan turun mengikuti kualitas suplai listrik dari pembangkit. Hasil pemantauan termografi kondisi idle meja bergerak pada gambar 6 menunjukan bahwa temperatur mengalami peningkatan hingga 51℃ dibandingkan pada kondisi idle spindel yang diwakili warna putih kemerahan pada gearbox spindel arbor. Peningkatan tersebut terjadi akibat waktu proses pemesinan yang lebih lama dari waktu teoritis proses. (a) (b) Gambar 6. Gambar termal Kondisi Idle Meja Bergerak n = 1700 rpm , Vf = 20 mm/menit; (a). Awal, (b) akhir Total waktu untuk gerak meja 20 mm/menit , 145 mm/menit dan 365 mm/menit menjadi 34 menit, 5,95 menit dan 3 menit. Temperatur pada 34 menit untuk masing masing kecepatan spindel 128 rpm, 910 rpm, dan 1700 rpm sebesar 31 ℃ , 46 ℃ dan 51℃. 55 50 Temperatur (•C) 45 40 35 30 25 0 12000 10000 8000 Daya (w) 6000 4000 2000 0 0 20 120 240 360 480 600 675 775 895 1015 1135 1255 1346 1426 1546 1666 1786 1906 2026 2049 Waktu (s) Daya Motor Total Daya Input Gambar 5. Daya rata-rata Kondisi Idle Meja Bergerak n = 1700 rpm , Vf = 20 mm/menit Secara keseluruhan, daya rata-rata kondisi idle meja bergerak menunjukan peningkatan seiring meningkatnya putaran spindel dengan rentang nilai minimum 2,5 kW hingga 2,8 kW. Konsumsi daya lebih besar karena motor penggerak meja dihidupkan, selain itu waktu pengujian yang lebih lama dari waktu teoritis menyebabkan konsumsi daya juga semakin besar. 17 34 Waktu (menit) 128 rpm 910 rpm 1700 rpm Gambar 7. Grafik Temperatur Spindel Arbor 30 Menit kondisi idle meja bergerak Vf = 20 mm/menit Dari gambar 7 diatas, terlihat kembali bahwa meningkatnya kecepatan spindel ditambah dengan waktu proses yang lebih lama akan berdampak terhadap peningkatan temperatur dari mesin. Kondisi Melakukan Pemotongan Pada kondisi pemesinan grafik nilai daya rata- rata menunjukan trend yang peningkatan dan penurunan yang dipengaruhi oleh variasi kedalaman pemotongan. Nilai daya awal menunjukan sebesar 12 kW. Dari grafik yang ditunjukan pada gambar 8 terlihat bahwa terdapat tiga variasi kedalaman pemotongan
yaitu 0,5 mm, 1 mm, dan 1,5 mm.
Nilai daya rata-rata mengalami peningkatan seiring meningkatnya kedalaman pemotongan. Nilai daya yang cenderung tinggi pada awal pemotongan merupakan kondisi dimana pahat menerima beban pemotongan material, kemudian nilai daya justru cenderung turun pada trend selanjutnya. 30 Nilai penurunan daya tersebut disebabkan Grafik temperatur pemotongan pada gambar oleh umur pahat yang berkurang, sehingga pada 10 menunjukan trend kenaikan temperatur pada awal grafik tersebut menunjukan bahwa pahat sudah tidak pemotongan dari tiap masing-masing kedalaman lagi melakukan pemotongan akibat mata potong yang potong. Hal ini berbanding lurus dengan trend grafik sudah habis, sehingga kedalaman pemotongan juga daya rata-rata proses pemotongan yang ditampilkan berkurang. Nilai daya 3,1 kW tersebut merupakan pada gambar 8, dimana pada waktu yang sama daya tertinggi yang terjadi pada variasi kecepatan peningkatan daya rata-rata terjadi bersamaan saat spindel 1700 rpm dengan kecepatan gerak meja 20 temperatur pemotongan juga meningkat. Ini mm/menit, dan kedalaman potong 1,5 mm. Dari membuktikan bahwa temperatur pemotongan yang trend grafik tersebut dapat diambil sebuah analisa tinggi menjadi indikasi peningkatan daya bahwa keausan pahat memang dapat meningkatkan pemotongan yang juga tinggi. konsumsi daya pemotongan, namun apabila umur Dari keseluruhan data yang didapat selama pahat sudah berkurang maka daya akan cenderung proses pemotongan material, kecepatan gerak meja menurun kembali. memiliki pengaruh yang besar terhadap daya pemotongan dan temperatur pemotongan. 14000 Temperatur pemotongan yang tinggi dapat 12000 menandakan bahwa daya pemotongan juga besar. 10000 Pada data untuk variasi kecepatan spindel 128 rpm dan 910 rpm temperatur pemotongan menunjukan 8000 Daya (w) peningkatan meningkatnya kecepatan gerak meja, 6000 sedangkan pada kecepatan spindel 1700 rpm 4000 ap = 0,5
m m
ap =
1 m m
ap =
1,
5
m m
temperatur pemotongan menurun seiring 2000 meningkatnya kecepatan gerak meja. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Badrinathan, 0 (2014) Hal tersebut terjadi karena putaran spindel 0 20 120 240 360 480 600 675 775 895 1015 1135 1255 1346 1426 1546 1666 1786 1906 2026 2048 yang tinggi pada gerak meja yang cepat Waktu (s) menyebabkan penurunan gaya pemotongan, sehingga Daya Motor Total Daya Input daya pemotongan rendah dan temperatur juga lebih rendah. Gambar 8. Daya rata-rata Kondisi Pemesinan Meskipun terlihat bahwa pengaruh variasi n = 1700 rpm , Vf = 20 mm/menit parameter pemesinan memiliki dampak terhadap daya pemotongan dan juga temperatur pemotongan, Dari keseluruhan variasi parameter namun terdapat faktor lain yang dapat mempengaruhi pemesinan, hasil pemantauan daya rata-rata kondisi konsumsi daya selama proses, diantaranya yaitu pemesinan menunjukan peningkatan nilai daya rata- faktor efisiensi mesin perkakas sendiri serta stabilitas rata dengan rentang nilai minimum 2,6 kW hingga suplai energi listrik pembangkit. Dimana tidak maksimum 3,1 kW. menutup kemungkinan data kondisi idle dapat lebih Jika pada kondisi idle dan idle meja bergerak tinggi dari data dari proses pemotongan material, pemantauan difokuskan pada distribusi kenaikan meskipun seharusnya pada saat pemotongan material temperatur mesin, Pada kondisi pemesinan motor spindel menerima beban yang lebih pemantauan difokuskan pada proses pemotongan. dibandingkan saat idle. Diluar kedua faktor tersebut, Temperatur pemotongan yang tinggi menjadi indikasi sebagai langkah untuk meminimalisir konsumsi besarnya daya pemotongan dan menjadi penyebab energi dan biaya dalam proses pemesinan, perlu keausan pahat. Temperatur pemotongan tertinggi dilakukan pemilihan parameter pemotongan yang terjadi pada awal proses dengan kedalaman potong tepat dan terbaik. maksimum 1,5 mm sebesar 300℃. (a) (b) Gambar 10. Grafik Temperatur Pemotongan Gambar 9. Gambar termal Kondisi Pemesinan n = 1700 rpm, Vf = 20 mm/menit n = 1700 rpm , Vf = 20 mm/menit, ap = 1,5 mm (a). Awal , (b) Akhir 31
KESIMPULAN Dari penelitian yang
telah
dilakukan didapat beberapa kesimpulan antara lain : 1.
Peningkatan kecepatan spindel dan lama waktu proses berpengaruh terhadap peningkatan nilai daya. Hal ini juga sebanding dengan kenaikan temperatur mesin. 2. Pada kondisi pemesinan, peningkatan nilai daya tinggi. Begitu juga sebaliknya nilai daya mengalami penurunan seiring turunnya temperatur pemotogan sebagai akibat dari berkuraungnya umur pahat. Sehingga indikasi peningkatan nilai daya dan temperatur dapat digunakan sebagai pemantauan prediksi untuk tingkat keausan dan umur pahat pada temperatur dan daya tertinggi saat proses pemotongan. 3. Pengaruh kenaikan temperatur dari masing masing kecepatan spinde dan waktu proses tidak selamanya menjadi indikasi kenaikan nilai konsumsi daya. Nilai daya bisa naik dan turun pada waktu proses, meskipun sebenarnya nilai nya seharusnya menunjukan peningkatan akibat beban, namun akibat ketidakstabilan suplai tenaga listrik pengaruh tersebut menjadi tidak terlihat. Daftar Pustaka [1] Kementerian ESDM. 2012. Buku
perencanaan kebutuhan energi
sector
industri dalam rangka akselerasi industrialisasi. Biro Perencanaan Kementrian Perindustrian Republik Indonesia.
[2]
Zulhendri , Kiswanto,G.,
Yazamendra,
R. 2007. Pengaruh Tipe Pahat dan Arah Pemakanan Berkontur pada Pemesinan Milling Awal dan Akhir Terhadap Kekasaran Permukaan . Jurnal Teknik Mesin. 4(1):15-22.
[3]
Gutowski, T. G., Dahmus, J. B., Thiriez, A. 2006. Electrical Energy Requirements for Manufacturing Processes.
Leuven, Belgium, pp. 623-627.
Proceedings of the
13th
CIRP Conference on Life Cycle Engineering,
ed. By Duflou,
J.
et al. [4]
Herrmann, C; Thiede, S., Zein, A, Ihlenfeldt, S., Blau, P., 2009. Energy Efficiency of Machine Tools: Extending the Perspective.
Grenoble, France. Publiziert
in
/ published in: Tagungsbericht:
Proceedings of the 42nd CIRP International Conference on Manufacturing Systems, June 3 – 5
[5]
Gutowski, T. G., Dahmus, J. B., Thiriez, A.
2004. AN ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF MACHINING. ASME International Mechanical Engineering Congress and RD&D Expo November Anaheim, California USA
[6]
M. Ess , J. Mayr, S. Weikert, K. Wegener.
2012.
An Energy Model for the Calculation of Losses and their Effects on Machining Accuracy.
Proceedings of the 12th euspen International Conference – Stockholm
[7] Open Energy Monitor. Resources- Electricity Monitoring.
https://openenergymonitor .org/ emon/buildingblocks/ct-and-ac-power-adaptor- installation-and-calibration-theory
[8] K.S. Badrinathan et al
.2014. Study of The Effect of Progressive Feed Rate on The Cutting Force in CNC End Milling of AISI 1045 Steel.
32
Jurnal Mechanical, Volume 9,
Nomor1
Maret 2018
Jurnal Mechanical, Volume 9,
Nomor1
Maret 2018
Jurnal Mechanical, Volume 9,
Nomor1
Maret 2018
Jurnal Mechanical, Volume 9,
Nomor1
Maret 2018
Jurnal Mechanical, Volume 9,
Nomor1
Maret 2018
