Hardmetal Cutting Tools

Print
Category: Mesin & CNC
Last Updated on Wednesday, 23 September 2015 Published Date Written by Sugiyarto-1

Hardmetal Cutting  Tools

Sugiyarto Triwibowo - Widyaiswara Madya, PPPPTK BOE Malang

 

Abstraksi

Teknologi pemesinan saat ini didominasi oleh mesin-mesin dengan pengendali CNC yang memiliki kemampuan yang semakin canggih.Untuk lebih memaksimalkan kemampuan mesin CNC diperlukan alat potong yang tepat, sehingga adanya indexable tools system tidak bisa ditawar lagi. Hardmetal cutting tools adalah suatu alat potong yang memiliki kemampuan untuk diganti dengan cepat sehingga dapat meminimalkan break down time saat penggantian tool.Insert umumnya dibuat dari bahan hard metal, sering juga disebut cemented carbide atau tungsten carbide. Untuk lebih meningkatkan kemampuan insert dari hard metal, maka insert dilapisi dengan beberapa material berikut Titan nitride (TiN),Titan carbon nitride (TiCN) dan Aluminium Oxide/ Alumina (Al2O3). Prinsip proses pelapisan yang digunakan pada Hardmetal Cutting Tools untuk mendapatkan sudut potong dengan perbedaan penggunaan yang fundamental:Chemical Vapor Deposition (CVD), dan Physical Vapor Deposition (PVD).

 

Kata kunci : CNC, hardmetal cutting tool 

 

Perkembangan teknologi menjangkau semua bidang, tak terkecuali di bidang pemesinan. Konsumen dan perdagangan bebas menuntut agar produk semakin menarik, handal, waktu produksi semakin cepat, presisi namun harga tetap terjangkau. Hal ini akan sangat sulit dicapai apabila kita masih menggunakan alat potong (tools) yang konvensional yaitu High Speed Steel (HSS). Dengan alat potong HSS kita dihadapkan pada tingginya break down time karena seringnya menganti dan mengasah alat potong. Hal ini tentu saja akan berdampak pada lamanya waktu pengerjaan, unreliability, kepresisian rendah, harga jual produk tinggi dan akhirnya akan sulit berkompetisi dengan pesaing.


Teknologi pemesinan saat ini didominasi oleh mesin-mesin dengan pengendali CNC yang memiliki kemampuan yang semakin canggih. Di era persaingan bebas seperti sekarang ini kehadiran mesin-mesin CNC sudah tidak dapat ditunda lagi. Mesin CNC saat ini memiliki kemampuan untuk melakukan high speed machining  (high spindle speed, high feeding dan high rapid traverse rate) tanpa mengurangi tingkat kepresisian yang dicapai. Mesin CNC juga mempunyai kelebihan lain, yaitu fleksibilitas mengerjakan pekerjaan yang rumit, variatif dan mampu mengerjakan pekerjaan yang sulit atau bahkan tidak mungkin dikerjakan dengan mesin konvensional. Untuk lebih memaksimalkan kemampuan mesin CNC diperlukan alat potong yang tepat, sehingga adanya indexable tools system tidak bisa ditawar lagi.

 Gambar 1.  Proses pembubutan dengan Hardmetal Cutting Tools
(Photo courtesy of www.mmsonline.com)

 


 Gambar 2.  Proses pengefraisan dengan Hardmetal Cutting Tools
(Photo courtesy of Iscar Tools)

Hardmetal cutting tools adalah suatu alat potong yang memiliki kemampuan untuk diganti dengan cepat sehingga dapat meminimalkan break down time saat penggantian tool. Dengan sistem ini maka produktifitas dapat dimaksimalkan sehingga akan meningkatkan reliabilitas dan kepresisian produk, menekan waktu produksi serta biaya produksi sehingga harga jual produk terjangkau yang pada akhirnya akan memperkuat kemampuan perusahaan untuk berkompetisi dengan kompetitornya.


Hardmetal Cutting Tools terdiri dua bagian utama, yaitu holder atau pemegang dan insert atau alat potong. Holder adalah suatu batang berbentuk segi empat atau silindris dimana salah satu ujungnya dijepit pada mesin perkakas (bubut atau frais) sedangkan ujung satunya digunakan untuk menjepit mata potong (insert) yang dapat diganti-ganti.

 

Holder
Holder dibuat dari bahan baja paduan seperti baja 4140 (standar AISI) atau sering juga disebut Chromium-molybdenum steel. Baja jenis ini digunakan untuk membuat holder karena memiliki modulus elastisitas tinggi (high Modulus of Elasticity). Selain dibuat dari baja beberapa holder dibuat dari bahan solid carbide karena seperti kita ketahui bahwa material ini memiliki modulus elastisitas tertinggi (highest Modulus of Elasticity).


Gambar 3. Contoh holder dan insertuntuk mesin bubut
(Photo courtesy of www.aydosa.com)

 


Gambar 4. Contoh holder dan insert untuk mesin bubut
(Photo courtesy of www.glacern.com)

 

Insert
Insert umumnya dibuat dari bahan hard metal, sering juga disebut cemented carbide atau tungsten carbide. Insert hard metal sering juga disebut pahat widia (wie Diamant (Bahasa Jerman) = memiliki kekerasan menyerupai intan).  Alat potong (insert) harus memiliki tiga karakteristik berikut ini :
· Hardness, yaitu memiliki kekerasan dan kekuatan  pada temperatur tinggi.
· Toughness, atau keuletan yaitu kemampuan bahan untuk tidak mengalami kerusakan secara    
   tiba-tiba (brittleness).
· Wear resistance, kemampuan bahan untuk tahan terhadap keausan yang disebabkan oleh
   proses abrasi atau gesekan.

   Grafik 1. Kekerasan dan keuletan hard metal dibandingkan dengan diamond dan HSS

 

 

 

Hard metal memiliki  kekerasan dan keuletan diantara intan (diamond) dan High Speed Steel (HSS), seperti pada grafik 1. Intan adalah material paling keras namun memiliki kelemahan, yaitu rapuh atau dengan kata lain keuletannya rendah. Sebaliknya HSS memiliki keuletan yang paling tinggi dari ketiga material diatas, namun kelemahannya adalah rendahnya tingkat kekerasan dibandingkan hard metal maupun diamond. Dari grafik diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa hard metal  memiliki sifat yang paling baik karena memiliki kekerasan dan keuletan yang paling ideal dari ketiga material diatas.


Insert digunakan sebagai alat potong pada proses penyayatan logam seperti baja, baja tahan karat, besi tuang, aluminium atau material lainnya dengan mesin perkakas seperti mesin bubut atau frais. Untuk mendapatkan hasil yang maksimal, maka pemilihan jenis insert haruslah tepat sesuai dengan material yang akan dikerjakan. Bahan utama untuk pembuatan hard metal adalah wolfram carbide (WC) dan cobalt (Co). Cobalt berfungsi sebagai regulator atau pengatur kualitas dari hard metal. Semakin sedikit cobalt maka semakin baik ketahanannya terhadap aus, sedangkan lebih  banyak cobalt maka akan meningkatkan keuletannya.

                                         Tabel 1. Tingkatan dan komposisi  hard metal menurut standar ISO

                                        Sumber: Brookes 1998.
                                                     aISO codes = Insert grades menurut standar ISO. P = untuk pengerjaan baja (steel);
                                        M = untuk pengerjaan stainless steel; K = untuk pengerjaan besi tuang (cast iron)
                                                     bHV = Kekerasan diukur dengan metode Vickers
                                        WC = Wolfram Carbide
                                        TiC = Titanium Carbide
                                        Ta(Nb)C = Tantalum Niobium Carbide
                                        Co = Cobalt

 

Pada tabel 1 diperlihatkan insert grades menurut standar ISO. Dalam tabel yang sama dapat kita lihat komposisi dari masing-masing elemen untuk setiap grade. Semakin tinggi  grade dari insert maka semakin tinggi kadar Co-nya, hal ini berarti sifatnya semakin ulet. Peningkatan keuletan hart metal akan berpengaruh pada ketahanan terhadap aus (wear resistance) yang semakin rendah, sebaliknya jika semakin tahan aus hard metal maka keuletannya semakin rendah (grafik 2.)

 Grafik 2. Perbandingan ketahanan aus dan keuletan

 

Setiap insert umumnya memiliki beberapa mata sayat (2 - 8 buah), ketika suatu mata sayat tumpul maka insert dilepas kemudian diputar/ digunakan mata potong lainnya. Insert tidak didesain untuk diasah kembali, sehingga setelah keseluruhan mata potong tumpul maka insert diganti dengan yang baru.

 

Bahan Lapisan (coating material)
Untuk lebih meningkatkan kemampuan dari hard metal, maka insert dilapisi dengan beberapa material berikut ini :
·   Titan nitride (TiN),  digunakan untuk memberikan warna keemasan sehingga memudahkan    
   untuk mendeteksi adanya keausan.
·    Titan carbon nitride (TiCN),  memiliki ketahanan terhadap aus yang baik.
·   Aluminium Oxide/ Alumina (Al2O3), memberikan perlindungan termal dan kimia yang sangat
   baik.

 

Proses Pelapisan

Ada dua prinsip proses pelapisan yang digunakan pada Hardmetal Cutting Tools untuk mendapatkan sudut potong dengan perbedaan penggunaan yang fundamental:

  • Chemical Vapor Deposition (CVD), prosesnya menggunakan temperatur yang lebih tinggi dan menghasilkan lapisan lebih tebal.Proses pelapisan CVD banyak digunakan pada Hardmetal Cutting Toolsuntuk mendapatkan ketahanan yang lebih baik terhadap panas yang tinggi, abrasif dan pengaruh kimia. Pengembangan baru untuk menghilangkan tegangan (relieving stress pada lapisan dapat meningkatkan performa. Disamping itu pengembangan bahan baku insert menghasilkan bahan yang lebih keras namun memiliki keuletan yang baik. Pada gambar 5 diperlihatkan lapisan tebal alumina diatas lapisan titanium carbo-nitride. 

 

Gambar 5. Penampang lapisan dengan prinsip CVD
(Photo courtesy of www.americanmachinist.com)

 

  • Physical Vapor Deposition (PVD), prosesnya menggunakan temperatur lebih rendah dan menghasilkan lapisan yang lebih tipis.Gambar 6 menunjukkan pelapisan dengan PVD yang menghasilkan lapisan lebih tipis yang sangat cocok untuk alat potong positif dan tajam. Insert dengan pelapisan ini cocok untuk mesin perkakas lebih kecil dengan penggunaan daya kecil, instability, pemotongan intermittent serta pemotongan dengan masuk dan keluar yang kurang baik. Gambar 6 menunjukkan lapisan tipis PVD pada indexable insert positif suatu endmill. 

Gambar 6. Penampang lapisan dengan prinsip PVD
(Photo courtesy of www.americanmachinist.com)


Penggunaan lebih dari satu lapisan dengan berbagai material pelapis memungkinkan untuk mengkombinasikan kelebihan dari setiap material pelapis. Beberapa insert memiliki tiga lapisan untuk mendapatkan insert dengan kualitas lebih  baik dan menambah kekuatan insert.


Lapisan dalam dari TiCN digunakan untuk meningkatkan ketahanan aus terhadap abrasi, dan lapisan luar dari Al2O3 digunakan untuk menambah kekuatan terhadap panas yang tinggi. Ketebalan material lapisan bervariasi tergantung pada spesifikasi penggunaannya. Untuk mendapatkan ketahanan terhadap panas diperlukan lapisan alumina yang lebih tebal.


Jika material yang dikerjakan memiliki karakter lebih abrasif seperti baja paduan tinggi, maka lapisan TiCN sebaiknya lebih tebal untuk menaikkan ketahanan terhadap aus.


Material lapisan bersifat keras karena mereka tergolong bahan keramik, dan lebih bersifat getas/ rapuh (brittle). Dengan demikian ketebalan lapisan insert sangat berpengaruh pada karakteristik insert sehingga penggunaannya harus disesuaikan dengan karakteristik material yang dipotong.


Penggunaan insert harus sesuai dengan grade yang telah direkomendasikan oleh pabrik pembuat insert. Sebagai contoh insert dengan lapisan tebal kemungkinan tidak sesuai untuk pengerjaan penghalusan karena lebih memerlukan sudut potong yang dibulatkan, akan tetapi kemungkinan lebih sesuai untuk pengerjaan pengasaran pada material besi tuang. Sedangkan insert dengan lapisan tipis lebih sesuai untuk pengerjaan stainless steel.

Gambar 7. Penyayatan terputus (interrupt cutting)
(Photo courtesy of cutting tools engineering plus) 

 

Untuk mendapatkan hasil pemotongan yang efektif dan efisien maka pemilihan insert grade harus memperhatikan jenis material yang dikerjakan (steel, stainless steel, cast iron atau aluminium) , kondisi pengerjaan (continuous/ interrupt cutting seperti gambar 7), jenis pengerjaan (roughing, medium roughing atau finishing). Selain itu pemilihan kedalaman pemakanan (depth of cut), kecepatan potong (cutting speed), dan kecepatan pemotongan (feeding speed) perlu diperhatikan. Untuk itu sebagai panduan yang dapat kita gunakan adalah tabel yang biasanya disertakan pada katalog dari pabrik pembuat insert, dimana di dalamnya terdapat petunjuk penggunaan yang direkomendasikan.

 

 

DAFTAR PUSTAKA

AB Sandvik Coromant, (2005). Switch to hard-part turning. High-productivity, high-quality finish turning of case-hardened steel surfaces. Diunduh 21 Desember 2011, dari http://www2.coromant.sandvik.com/coromant/pdf/Hard_part_turning/C-1040-069.pdf

Lunn, Ruth. (2009),  Cobalt–Tungsten Carbide: Powders and Hard Metals. U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, National Toxicology Program

Groover, Mikell P, (2010). Fundamentals of Modern Manufacturing:Materials, Processes, and Systems. 4th. Edition. New York: John Wiley and Sons.

Paulsson, Mia & Richt, Christer, (2007). The Development Of Coated Grades Of Carbide Tools. Sandvik Coromant.  Diunduh 12 Desember 2011, dari http://www.americanmachinist .com/304/Issue/Article/False/77306/Issue

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG