bab iv- 18 pemesinan elektrokimia

1818.1 Pendahuluan

PEMESINAN ELEKTROKIMIA

Pemesinan Elektrokimia (electrochemical machining ECM) adalah suatu proses pemesinan non kovensional termasuk dalam katagori elekrokimia. Proses pengerjaan ECM adalah kebalikan dari proses kimia-elektro atau pelapisan galvanis atau proses pengendapan. Dengan demikian ECM bisa dianggap pelarutan anodik yang terkontrol pada tingkat atom dari benda kerja yang secara elektrikal konduktif oleh alat yang dibentuk karena aliran arus tinggi pada perbedaan tegangan yang relatif rendah melalui suatu elektrolit yang merupakan air dengan larutan garam netral. Gambar 18.1 memperlihatkan prinsip dasar dari ECM.

Gambar 18.1 Prinsip dasar pemesinan Elektrokimia

Pemesinan Elektrokimia

Nafsan Upara

349

18.2 Proses Selama proses ECM, akan ada reaksi yang terjadi pada elektrodaelektroda, misalnya pada anoda atau benda kerja dan pada katoda atau pahat/perkakas bersama-sama didalam elektrolit. Contoh dari proses pengerjaan mesin dengan baja karbon rendah, terutama campuran ferrous yang mengandung besi. Untuk pengerjaan

elektrokimia terhadap baja, umumnya larutan garam neutral sodium klorida (NaCl) diambil sebagai elektrolit. Elektrolit dan air mengalami disosiasi atau pembubaran ionic seperti yang ditunjukkan reaksi kimia dibawah ini sebagai perbedaan potensial. NaCl Na+ + Cl H2O H+ + (OH) Karena digunakan perbedaan potensial diantara benda kerja (anoda) dan pahat (katoda), maka ion-ion positif pindah ke pahat (tool)dan ion-ion negatif pindah ke benda kerja. Dengan demikian, ion-ion hydrogen akan menjauhi electron dari katoda (tool) dan dari gas hydrogen menjadi: 2H+ + 2e = H2 katoda Dengan cara yang sama, atom-atom besar akan keluar dari anoda (benda kerja) menjadi:


Nafsan Upara

350

Fe = Fe++ + 2e Dalam ion elektrolit, ion-ion akan bergabung dengan ion-ion klorida untuk membentuk klorida besi, dengan ion-ion sodium akan bergabung dengan ionion hidroksil untuk membentuk sodium hidroksida. N+ + OH = NaOH Dalam praktek FeCl2 dan Fe(OH)2 akan membentuk dan diendapkan dalam bentuk endapan kotoran. Dengan cara ini bisa dicatat bahwa benda kerja secara bertahap mengalami pengerjaan dan diendapkan sebagai kotoran endapan. Selain itu tidak ada lapisan pada tool, hanya gas hidrogen mengembang pada tool atau katoda. Gambar 18.2 memperlihatkan skema reaksi elektro-kimiawi. tingkat atom, Selama pelepasan material terjadi karena peleburan yang mengalami pemesinan menghasilkan

permukaan

permukaan akhir yang baik dan bebas tegangan (stress).

Gambar 18.2 Skema reaksi elektrokimiaPemesinan Elektrokimia Nafsan Upara 351

Voltase yang diperlukan untuk reaksi elektrokimia dalam memulai proses pada keadaan tetap. Besarnya voltase tersebut atau perbedaan potensial adalah sekitar 2 sampai 30 V. Bagaimanapun, perbedaan tegangan yang

dipakai juga dapat mengatasi tahanan atau penurunan tegangan. Tegangan tersebut adalah: potensial elektroda Aktivasi potensial lebih Penurunan potensial Ohmic Konsentrasi pada potensial lebih Tahanan ohmic elektrolit Gambar 17.3 memperlihatkan penurunan jumlah potensial dalam sel ECM

Gambar 18.3 Penurunan jumlah potensial 18.3 Peralatan Sistem pemesinan elektrokimia memiliki modul berikut:Pemesinan Elektrokimia Nafsan Upara 352

Sumber listrik (power supply) Filtrasi elektrolit dan sistem pengantaran Sistem umpan tool Tangki kerja

Gambar 18.4 Diagram skematik dari unit pengeboran secara elektrokimia 18.4 Model Laju pelepasan material Laju pelepasan material atau material removal rate (MRR) adalah ciri penting untuk menilai efisiensi dari proses pemesinan non tradisional. Dalam ECM, pelepasan material terjadi karena disolusi atom dari bahan kerja. Disolusi secara elektrokimia diatur oleh hukum Faraday.


Nafsan Upara

353

Hukum Faraday pertama menetapkan bahwa jumlah disolusi elektrokimia atau pengendapan sebanding dengan jumlah muatan yang dilewatkan melalui sel elektrokimia, yang bisa dinyatakan sebagai : m Q, dimana, m Q : massa material yang dilarutkan atau diendapkan. : jumlah muatan yang dilewatkan

Hukum Faraday kedua menetapkan bahwa jumlah material yang diendapkan atau dilarutkan selanjutnya tergantung pada Electrochemical Equivalence (ECE) dari bahan yang juga merupakan rasio dari berat atom atau valensi, sehingga:A V

m ECE QA V

(18.1)

Jadi, m

Dimana

F

: konstanta Faraday = 96500 coulomb

Sehingga

m=

ltA Fv

(18.2)

MRR =dimana I : arus

m IA = t Fv

(18.3)


Nafsan Upara

354

: kerapatan bahan

Bahan rekayasa kebanyakan campuran dari unsur yang terdiri dari elemen-elemen berbeda dengan proporsi tertentu. Bilamanad dianggap ada n unsur dalam suatu campuran. Berat atom diberi tanda A1, A2, ., An dengan valensi selama disolusi elektrokimia v1, v2, .,vn. Persentase berat unsur yang berbeda adalah 1, 2, ,,,,,,,,, n (dalam pecahan desimal). Jika untuk melewatkan asur 1 selama t, maka masa material yang

dileburkan untuk unsur I diberikan dengan rumus:

m i = a idimana a adalah total volume untuk sampuran yang dilebur. Masing-masing unsur ada pada sampuran memerlukan jumlah muatan untuk melebur atau melarutkan.

mi =

Qi Ai FviFm i v i Ai(18.4)

Qi =

Dengan memasukan nilai mi pada persamaan (18.4), sehingga menjadi

Qi =

F a i vi i AiNafsan Upara

(18.5)


355

Total muatan yang dilewatkan

QT =It=QiQT = It = Fa Sekarang

i viAiI(18.6)

MRR =

1 a = . t F

i viAi

(18.7)

18.5 Dinamika Pengerjaan Mesin secara Elektrokimia ECM dapat dilakukan tanpa suatu hantaran/umpan pada pahat atau dengan umpan pada pahat (tool) sehingga gap pemesinan tetap dapat

terpelihara. Analisis pertama dinamika dengan tanpa umpan (non feed) pada alat. Gambar 18.5 secara skema menunjukkan pemesinan ECM dengan tanpa umpan pada pahat/perkakas dan celah seketika antara pahat dan benda kerja h.

Gambar 18.5 Skema dari proses ECM dengan tanpa umpan pada pahat (tool)Pemesinan Elektrokimia Nafsan Upara 356

Sekarang pada period waktu singkat dt arus I dilewatkan melalui elektrolit dan menyebabkan peleburan/pelarutan secara elektrokimia terhadap bahan dengan jumlah dh pada bidang S

I=

V V Vs = = R rh rh s Vs 1 . rh s

(18.8)

Jika,

dh 1 Ax = . dt F v x=

1 Ax V . . F v x rh

untuk perbedaan tegangan dan campuran

A V 1 c dh = x . = dt F v x r h hdimana c : konstanta

=

Ax V Fv x r

c=

V Fr

i viAi

(18.9)

Jika,

dh c = dt hNafsan Upara 357


hdh = cdt Pada t = 0, h = h0 dan pada t = t1 dan h = h1h1 t

hdh = c dt0

h0

Sehingga

2 h12 h0 = 2ct

Bahwa celah antara alat benda kerja dibawah nol keadaan umpan naik bertahap mengikuti kurva parabola seperti pada gambar 18.6.

Gambar

18.6

variasi

gap

pahat-benda

kerja

dibawah

kondisi

nol

pengumpanan


Nafsan Upara

358

Maka

dh c = dt h

Maka peleburan secara bertahap akan menurun seiring kenaikan celah karena penurunan tegangan pada elektrolit akan naik. Sekarang secara umum dalam ECM pengumpan (f) diberikan pada pahat (tool) :

dh c = f dt hSekarang jika kecepatan umpan (feed) tinggi dibandingkan dengan

kecepatan peleburan, maka setelah itu kadang-kadang kerenggangan celah/gap akan menurun dan bahkan bisa menyebabkan hubung singkat. Di bawah kondisi keadaan tetap celah/gap seragam, misalnya pendekatan alat diganti dengan peleburan bahan kerja. Jadi yang berhubungan dengan alat, benda kerja tidak akan bergerak.

Maka

dh c = f dt hf= c h

atau h* = gap kerenggangan keadaan tetap = c/f


Nafsan Upara

359

Sekarang berdasarkan kondisi ECM tidak mungkin menetapkan secara tepat nilai h* sebagai celah kerenggangan awal. Jadi perlu dianalisis kerenggangan akan memiliki pengaruh pada kemajuan prosesnya. jika

Sekarang

dh c = f dt h h' = h hf = h* c

Jika

dan

ft f 2t t' = = h* cf / c dh 1 dh dh' = 2 . = . dt ' f / c dt f dt dh c = f dt h f dh' c cf = f = f dt ' h' h * h' c dh' 1 h' = f dt ' h' dh' 1 h' = dt ' h' dt ' = h' dh' 1 h'

Maka

f

Sekarang gabungkan antara t=0 dengan t=t bila h berubah dari h0 menjadi h1


Nafsan Upara

360

dt ' = 0 h1 '

t'

h' dh' 1 h' h0 'h'

h1 '

d (1 h' ) 1 t' = + d (1 h' ) (1 h' ) h ' h0 ' 0' h0 1 t' = h h + ln ' h1 1 ' 0 ' 1

(18.10)

sekarang untuk nilai yang berbeda dari h0, h1 nampak mendekati 1 seperti ditunjukkan pada Gambar 18.7.

Gambar 18.7 Perbedaan pada perbedaan celah tetap dengan waktu untuk celah awal yang berbeda.

Jadi, masing-masing dari celahnyah' = h =1 h* h=Pemesinan Elektrokimia

fh =1 c

c fNafsan Upara 361

atau

f =

AV 1 c = x . h FV x r h Ax V A i . = x . FV x rh FV x s

f =

f =

Ax i . = MRR ( mm/ s) FVx s

(18.11)

Jadi persamaan (18.11) di atas bahwa ECM adalah kecocokannya seperti MRR sama dengan kecepatan umpan. 18.6 Penggunaan Teknik ECM dapat membuang material dengan pelarutan atau

peleburan atom oleh carakerja secara elektrokimia. Sehingga kecepatan pembuangan material atau machining tidak tergantung pada sifat-sifat mekanis atau fisika dari bahan kerja. Jika hanya tergantung pada berat atom dan valency dari material kerja dan kondisi yang harus diberi hantaran listrik. Jadi ECM bisa mengerjakan setiap benda kerja yang konduktif masing-masing dari sifat kekerasannya, kekuatannya atau bahkan sifat-sifat panas/thermal. Selain itu, ECM menghasilkan peleburan tingkat atomic, sehingga permukaan akhir yang baik dengan permukaan yang di mesinan bebas tekanan dan tanpa kerusakan akibat panas.

Die sinking (pengepresan) Profiling and contouringNafsan Upara 362


Trepanning Grinding Drilling Micro-machining

Gambar18. 8. Aplikasi berbeda dari pemesinan elektrokimia


Nafsan Upara

363

Gambar 18.9 Drilling dan Trepanning dengan ECM 18.7 Parameter Proses Suplai Daya (power suplay) Tipe Voltase Arus : Arus searah : 2 s/d 35 V : 50 s/d 40,000 A

Densiti arus : 0.1 A/mm2 s/d 50 A/mm2 Elektrolit Bahan Temperatur Harga kelajuanPemesinan Elektrokimia

: NaCl dan NaNCO3 : 20oC 50oC : 20 Imp per 100 A arusNafsan Upara 364

Tekanan Dilusi Gap kerja Overcut Laju umpan Bahan Elektroda

: 0.5 s/d 20 bar : 100 g/l s/d 500 g/l : 0.1 mm s/d 2 mm : 0.2 mm s/d 3 mm : 0.5 mm/min s/d 15 mm/min : copper, brass, brozen : 0.2 s/d 1.5 m

Kekerasan permukaan, Ra


Nafsan Upara

365

bab iv- 18 pemesinan elektrokimia

Documents