Makalah Electrical Discharge Machine

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

Gambar 5 komponen mesin

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

Keterangan:

1. Meja EDM2. Benda kerja 3. Cairan dielectric4. Elektroda5. Kepala EDM6. Rangkaian kapasitor7. Generator arus pulsa8. Voltmeter9. ampermeter

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 non-

tradisional 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)

3. Grinding procces :

8

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

dielektrik pada lokasi tersebut merupakan penghantar untuk pelepasan muatan. Pada

9

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) =d ₂−d ₀

2

Keterangan: d0 = diameter luar dari pahat (elektroda)

α = ¿¿ = r2−r ₁

h

α = arctan r2−r ₁h

Dimana:

d1 = diameter minimum dari tapering yang terjadi

14

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.

c. Mereproduksi sudut tajam pada benda kerja sulit karena memakai elektroda.

d. Konsumsi daya spesifik sangat tinggi.

15

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 0,5-

5,0 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