STRATEGI OPTIMISASI TOLERANSI GEOMETRIS UNTUK …

Strategi Optimisasi Toleransi Geometris... (Pujiyanto, dkk)

53

STRATEGI OPTIMISASI TOLERANSI GEOMETRIS UNTUKKOMPONEN CYLINDER HEAD COVER PADA PENELITIAN DAN

PEMBUATAN KOMPONEN MOTOR BAKAR

GEOMETRIC TOLERANCE OPTIMIZATION STRATEGY FOR COMPONENTCYLINDER HEAD COVER IN RESEARCH AND DEVELOPMENTOF ENGINE

COMPONENTS

Pujiyanto dan Shinta VirdhianBalai Besar Logam dan Mesin, Kementerian PerindustrianJl. Sangkuriang No.12, Bandung, Jawa Barat, Indonesia

e-mail: [email protected]: 03/02/2014, direvisi: 28/03/2014, disetujui:14/04/2014

ABSTRACT

Before the manufacturing process, the design process was carried out include all things that affect the process ofmanufacturing, measurement, assembly and functioning of components. The design phase covers a process ofcollecting data and information, geometry and material data acquisition, virtual3-dimensional modeling, structuralanalysis and simulation of manufacturing, and production of shop drawings. The shop drawings are producedafter going through the series of analysis, such as the validation process of structural analysis and simulation ofmanufacturing, manufacturability analysis, measurable, assembly / interchangeability. Geometry Dimensioningand Tolerance(GD &T) is an international engineering drawing system that offers a practical method fordetermining3-D design dimensions and tolerances on engineering drawings, based on the graphic languageuniversally accepted, as published in national and international standards. With this principle, ambiguousinformation of the image can be eliminated to the maximum by manufacturability, measurable,assembly/interchangeability, and functioning of the components. This paper discusses the geometric toleranceoptimization strategy between the cylinder head cover to the cylinder head in the form of assembly abilitybetween the pattern and pinholes.

Keywords: GD&T Interchangeability, ,Geometry Tolerance Optimization

ABSTRAK

Sebelum dilakukan proses manufaktur dilakukan proses desain yang meliputi semua hal yang mempengaruhiproses pembuatan, pengukuran,perakitan dan keberfungsian dari komponen. Dalam tahapan proses desain,dilakukan proses pengumpulan data dan informasi data geometri dan material, pembuatan model virtual 3dimensi, analisa keterbuatan, keterukuran, keberfungsian, analisa struktur dan simulasi manufaktur, danproduksi gambar kerja. Dalam membuat gambar kerja, setelah melalui proses validasi dari analisa struktur dansimulasi manufaktur, dilakukan analisa keterbuatan, keterukuran, keterakitan/ketertukaran. GeometryDimensioning and tolerancing (GD&T)adalah sistemgambarteknikinternasionalyang menawarkanmetodepraktisuntuk menentukandimensidesain3-D dan toleransipadagambar teknik, berdasarkan padabahasagrafisditerima secara universal, seperti dimuatdalam standarnasionaldaninternasional.Dengan prinsip ini,keambiguan informasi dari gambar dapat dieliminir secara maksimal demi keterbuatan, keterukuran, keterakitan /ketertukaran, dan keberfungsian dari komponen. Tulisan ini membahas strategi optimasi toleransi geometrikantara cylinder head cover dengan cylinder head yang berupa keterakitan antar pola lubang dan pin.

Kata Kunci: GD&T, Ketertukaran, Optimisasi Toleransi Geometri

PENDAHULUAN

Indonesia adalah negara denganwilayah dan jumlah penduduk yangbesar.Wilayah kita terdiri atas daratan danlautan yang dihuni oleh ratusan jutapenduduk.Wilayah yang luas ini menjadi

potensi kekayaan yang luar biasa baginegara dan masyarakat, sehingga harusada pemanfaatan yang baik bagipemenuhan kebutuhan manusia yangtinggal didalamnya.Dengan jumlahpenduduk yang besar, eksplorasi danpemanfaatan kekayaan yang ada tidak

Jurnal Riset Industri (Journal of Industrial Research), Vol. 8 No. 1, April 2014, Hal. 53 - 63

54

mungkin dilakukan secara tradisional,sehingga harus dilakukan secaraprogresif.Hal ini disebabkan oleh tuntutanpemenuhan kebutuhan yang semakin cepatdan butuh inovasi agar sesuai denganperkembangan jaman. Kebutuhan yangmencakup kebutuhan pokok dan kebutuhanlainnya harus dapat dipenuhi denganberbagai cara, baik yang masih tradisionalmaupun telah menggunakan bantuanteknologi yang baik.

Dalam pemenuhan kebutuhanpenduduk yang banyak ini diperlukanteknologi yang mampu membuat produksecara massal.Salah satu fokus kegiatanpenelitian dan pengembangan di BalaiBesar Logam dan Mesin adalah padapenelitian dan pembuatan komponen motorbakar. Motor bakar adalah mesin ataupesawat yang menggunakanenergi termaluntuk melakukan kerja mekanik yaitudengan cara mengubahenergi kimia daribahan bakar menjadi energi panas danmenggunakan energy tersebut menjadikerja mekanik (gerak).Kebutuhan motorbakar sebagai penggerak mula sangatdibutuhkan oleh masyarakat Indonesia.Pengembangan dari motor bakar dapatdipergunakan komponen utama dalammenggerakkan kendaraan bermotor, kapallaut, alat industri, kebutuhan rumah tangga,penggerak pompa, industri listrik, dansebagainya.

Permasalahan dalam pengembanganmotor bakar di Indonesia adalah kurangnyapenguasaan teknologi desain untukproduksi masal, sehingga sehinggakomponen yang dibuat tidak memilikimampu tukar. Sehingga komponen yangdibuat hanya bisa dipasang pada satusistem tetapi belum tentu dapat dirakitdengan komponen yang lain. Untuk itu,penguasaan teknologi produksi masalmenjadi tujuan utama dari kegiatanpenelitian dan pengembangan ini. Melaluipenguasaan teknik desain produksi masalyang menjamin keterbuatan, keterukuran,keterakitan/ ketertukaran, keberfungsiandari komponen, dan teknologi prosesmanufaktur, diharapkan ketergantunganterhadap teknologi asing dapat dikurangisecara bertahap.

Dalam pelaksanaannya, penelitiandan pengembangan dilakukan secara

bertahap dan disesuaikan dengankemampuan sumber daya yangada.Penelitian dan pengembangan inidilakukan pada salah satu komponen motorbakar, yaitu cylinder head coversebagaistudi kasus. Tujuan dari penelitian danpengembangan ini adalah membuat prototipproduksi massal dari komponen cylinderhead cover. Tulisan ini akan membahassalah satu tahapan dalam penelitian danpengembangan ini yaitu optimasi toleransigeometrik dari cylinder head cover. Tujuandari tahapan optimasi toleransi geometrik iniadalah untuk memperoleh data geometrikperpasangan antara cylinder head coverdengan cylinder head yang berupaketerakitan antar pola lubang dan pin.

Sebelum dilakukan proses manufakturdilakukan desain proses yang meliputisemua hal yang mempengaruhi prosesmanufaktur, perakitan dan keberfungsiandari komponen seperti geometri, material,parameter dalam proses manufaktur danlain lain. Dalam tahapan desain, dilakukanproses pengumpulan data dan informasi,pengambilan data geometri dan material,pembuatan model virtual 3 dimensi, analisastruktur dan simulasi manufaktur, danproduksi gambar kerja. Dalam membuatgambar kerja, setelah melalui prosesvalidasi dari analisa struktur dan simulasimanufaktur, dilakukan analisa keterbuatan,keterukuran, keterakitan/ketertukaran dankeberfungsian dari komponen cylinder headcover. Hasil dari analisa ini menjadi bankdata yang dipergunakan desainer dalammembuat / memproduksi gambar kerja(shop drawing) yang berprinsip padapembuatan dimensi dan toleransi secarageometrik (geometry dimensioning andtolerancing / GD&T). Dengan prinsip ini,keambiguan informasi dari gambar dapatdieliminir secara maksimal demiketerbuatan, keterukuran, keterakitan/ketertukaran, dan keberfungsian darikomponen. Dalam membuat gambar kerja,desainer ingin gambar kerja yang ia buatdapat dikerjakan pada suatu tahapanmanufaktur, misalnya proses permesinan.

Hasil dari proses permesinan inidiharapkan dapat dirakit dengan nyamanpada pasangannya. Namun karena gambaryang ia buat itu mengandung informasi yangberakibat multi tafsir, sehingga produk yang


55

dihasilkan dari suatu proses manufakturtidak sesuai yang diharapkan desainertersebut. Dampak lanjutannya adalahkeberfungsian dari produk yang dihasilkanmenjadi besar variabilitasnya .Hal ini sangattidak diinginkan oleh desainer.Ia inginjangkauan varibel yang diijinkan adalahterkendali pada jangkauan tertentu.

Berdasarkan data dan informasiyang berhasil dikumpulkan olehtimpenelitian dan pengembangan BBLM

pada industri lokal di Indonesia, sebagianbesar gambar kerja yang dibuat berpotensimulti tafsir yang tinggi. Hal ini disebabkanoleh belum dipelajari dan diterapkannyapembuatan gambar kerja dengan prinsipGD&T, baik itu didunia industri lokalmaupun sebagian besar perguruan tinggiteknik di Indonesia.Berikut adalah beberapacontoh gambar kerja yang umumnyaditerapkan pada industri lokal, sekolahkejuruan, dan perguruan tinggi di Indonesia.

Gambar 1. Contoh pembuatan gambar kerja dengan metode dimensi linear dantoleransibatas.


56

Gambar 1 merupakan gambar kerjadari produk flens (flange). Disini, desainermenginginkan gambar ini dibuat padaproses permesinan, kemudian diukur, danakhirnya dirakit (assembling). Setelahdibuat, kemungkinan produk yangdihasilkan adalah Gambar 1.a hingga 1.g.Dari sisi proses inspeksi geometri, semuaproduk itu dapat diterima, karena dari hasilukurnya masih dalam batas toleransi yangdiijinkan. Namun dari sisi proses perakitan,produk itu tidak diinginkan oleh desainer.Hal ini dikarenakan pada saat silinder dariflens ini dipasangkan pada pasangan

silinder yang lain, tepi badan flens itu terlihattidak rapih. Gambar garis putus-putusmerupakan produk riil dari hasil permesinan,sedangkan gambar garis kontinyu adalahproduk yang ingin dihasilkan pada prosespembuatan. Kemudian dari cara pandangdesainer yang lain dalam membuat gambaradalah seperti pada Gambar 2. Mirip yangterjadi pada Gambar 1, Gambar 2 masihberpotensi multi tafsir. Antara desainer,operator mesin, inspektor, dan prosesperakitan masih dalam cara pandang yangtidak sama. Sehingga produk yangdihasilkan masih belum memuaskandesainer.

Gambar 2. Contoh pembuatan gambar kerja dengan metode dimensi linear dan geometris sertatoleransi batas geometris.


57

Untuk mengatasi hal tersebut,diperlukan gambar yang benar-benardipahami secara sama antara desainer,operator mesin, inspektor, dan prosesperakitan, seperti pada Gambar 3. Denganmetode dimensi linear (plus / minus),daerah penerimaan dari variabel yangdihasilkan dari proses permesinan berupabidang persegi. Padahal dengan metodegeometris, daerah penerimaan berupalingkaran seperti digambarkan pada

Gambar 4. Artinya, ada potensi optimasidaerah penerimaan yang dihasilkan.Awalnya produk yang dihasilkan padaproduk yang mengacu pada strategi dimensilinear tidak diterima oleh inspektor, padahalproduk itu sebagian masih dapat dirakit.Dengan kasus ini perlu ada strategi yangmampu mewadahi kasus ini, yaitu strategimembuat gambar kerja dengan prinsipGD&T.

Gambar 3 Contoh pembuatan gambar kerja denganmetode dimensigeometris dantoleransibatas secara utuh

Gambar 4.Perbandingan zonatoleransi plus/ minusdibandingkan dengandiametral

METODE

Dalam penelitian ini cylinder headcover dipilih sebagai contoh kasus optimasitoleransi geometrik yang kemudian akandianalisa keterakitannya dengan komponencylinder head. Hipotesis utama adalahbahwa strategi dimensi dan toleransigeometris jauh lebih unggul dalammenjelaskan maksud dari desain, sertamemungkinkan daerah penerimaan terbesardari toleransi. Definisi geometris hanyadapat memiliki satu interpretasi teknis yangjelas. Jika ada lebih dari satu interpretasipersyaratan teknis, dapat menyebabkanmasalah tidak hanyadi tingkat desain, tetapijuga melalui manufaktur dan kualitas.Masalah ini tidak hanya menambah

kebingungan dalam sebuah organisasi,tetapi juga buruk mempengaruhi pemasokdan basis pelanggan. Walaupun begitu,pemanfaatan dimensi geometris dantoleransi tidak akan selalu membuat jelasgambar, karena apabila bahasa tidakdigunakan dengan benar dapatdisalahpahami dan dapat mencerminkanmaksud desain yang kurang sesuai.

Dalam tulisan ini akan membahaspemberian toleransi geometri pada fitur-fituryang berpasangan antara prosuk cylinderhead cover dengan cylinder head danmensimulasikan posisi pin dari cylinderhead dan lubang pada cylinder head coversehingga dapat dianalisa keterakitannya.Pemberian toleransi pada fitur-fitur produkcylinder head cover dilakukan dengan


58

berbagi pendekatan seperti yang telahdijelaskan sebelumnya, yaitu meliputi:1. Strategi dimensi dan toleransi linear.2. Strategi toleransi pada kondisi

regardless feature size (RFS).3. Strategi toleransi Geometric pada

kondisi material maksimum/ MMC.4. Strategi optimasi toleransi.

Cylinder head cover dan cylinderhead memilki bidang yang saling bertemudimana bidang pada cylinder head covermemiliki empat lubang dan bidang padacylinder head memiliki empat pin. Maksuddari desain (design intent) dari dua bidangini adalah dalam ukuran dan lokasitoleransi yang akan memungkinkan merekauntuk cocok bersama-sama, dengan kondisiterburuk tidak ada yang lebih ketat dari"line-to-line" fit. Dengan kata lain,hubunganantara lubang dengan ke tepi luar dari pinsangat penting.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Strategi dimensi dan toleransi linear

Gambar 5 menunjukkan carapenyajian gambar kerja denganmemberikan toleransi secara linier. Strategisemacam ini secara umum dipergunakanpada dunia industri lokal, sekolah kejuruan,dan bahkan perguruan tinggi. Jikadiperhatikan sekilas, tidak terlihatkejanggalan yang ada dengan carapemberian dimensi dan toleransi secaralinier ini. Untuk melihat akibat dari tata carapemberian dimensi dan toleransi secaralinier, setidaknya dapat dilakukan simulasidengan membuat sketsa. Gambar 6menunjukkan sketsa worst case dari strategidimensi dan toleransi linear. Kita dapatmengambil simulasi pada kondisi palingekstrim yaitu kondisi terburuk (worst case)dengan mengambil nilai toleransimaksimum pada salah satu komponen danminimum pada komponen yang lain. Dalamsimulasi ini, cylinder head coverdisimulasikan dalam kondisi toleransiminimum sedangkan gauge cylinder headdalam kondisi toleransi maksimum.

Dari Gambar 6 terlihat bahwa padakondisi toleransi ukuran cylinder head cover(garis warna merah) pada kondisi toleransiminimum berpasangan dengan cylinder

head (garis warna biru) pada toleransimaksimum maka dapat dipastikan bahwabenda ini tidak dapat dirakit, karena garisbiru berada diatas (berpotongan) dengangaris warna merah. Daerah jangkauanpenerimaan dari kedua komponen ini jauhdibawah toleransi maksimum/minimum. Iniartinya bahwa, tidak semua hasil inspeksigeometri yang dilakukan inspektor denganspesifikasi baik selalu akan dapat dipasangpada komponen pasangannya.

Dengan cara simulasi secara sketsa(menggunakan program aplikasi CAD /Computerized Aided Design), denganpenggambaran pada skala 1 : 1 (satuberbanding satu) pada kemungkinanditemukannya sampel produk padaberbagai kondisi diterima (dinyatakanditerima oleh inspektor), daerah geometriyang yang dapat dipasangkan (dirakit)terangkum pada Gambar 7.

Gambar 7 menunjukkan kondisidaerah keterterimaan perpasangan antarakedua perpasangan komponen tersebut.

Gambar 5. Gambar cylinder head cover(kiri) dan simulator gaugecylinder head (kanan) denganpencantuman dimensi dantoleransi secara linier.


59

Gambar 6.a. Kondisi terpasang 2 komponen pada komponen cylinder head cover padakondisi toleransi minimum berpasangan dengan simulator gauge cylinder headpada kondisi toleransi maksimum. b. Pembesaran kondisi lubang sebelah kiri. c.Pembesaran kondisi lubang sebelah kanan

A

B

Posisi A Posisi B


60

Gambar 7.Grafik Toleransi tumpukan (toleransi linear)

Strategi geometri toleransi ukuran fitur(regardless feature size/RFS).

Gambar 8 menunjukkan carapenyajian gambar kerja denganmemberikan toleransi ukuran fitur /RFS.Dibandingkan dengan kasus pertama,kasus yang kedua ini memiliki toleransiukuran nominal yang sama, tetapi padacara penyajian gambar secara liniermenggunakan toleransi plus minussedangkan pada cara RFS menggunakanukuran dasar. Nilai toleransi linear posisidari lubang± 0.5diganti dengan, yang maksudnya Lubang-lubang14mm(atau 13.5mmpin)harusdiposisikandalamtoleransisilindersebesar 0.1mm,terlepasdariukuran fiturmereka dalam batasbawah ataupun batas atas, dalamhubungandengan datum primerA,datumsekunderB, dan datumtersier C.

Dengan cara yang sama dengangambar 7, dengan mengubah diameterlubang pada ukuran nominal (diameter 14mm) dan diameter pin / poros pada ukurannominal (diameter 13.5 mm), daerahketerteriamaan secara mampu rakitditunjukkan pada gambar 9.

Gambar 8. Gambar cylinder head cover(kiri) dan simulator gauge cylinderhead (kanan) denganpencantuman dimensi dantoleransi ukuran fitur (regardlessfeature size/ RFS).

0.24

0

13.7513.90

0.12

14.10 13.60 13.40

VC

O.D.I.D.

Lokasilubang yangdiijinkan

Lokasi pin /poros yangdiijinkan


61

Gambar 9.Grafik Toleransitumpukan(posisi pada RFS)

Strategi toleransigeometric pada kondisimaterial maksimum / MMC

Gambar 10 menunjukkan semuatoleransi identik dengan Gambar 8. Satu-satunya perbedaan adalah dari fitur kondisiukuran dicatat dalam fitur bingkai kontrolberubah menjadi kondisi materialmaksimum (huruf M pada kotak toleransi).Lubang-lubang 14 mm (atau 13.5mm pin)yang diposisikan dalam toleransi silindersebesar 0.1mm, pada kondisi materialmaksimum (MMC), dalam hubungandengan datum utama A, datum sekunder B,dan datum tersier C. Apabila ukuran fiturtidak dalam kondisi material maksimum,maka toleransinya diberikan tambahansesuai perbedaannya dengan kondisimaterial maksimum (toleransi bonus).

Dengan cara simulasi yang samadengan dengan Gambar 7, denganmengubah ukuran posisi pada ukurandasarnya (ditunjukkan dengan ukurandidalam kotak), daerah keterteriamaansecara mampu rakit ditunjukkan padagambar 10.Tabel 1 menunjukkan toleransiyang didapatkan sebagai fitur ukuran padapergeseran MMC.

Gambar 10. Gambar cylinder head cover(kiri) dan simulator gaugecylinder head (kanan)denganpencantuman dimensi dantoleransi kondisi materialmaksimum (MMC).

Tabel 1. Toleransi bonus yang didapatkansebagai fitur ukuran padapergeseran dari MMC

Ukuran Fitur Pergeseran(displacement)

dari MMC

Toleransiposisi yang

diijinkan13.90 0.00 0.1313.95 0.05 0.1714.00 0.10 0.21514.05 0.15 0.25514.10 0.20 0.30

13.60 13.4013.9014.10

0.24Lokasi pin /poros yangdiijinkan

Lokasilubang yangdiijinkan

VC

0.12

0

I.D. O.D.

13.75


62

Gambar 11. Grafik toleransitumpukan(posisi diMMC)

Strategi toleransi pengoptimalankondisimaterial maksimum

Strategi toleransi ini merupakanperpanjangan dari konsep yang ditunjukkanpada Gambar 11 yang memungkinkanbonus toleransi untuk toleransi lokasionalyang bisa diperoleh sebagai fitur berangkatdari kondisi material maksimum. Dengancara yang sama, fungsi bagian inimemungkinkan fleksibilitas untuk jugamenambahkan toleransi ke arah ukuran.Dalam hal ini, ketika toleransi kuranglokasional digunakan, toleransi yang lebihtersedia untuk ukuran. Frame fitur kontrolsekarang berbunyi sebagai berikut: Lubang-lubang 14 mm (atau 13.5mm pin) harusdiposisikan dalam toleransi silinder"0" (nol)pada kondisi material maksimum dalamhubungan datum primer A, datum sekunderB, dan datum tersier Cprimer.

Dengan cara simulasi yang samadengan Gambar 7., dengan menggantiukuran lubang pada 13.80 mm dan pin /poros pada 13.70 mm, posisi lubang tetappada nominal ukurannya maka daerahpenerimaan yang dapat dipasangkan /dirakit seperti ditunjukkan pada Gambar 13.

Gambar 12.Gambar cylinder head cover(kiri) dan simulator gaugecylinder head (kanan) denganoptimasi tolerancing.

0

0.12

0.30

14.10 13.90 13.75 13.60 13.40

VC

LokasiLubang yang

diijinkann

Lokasi pin /poros yang

diijinkan

n

Lokasi Lubangyang diijinkan

O.D. I.D.0.24


63

Gambar 13. Kondisi terpasang dengan optimasi toleransi

KESIMPULAN

Gambar kerja yang umumnyaditerapkan pada industri lokal, sekolahkejuruan, dan perguruan tinggi di Indonesiaadalah strategi linear yang berpotensimenimbulkan multi tafsir sehingga produkyang dihasilkan dari suatu prosesmanufaktur tidak sesuai yang diharapkandesainer tersebut. Dampak lanjutannyaadalah keberfungsian dari produk yangdihasilkan menjadi besar variabilitasnya.Halini sangat tidak diinginkan oleh desainer.Iaingin jangkauan varibel yang diijinkanadalah terkendali pada jangkauantertentu.Strategi optimasi geometri darikondisi material maksimum ini dianggapoptimum untuk karena dengan metode ini,daerah penerimaan dari varian produk yangdihasilkan menjadi lebih lebar dibandingkandengan cara membuat dimensi secaralinear. Walaupun begitu, toleransi posisi 0hasil optimasi akan menyulitkan pembuatangauge dalam proses produksi sehinggametode strategi geometri dalam kondisimaterial maksimum dianggap lebih sesuaikarena dapat mengakomodir keinginandesainer dan dari sisi manufakturingdikarenakan produk yang dihasilkan akanmemiliki keterakitan yang tinggi dikarenakanadanya daerah penerimaan yang luas untukproduk pada kondisi material maksimum.

DAFTAR PUSTAKA

Drake, P., 1999. Dimension andTolerancing Hand Book, Mc Graw Hill,New York, USA.

Ficher, B.R. 2004. Mechanical Toleranceand Stack Up and Analysis, CRCPers. New York USA.

Huang, M. and Zhong, Y, 2008.Dimensionaland geometrical tolerance balancing inconcurrent design.Int. JournalAdvance Manufacturing Technology.35, 723-735.

Hu, J. and Xiong, G, 2005. Dimensional andgeometrical tolerance design basedon constraint.Int. Journal AdvanceManufacturing Technology. 26(9-10),1099-1108

Salomons et.al. 1996. A Computer Aidedtolerancing tool I: ToleranceSpecification. Computer in Industry.31. 161-174

Voelcker, H.B., 2002. Whiter Size inGeometric Tolerancing?. Proc. OfASPE Summer Tropical Meeting onTolerance Modeling andAnalysis.ASPE Press, Raleigh, USA.

Whitney, D.A., 2004. MechanicalAssemblies, Their Design,Manufacture, and Role in ProductDevelopment, Oxford UniversityPress, New York, USA.

14.7513.9015.10 13.60 13.40

VC

I.D. O.D.

0

0.12

0.240.12

0.300.12

LokasiLubangyangdiijinkan

Lokasipin /porosyangdiijinkan


64

Halaman sengaja dikosongkan

Documents

STRATEGI OPTIMISASI TOLERANSI GEOMETRIS UNTUK …