Rekayasa Mata Pisau Gergaji Bermutu Tinggi dan Ramah Lingkungan Untuk Pemotongan Papan Komposit

Abstract

Papan komposit seperti wood plastic composite (WPC), laminated veneer lumber (LVL), dan strand board (SB) dikembangkan di berbagai negara untuk mensubtitusi kayu solid berkualitas tinggi yang semakin terbatas dan mahal. Papan komposit tersebut sangat populer sebagai bahan bangunan sejak beberapa tahun terakhir, karena memiliki kekuatan, keawetan dan nilai estetika yang tinggi. Dalam industri pengerjaan kayu, optimasi operasi pemotongan papan komposit sangat dipengaruhi oleh performa mata pisau yang digunakan dalam proses pemotongan dan kondisi pemotongan yang diaplikasikan. Performa mata pisau yang tinggi dicirikan oleh daya tahan aus pisau yang tinggi, permukaan produk hasil pemotongan yang halus, serta emisi debu dan suara yang rendah. Pendekatan teknis yang dapat dilakukan untuk mewujudkan hal tersebut adalah melakukan rekayasa pada permukaan mata pisau dan penyesuaian kondisi pemotongan. Penelitian laboratoris untuk menelaah performa mata pisau terekayasa telah dilakukan dalam dua tahap. Penelitian tahap pertama bertujuan menelaah performa mata pisau konvensional yang hanya terlapisi TiAlN (monolapis) dan yang terlapisi secara multilapis dengan TiAlN/TiBON dan TiAlN/TiSiN. Penelitian tahap kedua bertujuan menelaah performa mata pisau heliks bersudut 15, 30, 45, 60, dan 75 o. Performa mata pisau terekayasa tersebut diuji dalam pemotongan WPC, LVL, dan SB pada mesin computer numerical control router dengan kondisi pemotongan yang sama untuk mata pisau monolapis dan multilapis, serta dengan dua macam proses pemotongan (up-milling dan down-milling) dan tiga kategori laju pengumpanan (2, 3, dan 4 m mnt-1) untuk mata pisau heliks. Hasil penelitian tahap pertama menunjukkan bahwa mata pisau berpelapis memiliki performa yang lebih baik dibandingkan mata pisau tanpa bahan pelapis. Namun, mata pisau multilapis TiAlN/TiSiN tidak menunjukkan performa yang lebih baik dibandingkan mata pisau monolapis TiAlN akibat koefisien gesekannya yang terlampau tinggi. Performa terbaik diantara mata pisau yang diuji dihasilkan oleh mata pisau multilapis TiAlN/TiBON yang memiliki daya tahan aus tertinggi, permukaan hasil pemotongan yang paling halus, dan emisi suara yang relatif lebih rendah. Kerapatan yang tinggi dan kandungan bahan abrasif yang lebih banyak pada WPC merupakan faktor utama penyebab tingginya aus pada mata pisau yang diuji. Bentuk dan distribusi serpih, kekasaran bidang potong papan komposit, dan tingkat kebisingan cenderung lebih ditentukan oleh perbedaan struktur papan komposit daripada intensitas aus mata pisau. Sementara itu, hasil penelitian tahap kedua menunjukkan bahwa mata pisau heliks memiliki daya tahan aus yang lebih tinggi, gerak serpih yang lebih baik dengan kecepatan hamburan yang lebih rendah, permukaan hasil pemotongan yang lebih halus, dan emisi suara yang lebih rendah dibandingkan mata pisau konvensional (sudut heliks 0 o). Performa terbaik diantara mata pisau heliks yang diuji dihasilkan oleh mata pisau heliks bersudut 75 o. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa laju pengumpanan yang rendah selama proses pemotongan menghasilkan hamburan serpih yang sempit dengan kecepatan hamburan yang rendah, kualitas permukaan hasil pemotongan yang baik, dan emisi suara yang rendah, disamping tidak menimbulkan kerusakan mata pisau yang signifikan. Arah dan lebar hamburan serpih dalam proses up-milling hampir sama dengan yang dihasilkan dalam proses down-milling. Namun, dalam proses down-milling dihasilkan bentuk serpih yang lebih baik dengan ukuran yang lebih seragam, kualitas permukaan hasil pemotongan yang lebih baik, dan kebisingan yang relatif lebih rendah daripada proses up-milling. Sudut heliks pisau dan struktur papan komposit berkontribusi terhadap intensitas aus mata pisau, kekasaran bidang potong papan komposit, formasi serpih, dan emisi suara.

Composite boards such as wood plastic composite (WPC), laminated veneer lumber (LVL), and strand board (SB) are manufactured to subtitute the scarcity and expensive of high-quality wood. In recent years, the composite boards have become popular product due to their advantages in strength, durabilty, and aesthetic performance, particularly for decorative and building construction purposes. In the wood industry, the optimization of wood composite cutting process is heavily influenced by the performance of cutting tool as well as the machining operations. High performance of cutting tool is reflected by high wear resistance, smooth machined surface, and low dust and noise emission. This could be achieved by the engineered cutting tool edge and by adjusting the proper cutting condition. The study was divided into two stages. The first stage was conducted to investigate the performance of monolayer TiAlN and multilayer TiAlN/TiBON and TiAlN/TiSiN coated cutting tools in milling of WPC, LVL, and SB. Meanwhile, the second stage was conducted to investigate the performance of 15, 30, 45, 60, and 75 o helical angle of cutting tool edges in milling of WPC, LVL, and SB. The milling test was performed on a computer numerical control router with the same milling condition for coated cutting tools, and with milling process (up-milling and down-milling) and feed speed (2, 3, and 4 m min-1) for helical cutting tools. The results of the first study showed that the coated cutting tools provided better performance compared to uncoated cutting tool. However, the multilayered TiAlN/TiSiN cutting tool did not show better performance than the monolayered TiAlN cutting tool due to its high in friction coefficient. The best performance among the cutting tools tested was showed by multilayered TiAlN/TiBON cutting tools since it provided highest wear resistance, smoother surface of the cut-product, and relatively lower noise emission. The high density and the abundant of abrasive materials in WPC were the reasons for the high wear on the cutting tools tested. The chip shape and distribution, surface roughness of machined composite board, and noise level were more determined by differences in structure of composite boards than by progression of cutting tools wear. The results of the second study showed that the helical cutting tools edges provided higher wear resistance, better chip’s flowing direction and speed, smoother surface of the cut-product, and lower noise emission compared to the conventional cutting tool edges (helix angle of 0 o). The best performance among the helical cutting tools tested in milling composite boards was shown by 75 o helical angle of cutting tools edge. In addition, the result showed that a low speed of feeding during milling has resulted small fracture on the cutting tool edge, limited chip flow area with low speed of chip flight, good surface quality, and reduction of noise emission. The down-milling process generated small chip flow area, better chip shape with more similar in size, better quality of cut-product surfaces, and relatively lower noise compared to the up-milling process. The helical angle of cutting tool edge and the structure of composite board offered significant contributions in determining wear, surface roughness, chip formation, and noise emission.