Pengukuran presisi dan pengerjaan bengkel: jangka sorong, mikrometer, jam ukur, toleransi, suaian, bor, tap, dan gerinda

Sebuah pompa sirkulasi di laundry sebuah hotel, dengan rumah bantalan aluminium, dibongkar karena bantalannya berbunyi. Teknisi mengukur lubang rumah dengan jangka sorong saat rumah masih hangat dari pompa yang baru dimatikan, mendapat angka yang sama dengan diameter luar bantalan di katalog, dan menyimpulkan rumah masih baik. Setelah dirakit, bantalan baru berputar bersama cincin luarnya di dalam rumah. Ketika memasang kembali penutup, ia mengebor ulang satu lubang ulir yang rusak dengan mata bor yang kebetulan ada, mengetapnya, dan baut penutup itu terkelupas saat dikencangkan.

Tiga keputusan membuat hasilnya salah. Jangka sorong tidak cukup teliti untuk suaian bantalan. Aluminium yang hangat memuai lebih banyak daripada baja, sehingga lubang terukur lebih besar daripada saat dingin, atau sebaliknya terlihat pas padahal aus. Lubang tap yang terlalu kecil membuat tap macet dan ulir robek, dan yang terlalu besar membuat ulir dangkal. Bab ini menjelaskan cara mengukur dan mengerjakan logam di bengkel dengan ketelitian yang sesuai tugasnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas alat ukur tangan, pengaruh suhu, toleransi, suaian, dan pengerjaan bengkel yang dilakukan teknisi perbaikan: mengebor, mengetap, meluaskan lubang, membuang bram, dan menggerinda. Pemesinan presisi dengan mesin bubut dan frais, serta perbaikan komponen yang menentukan keselamatan, dikerjakan bengkel pemesinan menurut gambar.

Kalibrasi dan ketidakpastian pengukuran ada di Bab 1 · Data & Pengukuran, ringkasan data di Bab 2 · Data & Pengukuran tentang variasi dan distribusi data, dan pemuaian termal di Bab 11 · Fisika. Ulir baut ada di Bab 3 tentang baut, mur, dan sambungan ulir, suaian bantalan di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur, kelurusan dengan jam ukur di Bab 5 tentang poros dan kopling, dan konsentrasi tegangan di Bab 10 tentang kekuatan komponen. Toleransi dan suaian untuk komponen tertentu diambil dari gambar dan pabriknya.

Memilih alat ukur

Resolusi (resolution) alat ukur adalah selisih terkecil yang dapat dibaca pada skala atau layarnya, misalnya 0,02 mm pada jangka sorong nonius. Aturan praktis yang umum adalah resolusi alat ukur sekitar sepersepuluh toleransi yang diperiksa. Alat yang dipakai teknisi:

1. Mistar baja dan meteran: resolusi sekitar 0,5 sampai 1 mm, untuk ukuran kasar.
2. Jangka sorong: resolusi 0,02 atau 0,05 mm pada skala nonius, 0,01 mm pada tampilan digital, untuk ukuran luar, dalam, dan kedalaman.
3. Mikrometer: resolusi 0,01 mm, atau 0,001 mm dengan nonius, untuk ukuran luar dengan rentang 25 mm per alat; mikrometer dalam dan mikrometer tiga titik untuk lubang.
4. Jam ukur: resolusi 0,01 mm, untuk perbedaan dan gerak, seperti kelurusan poros dan putaran tidak rata.
5. Pengukur lubang dengan jam ukur: membandingkan lubang dengan ukuran acuan yang disetel dari mikrometer atau cincin acuan.
6. Pengukur celah, pengukur ulir, dan pengukur jari-jari: lembaran dengan ukuran tertentu untuk celah, jarak ulir, dan sudut.
7. Blok ukur, cincin acuan, dan batang acuan: acuan untuk memeriksa alat lain.

Jangka sorong cukup untuk memeriksa apakah baut berukuran 10 atau 12 mm, tetapi tidak cukup untuk suaian bantalan yang toleransinya beberapa mikrometer sampai belasan mikrometer, seperti pada kasus pembuka.

Membaca jangka sorong, mikrometer, dan jam ukur

Jangka sorong nonius. Angka bulat dibaca pada skala utama di kiri garis nol nonius, lalu dicari garis nonius yang paling tepat segaris dengan garis skala utama; nomor garis itu dikali resolusi nonius dan ditambahkan. Misalnya, bila garis nol nonius berada sedikit melewati 23 mm pada skala utama dan garis nonius ke-17 paling segaris, bacaannya dengan resolusi 0,02 mm adalah $23 + 17 \times 0{,}02 = 23{,}34$ mm. Rahang ditekan dengan gaya ringan dan rata; rahang yang miring pada lubang memberi ukuran lebih kecil daripada diameter sebenarnya.

Mikrometer. Bacaan selongsong memberi milimeter dan setengah milimeter, bacaan timbel memberi seperseratus milimeter (Contoh 1). Mikrometer diputar dengan gigi rem atau rem gesek sampai berbunyi, agar gaya ukurnya sama setiap kali. Titik nol diperiksa sebelum dipakai, dengan permukaan ukur yang bersih atau batang acuan untuk mikrometer di atas 25 mm.

Jam ukur. Jarum dipasang tegak lurus permukaan, diberi tekanan awal sekitar setengah sampai satu putaran, lalu dinolkan. Batang penahan dan dudukannya harus kaku; dudukan magnet yang tidak menempel rata membuat bacaan berubah saat disentuh. Teknik membaca jam ukur pada penyelarasan poros dibahas di Bab 5 tentang poros dan kopling.

Setiap pengukuran penting diulang beberapa kali di beberapa posisi. Lubang diukur di dua arah tegak lurus dan di dua kedalaman untuk melihat lonjong dan tirus (Contoh 4), dan hasilnya dicatat sebagai angka, bukan "pas" atau "longgar". Ketidakpastian dan cara melaporkannya dibahas di Bab 1 · Data & Pengukuran tentang kalibrasi dan ketidakpastian.

Suhu dan ukuran

Ukuran gambar teknik berlaku pada suhu acuan 20 °C. Benda yang lebih hangat lebih besar, menurut pemuaian termal di Bab 11 · Fisika:

$\Delta L = \alpha \, L \, \Delta T$

dengan $\Delta L$ perubahan ukuran (mm), $\alpha$ koefisien muai panjang bahan (K⁻¹), $L$ ukuran benda (mm), dan $\Delta T$ selisih suhu benda terhadap suhu acuan (K). Koefisien muai aluminium sekitar dua kali baja, sehingga rumah aluminium yang hangat dapat terukur beberapa puluh mikrometer lebih besar daripada saat dingin, lebih besar daripada seluruh toleransi suaian bantalan (Contoh 6). Benda dan alat ukur dibiarkan mencapai suhu ruang yang sama sebelum ukuran penting diambil, dan tangan tidak menggenggam mikrometer terlalu lama.

Toleransi dan tumpukannya

Toleransi (tolerance) adalah selisih ukuran paling besar dan paling kecil yang diizinkan, misalnya 25,000 sampai 25,021 mm. Ukuran di luar batas itu ditolak, betapapun dekatnya. Dua hal penting berlaku dalam perakitan: bila keadaan terburuk masih di dalam batas toleransi rakitan, tidak ada rakitan yang ditolak; dan walaupun suatu celah adalah selisih dua ukuran, toleransinya dijumlahkan.

Akibatnya, rakitan beberapa komponen mempunyai toleransi yang lebih lebar daripada setiap komponennya (Contoh 2). Bila ruang aksial bantalan, cincin jarak, dan rumah masing-masing berada di ujung toleransinya, celah aksial dapat menjadi terlalu besar atau terlalu kecil walaupun setiap bagian lolos pemeriksaan. Karena itu dokumen perakitan sering meminta celah akhir diukur dan disetel dengan shim, seperti bantalan rol tirus di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur, dan tidak cukup mengandalkan ukuran setiap komponen.

Suaian: longgar, transisi, dan sesak

Suaian (fit) adalah hubungan ukuran lubang dan poros yang dipasang bersama:

1. Suaian longgar: poros selalu lebih kecil daripada lubang, sehingga ada celah, misalnya untuk poros yang berputar di bus.
2. Suaian transisi: tergantung ukuran sebenarnya, dapat sedikit longgar atau sedikit sesak, untuk bagian yang harus terpusat tetapi dapat dibongkar.
3. Suaian sesak: poros selalu lebih besar daripada lubang, sehingga dipasang dengan tekanan atau pemanasan, misalnya cincin dalam bantalan pada poros yang berputar.

Sistem suaian ISO menamai daerah toleransi dengan huruf dan angka, misalnya lubang H7 dengan poros g6 untuk suaian longgar presisi; huruf menunjukkan letak daerah terhadap ukuran nominal dan angka menunjukkan lebarnya. Nilai batas untuk setiap kombinasi diambil dari tabel standar atau gambar. Celah paling kecil dan paling besar dihitung dari batas-batas itu. Untuk lubang 25,000 sampai 25,021 mm dan poros 24,980 sampai 24,993 mm (angka contoh), celah paling kecil $25{,}000 - 24{,}993 = 0{,}007$ mm dan celah paling besar $25{,}021 - 24{,}980 = 0{,}041$ mm, sehingga suaian ini selalu longgar. Bab 4 tentang bantalan menjelaskan mengapa cincin yang berputar terhadap arah beban memerlukan suaian sesak.

Mengebor

Pengeboran terjadi di bagian dalam benda kerja sehingga serpih dan panas harus dikeluarkan, sudut ujung mata bor serupa dengan sudut potong pada pembubutan, dan bila lubang sudah dibor senter, laju makan saat mulai menembus diturunkan separuh. Hal yang dikerjakan teknisi:

1. Putaran dari kecepatan potong: $n = 1.000 \, v / (\pi \, d)$ dengan $n$ dalam rpm, $v$ dalam m/min, dan $d$ dalam mm. Mata bor baja kecepatan tinggi 8 mm pada baja lunak dengan kecepatan potong 25 m/min (angka contoh) berputar $n = 1.000 \times 25/(\pi \times 8) = 995$ rpm, sehingga dipilih tingkat putaran mesin terdekat di bawahnya. Kecepatan potong bergantung pada bahan benda kerja dan mata bor; tabel pabrik alat menjadi acuan.
2. Titik awal: penitik atau bor senter agar mata bor tidak berjalan.
3. Lubang bertahap untuk diameter besar: lubang pandu kecil lalu diperbesar.
4. Pendingin untuk baja; banyak besi tuang dibor kering; baja tahan karat dibor dengan putaran lebih rendah dan makan yang tetap agar tidak mengeras.
5. Penjepitan: benda kecil dijepit ragum atau klem, tidak dipegang tangan. Mata bor yang tersangkut memutar benda kerja dengan torsi penuh mesin.
6. Membuang bram di kedua sisi lubang. Champer pada lubang adalah pemutusan tepi sudut tempat tegangan dapat menumpuk; Bab 10 tentang kekuatan komponen menjelaskan mengapa.

Pertanyaan yang perlu dijawab adalah apakah pengerjaan akhir diperlukan agar ukuran lubang masuk toleransi. Mata bor saja jarang memberi lubang dengan toleransi suaian; lubang presisi dibor sedikit kurang lalu diluaskan dengan perimer atau dibubut dalam.

Mengetap ulir

Tap adalah alat yang berulir dan beralur untuk memberi sisi potong. Tap harus diputar dan dimajukan tepat satu jarak ulir setiap putaran, dan fungsi penting tap adalah membuang serpih dari lubang. Lubang inti untuk tap pembentuk harus lebih besar daripada untuk tap potong, dan ukuran lubang teoretis ditentukan dari persentase ulir yang diinginkan.

1. Ukuran lubang tap. Untuk ulir metrik kasar dengan tap potong, aturan yang umum adalah diameter nominal dikurangi jarak ulir, misalnya $\text{M}8 \times 1{,}25$ dengan lubang 6,8 mm (Contoh 3). Aturan ini memberi kira-kira tiga perempat tinggi ulir penuh, yang cukup kuat dan jauh lebih mudah ditap daripada ulir penuh.
2. Urutan tap tangan: tap awal yang tirus, lalu tap antara dan tap akhir untuk lubang buntu.
3. Putar setengah, mundur seperempat untuk memutus serpih pada tap tangan, dan pakai pelumas tap.
4. Tegak lurus: tap yang miring mematahkan dirinya atau membuat ulir miring.
5. Lubang buntu dibor lebih dalam daripada panjang ulir agar serpih dan ujung tirus tap punya ruang.
6. Ulir rusak pada logam lunak diperbaiki dengan sisipan ulir menurut pabriknya, bukan dengan ulir yang lebih besar bila baut harus tetap ukuran aslinya. Bab 3 tentang baut, mur, dan sambungan ulir membahas torsi pada ulir aluminium.

Mengenali ulir metrik dan inci

Mesin laundry dan dapur dari pabrik yang berbeda memakai ulir metrik atau ulir inci, dan manual washer-extractor yang dikutip di Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir memakai ukuran inci. Dua ulir yang mirip mudah tertukar: baut 3/8-16 berdiameter 9,525 mm dengan jarak ulir $25{,}4/16 = 1{,}588$ mm, sedangkan $\text{M}10 \times 1{,}5$ berdiameter 10 mm dengan jarak ulir 1,5 mm. Mur M10 dapat masuk satu atau dua putaran pada baut 3/8-16 lalu macet, dan bila dipaksa merusak kedua ulir.

Cara memastikan ulir:

1. Ukur diameter luar baut dengan jangka sorong, atau diameter dalam lubang ulir dengan pengukur ulir dalam.
2. Ukur jarak ulir dengan pengukur ulir: lembar yang giginya masuk rapat tanpa celah di sepanjang beberapa ulir menunjukkan ukurannya, dalam milimeter untuk metrik atau ulir per inci untuk ulir inci.
3. Periksa tanda kepala baut: kelas metrik ditulis angka seperti 8.8, sedangkan kelas inci ditandai garis-garis di kepala, seperti dijelaskan di Bab 3.
4. Simpan baut dan mur menurut sistemnya di tempat terpisah dan berlabel, agar baut inci dari mesin satu tidak terpasang di lubang metrik mesin lain.

Ulir pipa adalah keluarga lain lagi, dengan ukuran nominal yang tidak sama dengan diameter luarnya; Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung membahas ulir pipa dan perapatnya.

Menggerinda dengan aman

Gerinda tangan dan gerinda duduk adalah alat bengkel yang paling sering mencederai. Batu gerinda berputar sangat cepat, dan batu yang pecah melemparkan pecahannya dengan energi besar. Ada batu gerinda yang peka terhadap panas sehingga kecepatan kelilingnya dibatasi 60 m/s. Kecepatan keliling (peripheral speed) adalah kecepatan titik di tepi batu, $v = \pi \, d \, n / 60$, dengan $v$ dalam m/s, $d$ diameter batu dalam m, dan $n$ putaran gerinda dalam rpm. Aturannya:

1. Kecepatan izin batu yang tercetak pada batu harus sama atau lebih besar daripada kecepatan keliling pada putaran gerinda tanpa beban (Contoh 5). Batu besar tidak dipasang pada gerinda berputaran tinggi.
2. Uji ketuk dan periksa retak sebelum dipasang; batu yang jatuh tidak dipakai.
3. Pelindung terpasang dan sandaran benda kerja pada gerinda duduk disetel dekat batu.
4. Berdiri di samping saat menyalakan dan biarkan berputar sebentar.
5. Kacamata dan pelindung muka, pelindung telinga, dan sarung tangan yang sesuai, ditambah masker bila debu berbahaya.
6. Percikan api dijauhkan dari bahan mudah terbakar, debu serat, dan pelarut, keadaan yang biasa ada di ruang laundry.
7. Batu yang benar untuk bahan: batu untuk baja tidak dipakai untuk aluminium karena pori batu tersumbat dan batu memanas.

Mencatat hasil ukur

Catatan pengukuran memuat komponen, titik ukur, alat dan nomor kalibrasinya, suhu benda, angka setiap pengulangan, batas toleransi dari gambar atau manual, dan keputusan. Catatan seperti ini memungkinkan teknisi lain memeriksa kesimpulan dan melihat tren aus dari waktu ke waktu, seperti dibahas di Bab 2 · Data & Pengukuran tentang variasi, distribusi, dan ringkasan data. Alat ukur disimpan bersih, dilumasi tipis, dan diperiksa terhadap acuan menurut jadwal; mikrometer yang jatuh diperiksa dulu sebelum dipakai lagi.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: membaca mikrometer. Selongsong memperlihatkan 12,5 mm, dan garis timbel ke-37 segaris dengan garis acuan: $12{,}5 + 0{,}37 = 12{,}87$ mm.

Contoh 2: tumpukan toleransi. Tiga bagian bersusun 20 ± 0,05, 30 ± 0,05, dan 15 ± 0,02 mm. Panjang total nominal 65 mm dengan toleransi keadaan terburuk $\pm (0{,}05 + 0{,}05 + 0{,}02) = \pm 0{,}12$ mm, karena toleransi dijumlahkan.

Contoh 3: lubang tap. $\text{M}8 \times 1{,}25$: $8 - 1{,}25 = 6{,}75$ mm, dibulatkan ke mata bor 6,8 mm. $\text{M}10 \times 1{,}5$: $10 - 1{,}5 = 8{,}5$ mm. Bila yang dipakai mata bor 6,5 mm untuk M8, tap memotong lebih banyak logam dan mudah patah, seperti ulir yang robek pada kasus pembuka.

Contoh 4: lonjong dan tirus lubang. Lubang diukur 52,018 dan 52,031 mm pada dua arah di mulut, dan 52,012 dan 52,016 mm di dasar. Lonjong di mulut $0{,}013$ mm dan tirus sekitar $0{,}011$ mm: mulut lubang aus lebih banyak, tanda cincin luar pernah berputar.

Contoh 5: kecepatan batu gerinda. Batu 125 mm pada gerinda 11.000 rpm: $v = \pi \times 0{,}125 \times 11.000/60 = 72$ m/s, sehingga batu harus bertanda sekurang-kurangnya 72 m/s, misalnya 80 m/s. Batu 230 mm pada gerinda 6.600 rpm memberi 79,5 m/s; batu 230 mm tidak boleh dipasang pada gerinda 11.000 rpm.

Contoh 6: ukuran lubang aluminium yang hangat. Lubang rumah aluminium 100 mm diukur pada 35 °C, sedangkan acuan 20 °C. Dengan $\alpha$ aluminium sekitar $23 \times 10^{-6}$ K⁻¹, nilai yang sering dipakai seperti di Bab 11 · Fisika: $\Delta L = 23 \times 10^{-6} \times 100 \times 15 = 0{,}035$ mm. Pada baja dengan $12 \times 10^{-6}$ K⁻¹ perbedaannya 0,018 mm. Keduanya lebih besar daripada sebagian toleransi suaian bantalan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan kepada pengawas bila:

1. Komponen akan diukur atau dikerjakan di mesin yang belum dimatikan, dikunci, diberi tanda, dan didinginkan; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Batu gerinda tidak bertanda kecepatan, retak, pernah jatuh, atau kecepatan izinnya di bawah kecepatan keliling gerinda.
3. Gerinda atau bor akan dipakai tanpa pelindung, kacamata, atau penjepit benda kerja.
4. Percikan api akan diarahkan ke dekat serat, debu, pelarut, atau bahan kimia yang mudah terbakar.
5. Ukuran komponen yang menentukan keselamatan berada di luar toleransi dan perbaikan akan dilakukan dengan mengikis, menggerinda, atau mengganjal tanpa persetujuan pabrik.
6. Alat ukur belum diperiksa terhadap acuan, sedangkan keputusannya bergantung pada selisih beberapa mikrometer.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Data & Pengukuran tentang kalibrasi, ketidakpastian, dan mutu pengukuran memberi dasar kalibrasi dan ketidakpastian, Bab 2 · Data & Pengukuran tentang variasi, distribusi, dan ringkasan data memberi cara meringkas data ukur, dan Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase memberi dasar pemuaian. Bab 3 tentang baut, mur, dan sambungan ulir membahas ulir dan torsi pada logam lunak, Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur membahas suaian dan shim, Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros membahas jam ukur, dan Bab 10 tentang kekuatan komponen membahas konsentrasi tegangan. Ulir pipa ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung. Kondisi berhenti bab ini mengikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti, dan Bab 1 · Kerja Lapangan & Serah Terima tentang persiapan kerja, pengukuran, perbaikan, dokumentasi, dan serah terima membahas persiapan perbaikan dan dokumentasi.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.