8 tri widodo

Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 11, No. 1, April 2010: 82 - 9082

PENGARUH SIFAT PLASTISITAS MATERIAL TERHADAP KUALITASPRODUK HASIL PROSES DEEP DRAWING

Tri Widodo Besar Riyadi dan Amin Sulistyanto

Jurusan Teknik Mesin Fakultas TeknikUniversias Muhammadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Surakarta 57102Telp. (0271) 717417, Fax. (0271) 715448

ABSTRAK

Produk yang berkualitas sangat berpengaruh terhadap kelangsungan hidup suatuperusahaan. Dalam proses pembuatan produk komponen End Cup Hub Body dengan

proses deep drawing juga tidak terlepas dari kemungkinan cacat seperti kerutan (wrinkling)dan pecah (fracature). Di antara faktor yang mempengaruhi terjadinya cacat adalah darifaktor materialnya yaitu sifat mekanik (plastisitas). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahuisifat plastisitas material hasil uji tarik dan mengetahui pengaruhnya terhadap kualitas produkhasil proses deep drawing. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen danmenggunakan software ABAQUS 6.5-1. Jenis material yang digunakan yaitu StainlessSteel RST13, Stainless Steel RST14, Kuningan (Brass) dan Aluminium. Penelitian diawalidengan melakukan uji tarik pada setiap material untuk mendapatkan sifat mekaniknya yaitutegangan dan regangan nominalnya. Nilai nominal ini kemudian dikonversi menjadi nilaitegangan dan regangan sebenarnya (true) sebagai inputan bagi data simulasi. Perhitunganyield stress dan plastic strain dilakukan sebagai data input simulasi Abaqus. Hasil simulasitelah menunjukkan bahwa sifat palstisitas material sangat berpengaruh terhadap kualitasproduct. Hasil simulasi dan eksperimen telah menunjukkan tingkatan kualitas produk dariproduk yang terjadi kerut sampai yang mengalami pecah. Dari hasil perbandingan didapatkanbahwa hasil yang diperoleh dari hasil simulasi ini telah sesuai dengan hasil eksperimen.

Kata Kunci: Plastisitas, cacat kerut, cacat pecah, deep drawing

ABSTRACT

The quality of product is very crucial in manufacturing industry survival. In the manufacturing process of End Cup Hub Body, the appearance of defect such as wrinkling

and fracture is possible. Among the factors that influence the defect is the plasticity of thematerial. This work aims to observe the plasticity property of some materials, and determineits effect on the quality of the deep drawing product. The experiment was carried out by usingphysical model and it was in parallel with simulation method by using Abaqus software.The materials which have been used for the experiment were Stainless Steel RST13, Stain-less Steel RST14, Brass and Aluminum. The experiment was begun by the tensile test to getengineering stress-strain value. This value was then converted into true stress and strainvalue. The yield stress and plastic strain was used as input for Abaqus. The result of experi-ment showed that the property of material has had significant effect on the quality of product.

Pengaruh Sifat Plastisitas Material ... (Tri Widodo Besar Riyadi, dkk.) 83

Both the experiment and simulation has described the appearance of wrinkling and fracture.The result of experiment agrees with the result of simulation.

Keywords: plasticity, wrinkling, fracture, deep drawing

belum diketahui nilai K dan n-nya yangakan mempengaruhi sifat plastisitas mate-rial tersebut dan juga terhadap kualitasproduk yang dihasilkan.

Meskipun operasi teknik pembentuk-an sangat beragam, tetapi tujuan pokoknyaadalah untuk menghasilkan perubahanbentuk sesuai dengan yang diinginkan.Salah satu hal pokok yang menjadi per-hatian adalah perubahan sifat dari mate-rial selama mengalami proses deformasi.Telah diketahui bahwa sifat materialmempengaruhi proses deformasi, dan prosesdeformasi akan mengganti sifat material(Marciniak, 2002). Untuk memahamibagaimana material terdeformasi selamaproses pembentukan, maka harus mengertidahulu hubungan antara tegangan danregangan (stress & strain) selama prosesdeformasi. Respon material terhadap bebanmekanik selama proses deformasi dapatdiukur dengan uji tarik. Dari hasil uji tarikini maka akan menghasilkan kurva tegang-an regangan yang pada akhirnya akan me-nentukan persamaan yang menggambarkansifat platisitas material.

Pelat logam ketika mengalami pem-bebanan akan mengalami regangan yangapabila berlanjut maka akan teganganyang terjadi menjadi tidak linear denganpertambahan regangan, seperti padagambar 1.

Regangan yang diperoleh dari mate-rial test yang digunakan untuk mendefinisi-kan perilaku plastik bukanlah plastic strain

PENDAHULUAN

Produk pelat tipis (sheet metal) hasilproses deep drawing telah banyak di-gunakan di industri manufaktur kendaraan,peralatan rumah tangga, produk infra-struktur bangunan, komponen pesawatterbang, kaleng kemasan produk makanandan minuman dan beberapa produk sehari-hari lainnya. Untuk menghasilkan kualitasproduk deep drawing yang sempurnaterbebas dari kemungkinan cacat sepertikerutan (wrinkling) dan pecah (fracture)maka sangat tergantung pada terjadinyaproses deformasi yang mengubah bentukmaterial menjadi produk yang diinginkan.Proses deformasi sendiri sangat tergantungdari sifat elastis platis material. Kesulitanyang dialami pada proses deep drawingantara lain karena perbedaan sifat elastisplastis setiap material sehingga akanmenyulitkan dalam memprediksi hasilproduknya. Dengan demikian, karak-terisasi sifat material merupakan tugas yangsangat krusial yang harus dilakukan dalammendesain, mengontrol, dan meng-optimisasi produksi komponen deep draw-ing.

Penelitian ini bertujuan untukmengetahui sifat plastisitas material yangberupa hubungan tegangan dan regangandari hasil uji tarik dan mengetahuipengaruhnya terhadap kualitas produkhasil proses deep drawing. Penelitian inimenggunakan beberapa material yang


pada material, tetapi berupa total strain yangterjadi.Oleh karena itu harus dilakukandekomposisi terhadap total strain menjadikomponen elastic strain dan platic strain.

Sifat Plastisitas material yang diper-oleh dari hasil uji tarik diasumsikan meng-ikuti persamaan plastisitas berdasarkanhukum Holomon seperti pada persamaanberikut:

nT Kεσ = ………….................…..(1)

Untuk mengetahui konstanta mate-rial (K) dan Indeks strain hardening (n) padatiap-tiap material dari persamaan Hollomondapat dihitung seperti persamaan dibawahini.

A

A

LogLogLogLog

nεεσσ

−−

=max

max....................(2)

disini titik A diambil pada titik luluhnya.Nilai K dicari dengan memasukkan

ke salah satu persamaan Holomon, misalpada titik luluhnya.

Setelah mengetahui sifat plastisitasmaterial dari hasil uji tarik, maka penelitianakan dilanjutkan terhadap kualitas hasilproses deep drawing terhadap spesimenmaterial yang sama. Penelitian kualitasproduk yang dimaksud adalah kemungkin-an timbulnya cacat seperti kerutan (wrin-kling) dan pecah (fracature). Cacat produkyang terdapat pada produk hasil proses deepdrawing menurut Grover (1996) dapatdigambarkan sebagai berikut:

Beberapa penelitian dalam NUMI-SHEET (1996, 1999, 2002) tentang deepdrawing telah dilakukan dengan meng-gunakan metode elemen hingga untuk

Gambar 1. Karakteristik Hubungan Tegangan (stress) – Regangan (strain)

Gambar 2. Berbagai Cacat Produk Deep Drawing


mensimulasikan operasi proses deep draw-ing yang kompleks. Hasil simulasi telahdapat diandalkan untuk mengganti metodeeksperimen yang memerlukan langkah trialand error yang menelan biaya yang cukupbesar. Tetapi validasi dengan eksperimenmasih merupakan tugas yang berat dan sulitterutama untuk mengukur beberapavariabel yang terlibat didalam proses deepdrawing.

METODE PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan denganmetode eksperimen dan menggunakan soft-ware ABAQUS 6.5-1. Jenis material yangdigunakan yaitu Stainless Steel RST13,Stainless Steel RST14, Kuningan (Brass)dan Aluminium. Spesimen yang diambilpada eksperimen pemodelan fisik yaitusalah satu komponen kendaraan yangberupa End Cup Hub Body.

Penelitian diawali dengan melaku-kan uji tarik pada setiap material untukmendapatkan sifat mekaniknya yaitutegangan dan regangan nominalnya (engi-neering stress -engineering strain). Nilainominal ini kemudian dikonversi menjadinilai tegangan dan regangan sebenarnya(true stress - true strain). Perhitungan yieldstress dan plastic strain dilakukan sebagaidata input simulasi Abaqus.

Pada metode elemen hingga dengansoftware ABAQUS, langkah-langkah yangdilakukan adalah mulai dari menentukangeometri dan model benda, model mate-rial dan perilaku permukaan yang kontak,kondisi batas dan pembebanan, serta modelvisualisasinya.

Metode eksperimen deep drawingdilakukan dengan memotong bahan ujilembaran pelat dari ke-empat materialmenjadi lingkaran dengan diameter 180

mm. Lembar pelat yang telah dipotong ter-sebut kemudian diletakkan dalam sepe-rangkat alat uji deep drawing yang terdiridari punch, upper die, lower die, dan blankholder. Proses penekanan pelat uji deep draw-ing yang dilakukan dengan compression ma-chine ditunjukkkan pada gambar 3 berikut.

Gambar 3. Proses penekanan denganCompression Machine

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Uji TarikDari hasil uji tarik yang menghasil-

kan nilai tegangan dan regangan nominaltersebut maka kemudian dikonversi men-jadi nilai tegangan dan regangan sebenar-nya (true stress- true strain). Hal ini karenadefinisi plastisitas dalam simulasi Abaqusharus menggunakan true stress dan truestrain. Gambar 4 berikut menampilkan em-pat kurva tegangan regangan sebenarnya.

Regangan yang diperoleh dari mate-rial test yang digunakan untuk mendefinisi-kan perilaku plastik bukanlah plastic strain


pada material, tetapi berupa total strain yangterjadi. Oleh karena itu harus dilaku-kandekomposisi terhadap total strain men-jadikomponen elastic strain dan platic strain.

Setelah kurva tegangan regangan sebe-narnya telah tersusun seperti pada gambar 4di atas maka dilakukan perhitungan terhadapvariabel K dan n seperti pada persamaan (1)dan (2) terhadap ke empat material.

Hasil Simulasi dan EksperimenTahapan selanjutnya dari penelitian

ini adalah dengan melakukan simulasiAbaqus dengan mengguanakan nilai yield

stress dan plastic strain hasil dari uji tarik.Langkah-langkah yang dilakukan adalahmulai dari menentukan geometri danmodel benda, model material dan perilakupermukaan yang kontak, kondisi batas danpembebanan, serta menentukan jumlahmesh yang sesuai. Studi konvergensidilakukan untuk menentukan jumlah meshterkecil agar waktu simulasi dapat efektif.Model visualisasi hasil proses deep draw-ing ditunjukkan pada gambar 5 - 8 berikut,berdampingan dengan hasil ekperimennya.

Dari gambar tersebut dapat diketahuiadanya tegangan maksimum yang terjadi

Gambar 4. Kurva tegangan regangan sebenarnya

0.00E+002.00E+084.00E+086.00E+088.00E+081.00E+091.20E+091.40E+09

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500True strain

True

stre

ss, P

a

RST14RST13BrassAluminium

(a) (b) Gambar 5 Spesimen Stainless steel RSt13 setelah pengujian;

(a) eksperimen, (b) simulasi


(a) (b)

Gambar 6. Spesimen Stainless steel RSt14 setelah pengujian; (a) eksperimen, (b) simulasi

(a) (b) Gambar 7. Spesimen Stainless steel kuningan setelah pengujian;


(a) (b) Gambar 8. Spesimen Stainless steel Aluminum setelah pengujian;


Pecah


pada beberapa lokasi, yang secara umumterjadi pada daerah tengah pelat. Teganganmaksimum menunjukkan bahwa padaposisi tersebut pelat mengalami reganganmaksimum atau mengalami penipisan ataupengurangan ketebalan yang terbesar ataulebih besar dari. Kemungkinan terjadinyarobek biasanya diawali dari daerah yangmengalami tegangan maksimum tersebut.Sebaliknya pelat juga akan mengalamitegangan minimum dan kebanyakan terjadipada sebagian pinggiran pelat pada bagianflange. Pada bagian ini memang pelatmengalami regangan paling kecil ataukarena sebagian pelat tidak mengalamipenarikan atau drawing.

Dari hasil simulasi proses deep draw-ing terhadap ke empat material juga dapatdiketahui yaitu terjadinya wrinkling(kerutan) di semua bagian flange ataubagian pelat yang berhadapan denganblank holder. Hal ini menunjukkan bahwagaya jepit oleh blank holder pada prosesdeep drawing tersebut masih kurang besar.Penentuan gaya jepitan (blank holder force)yang optimum untuk mencegah terjadinyawrinkling sepengetahuan penulis, sampaisaat ini masih belum diketahui. Selain dibagian flange tersebut, kerutan juga sedikitdialami di bagian tengah pelat yangmengalami tegangan maksimum. Sepertidiketahui bahwa pada bagian tersebut pelatmengalami penipisan yang besar sehinggamenciptakan celah (clearance) yangmemungkinkan terjadi-nya wrinkling.Wrinkling di daerah tengah tersebutbiasanya tidak dapat ditolerir dan harusdihindari. Untuk mengatasi masalah inimaka khusus di bagian ini, desainer harusdapat memprediksi seberapa penipisanyang akan terjadi sehingga dapat membuatdesain dies yang lebih akurat yang dapatmengantisipasi kemungkinan terjadinya

wrinkling. Pada masing-masing material,secara umum kondisi wrinkling adalahhampir sama yaitu terjadi wrinkling (keru-tan) di bagian flange dan sedikit di bagiantengah produk. Selain kerutan yang meru-pakan bentuk cacat produk, pada simulasimaterial aluminium juga menghasilkan ca-cat pecah (fracture). Pecah pada aluminiumini terjadi pada bagian dinding pelat.

Dari perbandingan antara hasil simu-lasi dan eksperimen maka dapat diperolehvalidasi bahwa hasil simulasi telah sesuaidan mendekati hasil eksperimen. Secaraumum dapat dikatakan bahwa proses deepdrawing telah berhasil untuk menghasilkanproduk yang sesuai dengan desain, dan se-bagian produk mengalami kerutan di bagianflange, dan sedikit pada bagian dinding.

Untuk mengetahui kebutuhan tena-ga pada proses deepdrawing maka ditampil-kan grafik besar gaya penekanan terhadapwaktu penekanan selama proses deep draw-ing pada masing-masing material sepertipada gambar 9.

Dari gambar 9 tersebut dapat dijelas-kan bahwa gaya penekanan akan mening-kat dari nol secara perlahan sampai menujupuncak, dan kemudian akan turun lagisecara drastis menuju nol. Grafik ini sudahsesuai dengan teori dimana gaya penekananpada proses deep drawing akan membentukseperti kurva distribusi normal

Sebagai akhir dari penelitian ini ada-lah mencari hubungan antara sifat plasti-sitas material (K dan n) dari beberapa ma-terial tersebut terhadap kualitas produkterutama kemungkinan terjadinya cacatproduk hasil proses deep drawing, yang da-pat disimpulkan pada tabel 1.

Dari hasil penelitian yang ditunjuk-kan pada tabel 1 di atas maka dapat diper-oleh hubungan antara sifat plastisitas dankualitas produk hasil proses deep drawing


untuk ke empat material, yaitu bahwa nilain yang besar sangat baik untuk proses sheetformability, karena menunjukkan keta-hanan yang besar terhadap local necking. Ke-tika material yang mempunyai nilai n tinggimulai necking maka daerah plastis mengerasdengan cepat dan menyebabkan materiallebih lunak. Sebaliknya pada material yangmempunyai nilai n rendah maka neckingakan cepat terjadi secara lokal dan menye-babkan failure pada strain yang rendah.

Perbandingan proses ke-empat mate-rial menghasilkan sebuah kesimpulan dalampemilihan material yaitu kuningan (brass).Material ini mempunyai sifat plastisitas

tertinggi dengan kekuatan gaya yang rendah.Produk deep drawing kuningan juga lebihbaik dibandingkan dengan material lain.

SIMPULAN

Dari hasil penelitian maka dapatdiperoleh kesinpulan sebagai berikut:1. Sifat plastisitas yang berupa hubungan

tegangan dan regangan dapat diper-oleh dari hasil uji tarik.

2. Nilai strain hardeningn index n dankonstanta kekuatan K yang diperolehdari hasil perhitungan uji tarik dapatdigunakan untuk memprediksi kualitas

0.E+00

2.E+04

4.E+04

6.E+04

8.E+04

1.E+05

1.E+05

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006Waktu penekanan, s

Gay

a pe

neka

nan,

N

RST13RST14BrassAluminium

Gambar 9. Gaya Penekanan terhadap Waktu Penekanan

Tabel 1. Perbandingan Antara Sifat Plastisitas dan Kualitas Produk dari Empat Material

No Material n K (Pa) Gaya Penekanan maksimum, kN

Kualitas produk

1 Stainless steel rst14

0.217 9.06E+08 81.76 Produk dari dinding ke bawah baik, wrinkling di flange.

2 Stainless steel rst13

0.364 1.72E+09 109.2 Produk dari dinding ke bawah baik, wrinkling di flange.

3 Brass 0.491 2.36E+08 10.27 Produk dari dinding ke bawah baik, wrinkling di flange. Hasil terbaik.

4 Aluminum 0.319 3.30E+08 106.8 Pecah di dinding


produk deep drawing. Makin tinggi nmaka makin mudah dibentuk.

PERSANTUNAN

Penulis mengucapkan terima kasihsebesar-besarnya kepada semua pihak yangtelah membantu terlaksananya penelitian initerutama kepada DP2M Ditjen Dikti dan

Lembaga Penelitian dan Pengabdian KepadaMasyarakat Universitas Muhammadiyah Su-rakarta yang telah memberikan dana peneli-tian dan memberikan semua fasilitas yangdibutuhkan. Terima kasih juga disampaikankepada lab produksi dan lab komputer JurusanTeknik Mesin UMS yang telah memberikankesempatan untuk menggunakan semuamesin dan software Abaqus yang dibutuhkan.

DAFTAR PUSTAKA

Marciniak.Z, J.L. Duncan, S. J. Hu, 2002, Mechanics of Sheet Metal Forming, Laser WordPrivate Limited, Chennai, India

Mikell p. Groover,1996, Fundamentals of Modern Manufacturing, Prentice Hall, New Jersey

NUMISHEET, in: Proceedings of the 3rd International Conference and Workshop on NumericalSimulation of 3D Sheet Forming Processes, J.K. Lee, G.L. Kinzel, R.H. Wagoner (Eds.),1996.

NUMISHEET, in: Proceedings of the 4th International Conference and Workshop on NumericalSimulation of 3D Sheet Forming Processes, J.C. Gelin, P. Picart (Eds.), 1999.

NUMISHEET, in: Proceedings of the 5th International Conference and Workshop on NumericalSimulation of 3D Sheet Forming Processes, Dong-Yol Yang, Soo Ik Oh, Hoon Huh,Yong Hwan Kim (Eds.), 2002.

Serope Kalpakjian & Steven R Schmid, 2003, Manufacturing Process for Engineering Material,p.23, Pearson Education, Inc., Prentice Hall.

______, 2004, ABAQUS User’s Guard, USA

8 tri widodo

Documents