Download - Metodologi Penelitian2
18
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Material penelitian
3.1.1 Material benda Kerja
Benda Kerja yang digunakan sebagai spesimen uji dalam penelitian ini
adalah kawat aluminium murni. Aluminium dipilih karena material ini memiliki
karakteristik logam lunak serta banyak diaplikasikan di micro part yang mana
juga merupakan tujuan dari penelitian ini untuk bisa membuat micro part.
Aluminium yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah tipe
commercial Aluminium (pure aluminium) yang banyak dijumpai dipasaran
dengan komposisi kimia seperti dalam tabel 3.1
Tabel 3.1 Komposisi Kimia Aluminum Murni
Unsur Persentase (% wt)
Al 99.60%
Si 0.25%
Fe 0.35%
Cu 0.05%
Mn 0.03%
Mg 0.03%
Zn 0.05%
V 0.05%
Ti 0.03%
Lain-lain 0.03%
Spesimen ini diperoleh dipasaran dalam bentuk kawat tergulung dengan
diameter 1,5 mm, sehingga di perlukan upaya lanjut untuk membuat spesimen
menjadi ukuran yang diinginkan.
(a) (b)
Gambar 3.1 Spesimen benda uji penelitian. (a) Kawat aluminium murni yang
telah dipotong, dan (b) Sketsa aluminium.
5 mm
1,5 mm
19
Spesimen yang digunakan adalah berdiameter 1,5 mm dan panjang 5
mm. Dalam menyiapkan benda uji, kawat aluminum murni dipotong
menggunakan dan kemudian diratakan permukaaannya. Alat bantu yang
digunakan adalah tang dan amplas.
3.1.2 Material Dies.
Untuk material dies, menggunakan baja JIS SKD 11. Material ini juga
sering disebut dengan AISI: D2 atau DIN: 1.2379 . JIS SKD 11 yang digunakan
memiliki komposisi kimia materialnya adalah seperti dalam tabel 3.2
Tabel 3.2 komposisi kimia JIS SKD 11
Unsur Prosentase (% wt)
C 1,55
Si 0,25
Mn 0,35
Cr 11,80
Mo 0,80
V 0,95
Dalam pembuatan die (cetakan), proses dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin
Politeknik Negeri Semarang menggunakan mesin EDM (Electric Discharge
Machine) dan elektroda yang digunakan adalah tembaga.
(a) (b)
Gambar 3.2 (a) Mesin EDM. (b) Elektroda Tembaga.
Elektroda
tembaga
20
Gambar 3.3 Desain Closed Die (cetakan). (a) Top Die, dan (b) Bottom Die.
3.2 Peralatan Penelitian
3.2.1 Mesin forging
3.2.1.1 Mesin Gravity Drop-Hammer Forging.
Gambar 3.4 Mesin Closed Die Forging
Keterangan:
1. Lampu Indikator 6. Bottom Die.
2. On/Off Button. 7. Lever.
3. Panel LCD. 8. Tuas Handle.
0,6 mm 2,86 mm
mmmm
1,5 mm
(a)
(b)
2,92 mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
21
4. Beban. 9. Sensor pemanas
5. Top die/Punch. 10. Pemanas/heater
3.2.1.2 Ejector.
Gambar 3.5 Ejector
3.2.2 Surface Roughness
Alat yang digunakan untuk pengukuran ini adalah Mitutoyo Surftest SJ-
201P roughness tester (gambar 3.11). Setelah itu catat hasil pengukuran ke dalam
data, dan pengukuran dilakukan sebanyak tiga kali untuk setiap produk.
Gambar 3.6 Mitutoyo Surftest SJ-201P roughness tester
3.2.3 Alat Uji Metallography
Untuk mengetahui perubahan struktur butiran pada produk jadi dilakukan
proses uji metallographu srtuktur butir menggunakan microscope type Olympus
PME 3 (gambar 3.15) pada perbesaran 50 kali dan 200 kali. Berukut ini adalah
beberapa peralatan yang dipakai sebelum nantinya dilakukan pemotretan hasil
menggunakan kamera.
22
Gambar 3.7 (a) Polish Machine (b) Microscope type Olympus PME 3
3.2.4 Peralatan Pendukung
(a) (b)
Gambar 3.8 (a) Vernier Calipver, (b) Mikrometer.
Gambar 3.9 USB Digital Microscope VP-EYE 6.0 dengan Perbesaran pertama
10~50X dan perbesaran kedua 195X
3.3 Parameter dan Variabel Penelitian
3.3.1. Variabel Bebas
Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini ada tiga, yaitu:
1. Variasi Pembebanan
Pembebanan yang dilakukan adalah dengan memvariasikan beban
yaitu 75N, 85N, 95N, 105N, 115N, 125N. Setiap beban yang tersebut
akan divariasikan lagi berdasarkan kecepatan yang diberikan.
23
2. Variasi Kecepatan Jatuh
Kecepatan jatuh diberikan berdasarkan set up elevasi ketinggian beban
jatuh.
Tabel 3.3 Kecepatan ram pada berbagai mesin forging
Ketinggian beban (mm) Kecepatan Jatuh beban (m/s)
25 2,215
50 3,132
75 3,836
Tabel 3.4 Kecepatan pada berbagai mesin forging [Altan, 1973]
Mesin Tempa Kecepatan
ft/detik m/detik Mesin Palu Jatuh (akibat gravitasi) 12-16 3,6-4,8 Mesin Palu 10-30 3,0-9,0 Mesin HERF 20-80 6,0-24,0 Mesin Mekanik 0,2-5 0,06-1,5 Mesin Hidrolis 0,2-1,0 0,06-0,30
3.3.2 Variabel Tetap
Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini adalah: temperatur (T)
baik itu temperatur benda kerja, dies, dan environtment tempat eksperimen.
Variabel tetap yang lain adalah proses dilakukan tanpa pelumasan
Temperatur benda kerja : 20oC
Temperatur cetakan : 20oC
Temperatur lingkungan : 20oC
Pelumasan : tidak ada (dry)
Operasi : Single- Stroke Process
3.3.3 Variabel Terikat
Variabel terikat adalah variabel yang merupakan mana karakteristiknya
merupakan efek samping dari diterapkannya atau divariasikannya variabel bebas.
Sehingga variabel terikat akan sangat tergantung dari pola variabel bebas yang
diberikan. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah :
1) Dimensi Geometri -forgeability(Diameter kepala produk, tinggi produk)
2) Surface roughness (kekasaran permukaan)
24
3) Barreling pada produk
4) Struktur butir
5) Cacat Produk
3.4 Tahapan Proses Eksperimen
3.4.1 Pembuatan cetakan
3.4.2 Persiapan spesimen uji
Proses persiapan bahan yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
a. Pengujian komposisi
Proses ini bertujuan untuk mengetahui komposisi dari unsur-unsur kimia
material yang digunakan. Pengujian dilaksanakan di PT Itokoh Ceperindo
Klaten. Hasil pengujian komposisi kimia material ditunjukkan pada Tabel
3.1.
3.4.3 Proses Pemesinan
Proses pemesinan dilakukan sesuai dengan desain eksperimen penelitian
seperti terlihat pada Tabel 3.3, dengan replika untuk setiap eksperimen sebanyak 3
kali.
Tabel 3.5 Desain eksperimen penelitian.
h
(mm)
V
(m/s)
Beban
(N)
E = 0,5m.v2
(J)
Temperatur
Ruang
Temperatur
benda kerja
dan cetakan
Jumlah
Eksperimen
25 2,215 75 18,75 20oC 20oC 3 kali
85 21,25 20oC 20oC 3 kali
95 23,75 20oC 20oC 3 kali
10,5 26,25 20oC 20oC 3 kali
11,5 28,75 20oC 20oC 3 kali
12,5 31,25 20oC 20
oC 3 kali
50 3,132 75 37,50 20oC 20oC 3 kali
85 42,50 20oC 20oC 3 kali
95 47,50 20oC 20oC 3 kali
10,5 52,50 20oC 20oC 3 kali
11,5 57,50 20oC 20oC 3 kali
12,5 62,50 20oC 20oC 3 kali
75 3,836 75 56,25 20oC 20oC 3 kali
85 63,75 20oC 20oC 3 kali
95 71,25 20oC 20oC 3 kali
10,5 78,75 20oC 20oC 3 kali
11,5 86,25 20oC 20oC 3 kali
12,5 93,75 20oC 20oC 3 kali
25
3.4.4 Pengukuran geometri diameter dan tinggi produk yang dihasilkan
3.4.5 Pengukuran barreling yang terjadi
(a) (b)
Gambar 3.10 (a) Penelitian barreling [Altan, 2001] (b) Skema pengukuran
barreling
3.4.6 Pengukuran Kekasaran Permukaan
Pengujian kekasaran permukaan dilakukan dengan menggunakan Mitutoyo
surftest SJ-201P roughness tester dengan pengambilan sampel dilakukan pada
titik di area sepanjang permukaan kepala produk hasil proses forging seperti pada
skema (Gambar 3.11). Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali, untuk setiap
specimen.
Gambar 3.11 Skema pengukuran kekasaran produk
3.4.7 Pengamatan cacat produk yang terjadi
Pengamatan cacat luar produk dilakukan dengan USB digital microscope
dengan perbesaran 10 ~ 50X dan 195X. Dan hasil pengamatan dari
microscope bisa di capture dalam komputer secara langsung.
d
1 D
2
26
Prosesnya adalah benda kerja yang berukuran kecil diletakkan dalam busa
sebagai holdernya sekaligus untuk mendapatkan kerataan permukaan,
selanjutnya digital microscope digunakan untuk mengamati.
Gambar 3.12 Skema penggunaan digital microscope
3.5 Pemodelan Metode Elemen Hingga menggunakan DEFORM 2D
Secara garis besar tahapan yang akan dilalui dalam penelitian ini
tergambar dalam flowchart pada gambar 3.13. Dimana disana tergambar alur
proses penelitian yang akan ditempuh/diaplikasikan dalam pemakaian software
Deform sebagai sarananya.
Gambar 3.13. Flow chart Pemodelan closed-die forging [Shen, 2001]
Benda kerja
Digital microscope
Busa
Kabel USB
ke PC Arah
penempatan
microscope
27
3.5.1 Parameter Input untuk simulasi Deform
Tabel 3.6 Parameter input untuk benda kerja dan die
Parameter
Benda Kerja
Cold Working
[20oC]
Parameter Top &
Bottom Die
Cold Working
[20oC]
Material Al-1100
Material JIS: SKD11, AISI: D2;
DIN: 1.2379
Young’s modulus
[GPa] 69
Young’s modulus
[Gpa] 210
Poisson’s ratio 0,334 Poisson’s ratio 0,30
Thermal expansion [1/ oC]
23,6. 10-6 Thermal expansion
[1/ oC]
10,4. 10-6
Thermal conductivity[W/m.K]
180 Thermal
conductivity[W/m.K] 20
Heat Capacity[N/mm2
oC]
2,433 Heat Capacity
[N/mm2 oC]
3,542
Emissivity 0,05 Emissivity 0,7
Diameter [mm] 1,5
Diameter [mm] 2,86 (top dies)
1,5 (bottom dies)
Tinggi [mm] 5 Tinggi/kedalaman
lubang [mm]
0,6 (top dies)
2,92 (bottom dies)
Temperatur [oC] 20 Temperatur [
oC] 20
Tabel 3.7 Parameter input sebagai variabel proses dalam simulasi Deform
Parameter proses Cold Working [20oC]
Temperatur lingkungan [oC] 20
Beban [N] 75,85,95,105,115,125
Blow Efficiency (0,3) ~ (0,6)
Sistem Mesin forging Free/gravity Drop-Hammer
Ketinggian jatuh beban [mm] 25, 50, 75
Lubrication Tidak ada
Koefisien gesek 0,4 (dry – steel die)
Step Simulasi 100
meshing Automatic by deform
Benda kerja Plastis
Die Rigid
Operasi One operation (single- stroke process)
Parameter material dari benda kerja dan tools sangat diperlukan untuk
memprediksikan secara akurat tentang laju aliran metal dalam proses deformasi
serta beban pembentukannya. Data hubungan tegangan regangan sangatlah
diperlukan. Namun kadangkala tools dianggap rigid sehingga deformasi pada
cetakan dan tegangan yang terjadi diabaikan. Namun untuk operasi proses forging
yang presisi, deformasi elastis yang kecil akan bisa berpengaruh pada kondisi
28
pembebanan secara termal dan mekanis serta distribusi tegangan kontak pada
permukaan dies-dan benda kerja.
3.5.2 Parameter Output hasil dari simulasi Deform
Parameter output yang bisa dihasilkan dari simulasi adalah :
1. Estimasi waktu (contact time) proses forging
Contact time yang semakin lama dengan adanya penekanan/beban yang besar
berakibat timbulnya gesekan yang kuat dan lama, sehingga berakibat
timbulnya peningkatan panas pada cetakan dan material. Panas berakibat
berkurangnya kekuatan material karena yield strength turun. Hal ini juga
berakibat kualitas kekasaran permukaan produk menjadi berkurang.
2. Ukuran Geometri produk (diameter, tinggi) dan barreling
Salah satu parameter keberhasilan proses adalah kesesuain geometri yang
dihasilkan dengan desain awal (cetakan terisi penuh) atau dengan kondisi
masih masuk toleransi kelayakan produk meski tidk penuh terisi.
Barreling merupakan efek adanya gesekan yang terjadi, semakin besar
nilainya berarti gesekan yang terjadi juga semakin besar. Barelling juga
merupakan penghambat untuk pemenuhan cetakan sehingga berpengaruh
terhadap kualitas geometri produk.
Hasil pengukuran geometri dan barreling pada simulasi ini akan
dibandingkan dengan hasil dari produk eksperimen.
Trend barreling yang terjadi juga akan dibandingkan dengan trend kekasaran
permukaan yang terjadi pada produk eksperimen.
3. Prediksi beban (grafik Load / Energy vs Time / Stroke)
Beban yang diberikan akan berimplikasi pada energy pembentukan yang kan
terjadi. Bahwa energy pembentukan untuk proses gravity drop hammer
adalah 0,1 ~ 0,2 dari total energy yang diberikan, maka gravik ini penting
untuk melihat apakah proses tersebut bekerja dalam energy yang optimum
atau berlebih sehingga akan berimplikasi semakin besarnya energi yang di
transfer ke cetakan dan berakibat pada resiko timbulnya cacat dan
pemendekan umur pakai cetakan.
29
(a) (b)
(c)
Gambar 3.14 Grafik (a) Load vs Displacement pada baja [ Altan, 1973]
dan (b) Load vs Displacement upseting Aluminium 1100 Annealed (c)
Simulasi Finite Element Load vs Stroke [Dixiet, 2002]
4. Perubahan volume benda kerja (Grafik Volume Change vs Time / Stroke)
Desain proses dengan sistem closed die ini adalah tanpa adanya flash, yang
berarti tanpa adanya kelebihan material awal yang disediakan. Dari hasil
simulasi akan di lihat apakah ada penyusutan volume sehingga ada
kemungkinan berpengaruh dalam terisi secara penuh cetakannya atau tidak.
Sehingga bisa direkomendasikan prosentase penambahan material awal untuk
mencapai pemenuhan cetakan dalam proses.
5. Effective Stress, Strain, Strain rate vs Time / Stroke
Parameter ini akan digunakan untuk pembanding dalam menganaisa trend
butir yang terjadi. Orientasi dan arah deformasi, serta titik-titik
30
konsentrasinya akan di bandingkan dengan pola yang terjadi pada produk
hasil eksperimen dalam uji metallography.
Gambar 3.15 Pengaruh forgeability dan flow stress pada kemampuan
pemenuhan pengisian cetakan [Sabrof,dkk. 1968]
6. Velocity vs Time / Stroke
Grafik kecepatan ini akan digunakan bersama dengan trend dari temperatur,
barreling. Sehingga posisi ideal dari kombinasi kecepatan dan beban yang ada
akan bisa ditentukan dengan mempertimbangkan kualitas dari proses forging.
7. Temperatur vs Time / Stroke
Dengan adanya hasil tentang peningkatan temeperatur yang terjadi, maka hal
ini membantu sekali dalam upaya mendesain ulang dies untuk daerah-daerah
kritis. Namun hal ini perlu dibuktikan terlebih dahulu bahwa untuk daerah
yang bertemperatur tinggi dan rendah secara simulasi benar adanya dengan
kondisi pada produk hasil eksperimen. Sebagai bahan komparasi daerah
bertemperatur tinggi akan diukur tinggkat kekasaranya dibandingkan dengan
yang bertemperatur rendah.
3.6 Diagram Alir Penelitian
Tahap penelitian dalam penelitian ini dapat digambarkan dengan diagram
alir proses penelitian seperti terlihat pada Gambar 3.16.
31
Gambar 3.16 Diagram alir penelitian.
Studi Pendahuluan
1. Literatur review
2. Studi Lapangan (alat dan bahan )
Variabel Penelitian
1. Variabel bebas 2. Variabel tetap
3. Variabel terikat
Desain proses eksperimen, pembuatan Dies forging
serta persiapan spesimen uji
Validasi
Hasil
Tidak
Ya
Pengumpulan Data
Selesai
Validasi Software DEFORM
2D V 2.8
Analisa Data
1. Formability (tinggi, diameter produk)
2. Cacat
Interpretasi Hasil
Kesimpulan
Eksperimen
Perbandingan hasil
1. Pengukuran Geometri akhir
(Tinggi, Diameter)
2. Pengukuran Barreling
3. Uji Kekasaran Permukaan 4. Metallography
5. Cacat
Mulai
Simulasi proses forging dengan
DEFORM 2D V 2.8