MAKALAH TOERI DAN PRAKTEK PEMBENTUKAN LOGAMPROSES EKSTRUSI

DISUSUN OLEH ;FACHRUL ARDIANSYAH5315122754

JURUSAN TEKNIK MESINUNIVERSITAS NEGERI JAKARTA

EKSTRUSIPengertian DefinisiProses ekstrusi merupakan proses pembentukan logam yang bertujuan untuk mereduksi atau mengecilkan penampang dengan cara menekan bahan logam melalui rongga cetakan. Pembentukan logam metoda ini menggunakan gaya tekan yang relatif besar. Proses ini biasanya digunakan untuk membuat batang silinder, tabung berongga, pipa atau profil-profil tertentu.Proses ekstrusi membutuhkan gaya yang relatif besar, sehingga pada umumnya operasinya dilakukan pada temperatur tinggi. Pada temperatur tinggi, umumnya logam memiliki tahanan deformasi rendah. Gaya deformasi menjadi rendah.Operasi ekstrusi dilakukan dengan memasukkan billet berbentuk silindris ke dalam wadah atau bejana ekstrusi, kemudian ditekan ke arah die atau cetakan. Cetakan ditahan dengan kuat pada dinding wadah ekstrusi. Gaya tekan melalui batang penekan, atau punch akan meng-upset atau mengodrong billet untuk memenuhi bagian dalam wadah. Sebagian logam akan keluar lubang penampang cetakan menjadi bagian produk.

Keuntungan ekstrusi-dapat menghasilkan bentuk melintang yang bervariasi, tetapi harus seragam,-struktur butir dan sifat kekuatannya bertambah dalam pengerjaan dingin dan hangat,-khusus untuk pengerjaan dingin, dapat dihasilkan toleransi yang ketat (presisi),-pada beberapa jenis ekstrusi, sisa material yang terbuang kecil atau tidak ada sama sekali.

Jenis ekstrusiEkstrusi dapat diklasifikasikan dengan berbagai cara yaitu berdasarkan :-konfigurasi fisiknya,,-temperatur kerja,-proses pembentukannya.Klasifikasi berdasarkan konfigurasi fisik :-ekstrusi langsung (direct extrusion),-ekstrusi tidak langsung (indirect extrusion).

Ekstrusi langsung; disebut juga ekstrusi kedepan (forward extrusion), ditunjukkan dalam gambar 5.30 berikut ini.

Gambar 5.30 Ekstrusi langsung

Logam yang akan diekstrusi dipasangkan di dalam kontainer, kemudian ram ditekan dengan gaya tertentu, sehingga logam kerja mengalir melalui satu atau lebih cetakan yang ditempatkan pada ujung kontainer. Pada saat ram telah mencapai cetakan, sebagian kecil dari logam kerja (bilet) masih tersisa di dalam kontainer. Sisa logam ini disebut butt, harus dipotong dari produk yang dibuat.

Kekurangan ekstrusi langsung:-Pada saat ram ditekan akan terjadi gesekan antara logam kerja dengan dinding kontainer, sehingga gaya yang dibutuhkan menjadi sangat besar;-Bila ekstrusi dilakukan dalam operasi pengerjaan panas, gesekan bertambah besar akibat terbentuknya oksida pada permukaan logam kerja (bilet).Untuk mengatasi hal ini, digunakan blok dummy sedikit lebih kecil dibandingkan dengan diameter bilet, sehingga akan dihasilkan cincin tipis (yaitu lapisan oksida) yang tertinggal pada dinding kontainer, dan produk akhir akan terbebas dari oksida.

Beberapa contoh produk yang dapat dibuat dengan proses ekstrusi langsung adalah produk berlubang atau semi berlubang (lihat gambar 5.31).

Tahapan proses :-mandrel dipasang pada blok dummy,-bilet ditempatkan di dalam kontainer dan ditekan dengan mandrel,-logam mengalir melalui ruang bebas antara mandrel dan cetakan tebuka.Note : bagian cetakan terbuka yang terbesar harus lebih kecil dari diameter bilet.

Gambar 5.31 (a) Ekstrusi langsung untuk menghasilkan penampang berlubang atau semi belubang; (b) penampang berlubang; (c) semi berlubang

Ekstrusi tidak langsung; disebut juga ekstrusi ke belakang (backward extrusion) atau ekstrusi mundur (reverse extrusion). Ekstrusi tidak langsung ditunjukkan dalam gambar 5.32. Cetakan dipasang pada ujung ram yang berlubang. Pada saat ram menekan bendakerja, logam yang ditekan akan mengalir melalui lubang ram dalam arah yang berlawanan dengan arah gerakan ram.

Gambar 5.32 Ekstrusi tidak langsung untuk menghasilkan penampang tidak berlubang

Kelebihan dan kekurangan ekstrusi tidak langsung dibandingkan dengan ekstrusi langsung.Kelebihan :-bilet tidak bergerak relatif terhadap kontainer, sehingga tidak terjadi gesekan antara bilet dengan dinding kontainer;-karena tidak tejadi gesekan, maka gaya tekan yang dibutuhkan lebih kecil dibandingkan dengan ekstrusi langsung.Kelemahan :-karena ram yang digunakan berlubang, maka kurang kokoh dibandingkan dengan ram pejal pada ekstrusi langsung;-hasil ekstrusi tidak dapat ditopang dengan baik sehingga sering terjadi deformasi (pelengkungan) akibat gaya gravitasi.

Ekstruksi tidak langsung juga dapat digunakan untuk membuat produk berlubang/tabular (gambar 5.33). Cetakan ditempatkan di ujung ram dan ditekan ke bilet, sehingga logam mengalir di sekeliling ram menghasilkan bentuk cawan.

Gambar 5.33 Ekstrusi tidak langsung untuk menghasilkan penampang berlubang

Kelemahan dari metode ini adalah : panjang produk ekstrusi yang dapat dibuat sangat terbatas. ram kurang kokoh bila benda kerja terlalu panjang.

Klasifikasi berdasarkan temperatur kerjaEkstrusi dapat dilakukan dalam operasi pengerjaan panas atau pengerjaan dingin tergantung pada : jenis logam yang diekstrusi, besar regangan yang dideformasi.

Logam yang biasa diekstrusi panas : aluminium, tembaga, magnesium, seng, timah, dan paduan logam-logam di atas, baja paduan.

Logam yang biasa diekstrusi dingin : aluminium, tembaga, magnesium, seng, timah, dan paduan logam-logam di atas, baja karbon rendah, baja tahan karat (strainless steel).

Ekstrusi panas, dilakukan di atas temperatur rekristalisasi.Keuntungan : Kekuatan logam dapat dikurangi, dan keuletan ditambah; Dapat mendeformasi logam kerja dengan pengurangan dimensi yang cukup besar; Dapat menghasilkan geometri produk yang lebih kompleks; Gaya ram yang dibutuhkan lebih kecil dan gerakan ram yang lebih cepat; Struktur butir kristal produk akhir yang dihasilkan lebih baik.

Kekurangan :- Terjadi pendinginan cepat pada permukaan billet yang bersentuhan dengan dinding kontainer sehingga gesekan bertambah besar. Untuk mengatasi hal ini biasanya dilakukan ekstrusi isotermal.- Untuk beberapa jenis logam (seperti baja) dibutuhkan pelumas.

Fungsi pelumas : Untuk mengurangi gesekan, Sebagai isolator panas antara bilet dan kontainer.

Ekstrusi dingin dan hangat digunakan untuk menghasilkan produk-produk tertentu, pada umumnya untuk pembentukan akhir atau mendekati akhir pembentukan.

Kelebihan ekstrusi dingin adalah: kekuatan bertambah karena adanya pengerasan regang, toleransi sangat ketat (presisi), permukaan hasil ekstrusi halus karena tidak terjadi oksidasi, laju produksi tinggi.

Klasifikasi berdasarkan proses pembentukan : proses ekstrusi kontinu, proses ekstrusi tidak kontinu (discrete).

Proses ekstrusi kontinu, sebenarnya tidak dapat dikatakan sebagai proses yang betul-betul kontinu karena panjang bilet yang dapat dipasang pada kontainer terbatas, sehingga produk yang dihasilkan panjangnya juga terbatas. Proses ini lebih tepat dikatakan sebagai operasi semi kontinu. Tetapi walaupun demikian dalam satu siklus ekstrusi selalu dilakukan pemotongan terhadap produk yang dihasilkan dengan panjang yang lebih pendek.

Proses ekstrusi tidak kontinu (discrete)Dalam setiap siklus ekstrusi hanya dihasilkan produk tunggal. Salah satu contoh proses ini adalah ekstrusi impak (impact extrusion).

Proses ekstrusi yang lain, yaitu proses ekstrusi yang dilakukan dengan cara khusus/unik.

Analisa ekstrusiBeberapa parameter dalam proses ekstrusi ditunjukkan dalam gambar 5.34. Dalam hal ini penampang melintang bilet dan penampang melintang hasil ekstrusi dianggap bulat.

Gambar 5.34 Tekanan dan variabel yang lain dalam ekstrusi langsung

Salah satu parameter penting adalah rasio ekstrusi. Rasio tersebut didefinisikan sebagai :

dimana : rx= rasio ekstrusi; A0 = luas penampang awal bilet, in2 (mm2); Af = luas penampang akhir bilet, in2 (mm2). Rasio ini berlaku baik untuk ekstrusi langsung maupun ekstrusi tidak langsung. Harga rx dapat digunakan untuk menentukan regangan sesungguhnya (true strain, ) dalam proses ekstrusi. Bila deformasi dianggap ideal dimana tidak terjadi gesekan maupun gaya-gaya yang lain, maka berlaku persamaan :

= ln rx

Dengan demikian, maka tekanan yang diberikan oleh ram untuk menekan bilet menuju ujung cetakan yang terbuka dapat dihitung dengan persamaan berikut :

dimana : p = tekanan ram, lb/in2 (MPa); = tegangan regang rata-rata, lb/in2 (MPa);

Persamaan di atas berlaku bila deformasi dalam proses ini terjadi secara ideal. Tetapi dalam kenyataannya akan selalu ada gesekan antara bilet dengan cetakan ketika bilet ditekan ke luar menuju ujung cetakan yang terbuka. Dalam ekstrusi langsung, gesekan juga terjadi antara dinding kontainer dan permukaan bilet. Akibat adanya gesekan ini, tekanan sesunguhnya akan lebih besar daripada tekanan yang diberikan dalam persamaan tekanan di atas. Persaman empiris yang sering digunakan untuk memperkirakan regangan ekstrusi adalah persamaan Johson :

dimana : = regangan ekstrusi; a dan b= konstanta empiris yang besarnya tergantung pada sudut cetakan, makin besar sudut cetakan makin besar pula nilai a dan b, pada umumnya : a = 0,8 dan b = 1,2 gingga 1,5.

Berdasarkan persamaan regangan ekstrusi Johnson, tekanan ram pada ekstrusi tidak langsung dapat dituliskan sebagai berikut :

Pada ekstrusi langsung, adanya gesekan antara dinding kontainer dengan permukaan bilet menyebabkan tekanan ram lebih besar daripada ekstrusi tidak langsung. Gaya gesek yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana : pf= tekanan tambahan yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan, lb/in2 (MPa) ; = luas penampang bilet, in2 (mm2); = koefisien gesekan pada dinding kontainer; pc= tekanan bilet terhadap dinding kontainer, lb/in2 (MPa) ;L= sisa panjang bilet yang diekstrusi, in (mm);DoL = luas antarmuka antara bilet dengan dinding kontainer, in2 (mm2);Ys= kekuatan mulur geser (shear yield strength), lb/in2 (MPa).

Bila dianggap , maka pf akan berkurang menjadi :

Jadi tekanan ram untuk ekstrusi langsung dapat dihitung sebagai berikut :

Sebagai catatan, selama proses berlangsung tekanan ram (p) akan berkurang sesuai dengan sisa panjang bilet yang diekstrusi (L).

Gambar 5.35 Grafik tekanan ram (p) sebagai fungsi gerakan ram(dan panjang bilet yang tersisa)

Dalam gambar 5.35 terlihat bahwa nilai tekanan ram dalam ektrusi langsung lebih tinggi daripada tekanan ram dalam ekstrusi tidak langsung. Hal ini disebabkan karena adanya gesekan antara permukaan bilet dengan dinding kontainer. Kemiringan garis pada awal terjadinya tekanan tergantung pada sudut cetakan, makin besar sudut cetakan semakin curam garis yang terbentuk. Hal ini berarti bahwa awal ekstrusi sesungguhnya (actual extrusion begins) akan terjadi setelah beberapa saat pergerakan ram (ram stroke) yang panjang gerakannya tergantung pada sudut cetakan, semakin besar sudut cetakan semakin cepat ekstrusi sesungguhnya terjadi. Jadi bila sudut cetakan besarnya 90O maka awal ekstrusi sesungguhnya akan dimulai bersamaan dengan pergerakan ram. Pada akhir pergerakan ram tekanan meningkat karena bagian kecil dari bilet yang tersisa di dalam kontainer (disebut butt) tertumpu pada cetakan.

Gaya ekstrusi baik untuk ekstrusi langsung maupun ekstrusi tidak langsung dapat dihitung sebagai perkalian antara tekanan ram (p) dengan luas penampang bilet (Ao).

F = pAo

dimana : F= gaya ram dalam ekstrusi, lb (N).

Daya yang dibutuhkan untuk melaksanakan operasi ekstrusi :

P = F v

dimana : P= daya, in-lb (J/s);v=kecepatn ram, in/min (m/s).

Contoh soal :Sebatang bilet dengan penampang melintang bulat, panjang 3,0 in. dan diameter 1,0 in. diekstrusi dalam suatu operasi ekstrusi langsung dengan rasio ekstrusi rx = 4,0. Sudut cetakan (setengah sudut) = 90O. Logam kerja memiliki koefisien kekuatan 69.000 lb/in.2, dan eksponen pengerasan regang = 0,18. Gunakan persamaan Johnson dengan a = 0,8 dan b = 1,5 untuk mempekirakan regangan ekstrusi. Tentukan tekanan yang digunakan hingga ujung akhir bilet akibat gerakan ram ke depan.

Jawab :Mari kita periksa tekanan ram pada panjang bilet L = 3,0 in. (harga awal), L = 2,0 in,, L = 1,0 in., dan L = 0.= ln rx = ln 4,0 = 1,3863

L = 3,0 in.; Dengan sudut cetakan 90O, logam bilet akan diekstrusi bersamaan dengan pergerakan ram, yang berarti tekanan ram maksimum dicapai pada saat panjang bilet L = 3,0 in.

L = 2,0 in.

L = 1,0 in.

L = 0; Panjang nol adalah harga hipotesa dalam ekstrusi langsung. Dalam kenyataannya tidak mungkin semua logam bisa ditekan habis melalui ujung pembukaan cetakan, sebagian kecil bilet (butt) akan tersisa di dalam cetakan sehingga tekanan akan mulai meningkat akibat butt tersebut tertumpu pada cetakan (lihat gambar 5.35). Perhitungan selanjutnya menunjukkan harga minimum hipotesa tekanan ram yang akan dihasilkan pada L = 0 adalah :

Ekstrusi impak, dilakukan dengan kecepatan yang lebih tinggi dan gerakan yang lebih pendek dibandingkan dengan ekstrusi konvensional. Ekstrusi impak/tumbuk digunakan untuk membuat komponen secara tersendiri. Tumbukan dapat dilakukan dengan ekstrusi ke depan (forward), ekstrusi ke belakang (backward), atau kombinasi dari keduanya. Beberapa contoh ditunjukkan dalam gambar 5.36.Ekstrusi impak untuk berbagai macam logam pada umumnya dilakukan dalam keadaan dingin. Ekstrusi impak ke belakang lebih banyak digunakan. Produk yang dibuat dengan proses ini antara lain tabung pasta gigi dan rumah bateri. Seperti ditunjukkan dalam contoh, dinding yang sangat tipis dapat dibuat dengan proses ini. Dengan kecepatan tinggi dapat dihasilkan reduksi yang besar dan kecepatan produksi yang tinggi, sehingga cara ini merupakan proses komersial yang penting.

Gambar 5.34 Beberapa contoh ekstrusi impak : (a) forward, (b) backward, (c) kombinasi forward dan backward

Ekstrusi hidrostatik (hydrostatic extrusion)Salah satu masalah yang dihadapi dalam ekstrusi langsung adalah gesekan antara billet dengan dinding kontainer. Untuk mengatasi masalah ini digunakan fluida yang ditempatkan di sekeliling billet di dalam kontainer. Fluida ditekan dengan menggerakkan ram ke depan, sehingga fluida menekan seluruh permukaan billet (gambar 5.35), mengakibatkan logam mengalir melalui die terbuka.

Gambar 5.35 Ekstrusi hidrostatik

Beberapa jenis cacat (defect) dalam produk ekstrusi :Cacat dalam produk ekstrusi dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa katagori, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.36 berikut ini.

Gambar 5.36 Beberapa jenis cacat dalam produk ekstrusi

1. Centerburst (gambar 5.36.a), retak yang terjadi pada bagian dalam produk ekstrusi yang terbentuk akibat adanya tegangan tarik sepanjang garis tengah (center line) bendakerja selama proses ekstrusi.1. Piping (gambar 5.36.b), cacat yang terjadi pada proses ekstrusi langsung, dimana pada ujung akhir billet terdapat lubang. Untuk menghindari terbentuknya cacat ini dapat dilakukan dengan menggunakan blok dummy dengan diameter sedikit lebih kecil daripada diameter billet. Nama lain dari cacat ini adalah tailpipe dan fishtailing.1. Retak permukaan (surface cracking) (gambar 5.36.c), cacat yang terjadi pada permukaan hasil ekstrusi.

Hal ini terjadi karena : gerakan ram terlalu cepat, gesekan antara billet dengan dinding kontainer, adanya efek cil pada billet panas.