5. PROSES DEFORMASI DALAM PENGERJAAN LOGAM PEJAL (BULK)

Klasifikasi Proses Pengerjaan Logam Pejal Pengerjaan logam pejal dapat diklasifikasikan dalam beberapa proses pengerjaan seperti ditunjukkan dalam gambar 5.1 berikut ini.

Gambar 5.1 Klasifikasi proses pengerjaan logam

pejal

PENGEROLAN : proses deformasi dimana ketebalan bahan dikurangi dengan menekan bahan tersebut menggunakan dua rol yang saling berhadapan.

Pengerolan datar seperti ditunjukkan dalam gambar 5.2 adalah pengerolan terhadap bendakerja untuk memperoleh hasil rol yang memiliki permukaan datar. seperti :

- slab - lembaran (sheet)- strips - pelat

Pada umumnya pengerolan datar dilakukan dengan pengerjaan panas (disebut pengerolan panas) karena dalam pengerolan ini diperlukan deformasi yang besar.

60

Gambar 5.2 Proses pengerolen datar

Beberapa jenis produk baja yang dibuat dengan proses ini ditunjukkan dalam gambar 5.3 berikut ini.

Gambar 5.3 Beberapa jenis produk baja yang

dibuat dengan proses pengerolan

Keuntungan pengerolan panas : bebas dari tegangan sisa, dan sifat-sifatnya lebih homogen.

Kerugian :- dimensi kurang akurat,- terjadi oksidasi pada permukaan rolan.

Analisa :Dalam pengerolan datar (lihat gambar 5.4), bendakerja ditekan antara dua rol, sehingga ketebalannya mengalami pengurangan yang disebut draft:

d = to – tf

dimana :d = draft dalam in (mm)to = ketebalan mula-

mula dalam in (mm)tf = ketebalan akhir

dalam in (mm)

61

Gambar 5.4 Pandangan samping pengerolan datar

Draft kadang-kadang dinyatakan sebagai fraksi dari ketebalan bendakerja mula-mula yang disebut reduksi.

dimana r = reduksi

Bila pengerolan dilakukan secara seri (berulang-ulang), maka reduksi dihitung dari jumlah draft dibagi ketebalan mula-mula:Disisi lain pengurangan ketebalan menyebabkan pertambahan lebar yang disebut spreading (pelebaran).Karena volume benda tetap sama sebelum dan setelah pengerjaan, maka :

dimana : wo & wf = lebar bendakerja sebelum dan sesudah pengerjaan dalam in (mm).

Lo & L f = panjang bendakerja sebelum dan sesudah pengerjaan dalam in (mm).

Dengan cara yang sama dapat dinyatakan bahwa laju volume aliran material sebelum dan sesudah pengerjaan haruslah sama, sehingga kecepatan sebelum dan sesudah adalah :

dimana : vo & vf = kecepatan masuk dan keluar dari bendakerja.

Panjang busur sentuh antara rol dengan bendakerja ditentukan oleh sudut . Setiap rol memiliki jari-jari R, dan kecepatan putar vr, dimana : v0 vr vf.

Karena logam (bendakerja) mengalir secara kontinu, maka kecepatan bendakerja yang berada diantara kedua rol akan berubah secara gradual. Tetapi ada satu titik sepanjang busur yang mempunyai kecepatan sama dengan kecepatan putar. Titik ini disebut titik tanpa slip (no-slip-point), juga dikenal sebagai titik netral (netral point). Selain titik ini akn mengalami slip

62

dan gesekan antara rol dan bendakerja. Besarnya slip antara rol dan bendakerja dinyatakan dengan persamaan :

dimana :s = slip ke depan,vf = kecepatan akhir (keluar) bendakerja, ft/sec (m/s),vr = kecepatan rol, ft/sec (m/s).

Regangan sesunguhnya dapat dinyatakan dengan persamaan :

Regangan sesungguhnya tersebut dapat digunakan untuk menentukan

tegangan alir rata-rata yang terjadi pada bendakerja dalam pengerolan

datar. Persamaan tegangan alir rata-rata :

dimana = tegangan alir rata-rata dalam lb/in2 (MPa); dan

= regangan maksimum n = eksponen pengerasan regang K = koefisien kekuatan dalam lb/in (MPa)

Tegangan alir rata-rata berguna dalam menghitung perkiraan gaya dan daya dalam pengerolan.

Harga maksimum ditentukan dengan persamaan :

dimana : d max = draft maksimum = koefisien gesekan R = jari-jari rol dalam, in (mm)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa bila = 0, maka draft sama dengan nol, yang berarti pengerolan tidak dapat dilakukan.

63

Gambar 5.5 Variasi tekanan sepanjang bidang kontak dalam pengerolan datar

Gambar 5.5 menunjukkan bahwa tekanan ( p ) naik hingga mencapai titik tanpa slip kemudian turun. Gaya rol F dapat dihitung dengan rumus :

dimana : F = gaya rol, lb (N) w = lebar bendakerja, in (mm) p = tekanan rol, lb/in2 (MPa) L = panjang sentuh antara rol dengan bendakerja, in (mm)

Harga pendekatan dari gaya F di atas dapat juga dihitung dengan rumus :

Panjang sentuh (L) dapat dihitung dengan rumus :

Torsi pada setiap rol : atau

Daya (P) dapat dihitung dengan rumus :

atau

dimana : P = daya (power), in-lb/min (J/s) N = kecepatan putar, rev/min (1/s) F = gaya pengerolan, lb (N) L = panjang sentuh, in (m)

Contoh soal :Suatu lembaran logam lebar 12 in, tebal 1,0 in dideformasi dengan sepasang rol. Jari-jari masing-masing rol adalah 10 in. Ketebalan harus dikurangi menjadi 0,875 in, dengan sekali masuk (one pass) dengan kecepatan putar 50 rev/min. Benda/material kerja memiliki kurva alir yang ditentukan dengan K = 40.000 lb/in2, n = 0,15, dan koefisien gesekan adalah 0,12.Tentukan apakah gesekan mencukupi untuk mengerol lembaran tersebut ?Bila ya, hitung gaya rol, torsi, dan daya (HP)

64

Jawab :d = to – tf = 1,0 – 0,875 = 0,125 in

Draft maksimum yang dapat dihasilkan dengan koefisien gesek 0,12 adalah :

in

Jadi gesekan tersebut mencukupi.

= 1,118 in

lb/in2

lb.

in-lb.

in-lb/min.

1hp = 396.000 in-lb/min.

hp.

Pengerolan bentuk (shape rolling) Pengerolan bentuk dilakukan dengan mengumpankan bendakerja ke dalam sepasang rol yang mempunyai bentuk permukaan yang berlawanan/kebalikan dari bentuk produk yang diinginkan, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.3. Produk-produk yang dibuat dengan pengerolan bentuk adalah : I–beams, L–beams, dan U-channel.

Roda pengerolan (rolling mills)Konfigurasi dari berbagai jenis rolling mill ditunjukkan dalam gambar 5.6.

65

Gambar 5.6 Beberapa konfigurasi roda pengerolan (rolling mills)Keterangan gambar :(a) mesin rol dua tingkat (two-high rolling mill),(b) mesin rol tiga tingkat (three-high rolling mill),(c) mesin rol empat tingkat (four-high rolling mill),(d) mesin rol kluster (cluster mill),(e) mesin rol tandem (tandem rolling mill).

Mesin rol dua tingkatMesin rol ini mempunyai diameter sekitar 2,0 s/d 4,5 ft. (0,6 s/d 1,4 m). Rol ini dapat bekerja secara bolak-balik (reversing) atau searah (nonreversing).Rol yang bekerja searah selalu berputar pada arah yang sama, dan bendakerja selalu dimasukkan dari sisi yang sama.Rol yang bekerja bolak-balik arah putar rol dapat dibalik, sehingga bendakerja dapat dimasukkan dari sisi yang lain.

Proses kerja rol tingkat dua bolak-balik :1) Lembaran logam bergerak antara rol, kemudian dihentikan. 2) Arah rol dibalik, bendakerja dimasukkan dari sisi yang lain.3) Pada interval tertentu logam diputar 90o agar penampang uniform dan

butir-butir logam merata.4) Untuk mereduksi penampang ingot menjadi bloom diperlukan sekitar

30 pass.

Keuntungan :1) Dapat mereduksi luas penampang dalam berbagai ukuran.2) Dapat diatur kemampuannya sesuai dengan ukuran batangan dan laju

reduksi.

Kelemahan :1) Ukuran panjang batangan terbatas.2) Pada setiap siklus pembalikan gaya kelembaban arus diatasi.

Mesin rol tingkat tiga :Keuntungan :1) Tidak diperlukan pembalikan arah putar rol, sehingga tidak ada gaya

kelembaban yang harus diatasi.2) Biaya operasi lebih murah dan mempunyai keluasan lebih tinggi

dibandingkan dengan mesin rol bolak-balik.

Kelemahan :1) Diperlukan adanya mekanisme elevasi,2) Terdapat sedikit kesulitan dalam mengatasi kecepatan rol.

Mesin rol tingkat empat :Rol ini menggunakan dua rol dengan diameter lebih kecil yang bersentuhan langsung dengan bendakerja dan dua rol pendukung untuk menahan rol yang berdiameter lebih kecil. Biasa digunakan untuk lembaran yang lebar.

66

Mesin rol kluster :Menggunakan empat rol pendukung dengan dua rol yang berhubungan langsung dengan bendakerja dimana diameternya lebih kecil dibandingkan mesin rol tingkat empat. Penggunaannya sama dengan mesin rol tingkat empat.

Mesin rol tandem :Rol ini menggunakan beberapa pasang sol, sehingga dapat dioperasikan secara kontinu sampai dicapai ketebalan produk yang diinginkan.

Operasi pengerolan yang lain :(1) Pengerolan cincin (ring rolling), digunakan untuk mengurangi

ketebalan dan memperbesar diameter cincin lihat gambar 5.7;

Gambar 5.7 Proses pengerolan cincin (1) awal proses, (2) akhir proses

(2) Pengerolan ulir (thread rolling), dengan cetakan (dies) datar yang digunakan untuk membuat ulir luar lihat gambar 5.8;

Gambar 5.8 Proses pengerolan ulir dengan cetakan datar (1) awal proses, (2) akhir proses

(3) Penembus rol (roll piercing), digunakan untuk membuat tabung tanpa kampuh (seamless tubing) lihat gambar 5.9.

67

Gambar 5.9 Proses penembus rol untuk membuat pipa tampa kampuh

PENEMPAAN (FORGING) :Penempaan adalah proses deformasi yang dilakukan dengan menekan bendakerja diantara dua cetakan (die), baik menggunakan gaya kejut (impact) atau ditekan secara gradual hingga diperoleh bentuk akhir bendakerja yang diinginkan.

Klasifikasi tempa :Tempa dapat diklasifikasikan dengan berbagai macam cara, diantaranya berdasarkan temperatur kerja :1) Tempa panas atau hangat; cara ini paling banyak digunakan bila

diperlukan deformasi yang cukup besar; dengan memanaskan kekuatan logam dapat dikurangi dan keuletannya bertambah.

2) Tempa dingin; cara ini juga sering dilakukan untuk pembuatan produk tertentu. Keuntungan dari tempa dingin adalah dapat meningkatkan kekuatan yang dihasilkan dari pengerasan regang.

Berdasarkan cara pemberian gaya untuk mendeformasikan bendakerja, tempa dapat diklarifikasikan atas :1) tempa dengan beban impak (impact),2) tempa dengan beban gradual.

Mesin tempa yang digunakan untuk penempaan dengan beban impak disebut forging hammer, sedang yang digunakan untuk penempaan beban gradual disebut forging press.

Cara lain untuk mengklasifikasikan proses tempa adalah berdasarkan derajat aliran logam kerja yang didesak oleh dies, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.10.

Gambar 5.10 Tiga jenis operasi penempaan

(a) tempa cetakan terbuka (open-die forging),68

(b)tempa cetakan tertutup (impression-die forging),(c) tempa tanpa sirip (flashless forging).

Open-die forging; bendakerja ditekan diantara dua buah cetakan (die) yang datar (hampir datar) sehingga logam mengalir dalam arah lateral tanpa dihambat oleh permukaan cetakan. Operasi penempaan ini dikenal sebagai upset forging yaitu mengurangi tinggi bendakerja dan menambah diameternya.

Analisa open-die forgingBila open-die forging dilakukan pada kondisi yang ideal yaitu tidak ada gesekan antara permukaan bendakerja dan cetakan, sehingga terjadi deformasi yang homogen, dan aliran radial logam seragam, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.11.

Gambar 5.11 Deformasi homogen

bendakerja silinder dalam operasi cetakan terbuka

Pada kondisi ideal ini, regangan yang sebenarnya (true starin) dapat ditentukan dengan :

dimana : h0 = tinggi awal bendakerja,in (mm) h = tinggi pada titik berilkutnya, in (mm)

Pada akhir penekanan, h = tinggi akhir, hf

Gaya yang dibutuhkan untuk meneruskan penekanan hingga tinggi h dicapai :

dimana : F = gaya, lb (N) A = luas penampang lintang, in 2 (mm2) Yf = tegangan alir, lb/in2 (MPa).

69

Luas penampang lintang A secara bertahap akan bertambah selama operasi, dan sebaliknya tinggi h akan berkurang. Tegangan alir Yf juga bertambah sebagai akibat pengerasan bendakerja, kecuali logam tersebut plastis sempurna (misalnya dalam pengerjaan panas). Pada kondisi ini, eksponen pengerasan regang n = 0, dan tegangan alir Yf = Y (kekuatan yield logam). Gaya F akan mencapai harga maksimum pada akhir penekanan, yaitu pada saat A dan Yf memiliki harga tertinggi.Pada operasi upset forging yang sesungguhnya, deformasi yang terjadi tidak seperti dalam gambar 5.11, karena adanya gesekan antara bendakerja dengan permukaan cetakan, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.12.

Gambar 5.12 Deformasi sebenarnya bendakerja silinder dalam operasi cetakan terbuka

Gesekan ini akan bertambah bila pengerjaan dilakukan dalam keadaan panas dan cetakan (die) tetap dalam keadaan dingin. Hal tersebut dapat mengakibatkan :(1) bertambahnya koefisien gesekan, dan(2) adanya transformasi panas dari bendakerja ke permukaan/dekat

permukaan cetakan, sehingga bagian bendakerja yang berdekatan dengan cetakan lebih sulit dideformasi dibanding dengan bagian tengahnya.

Kedua faktor di atas menyebabkan gaya upset yang sebenarnya lebih besar dibandingkan dengan yang diprediksikan sebelumnya. Untuk menghitung gaya upset tersebut dapat digunakan rumus pendekatan sebagai berikut :

dimana : Kf = faktor bentuk penempaan (the forging shape factor)

dimana : = koefisien gesekan D = diameter bendakerja atau panjang bidang kontak dengan

permukaan die, in (mm)

70

h = tinggi bendakerja, in (mm)

Contoh soal (untuk open-die forging):Bendakerja bentuk silinder ditempa dalam keadaan dingin. Tinggi mula-mula 3,0 in dan diameter 2,0 in. Dalam operasi tersebut tinggi berkurang menjadi 1,5 in. Material kerja tersebut memiliki kurva alir dengan K = 50.000 lb/in2

dan n = 0,17.Bila koefisien gesekan 0,1 tentukan gaya :

a) pada saat proses dimulai,b) pada tinggi 2,5 in dan 2 in, danc) pada tinggi akhir 1,5 in.

Jawab :

in3

Pada saat upper die baru menyentuh permukaan bendakerja :

h = 3,0 in dan F = 0

Pada saat mulur (yielding) dimulai, maka h sedikit lebih kecil daripada 3,0 in, dan bila dianggap regangan = 0,002, maka :

lb/in2

Pada saat ini D 2,0 in (sedikit lebih besar daripada 2,0 in)

in2

Jadi gaya tempa pada saat proses dimulai :

lb.

Pada saat h = 2,5 in

lb/in2

Bila dianggap volume konstan :

71

in2

in

lb.

Dengan cara yang sama, maka diperoleh : Untuk h = 2,0 in F = 211.894 lbUntuk h = 1,5 in F = 317.500 lb

Kurva pembebanan ini dapat dilihat dalam gambar 5.13 berikut ini.

Gambar 5.13 Gaya upset sebagai fungsi tinggi dan reduksi tinggi

Open-die forging dalam praktik :Dalam proses industri open-die forging dilakukan dalam keadaan panas. Bentuk-bentuk yang dihasilkan dalam operasi open-die forging ditunjukkan dalam gambar 5.14 yaitu fullering, edging, dan cogging.

72

Gambar 5.14 Beberapa operasi penempaan cetakan terbuka (open die forging)

(a) Fullering (gambar 5.14 a) adalah operasi tempa yang dilakukan untuk mengurangi bagian melintang dan mendistribusikan logam bendakerja sebagai persiapan penempaan bentuk yang berikutnya. Permukaan cetakan berbentuk cembung. Ruang antara kedua cetakan (cavity) sering didesain dengan berbagai jarak (multicavity impression dies) sedemikian rupa sehingga operasi diawali dengan pembentukan kasar sebelum pembentukan akhir.

(b) Edging (gambar 5.14 b) hampir sama dengan fullering, hanya disini permukaan cetakan berbentuk cekung.

(c) Cogging (gambar 5.14 c) adalah operasi tempa yang dilakukan secara berturut-turut sepanjang panjang bendakerja untuk mengurangi bagian melintang dan menambah panjangnya. Cogging banyak digunakan dalam industri baja untuk membentuk ingot hasil pengecoran menjadi bloom dan slab. Biasanya digunakan open-die yang datar atau dengan permukaan yang sedikit berkontour. Proses ini kadang-kadang juga disebut incremental forging.

Impression–die forging; bendakerja ditekan diantara sepasang cetakan yang tertutup, sehingga aliran logam dalam arah lateral mendapat hambatan yang cukup signifikan Dalam operasi tempa ini, sejumlah kecil logam kerja mengalir ke dalam celah diantara kedua cetakan membentuk sirip (flash), seperti dapat dilihat dalam gambar 5.10(b). Flash yang terbentuk diantara kedua cetakan tersebut harus dipotong dengan proses trimming.Impression-die forging kadang-kadang juga disebut penempaan cetakan tertutup (closed-die forging), dimana bentuk rongga cetakannya merupakan kebalikan bentuk benda yang akan dibuat. Tahapan proses impression-die forging ditunjukkan dalam gambar 5.15.

Gambar 5.15 Tahapan proses impression-die forging

Bahan baku bendakerja dalam gambar tersebut berbentuk silinder serupa dengan bentuk bedakerja dalam operasi open-die forging.

73

Pada saat cetakan mendekati posisi akhirnya flash dibentuk oleh aliran logam pada celah diantara cetakan.Walaupun flash harus dipotong pada akhir operasi, tetapi sebenarnya juga bermanfaat untuk menekan aliran logam menuju celah diantara cetakan, sehingga logam akan mengisi seluruh rongga cetakan. Pada penempaan panas, aliran logam menuju celah akan terhambat karena flash yang tipis lebih cepat menjadi dingin, tekanan terhadap bendakerja akan bertambah dan mampu untuk mengisi seluruh bagian dari rongga cetakan, sehingga diperoleh kualitas produk yang lebih baik.Rumus gaya yang digunakan pada proses penempaan ini sama dengan rumus gaya yang digunakan dalam open-die forging, tetapi dengan interpetasi sedikit berbeda :

dimana : F = gaya maksimum, lb (N) A = luas proyeksi termasuk flash, in2 (mm2) Yf = tegangan alir material, lb/in2 (MPa) Kf = faktor bentuk penempaan

Pada penempaan panas harga Yf = kekuatan mulur (yield) logam pada temperatur tersebut. Harga Kf bertambah sesuai dengan bertambah kompleksnya bentuk/ geometri produk yang akan dibuat. Harga Kf untuk berbagai geometri produk dapat dilihat dalam tabel 5.1.

Tabel 5.1 Harga Kf untuk berbagai geometri produkPart shape Kf

Impression-die forging Simple shapes with flash Chomplex shapes with flash Very chomplex shapes with flashFlashless forging Coining (top and bottom surfaces) Complex shapes

6.08.010.0

6.08.0

Harga gaya maksimum dicapai pada akhir penempaan bila luas proyeksi terbesar dan gesekan maksimum.

Keterbatasan impression-die forging :Dimensi produk yang dihasilkan kurang akurat. Bila diinginkan dimensi yang lebih akurat, penyelesaian akhir dapat dilakukan dengan proses pemesinan.Biasanya geometri dasar dari produk yang dibuat dilakukan dengan proses tempa, dan bagian-bagian yang memerlukan ketelitian yang lebih baik dilakukan dengan proses pemesinan, misalnya lubang, ulir, dan permukaan-permukaan yang akan disatukan dengan komponen lainnya.Kelebihan tempa dibandingkan dengan proses pemesinan :- Laju produksi lebih tinggi- Pemakaian logam lebih hemat, dan

74

- Orientasi butir kristal lebih baik (bandingkan aliran butir kristal hasil penempaan dan pemesinan dalam gambar 5.16).

Gambar 5.16 Aliran butir kristal (a) penempaan panas dengan penyelesaian akhir pemesinan, (b) hasil

pemesinan

Dengan kemajuan teknologi impression-die forging, saat ini dapat dihasilkan produk tempa :- yang memiliki bagian-bagian yang sempit,- geometri yang lebih kompleks,- reduksi dimensi yang lebih besar,- toleransi yang ketat, dan- mengurangi pengerjaan pemesinan.

Proses tempa yang dapat menghasilkan produk di atas disebut precision forging.Gambar 5.17 memperlihatkan perbandingan antara precision forging dengan conventional impression-die forging.

Gambar 5.17 (a) Penempaan konvensional (b) penempaan presisi (precision forging)

Flashless forging disebut juga true closed-die forging, yaitu proses tempa dengan cetakan tertutup dimana bahan baku bendakerja seluruhnya berada dalam rongga cetak selama proses penekanan, dan tidak ada sirip (flash) yang terbentuk, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.18.

75

Gambar 5.18 Penempaan tanpa sirip (flashless forging)

Persyaratan penting yang harus dipenuhi :Volume bendakerja harus sama dengan ruang dalam rongga cetak.- bila volume bahan baku terlalu besar, kelebihan tekanan dapat

menyebabkan kerusakan pada die atau penekan;- bila volume bahan baku terlalu kecil, rongga cetak tidak terisi penuh.

Flashless forging sering diklasifikasikan sebagai precision forging process.Gaya pendekatan dapat dihitung dengan metode yang sama dengan yang digunakan pada impression die forging. Coining adalah penggunaan khusus dari flashless forging seperti ditunjukkan dalam gambar 5.19.

Gambar 5.19 Operasi

pembuatan koin (coining operation)

Die tempa, palu, dan penekanPeralatan yang digunakan dalam penempaan terdiri dari mesin tempa dengan klasifikasi :- palu (hammers) atau penekan (presses)- cetakan/die tempa (forging die)- peralatan pendukung lainnya, seperti :

tungku untuk memanaskan bendakerja, peralatan mekanik untuk memasang dan mengangkat

bendakerja, trimming untuk memotong sirip (flash).

Forging Hammer dioperasikan dengan menggunakan pembebanan kejut (impact) terhadap bendakerja. Istilah drop hammer sering digunakan untuk

76

mesin ini, sesuai dengan cara mengoperasikan energi impaknya seperti ditunjukkan dalam gambar 5.20.

Gambar 5.20 Drop hammer untuk impression-die forging

Drop hammer paling sering digunakan untuk impression-die forging. Cetakan bagian atas (upper die) diletakkan pada ram, sedang cetakan bagian bawah (lower die) diletakkan pada landasan (anvil). Dalam pengoperasiannya, bendakerja diletakkan pada lower die, dan ram diangkat dan kemudian dijatuhkan. Bila upperdie memukul bendakerja, energi impak akan menyebabkan bendakerja terdesak dan berubah bentuk mengikuti bentuk rongga cetakan. Kadang-kadang dibutuhkan beberapa pukulan untuk mencapai perubahan bentuk yang diinginkan.

Drop hammer dapat diklasifikasikan atas : - gravity drop hammers,- power drop hummer.

Gravity drop hummer; energinya dihasilkan dari bobot jatuh (falling weight) ram yang berat. Gaya pukul ditentukan oleh tinggi jatuhan dan berat dari ram.

Power drop hummer; gerakan ramnya dipercepat dengan udara atau uap bertekanan.

Kelemahan dari drop hummer adalah : energi impak tidak hanya diterima oleh bendakerja, tetapi juga diterima oleh landasan dan lantai bangunan.

Forging Presses; operasi tempa dengan tekanan gradual.Forging presses termasuk :- penekan mekanik (mechanical presses),- penekan hidrolik (hydraulic presses),- penekan ulir (screw presses)

Mechanical presses; operasi tempa dengan peralatan eksentris, cranks, atau knuckle joint yang merubah gerakan rotasi suatu motor penggerak

77

menjadi gerakan translasi ram. Biasanya gaya terbesar dicapai pada saat ram mencapai posisi paling bawah.

Hydraulic presses; operasi tempa dengan menggunakan piston penggerak hidrolik untuk menggerakkan ram.

Screw presses; operasi tempa dengan menggunakan mekanisme ulir untuk menggerakkan ram vertikal.

Baik screw presses maupun hydraulic presses bekerja dengan gerakan ram yang relatif lambat dan memiliki gaya tekan yang konstan, sehingga cocok digunakan untuk penempaan (dan pembentukan lainnya) yang memerlukan tekanan yang panjang.

Forging diesBeberapa terminologi yang sering digunakan dalam desain cetakan ditunjukan dalam gambar 5.21.

Gambar 5.21 Terminologi untuk impression-die forging

konvensional 1. Parting line; adalah bidang yang memisahkan upper die dan lower die.

Disebut flash line dalam impression-die forging.2. Draft; adalah tirus pada sisi bagian bendakerja yang dibutuhkan untuk

melepas bendakerja dari cetakan. Istilah ini juga digunakan untuk tirus pada sisi rongga cetak.Sudut draft yang digunakan : - untuk aluminium dan magnesium: 3o,

78

- untuk baja : 5o dan 7o,- untuk precision forging : 0o .

3. Webs dan ribs; web adalah bagian tipis dari tempaan yang sejajar dengan parting line, sedang ribs adalah bagian yang tipis dari tempaan yang tegak lurus terhadap parting line.

4. Fillet dan corner radii; radius kecil yang cendrung membatasi aliran logam dan menambah tegangan pada permukaan die selama penempaan.

5. Flash; adalah sirip yang terbentuk diantara celah die bagian atas dan bagian bawah dalam impression-die forging, yang berfungsi untuk menghambat aliran logam keluar cetakan, sehingga tekanan mengarah ke dalam untuk mengisi rongga cetak.

6. Gutter; saluran tempat terbentuknya sirip

Penempaan yang lain :1. Upsetting and heading, juga disebut upset forging adalah operasi

perubahan bentuk, dimana diameter bendakerja silinder diperbesar dan panjangnya dikurangi. Upset forging seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya menggunakan die terbuka, tetapi ada pula yang menggunakan die tertutup, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.22.

Gambar 5.22 Operasi upset forging menggunakan die tertutup dalam pembuatan kepala baut atau operasi sejenis lainnya

Upset forging banyak digunakan dalam industri untuk membuat kepala paku, baut, dan produk-produk yang sejenis. Gambar 5.23 menunjukkan pembentukan kepala dengan berbagai jenis konfigurasi die.

Gambar 5.23 Berbagai macam operasi upset forging, (a) pembentukan kepala paku dengan

79

die terbuka, (b) kepala bulat dibentuk dengan punch, (c) dan (d) kepala dibentuk dengan die , (e) kepala baut dibentuk dengan punch dan die

2. Swaging and radial forging, adalah proses penempaan yang digunakan untuk mereduksi diameter tabung atau batang pejal. Swaging sering digunakan pada ujung bendakerja untuk menghasilkan bentuk tirus. Proses swaging seperti ditunjukkan dalam gambar 5.24 menggunakan palu yang berputar untuk memukul bendakerja secara radial.

Gambar 5.24 Proses swaging yang digunakan untuk

memperkecil diameter bendakerja

Gambar 5.25 menunjukkan beberapa produk yang dibuat dengan proses swaging. Kadang-kadang digunakan mandrel untuk mengontrol diameter bagian dalam dari produk tabular yang ditempa dengan proses ini.Radial forging sejenis dengan swaging, hanya saja disini palu tidak berputar mengitari bendakerja, tetapi bendakerjanya yang berputar diumpankan ke suatu cetakan palu.

Gambar 5.25 Beberapa contoh produk yang dibuat dengan proses swaging :

(a) reduksi diameter batang pejal, (b) penirusan tabung, (c) pembentukanalur pada tabung, (d) bentuk lancip pada tabung, (e) leher tabung gas

3. Roll forging, adalah proses yang digunakan untuk mengurangi bagian melintang dari suatu bendakerja silinder (atau persegi) dengan cara memasukkannya melalui sepasang rol yang memiliki alur sesuai dengan bentuk akhir produk yang diinginkan. Operasi roll forging ditunjukkan dalam gambar 5.26 berikut ini.

80

Gambar 5.26 Roll forging

4. Orbital forging, deformasi terjadi karena cetakan bagian atas (upper die) yang berbentuk konis secara serempak berputar dan menekan bendakerja. Seperti ditunjukkan dalam gambar 5.27, bendakerja ditopang oleh cetakan bagian bawah (lower die) yang memiliki rongga cetak, sehingga akibat adanya tekanan dari upper die maka bagian bendakerja akan masuk mengisi rongga cetak tersebut. Karena sumbu konis miring, maka hanya luasan kecil dari permukaan bendakerja yang dapat ditekan dalam beberapa saat. Perputaran upper die menyebabkan permukaan di bawah tekanan akan ikut berputar, sehingga beban tekan yang dibutuhkan untuk mendeformasi bendakerja menjadi lebih kecil. Pada akhir dari proses ini, lower die mendorong bendakerja keluar dari cetakan.

Gambar 5.27 Orbital forging

5. Hobbing, adalah proses deformasi dimana pembentuk yang terbuat dari baja keras ditekan ke dalam balok baja lunak (atau logam lunak lainnya).

81

Proses ini sering digunakan untuk membuat rongga cetak cetakan plastik dan cetak tekan, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.28 berikut ini.

Gambar 5.28 Hobbing : (1) sebelum deformasi, dan (2) setelah deformasi

6. Isothermal and hot die forging,Isothermal forging adalah istilah yang digunakan untuk menyatakan operasi penempaan panas (hot forging), dimana temperatur awal bendakerja dipertahankan dengan menggunakan cetakan yang dipanaskan hingga memiliki temperatur yang sama dengan temperatur benda kerja. Cara ini digunakan untuk mendeformasi logam yang sulit ditempa seperti titanium, superalloys, dan bentuk-bentuk kompleks. Hot die forging hampir sama dengan isothermal forging, hanya disini temperatur yang dipakai sedikit lebih rendah dari temperatur bendakerja.

7. Trimming, adalah operasi yang digunakan untuk memotong sirip (flash) pada bendakerja hasil dari impression-die forging. Dalam gambar 5.29 dapat dilihat bahwa punch ditekan ke bendakerja yang diletakkan di atas cetakan pemotong sehingga sirip akan terpotong oleh ujung tajam dari cetakan tersebut. Trimming biasanya dilakukan pada saat bendakerja masih dalam keadaan panas.

Gambar 5.29 Operasi trimming

82

EKSTRUSIEkstrusi adalah proses pembentukan dengan penekanan logam kerja sehingga mengalir melalui cetakan yang terbuka untuk menghasilkan bentuk pada bagian melintang sesuai dengan yang diinginkan.

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:

83

- 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.

84

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 bendakerja terlalu panjang.

85

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 gerqkan 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.

86

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 (presesi),- 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

87

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 :

88

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)

89

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

90

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.

91

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.

92

Gambar 5.36 Beberapa jenis cacat dalam produk ekstrusi

(a) 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.

(b) 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.

(c) 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.

PENARIKAN KAWAT DAN BATANGPenarikan adalah operasi yang dilakukan untuk mengurangi diameter kawat/batang dengan menarik kawat/batang tersebut melalui die terbuka (gambar 5.37).

Gambar 5.37 Beberapa

Secara umum proses ini hampir sama dengan ekstrusi, bedanya pada ekstrusi bendakerja ditekan, sedang pada operasi penarikan bendakerja ditarik keluar dari dalam die terbuka.Istilah penarikan kawat (wire drawing) dan penarikan batang (bar drawing) digunakan untuk membedakan proses penarikan pada logam lembaran yang juga menggunakan istilah penarikan (drawing). Antara penarikan kawat dan penarikan batang tedapat perbedaan yang mendasar seperti ditunjukkan dalam table 5.2 berikut ini.

93

Tabel 5.2 Perbedaan antara penarikan kawat dengan penarikan batang :Penarikan batang (bar drawing) Penarikan kawat (wire drawing)

1. diameter bendakerja besar2. ditarik melalui satu die (single draft

operation)3. produk yang dihasilkan merupakan

batang lurus dengan panjang terbatas.

1. diameter bendakerja kecil2. ditarik melalui beberapa die (4

– 12)

3. produk yang dihasilkan sangat panjang (ratusan s/d ribuan feet)

Analisis penarikan :Dalam operasi penarikan, perubahan ukuran bendakerja biasanya dinyatakan sebagai reduksi luasan (area reduction), yang didefinisikan sebagai berikut:.

dimana : r = reduksi luasan dalam penarikan;A0 = luas penampang awal bendakerja, in2 (mm2) ;Af = luas penampang akhir bendakerja, in2 (mm2)

Dalam penarikan batang, dan dalam penarikan kabel dengan diameter besar untuk peng-upset-tan dan operasi pembentukan kepala, istilah draft digunakan untuk menyatakan berdedaan ukuran sebelum dan sesudah penarikan. Jadi draft adalah perbedaan antara diameter awal dan diameter akhir bendakerja.

dimana : d = draft , in (mm);D0 = diameter awal bendakerja, in (mm) ;Df = diameter akhir bendakerja, in (mm).

Bila dianggap tidak ada gesekan atau pekerjaan/pengerjaan lain yang terjadi selama penarikan, maka regangan sesungguhnya (true strain), dapat ditentukan sebagai berikut :

dimana : = regangan sesungguhnya.

Tegangan yang dihasilkan dari deformasi ideal ini dapat dinyatakan dengan :

94

dimana : = tegangan yang dihasilkan dari deformasi ideal, lb/in2

(MPa);

= tegangan regang rata-rata, lb/in2 (MPa).

Karena gesekan selalu terjadi dalam proses penarikan dan logam kerja mengalami deformasi tidak homogen, tegangan sesungguhnya akan lebih besar daripada tegangan yang diberikan dalam persamaan di atas. Sebagai tambahan variabel yang lain (selain A0/Af) yang juga mempengaruhi besarnya tegangan adalah sudut cetakan (die angle) dan koefisien gesekan antarmuka bendakerja dan cetakan. Metode yang dapat digunakan untuk memprediksi tegangan penarikan tersebut adalah persamaan yang disarankan oleh Schey :

dimana : d = tegangan penarikan (draw stress), lb/in2 (MPa); = koefisien gesek antara cetakan dan bendakerja ; = sudut cetakan (die angle), derajat; = faktor yang menyatakan ketidak homoginan deformasi.

Faktor ketidak homoginan deformasi untuk penampang bulat dapat dinyatakan dengan :

dimana : D = diameter rata-rata bendakerja selama penarikan, in (mm);Lc = panjang kontak (contact length) bendakerja dengan

cetakan, in (mm).

Harga D dan Lc dapat ditentukan dari persamaan berikut ini.

dan

Gaya yang bekerja pada proses penarikan ini adalah luas penampang bendakerja yang ditarik dikalikan dengan tegangan penarikan (draw stress) :

dimana : F = gaya penarikan (draw force), lb (N).

95

Daya yang diperlukan dalam operasi penarikan ini adalah gaya penarikan dikalikan dengan kecepatan keluar bendakerja.

Contoh soal :Kawat ditarik melalui suatu cetakan dengan sudut masuk = 15O. Diameter awal 0,100 in dan diameter akhir 0,080 in. Koefisien gesek pada antar muka cetakan bendakerja = 0,07. Logam memiliki koefisien kekuatan K = 30.000 lb/in2 dan eksponen pengerasan regang n = 0,20. Tentukan kekuatan penarikan dan gaya penarikan dalam operasi ini.

Jawab :

in.

in

in2.

in2.

lb/in2.

lb/in2.

lb.

Reduksi maksimum untuk setiap tahap penarikan (maximum reduction per pass)Satu pertanyaan yang mungkin timbul, mengapa dalam penarikan kawat dibutuhkan lebih dari satu tahap penarikan untuk mencapai reduksi penampang kawat sesuai dengan yang diinginkan, seperti pada proses ekstrusi ? Jawabannya dapat dijelaskan sebagai berikut. Dari persamaan tegangan penarikan berikut ini :

96

dapat dilihat bahwa semakin besar reduksi luasan penarikan (r), semakin besar pula tegangan penarikan ( ). Bila r cukup besar sehingga melebihi tegangan yield logam yang keluar dari cetakan terbuka (tegangan yield logam hasil penarikan), maka logam hasil penarikan tersebut akan mudah mengalami regangan, sehingga tidak ada logam baru lagi yang tertekan keluar dari cetakan terbuka tersebut. Jadi agar operasi penarikan ini dapat berhasil dengan baik, maka tegangan penarikan harus lebih kecil dari tegangan yield logam hasil penarikan.Bila kita anggap logam tersebut mengalami regangan plastis sempurna (tidak ada gesekan dan tidak ada gaya-gaya lain yang bekerja), maka n =1

sehingga (tegangan yield logam hasil penarikan). Dengan demikian

persamaan tegangan penarikan menjadi :

Ini berarti , jadi harus sama dengan logaritme natural

dengan basis bilangan e, sehingga :

dan

Jadi, reduksi maksimum yang mungkin dilakukan adalah:

Ketentuan di atas digunakan untuk reduksi maksimum teoritis dalam satu tahap penarikan (single draw), dengan mengabaikan :(1) pengaruh gaya gesekan dan gaya-gaya yang lain, dimana hal tersebut

dapat mengurangi reduksi maksimum yang mungkin dilakukan;(2) pengerasan regang, yang dapat meningkatkan reduksi maksimum yang

mungkin dilakukan karena kawat hasil penarikan lebih kuat daripada logam awalnya.

Dalam praktik biasanya dilakukan di bawah nilai reduksi maksimum teoritis di atas, biasanya sekitar 0,5 untuk penarikan batang dengan pengecilan satu tahap (single draft) dan sekitar 0,3 untuk penarikan kawat dengan pengecilan berulang-ulang (multiple draft).

Penarikan dalam praktekPenarikan biasanya dilakukan dalam operasi pengerjaan dingin.

97

Contoh produk penarikan kawat :- kabel listrik- kawat pagar- gantungan baju/kawat jemuran- kereta belanja - batang kawat untuk membuat : jarum, sekrup, rivet, per, dan lain-lain.

Contoh produk penarikan batang :Batang produk setengah jadi yang kemudian dimesin atau melalui proses-proses lainnya.

Keuntungan penarikan :- dimensi akurat- permukaan akhir baik- kekuatan dan kekerasan meningkat- laju produksi tinggi, cocok untuk produk masal.

Peralatan penarikanBar drawing dilakukan dengan menggunakan mesin yang disebut draw bench (gambar 5.38), terdiri dari :

Gambar 5.38 Bangku penarikan yang dioperasikan secara hidrolik untuk logam batang (bar)

- meja masukan (entry table)- penopang cetakan (die stand)- kereta (carriage)- rak keluaran (exit rack).Kereta digunakan untuk menarik batang melalui die. Kereta ini digerakkan dengan silinder hidralik atau motor-penarik rantai. Die stand biasanya didesain untuk memegang lebih dari satu die, sehingga beberapa batang dapat ditarik bersamaan.

98

Wire drawing, dilakukan dengan mesin penarik kontinu yang terdiri dari :- beberapa die, - drum penggulung (capstan drum)

Setiap die dipisahkan oleh drum penggulung yang berfungsi untuk menarik kawat. Drum penggulung digerakkan dengan motor (gambar 5.39).

Gambar 5.39 Penarikan kawat kontinu

Draw dies, dibuat dari baja atau karbida semented atau intan (gambar 5.40). Draw dies dapat dibagi atas empat daerah (region) :

Gambar 5.40 Penarikan batang persegi empat (bar), batang bulat (rod), atau kawat

- entry,- approach angle,- bearing surface,- back relief.

1) Entry region : daerah yang berbentuk mulut lonceng yang tidak menyentuh bendakerja.

2) Approach angle : daerah tempat awal terjadinya penekanan akibat proses penarikan. Besar sudut biasanya sekitar 6º – 20º, tergantung pada jenis material kerja.

99

3) Bearing surface (disebut juga land) : daerah yang menentukan ukuran akhir dari penarikan.

4) Back relief : daerah keluaran dengan sudut sekitar 30º .

Penyiapan penarikanPenarikan biasanya diawali dengan 3 tahapan penyiapan yaitu :1) Annealing yaitu proses laku panas untuk meningkatkan keuletan.

Kadang-kadang annealing dilakukan beberapa kali setelah penarikan.2) Cleaning yaitu proses pembersihan untuk menghindari cacat pada

permukaan kawat/batang.3) Pointing yaitu proses pengurangan diameter pada ujung kawat/batang

yang akan ditarik.Biasanya dilakukan dengan swaging, rolling, atau turning (pembubutan).

Penarikan TabungPenarikan tabung digunakan untuk mengurangi diameter atau ketebalan dinding tabung tanpa kampuh (seamless tube), setelah sebelumnya dikerjakan dengan operasi yang lain (missal ekstrusi). Penarikan dapat dilakukan dengan atau tanpa mandrel. Bila ukuran diameter dalam dan ketebalan dinding tabung tidak dipentingkan , maka penarikan dapat dilakukan tanpa mandrelU (gambar 5.41).

Gambar 5.41 Penarikan tabung tanpa mandrelBila diameter dalam dan ketebalan dinding tabung dipentingkan, maka dilakukan dengan mandrel (gambar 5.42).

Gambar 5.42 Penarikan tabung dengan mandrel (a) fixed mandrel , dan (b) floating plug

Ukuran diameter dalam tabung ditentukan oleh diameter mandrel, sedang ketebalan dinding tabung ditentukan oleh jarak ruang bebas antara mandrel dan die.

100

101