PEMILIHAN MATERIAL DAN PROSES PADA CAMSHFT

OLEH :

ROMIYADI YENY PUSPITA

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Kemajuan teknologi dibidang otomotif selalu berkembang dan berkelanjutan, baik model maupun kinerja mesin agar motor memenuhi syarat layak jalan (berjalan, berbelok,berhenti) dengan sempurna dan aman. Kinerja motor sangat ditentukan oleh : a. Kecepatan dimana kemampuan kendaraan melaju dengan jarak tempuh dan waktu tertentu. b. Akselarasi dimana kemampuan kendaraan melaju dengan mendahului kecepatan optimum pada awal dan variasi putaran. c. Kebutuhan bahan bakar, dimana kebutuhan bahan bakar kendaraan pada kecepatan tetap atau bervariasi. d. Jarak pengeraman, dimana kemampuan kendaraan mampu berhenti pada jarak pengereman tertentu. Salah satu bagian penting pada mesin kendaraan yang berpengaruh terhadap karakter dan power, terutama untuk mesin yang berjenis 4 langkah, adalah Camshaf (poros nok). Camshaft merupakan salah satu komponen mesin yang memiliki tugas untuk mengatur open-close engine valve (buka-tutup katup) saluran masuk dan buang pada ruang bakar sebuah mesin kendaraan. Camshaft akan berputar didalam mesin secara terus menerus selama mesin mobil dalam keadaan hidup. Bentuk camshaft berupa batangan besi dengan panjang tertentu yang memiliki bentuk khusus dan terdapat beberapa tonjolan landai pada badannya yang disebut Lobe. Untuk menghasilkan suatu camshaf yang dapat berfungsi optimal, pemilhan material yang digunakan dan proses pembuatannya merupakn bagian yang sangat penting. Untuk itu, diperlukan suatu proses pemilihan 2

material dan proses yang tepat untuk menghasilkan suatu produk camshaft yang berkualitas.

1.2 Tujuan Tujuan dari penulisan makalah ini adalah : a. Mengetahui pemilihan material yang sesuai untuk camshaft. b. Mengetahui proses manufaktur camshaft

1.3 Batasan Masalah Dalam mengerjakan makalah ini diperlukan pembatasan masah agar pembahasannya lebih dalam dan juga tidak meluas ke objek-objek yang lain. Batasan Masalah pada makalah ini adalah sebagai berikut: a. Proses pemilihan material camshaft b. Proses manufaktur camshaft

1.4 Sistematika Penulisan Untuk mempermudah penulis dan para pembaca maka penulisan makalah ini menggunakan sistematika sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini dijelaskan tentang latar belakang, tujuan, dan batasan masalah pada proses pemilihan material dan proses manufaktur pembuatan camshaft. BAB II TEORI DASAR Teori dasar merupakan bagian yang berisikan dasar-dasar teoritis atau konsep-konsep yang digunakan sebagai dasar pemikiran untuk membahas dan menjelaskan tentang sesuatu hal yang ada hubungannya dengan proses pemilihan material dan manufaktur camshaft. 3

BAB III PROSES PEMILIHAN MATERIAL DAN MANUFAKTUR Pada bab ini dijelaskan tentang proses pemilihan material dan proses manufaktur untuk pembuatan camshaft. BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN Dalam bab ini penulis menjelaskan tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah dilakukan.

4

BAB II TEORI DASAR 2.1 Mekanisme Katup Proses pembakaran gas pada mesin 4 langkah dikendalikan oleh mekanisme katup. Mekanisme katup merupakan suatu mekanisme dalam engine yang memiliki tugas untuk mengatur open-close engine valve (buka-tutup katup) saluran masuk dan buang pada ruang bakar sebuah engine (motor bakar). Struktur kerja mekanisme katup dan urutan kerja dimulai saat poros engkol berputar, maka akan mengakibatkan berputarnya camshaft yang dihubungkan melalui timing chain dan roda gigi/sprocket. Camshaft akan menggerakan rocker arm dan rocker arm akan menekan batang katup sehingga terjadi pergerakan katup.

5

Gambar 2.1. Mekanisme Katup

6

a. Katup Katup berfungsi sebagai pintu gerbang pemasukan bahan bakar dan pembuangan gas sisa pembakaran, yang mana waktu pembukaan dan penutupan katup-katup tersebut diatur sesuai dengan prinsip kerja mesin. Kontruksi katup terdiri dari kepala katup (valve head), batang katup (valve stem) berbentuk seperti jamur. Bagian katup yang berhimpit disebut permukaan katup (valve face) yang dibuat miring sesuai dengan kemiringan permukaan dudukan katup. Kepala katup atau daun katup, pada katup hisap berdiameterlebih besar

dibandingkan dengan katup buang, karena perbedaan tekanan antara gasyang masuk kedalam silinder dan gas yang keluar dari dalam silinder. Katup hisap mengandalkan perbedaan tekanan udara luar dengan penurunan tekanan dalam silinder yang disebabkan oleh hisapan torak, sedangkan pada katup buang gas bekas pembakaran akan keluar dari silinder dengan tekanan sisa pembakaran sehingga cukup kuat untuk mendorong gas bekas pembakaran keluar dari silinder. Disamping itu juga dimaksudkan agar pemasukan bahan bakar udara lebih sempurna.

7

Gambar 2.2. Katup

b. Dudukan katup Dudukan katup berfungsi sebagai tempat dudukan kepala katup. Antara kepala katup dengan dudukan katup harus membuat persinggungan yang rapat agar tidak terjadi kebocoran gas pada saat kompresi atau kerja. Sudut kemiringan persinggungan katup dengan dudukan katup untuk katup masuk dan katup buang adalah 45, lebar persinggungan katup dengan dudukan katup dimaksudkan agar ekanan katup dan dudukan katup dapat sebesar mungkin, agar persinggungan katup dengan dudukan katup tidak mudah terbakar dan tidak mudah terselip kotoran yang menyebabkan kebocoran gas pada langkah kompresi atau kerja.

8

Gambar 2.3. Dudukan katup

c. Pengantar katup/bos katup Pemasangan pegas katup belum tentu menjamin katup tersebut akan baik kedudukannya, agar katup dapat stabil pada kedudukannya, baik pada saat menutup ataupun saat membuka, maka katup dilengkapi dengan penghantar katup (valve guide) atau bos katup d. Pegas katup Fungsi dari pegas katup yaitu untuk mengembalikan katup agar tetap dalam keadaan rapat-rapat dalam kedudukannya. Telah diketahui bahwa kerja katup adalah membuka dan menutup

disesuaikan dengan langkah torak. Pada saat membuka, katup digerakan oleh sumbu nok dan pada saat menutup katup digerakan oleh pegas katup. Jumlah pegas yang dipasang pada sebuah katup ada yang satu katup dan ada yang dua buah.

Gambar 2.4. Pegas Katup

9

e. Rocker arm

Rocker arm dipasang pad rocker shaft. Bila rocker arm ditekan keatas oleh poros hubungan, katup akan tertekan dan membuka. Rocker arm dilengkapi dengan sekrup dan mur pengunci untuk penyetelan katup.

Gambar 2.5. Rocker arm

f. Poros engkol Poros engkol berfungsi mengubah gerak torak menjadi gerakan putar dan meneruskan gaya tersebut ke alat pemindah tenaga sampai ke roda. g. Camshaft Camshaft atau poros bubungan atau poros nok berfungsi untuk mengatur membuka dan menutupnya katup hisap maupun katup buang pada kepala silinder. Camshaft berputar lebih lambat dari poros engkol karena jumlah gigi sprocket poros bubungan dua kali lebih banyak dari pada jumlah gigi sprocket poros engkol. h. Timing chain Timing chain berguna untuk menghubungkan gigi poros engkol dengan gigi camshaft, sehingga putaran poros engkol dapat diteruskan ke camshaft dan terjadilah persesuaian antara gerak naik turunnya piston dengan terbuka dan tertutupnya katup alam melakukan proses 10

kerja. Roda gigi/sprocket adalah roda gigi berfungsi menerima putaran dari gigi poros engkol dan meneruskannya ke camshaft.

2.2 Mekanisme Kerja Camshaft Camshaft atau sering disebut poros bubungan atau poros nok adalah sebuah alat yang digunakan dalam mesin torak untuk menjalankan valve poppet (buka tutup katup). Bentuk camshaft berupa batangan silinder dengan panjang tertentu yang memiliki bentuk khusus dan terdapat beberapa tonjolan landai seperti telur pada badannya yang disebut cam atau biasa juga disebut lobe atau bubungan. Bagian yang bernama cam/lobe inilah yang akan bertugas menggerakkan katup mesin sehingga mampu membuka lubang masuk dan keluar ruang bakar mesin dan waktu buka-tutup inilah yang dapat mempengaruhi tenaga pada sebuah mesin. Tiap pabrikan mesin mobil membuat bentuk sebuah camshaft yang berbeda-beda, meskipun itu original, terutama pada bagian lobe-nya. Oleh karena itu setiap jenis mesin pada mobil dari berbagai merk, pastinya memiliki tenaga dan torsi yang berbeda-beda pula.

11

Gambar 2.6. Camshaft

Gambar 2.7. Cam/Bubungan

12

Hubungan antara perputaran camshaft dengan perputaran poros engkol sangat penting. Karena katup mengontrol aliran masukan bahan bakar dan pengeluaran, mereka harus dibuka dan ditutup pada saat yang tepat selama stroke piston. Untuk alasan ini, camshaft dihubungkan dengan crankshaft secara langsung, atau melalui mekanisme "gear", atau secara tidak langsung melalui rantai yang disebut rantai waktu. Dalam beberapa rancangan camshaft juga menggerakkan distributor, minyak dan pompa bahan bakar. Juga dalam sistem injeksi bahan bakar dahulu, cam di camshaft akan mengoperasikan penginjeksi bahan bakar tersebut. Dalam sebuah mesin dua-langkah yang menggunakan sebuah camshaft, setiap valve membuka sekali untuk setiap rotasi crankshaft; dalam mesin ini, camshaft berputar pada kecepatan yang sama dengan crankshaft. Dalam mesin empat langkah, katup-katup akan membuka setengah lebih sedikit, oleh karena itu dua putaran penuh crankshaft terjadi di setiap putaran camshaft. Tergantung lokasi dari camshaft tersebut, cam menggerakkan katup secara langsung ataupun melalui hubungan antara pushrods dan pelatuk katup. Cara kerja yang langsung menghasilkan mekanisme sederhana dan kesalahan yang sedikit, tetapi camshaft harus diposisikan di atas silinder. Dahulu, ketika mesin tidak secanggih sekarang, kelihatannya mekanisme tersebut sangat mengganggu, akan tetapi di era mesin modern, sistem cam overhead, dimana camshaft di atas cylinder head, adalah sangat umum. Beberapa mesin menggunakan satu camshaft untuk setiap katup masukan dan katup keluaran; sama dengan yang dikenal sebagai double atau dual overhead cam (DOHC) atau cam ganda yang ditempatkan di atas silinder, lalu sebuah V Engines membutuhkan empat camshaft.

13

Gear Valve Timing pada sebuah mesin Ford Taunus V4 gear yang kecil ada di crankshaft, gear yang lebih besar ada pada camshaft. Perbandingan gear menyebabkan camshaft bekerja setengah RPM dari crankshaft. Gesekan luncur antara bagian muka cam dengan follower tergantung kepada besarnya gesekan. Untuk mengurangi aus ini, cam dan follower mempunyai permukaan yang keras, dan minyak pelumas modern mengandung bahan yang secara khusus mengurangi gesekan luncur. Lobe (daun telinga) dari camshaft biasanya meruncing,

mengakibatkan follower atau pengangkat katup berputar sedikit dalam setiap tekanan, dan membuat aus komponen. Bagian muka dari cam dan follower dirancang untuk aus bersamaan, jadi ketika salah satu telah aus maka keduanya harus diganti untuk mencegah aus yang berlebihan. Selain gesekan mekanik, dorongan besar juga diperlukan untuk mengatasi pegas katup yang selalu mendekati katup mesin. Hal ini akan mengakibatkan 25% dari keluaran total mesin menjadi kosong,

mengurangi efisiensi keseluruhan. Ada dua pendekatan yang telah dicoba untuk mengatasi energi yang terbuang tersebut, akan tetapi nyatanya sulit untuk diterapkan.

14

BAB III PROSES PEMILIHAN MATERIAL DAN MANUFAKTUR 3.1 Metode Pemilihan Material Secara garis besar material dibagi dalam beberapa kelompok besar. Fungsi yang spesifik dari material bisa di tentukan apabila induk materialnya sudah di ketahui. Setiap material mempunyai struktur, mechanical properties, physical properties, dan

modification properties yang berbeda-beda.

Gambar 3.1. Klasifikasi material

15

Tabel 3.1 Mechanical Properties

Tabel 3.2 Physical Properties

16

Dalam pengembangan sebuah model (part) baru pasti akan diikuti oleh beberapa pertanyaan seperti : Benda seperti apa itu? Apa fungsinya? dan bagaimana cara kerja mesin itu?. Untuk menjawab

semua pertanyaan itu diperlukan penetapan sifat-sifat kerja dari part yang sesuai dengan desain, kemampuan material yang digunakan secara garis besar dan proses yang akan digunakan. Cara ini bisa dilakukan untuk menyaring kelas material dan proses mana yang akan digunakan. Pemilihan dari kemampuan material dibagi menjadi 5 kategori yaitu : 1. Sifat operasi (functional requirement) dari part Sifat operasi berhubungan langsung dengan karakteristik dari pembebanan yang diterima part secara langsung. Apakah part itu menerima beban gesek, beban tarik, beban geser, beban kejut, dll. 2. Kondisi operasi part (resistance to service condition) Kondisi lingkungan tempat beroperasi mempunyai peran yang sangat penting dalam yang menentukan suatu material. Contohnya

lingkungan lingkungan

memungkinkan terjadinya korosi, seperti rendah, berdampak merugikan bagi

bertemperatur

kebanyakan material. 3. Kemampuan Proses (process ability requirement) Kemampuan kemampuan part proses suatu material bisa dinilai dari

tersebut untuk dikerjakan dan dibentuk menjadi memiliki sifat castability,

barang jadi. Contohnya part tersebut

formability, machinability, weldability, dan hardenability. 4. Cost Harga biasanya menjadi faktor penting dalam evaluasi

material karena tidak sedikit aplikasi yang mempunyai batasan budget. Penentuan harga biasanya dibandingkan dengan aplikasi yang akan di gunakan. 17

Gambar 3.2. Cost

5. Ketahanan uji (reliability requirement) Ketahanan uji bisa diartikan kemungkinan akan ketahanan suatu material terhadap fungsi tanpa adanya kerusakan atau

kegagalan proses.

3.2 Proses Pemilihan Material a. Analisis Produk Dari bab sebelumnya sudah dijelaskan bahwa proses pembakaran gas pada engine dikendalikan oleh mekanisme katup. Mekanisme katup merupakan suatu mekanisme dalam engine yang memiliki tugas untuk mengatur open-close engine valve (buka-tutup katup) saluran masuk dan buang pada ruang bakar sebuah engine (motor bakar). Camshaft merupakan salah satu kompenen dalam system mekanisme katup. Camshaft bertugas untuk mengatur membuka dan menutupnya katup hisap maupun katup buang pada kepala silinder. Dalam proses kerjanya, dengan putaran mesin. Camshaft camshaft berputar seiring berputar lebih lambat dari

poros engkol karena jumlah gigi sprocket poros bubungan dua kali lebih banyak dari pada jumlah gigi sprocket poros engkol. Cam atau lobe merupakan bagian dari camshaft yang akan membuka 18

dan menutup katup. Cam sendiri berbentuk seperti telur dimana pada saat katup menyentuh bagian yang paling lonjong, maka katup akan terbuka. Dan apabila katup bertemu dengan bagian yang paling datar maka katup akan terbuka. Berdasarkan hal diatas, maka untuk menentukan material camshaft harus mempertimbangkan hal-hal sebagi berikut :

Tahan putaran tinggi Material camshaft haruslah yang tahan putaran tinggi karena dalam melakukan tugasnya, camshaft berputar dengan

kecepatan tinggi. Tahan gesekan / aus Untuk membuka dan menutup katup, terjadi kontak langsung antara cam/lobe dengan katup. Oleh sebab itu material yang dipilih haruslah tahan terhadap gesekan/aus. Tahan panas Camshaft merupakan bagian dari suatu engine dimana terjadi pembakaran dan menimbulkan panas. Oleh sebab itu material yang dipilih merupakan material yang tahan terhadap panas. Tahan defleksi Ductile Efisiensi,durability, environment, manufacturability Harga Dibawah ini adalah tabel daftar kebutuhan dan gambar hirarki kebutuhan yang dinginkan untuk menentukan material camshaft.

19

Tabel 3.3 Tabel Kebutuhan Dalam Menentukan Material Camshaft

Fungsi : Camshaft (Camshaft terdiri shaft berputar yang meneruskan gaya dari crankshaft dimana pada shaft tersebut terdapat cam yang berfungsi mengatur mekanisme katup pada mesin dan mengubah gerakan berputar menjadi gerak bolak balik) Constraint Cam Shaft Tahan aus/ beban geser Tahan beban puntir (torsi) Tahan putaran tinggi (7500 Tahan putaran tinggi (7500 rpm) rpm) Tahan suhu tinggi (150 200 oC) Tahan suhu tinggi (150 200 Strength o C) Tahan defleksi Stiff Mampu proses Tought Dimensi (diameter shaft 25 mm Mampu proses panjang shaft 25cm) Kekasaran 0.2-0.5 Kekakuan S=50 N/m Tujuan : Minimalisasi biaya Variabel bebas : Pemilihan material dan proses

Gambar 3.3. Hirarki kebutuhan untuk camshaft

20

b. Kondisi Pembebanan Pada Camshaft Dan Perhitungan Shaft adalah elemen mesin berputar yang digunakan untuk memindahkan gaya dari satu tempat ke tempat lain Gaya yang dialami shaft : 1. 2. Gaya tangensial Torsi resultan (momen puntir) Stress pada camshaft : 1. Shear stress (pada nouse lobe) 2. Kombinasi beban torsi dan bending Shaft yang mengalami beban fluktuatif yaitu momen torsi (T) dan momen bending (M), maka momen torsi ekivalen adalah :

Momen bending ekivalen

Dimana : Km = kombinasi kejut dan faktor fatik untuk bending Kt = kombinasi kejut dan faktor fatik untuk torsiTabel 3.3. Faktor pembebanan pada shaft

21

Gambar 3.4. Camshaft

Shaft terbuat dari mild steel mentransmisi gaya 10 KW pada 7500 rpm. Panjang shaft 25 cm. Pada shaft terdapat 2 cam dengan berat 1 N pada jarak 10 cm dari tepi shaft. Asumsikan nilai keamanan tegangan, hitung diameter shaft ?

P = 10 KW; N = 7500 rpm; L = 25 cm = 0,25 m; m = 0,1 kg; W=m.g = 0,1 . 10 m/s2 = 1 N Torsi yang ditransmisikan oleh shaft : = 60 10000 60 = = 12, 739 2 2. 3,14 .7500

= 0 RA + RB = 2 x 1 N 22

= 0 0.1.RC + 0,15.RD - 0,25 . RB = 0 0,1(1) + 0,15.(1) - 0,25 . (2 RA) = 0 0,25 0,5 + 0,25RA = 0 RA = 1 N, RB = 1 N Momen bending maksimum M = 1 x 0,1 = 0,1 Nm Momen punter (twisting) ekivalen : = 2 + 2 = 16

0,12 + 12,7392 = 12,739 Nm = 12, 739 . 103 3 = 16 60 3 ( = 60 N/mm2)

12, 739 . 103 =

d3 = 10,81868 x 102mm = 10,2658 mm Untuk shaft yang menahan beban katup dan pegas , jika dianggap beban katup dan pegas sebesar masing masing

sebesar 9 Newton, maka beban shaft menjadi ;

Dengan perhitungan yang sama maka didapat ; RA = RB = 10 N Momen bending maksimum M = 10 x 0,1 = 1 Nm = 2 + 2 = 16

0,12 + 12,7392 = 12,739 Nm = 12, 778. 103 3 = 16 60 3 ( = 60 N/mm2 )

12, 778 . 103 =

d3 = 10,85180 x 102mm = 10,276 mm

23

Jadi diameter minmum yang diijinkan untuk shaft adalah mm.

11

Untuk perancangan shaft dengan diameter 25 mm, kondisi pembebanan tersebut memenuhi.

Momen puntir (twisting) ekivalen pada cam : Km = 1,5 dan Kt = 1,5 Untuk beban 1 N; = + 2 2

+ +

2

= = 5,874 Nm

0 + 1,5

+ 12,739 + 1,5

2

Untuk beban 10 N; = + 2 2

+ +

2

= = 14,278 Nm

0 + 1,5

+ 12,778 + 1,5

2

Gambar 3.4. Cam / Lobe

Km = 1,5 dan Kt = 1,5 = + 2

+ +

2

=

0 + 1,5

2

+ 12,739 + 1,5

2

= 5,874 Nm Gambar. 3. 5 .Faktor bentuk shaft 24

Luas penampang shaft berdiamter 25 mm: = 2 = 3,14 . 12,52 = 490,625 mm2 = 4,90625 . 10-4 m2 Tegangan pada shaft : = 10 = = 2,0382 . 104 2 4,90625 . 104 2 = 0,020382 2

Jika massa shaft ditentukan berkisar antara 0,5 hingga 1,5 kg , maka density shaft: = =

0,5 = 4,07843. 106 3 490,625 mm2 .250 mm = 4,078 3

=

1,5 = 1,222929. 105 3 490,625 mm2 .250 mm = 12,2293 3

25

Gambar. 3. 6 Grafik kekuatan dan massa jenis shaft Indeks material jika diambil = 0,5 . 104 2 : = 0,5 . 104 2 2 = = 0,408854 2 12,2293 3

Momen I untuk ketahanan terhadap bending : I = 4 = 3,14 . 12,54 = 7,66602 . 108 4

26

48. . 7,66602 . 108 4 = 2,3555 . 104 ( ). 0,25 3

Tabel .3.4 Kekakuan

Untuk S = 50 N/m E E E50 2,3555 .10 4

2,122691573. 105 N/m2 212,2692 GPa

E diambil 130 GPa

c. Pemilihan Material Sebagai pertimbangan dalam pemilihan material untuk camshaft, maka diambil 3 jenis material biasa yang umum dipakai dan yaitu : Baja (steel) Besi Tuang (cast iron) Aluminium akan dipertimbangkan sebagai material untuk camshaft

1. Sifat sifat material

27

Sebelum melaksanakan proses seleksi material, perlu diketahui properties dari material dari material-material yang jadi pertimbangan sehingga sesuai dengan properties material yang diinginkan.

Tabel 3.5. Requrement properties dan kisaran nilai

Berikut ini adalah sifat-sifat dari material yang dipertimbangkan untuk material camshaft. Alumunium Keuntungan penggunaan material alumunium : 1/3 masa jenis (density) baja

28

Strength tinggi untuk rasio berat dengan

Dapat menerima pengerasan permukaan anidizing dan hard coating Al-alloy dapat di las

Kerugian penggunaan material alumunium : Hampir semual alumunium kehilangan kekuatan

(strength) pada suhu elevasi , sebagian bisa menahan kekuatan (strength) hingga 500 F. Kekakuan rendah (sekitar 10000 psi atau 1/3 baja). Struktur harus lebih besar Cast iron Cast iron mengandung 2,14% 4,3% karbon dengan sejumlah kecil mangan, belerang, fosforus, dan silikon Besi cor terdiri dari besi kelabu, besi nodular, besi putih, besi malleable. a. Besi cor kelabu Terdiri dari 2.5-4.0 %C & 1.0-3.0%Si. Graphite berbentuk serpihan-serpihan, dikelilingi oleh matriks ferrite or pearlite Besi cor kelabu standar sangat keras diakibatkan karbon yang mengembang dalam stuktur yang bertindak sebagai perambat tegangan Bisa diberikan perlakuan panas untuk memperbaiki struktur yang membuat material menjadi mampu bentuk dan mampu tempa b. Besi Cor putih

29

Seluruh karbon merupakan simentit sehingga sangat keras dan getas. Mikrostruktur terdiri dari karbida putih sehingga tidak bisa di las c. Besi cor mampu tempa (maleable) Dibuat dari besi cor putih dengan melakukan heat treatment kembali untuk menguraikan gumpalan grafit (Fe3C) menjdi ferrite, pearlit & martensit serta

mempunyai sifat mirip baja. d. Besi cor nodular Merupakan perpaduan besi cor kelabu yang berbentuk grafit bola-bola kecil dimana ujung-ujung flake berbentuk takikan Mempunyai keuletan tinggi (disebut juga ductile cast iron). Sifat mekanik dapat ditingkatkan dengan perlakuan panas.

Tabel 3.6. Komposisi cast iron

Tabel. 3.5 Komposisi cast iron

Steel Baja merupakan campuran antara iron dan carbon, dengan kandungan baja maximum 1.5%. Carbon berperan dalam membentuk iron carbide, karena sifat mampu untuk meningkatkan hardness/kekerasan dan strength/kekuatan dari baja. Elemen lain seperti silicon, sulphur, phosforus 30

dan mangan juga mempengaruhi baik itu menambah atau mengurangi dari properti baja. Kebanyakan pada saat ini baja dibentuk dalam bentuk plain carbon steel. Carbon steel di definisikan sebagai baja yang

mempunyai kandungan karbon dan tidak mengandung 0.5% silicon dan 1.5% mangan. Plain carbon steel berkisar antara 0.06% sampai dengan 1.5% carbon yang dibagi-bagi menjadi beberapa jenis carbon steel. a. Low Carbon or mild Steel up to 0.30% carbon b. Medium carbon Steel 0.30% to 0.60% carbon c. High carbon steel lebih dari 0.60% carbon 2. Efek Pepaduan Elemen ALUMUNIUM - Aluminium yang paling aktif di deoxidizer umum digunakan dalam produksi baja. Digunakan dalam pengawasan melekat ukuran butiran. BORON Penambahan boron padabaja sekitar 0,0005 ke 0,003% akan meningkatkan hardenability. Dikombinasikan dengan elemen lainnya alloying, boron bertindak sebagai "intensifier",meningkatkan keamanan kedalaman selama quenching. CARBON - Bila sejumlah kecil karbon yang ditambahkan ke besi, maka properti yang memberikan nilai baja yang hebat mulai muncul. Sejumlah karbon meningkat hingga ,80 atau ,90%, logam menjadi keras, memiliki gaya tarik lebih besar, dan apa yang paling penting, menjadi semakin responsif terhadap perawatan dengan panas sesuai perkembangan yang sangat tinggi dan kekuatan keras. Jika karbon yang akan meningkat melebihi batas-batas tertentu 31

dalam dataran karbon baja, kemampuan untuk bekerja baik panas atau dingin akan hilang hampir seluruhnya, dan akan mulai menganggap karakteristik cast iron, yang biasanya memiliki 1,7 ke 4,5% karbon. CHROMIUM - kromium meningkatkan respon terhadap perlakuan panas. Ini juga meningkatkan kedalaman penetrasi keras. Paling kromium-bearing alloys berisi ,501,50% kromium. Stainless steels berisi kromium dalam

jumlah besar (12 sampai 25%), sering di kombinasi dengan nikel, dan memiliki daya tahan untuk meningkatkan dan oksidasi korosi. COLUMBIUM - Columbium di 18-8 stainless steel memiliki serupa efek untuk titanium dalam pembuatan baja untuk kekebalan berbahaya karbit hujan dan hasil antar granular korosi. Columbium bearing welding electrodes digunakan dalam kedua welding titanium dan stainless steels sejak titanium columbium bearing akan hilang melas

sedangkan yang arc columbium diselenggarakan atas ke dalam menggalang deposit. COPPER - Tembaga biasanya ditambahkan dalam jumlah ,15-,25% menjadi atmospheric untuk meningkatkan daya tahan korosi dan meningkatkan ketegangan dan

menghasilkan kekuatan hanya dengan sedikit kerugian dalam hal elastis. Tinggi kekuatan yang dapat diperoleh oleh hujan keamanan tembaga-bearing baja. IRON - Besi adalah unsur utama dari baja. Biasanya komersial mengandung unsur besi lainnya hadir dalam jumlah yang berbeda-beda produksi yang diperlukan

32

mekanis properti. Besi tidak mempunyai kekuatan, yang sangat elastis dan lembut dan tidak menanggapi panas perawatan untuk setiap derajat yang cukup besar. Hal ini dapat sedikit keras oleh pengerjaan dingin, tetapi tidak sebesar hampir bahkan seorangpemberi baja karbon rendah. LEAD Lead dalam baja sangat meningkatkan

kemampuan mesinnya. Bila lead yang halus dan seragam dibagi didistribusikan tidak diketahui efek pada properti mekanik dari tingkat kekuatan baja paling sering

ditentukan. Biasanya ditambahkan dalam jumlah dari 15% hingga 35%. MANGAN Biasanya terdapat di semua baja dan

berfungsi sebagai deoxidizer dan juga untuk memberi kekuatan dan respon untuk perawatan panas. Mangan biasanya terdapat dalam jumlah dari 1 / 2% hingga 2%, tetapi untuk baja tertentu dalam kisaran 10% hingga 15%.

MOLYBDENUM - Molybdenum meningkatkan keras dan meningkatkan kekerasan.

penetrasi

Molybdenum

cenderung membantu baja melawan kelemahan pada suhu tinggi dan yang penting adalah alat memastikan kekuatan tinggi merayap. Hal ini umumnya digunakan dalam relatif mulai dari jumlah kecil ,10-,40%. NICKEL - Nikel meningkatkan kekuatan dan ketangguhan, tetapi merupakan salah satu elemen yang paling efektif untuk meningkatkan kuantitas mampu yang keras umum (hardenability). adalah 1-4%,

Penambahan

33

meskipun aplikasi tertentu, sebagai persentase tinggi sebesar 36% yang digunakan. Steels mengandung nikel biasanya memiliki resistansi impak, khususnya di suhu rendah. Stainless steels tertentu mengandung nikel sampai sekitar 20%. FOSFOR - fosfor Sejumlah fosfor terdapat pada semua baja. Di Selain menghasilkan peningkatan kekuatan dan mengurangi hal elastis di rendah suhu, fosfor diyakini untuk meningkatkan perlawanan terhadap atmospheric korosi. SILICON - Silicon adalah salah satu deoxidizers umum digunakan selama proses manufaktur. Terdapat dalam berbagai kuantitas hingga 1% pada baja memiliki manfaat efek pada beberapa properti seperti gaya tarik. Juga steels khusus digunakan di dalam orang banyak dari 1,5% menjadi 2,5% silicon ke meningkatkan hardenability. Tingkat persentase, silicon ditambahkan sebagai alloy untuk menghasilkan listrik karakteristik tertentu dalam socalled beberapa silicon steels listrik dan di beberapa juga menemukan alat steels

aplikasi

tempat

tampaknya memiliki keamanan dan toughening efek. SULPHUR - Sulphur merupakan elemen penting dalam baja karena dalam jumlah yang besar akan meningkatkan machinability. Jumlah yang umumnya digunakan untuk tujuan ini adalah ,06-,30% sulphur adalah pembentukan panas. TELLURIUM - The penambahan sekitar ,05% tellurium ke leaded baja meningkatkan machinability melalui leaded hanya steels.

34

TITANIUM - Titanium ditambahkan ke 18-8 stainless steels untuk membuat kekebalan terhadap endapan karbit.

Kadang-kadang ditambahkan ke lembar karbon rendah untuk membuatnya lebih cocok untuk lapisan porselen TUNGSTEN - Wolfram digunakan sebagai alat alloying unsur dalam baja dan cenderung untuk menghasilkan halus, padat dan ujung pemotong tajam ketika digunakan dalam jumlah yang relatif kecil. Bila digunakan dalam jumlah yang lebih besar dari 17 hingga 20% dan dikombinasikan dengan alloys, ia menghasilkan baja kecepatan tinggi pada suhu tinggi dalam kecepatan pemotongan tinggi. Tungsten juga digunakan di

pemanasan baja tertentu di mana penympanan kekuatan pada temperatur tinggi sangat penting. Biasanya digunakan bersama dengan khrom alloying atau elemen lainnya. VANADIUM - Vanadium, biasanya dalam jumlah ,15-,20% pertumbuhan butir lambat, bahkan setelah keamanan dari suhu diperpanjang setelah periode pemanasan. Alat baja mengandung vanadium tampaknya menolak benban kejut lebih baik. 3. Efek Pembebanan Efek pembebanan bertujuan untuk melihat distribusi tegangan dan displacement yang terjadi pada material-material yang dipetimbangkan sebagai material camshaft. Untuk membantu, digunakan simulasi dari program cosmos expres.

35

Pembenanan dilakukan dengan meberi gaya yang sama pada material yang dipertimbangkan sebagai material camshaft.

Distribusi tegangan Alumunium Alloy (7079 Alloy)

36

Gambar 3.5. Distribusi tegangan untuk material Aluminium Alloy (7079 Alloy)

Maleable cast iron

37

Gambar 3.6. Distribusi tegangan untuk material malleable Cast iron

Steel AISI 1020

38

Gambar 3.7. Distribusi tegangan untuk material Steel AISI 1020

Dari hasil simulasi untuk distribusi tegangan dapat disimpulkan bahwa tegangan terbasar yang terjadi pada setiap material ; Alluminium Alloy (7079 alloy) Maleable cast iron Steel AISI 1020 = 741164 N/m2 = 748508 N/m2 = 746117 N/m2

Displacement

39

Alumunium Alloy (7079 Alloy)

Gambar 3.8. Distribusi displcacement untuk material Aluminium Alloy (7079 Alloy)

Maleable cast iron

40

Gambar 3.9. Distribusi displcacement untuk material Maleable cast iron

Steel AISI 1020

41

Gambar 3.10. Distribusi displcacement untuk material Steel AISI 1020

Dari

hasil

simulasi

untuk

distribusi

displcement

dapat

disimpulkan bahwa displcement terbasar yang terjadi pada setiap material ; Alluminium Alloy (7079 alloy) Maleable cast iron Steel AISI 1020 = 1.2878e-007 m = 4.7813e-005 m = 4.5715e-005 m

4.

Biaya (Cost)

42

Masalah biaya menyangkut beberapa variable yang mempengaruhi. Konsumen tidak hanya mempertimbangkan masalah biaya pembelian, namun juga biaya perawatan, performa dan umur pakai, serta biaya upah penggantian part yang rusak.

Gambar 3.11. Diagram Harga

Tabel 3.7. Harga untuk beberapa material

43

44

45

Gambar 3.11. Diagram Harga material per unit massa

46

Gambar.3.12 Persamaaan untuk menentukan cost/ biaya berdasarkan Fungsi, Tujuan dan batasan Tabel .3.8 Density beberapa material

47

Gambar 3.13. Diagram Harga Kekuatan Material

Tabel. 3.9 Estimasi harga beberapa material berdasarkan beam, minimum cost stiffness prescribed

Dari gambar 3.13 dan dari tabel 3.9 diatas dapat dilihat bahwa material yang mempuyai harga yang rendah adalah Cast Iron. Tabel 3.9 adalah tabel hasil perhitungan estimasi harga terhadap material yang dipertimbangkan berdasarkan Beam, minimum cost stiffness prescribed ( Gambar. 3.12)

48

5. Penentuan Pemilihan Material Berikut ini adalah hasil dari pemilihan material berdasarkan kebutuhan camshaft yang dinginkan : Kondisi suhu operasi : cast iron dan steel Stiffness(Modulus young tinggi) : Steel dan cast iron Kemampuan proses : Iron dan steel Berat (density rendah) : Alumunium Harga : Cast iron Dari proses pemilihan material berdasarkan pertimbangan dari kebutuhan camshaft terhadap material material yang dipertimbangkan untuk material camshaft, maka material yang dipilih adalah Cast Iron (Malleable)

3.3 Pemilihan Proses Manufaktur Setelah melakukan proses pemilihan material, langkah

selanjutnya adalah proses pemilihan manufaktur. Proses ini perlu dilakukan untuk memilih proses manufaktur yang sesuai untuk camshaft berdasrkan material yang telah dipilih dan berdasarkan pertimbangan-pertimbangan kebutuhan camshaft yang dinginkan.

49

Gambar 3.13. Diagram Jenis-Jenis Proses Manufaktur

Adapun proses manufaktur dari suatu produk secara umum dibagi tiga kategori yaitu : a. Shaping (pembentukan) b. Joining (penyatuan /assembli) c. Finishing (penyelesaian akhir)

Pada kasus ini, camshaft yang didesain adalah camshaft dimana poros dan camnya menyatu sehingga proses metal shaping terdiri dari Shaping Finishing

50

a. Shaping Proses shaping adalah proses pembentukan awal suatu produk dari suatu material. Proses ini terbagi beberapa proses antara lain : Casting Methods Moulding Methods Deformation Methods Powder Methods Special Methods Untuk menentukan metode yang digunakan bergantung dari beberapa faktor antara lain : Jenis material yang akan dibentuk Bentuk produk Toleransi Massa Kakasaran Kekakuan Dan lain-lain

Dibawah ini adalah beberapa diagram sebagai pertimbangan dalam menentukan pemilihan material

51

Gambar 3.14. Diagram Matrik Proses Material

52

Gambar. 3.15 Diagram Matrik Proses Bentuk Produk

53

Gambar. 3.16. Diagram Matrik Hubungan Proses Massa

54

Gambar. 3.17. Diagram Matrik Hubungan Proses Toleransi

55

Tabel 3.10. Toleransi Dari Beberapa Proses Manufaktur

Berdasarkan dari pertimbangan diatas, maka metode yang dipilih untuk proses shaping adalah casting. Casting terdiri dari : Sand casting : Investment Casting Die Casting

56

Sand casting :

Gambar. 3.18. Sand Casting

Keuntungan dari sand casting adalah : Hampir semua logam dapat digunakan Hampir tidak ada batasan ukuran dan bentuk bagian Sangat kompleks Biaya peralatan murah Umumnya jalur dari pola langsung ke casting

Keterbatasan : Selalu memerlukan pemesinan Hasil permukaaan kasar Sulit untuk mendapatkan toleransi yang kecil Kemungkinan cacat pada beberapa material

57

Die Casting

Gambar. 3.19. Die Casting

Keuntungan : Hasil permukannya halus Akurasi dimensi yang bagus Proses pembuatan cepat

Keterbatasan : Biaya cetakan mahal Terbatas pada logam non ferrous Pengerjaan terbatas pada part yang kecil

58

Investment Casting

Gambar. 3.20. Investment Casting

Keuntungan : Hasil produk mempunyai akurasi yang tinggi Hasil permukaan yang bagus Pengerjaan tidak terlau rumit Dapat mengecor semua logam Toleransi kecil.

Keterbatasan : Terbatas pada pegerjaan parts yang kecil Biaya pembuatan pola dan cetakan mahal Biaya tenaga kerja yang tinggi

59

Spesifikasi camshaft yang dinginkan yang berhubungan dengan proses manufaktur adalah : Berat kurang dari 1 kg Kekasaran kecil Toleransi kecil Berdasarkan pertimbangan keuntungan dan keterbatasan dari beberapa proses casting dan juga berdasarkan spesifikasi camshaft yang dinginkan, maka proses yang dipilh untuk metal shaping pada camshaft adalah : Die Casting

Heat Treatment (Perlakuan Panas) Perlakuan panas dilakukan jika ingin memperbaiki sifat mekanik atau mengubah struktur mikro material. Adapaun Proses Heat treatmen antara lain : Annealling Tujuan annealing adalah untuk melunakkan baja sehingga meningatkan mampu mesin atau mengubah mikro struktur terutama untuk perlakuan panas lanjutan Normalizing Merupakan operasi sederhana untuk meng-annealing pada logam adalah pemanasan diatas garis kritis dan karbon ustenite yang dibentuk . Selain dalam tungku, baja dibiarkan didinginkan pada udara tenang. Laju pendinginan yang cepat membuat seluruh karbon berdifusi dan ukuran butiran yang sngat lembut terbentuk disebabkan terbentuknya kristal ferrite dan pearlite

pada saat yang sama. Kemudian struktur diprbaiki dan kekerasan dan ketangguhan meningkat. Banyak baja karbon medium yang 60

Quenching Pendinginan secara cepat yang lakukan dengan pencelupan dalam media air atau minyak. Bentuk kistal berubah menjadi body center cubik dan struktur mikro berubah menjadi martensite yang bersifat sangat keras dan getas. Struktur mempunyai tegangan dalam sangat besar dan tidak cocok untuk hampir seluruh penggunaan. Tempering Merupakan pemanasan kembali dari quenching, baja martensit penuh ke temperatur dibawah titik kritis untuk memodifikasi struktur dan mengurangi tegangan dalam.

3. Finishing Proses Finishing adalah proses penyelesaian akhir dari suatu proses pembuatan suatu produk. Proses ini bertujuan untuk memperhalus, memperindah serta mempercantik produk sehingga produk tersebut siap untuk dipasarkan dan dipakai. Pada proses finishing pembuatan Camshaft, proses finishing yang dipilih adalah : a. Turning Turning (Bubut) merupakan suatu proses pemakanan benda kerja yang sayatannya dilakukan dengan cara memutar benda kerja kemudian dikenakan pada pahat yang digerakkan secara translasi sejajar dengan sumbu putar dari benda kerja. Gerakan putar dari benda kerja disebut gerak potong relatif dan gerakkan translasi dari pahat disebut gerak umpan (feeding). Dengan mengatur perbandingan kecepatan rotasi benda kerja dan

61

kecepatan translasi pahat maka akan diperoleh berbagai macam ulir dengan ukuran kisar yang berbeda. Hal ini dapat dilakukan dengna jalan menukar roda gigi translasi (change gears) yang menghubungkan poros spindel dengan poros ulir (lead screw). Roda gigi penukar disediakan secara khusus Untuk memenuhi keperluan pembuatan ulir. Jumlah gigi pada masing-masing roda gigi penukar bervariasi besarnya mulai dari jumlah 15 sampai dengan jumlah gigi maksimum 127. roda gigi penukar dengan jumlah 127 mempunyai ke khususan karena digunakan untuk monversi dari ulir metrik ke ulir inchi. Prinsip Kerja Mesin Bubut Poros spindel akan memutar benda kerja melalui piringan pembawa sehingga memutar roda gigi pada poros spindel. Melalui roda gigi penghubung, putaran akan disampaikan ke roda gigi poros ulir. Oleh klem berulir, putaran poros ulir tersebut diubah menjadi gerak translasi pada eretan yang membawa pahat. Akibatnya pada benda kerja akan terjadi sayatan yang berbentuk ulir. Mesin bubut dapat melakukan pengerjaan seperti

pembuatan fillet, chamfer, lubang, ulir, konis dan lain-lain. Untuk produk camshaft, turning digunakan untuk membuat chamfer pada sisi yang camshaft.

62

Gambar. 3.21. Turning

b. Polishing Polishing merupakan proses penghalusan permukaan dari suatu produk dengan menggunakan polish machine. Pada produk camshaft, bagian yang dipolish adalah bagian

permukaan cam dimana cam akan mandapat kontak langsung dari batang katup. Hal ini bertujuan agar proses pembukaan dan penutupan katup tidak terhambat akibat permukaan cam yang tidakm licin dan halus. c. Painting Painting atau pengecatan adalah proses pelapisan pada suatu material dengan tujuan agar terlindung dari korosi,

sebagai pemanis dan juga fungsi susunan warna. Dengan melakukan pengecatan maka objek yang dicat akan

terlindung dari reaksi oksidasi yang dapat menyebabkan karat. Pemilihan warna yang tepat juga dapat

mempengaruhi

psikis dari manusia sehingga mendorong

effisiensi dan produktivitas yang tinggi. Bagian dari camshaft yang akan dicat adalah seluruh bagian kecuali permukaan cam. Jenis cat yang banyak digunakan adalah cat anti karat, cat anti karat adalah cat dasar pada permukaan besi yang dapat mempertinggi sifat penempelan dengan dengan besi serta mencegah timbulnya karat. Menjaga besi dari karat adalah

63

memutus hubungan antara besi dengan udara dan air sehingga reaksi kimia terutama reaksi oksidasi tidak akan terjadi. Untuk mengatur viskositas atau kekentalan pada cat maka cat biasanya dicampur dengan thiner. Jika viskositas dari cat kurang tepat maka akan sangat berpengaruh pada hasil pengecatan. Jika campuran terlalu encer maka lapisan cat terlalu tipis dan akan menurunkan efisiensi lapisan. Dan jika terlalu kental maka akan menimbulkan cacat seperti goresan kuas atau can yang menggumpal sehingga

diperoleh hasil yang kurang maksimal. Sebelum melakukan pengecatan maka hal terpenting yang harus dilakukan adalah menyiapkan bidang material yang akan dilas. Bidang material harus dibersihkan dari kotoran, air, dan minyak agar tidak merusak penempelan cat dengan material. Ada dua cara dalam membersihkan bidang material yang akan di cat, yaitu : Cara fisik Cara ini digunakan untuk membersihkan bagian-bagian yang tidak dapat dilakukan dengan cara kimia. Peralatan yang digunakan yaitu dapat berupa kikir, mesin gerinda,

ampelas dan juga wire brush. Cara kimia Yaitu proses pembersihan dengan cairan kimia, contohnya dengan garam klorida yang dilarutkan dengan air untuk menghilangkan karat. Penggunaan alat pengecatan yang tepat sangat

mempengaruhi kualitas dari hasil pengecatan. Ada beberapa macam alat pengecatan, diantaranya : 64

a. Air spray b. Air less spray c. Spray elektrostatis d. Pencelupan e. Pelapisan listrik f. Curtain flow coater g. Roler coat Alat pengecatan yang dilakukan pada Camshaft adalah dengan menggunakan air spray karena memiliki efisiensi pekerjaan yang baik serta dapat menghasilkan pengecatan yang halus. Prinsip air spray seperti tampak pada gambar.

Gambar 3.22. Prinsip air spray

Jika pada larutan dikenakan aliran udara dengan kecepatan tinggi maka larutan akan menjadi titik-titik air lalu jatuh.

Seperti pada gambar sprayer, jika ditiupkan udara dari lubang kecil dibagian ujung akan keluar udara yang kuat maka tekanan di dekat O akan menjadi rendah, air akan naik keatas dan dengan dorongan udara yang kuat maka air akan menyemprot keluar.

65

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Hal yang harus diperhatikan dalam proses pemilihan material adalah sebagai berikut : 1. Sifat operasi (functional requirement) dari part Sifat operasi berhubungan langsung dengan karakteristik dari pembebanan yang diterima part secara langsung. Apakah part itu menerima beban gesek, beban tarik, beban geser, beban kejut, dll. 2. Kondisi operasi part (resistance to service condition) Kondisi lingkungan tempat beroperasi mempunyai peran yang sangat penting dalam menentukan suatu material. Contohnya

lingkungan yang memungkinkan terjadinya korosi, seperti lingkungan bertemperatur rendah, berdampak merugikan bagi kebanyakan material. 3. Kemampuan Proses (process ability requirement) Kemampuan proses suatu material bisa dinilai dari kemampuan part tersebut untuk dikerjakan dan dibentuk menjadi barang jadi. memiliki sifat castability, formability,

Contohnya part tersebut

machinability, weldability, dan hardenability. 4. Cost Harga biasanya menjadi faktor penting dalam evaluasi material karena tidak sedikit aplikasi yang mempunyai batasan budget. Penentuan harga biasanya dibandingkan dengan aplikasi yang akan di gunakan. 5. Ketahanan uji (reliability requirement) Ketahanan uji bisa diartikan kemungkinan akan ketahanan suatu material terhadap fungsi tanpa adanya kerusakan atau kegagalan proses. 66

Proses manufaktur pada camshaft pada dasarnya terdiri dari dua proses utama yaitu metal shaping process dalam hal ini Die Casting dan finishing process meliputi turning, Polishing dan Painting. 4.2 Saran Banyak sekali faktor faktor yang dapat mempengaruhi proses pembuatan suatu produk, oleh sebab itu perlu adanya perencanaan yang matang pada aspek-aspek sebagai berikut : 1. Design 2. Material selection 3. Process selection 4. Manufacture 5. Evaluation / inspection Semua hal-hal tersebut diatas harus dipenuhi agar dapat dihasilkan suatu produk yang berkualias dan dengan harga yang dapat bersaing.

67

Daftar Pustaka

Callister, William J. 2007.

Materials Science and Engineering, an

introduction. 7th Editions. John Willey & sons.

Ashby, Michael F. Editions. Elsevier.

2005. Materials Selection in Mechaical design. 3th

Ashby, Mike and Johnson, Kara. 2002. Materials and Design. Butterworth Henemann.

Charles, DA et all. 2001. Selection and Use of Engineering Materials. Thirth editions. Butterworth Henemann.

Rothbart, Harold A et all. 2004. Cam Design Handbook. McGraw Hill.

Ashby, Michael F. Elsevier Ltd.

2007. Materials Science Processing and Engineering.

http://www.design-technology.org/CDT10metalsproperties.htm

68

69