Perancangan Coran Baja Benda Roda MenggunakanSimulasi SolidCast 8.2.5PENDAHULUAN1.1 Latar BelakangPada hasil simulasi desain coran produk Roda sebelumnya diprediksikan masih terdapat rongga susut, lokasinya berada di bagian tengah benda. Diprediksikan terdapat modulus yang besar setelah bagian pinggir benda. Namun bagian pinggir benda dapat diatasi penyusutannya dengan menggunakan penambah atas. Sedangkan bagian tengah benda tidak dapat diatasi dengan penggunaan penambah atas karena penampang permukaan atasnya yang cukup kecil, membuat luas penampang leher penambah tidak dapat disimpan diatas permukaan benda bagian tengah tersebut. Jalur penyuplaian cairan terputus di bagian tengah tersebut. Hal tersebut menandakan bahwa pembekuan sudah cukup terarah ke penambah yang berada di bagian pinggir benda. Tetapi waktu penyuplaian sudah tidak cukup, cairan logam sudah membeku terlebih dahulu. Oleh sebab itu bagian tengah diprediksikan terdapat rongga susut. Masih terdapat Shrinkage

Gambar 1.1 Data Simulasi Desain Coran Roda Pada Tugas SebelumnyaProduk roda ini masih dipilih sebagai studi kasus pada tugas perancangan coran lanjut dimana benda roda ini akan disimulasikan dengan perangkat lunak SolidCast versi 8.2.5 menggunakan material baja AISI 1030. Produk Roda ini akan dirancang kembali desain corannya dengan menambahkan penggunaan padding pada bagian benda untuk tetap menciptakan pembekuan terarah (directional solidification) ke arah penambah. Diprediksikan akan membantu untuk memperkecil peluang terjadinya rongga susut (shrinkage).1.2 Rumusan MasalahMaka rumusan masalah dalam penelitian ini yaitu :1. Bagaimana cara membuat rancangan produk roda terhindar dari cacat shrinkage dengan menambahkan penggunaan padding pada benda?2. Bagaimana mengoptimalkan fungsi dari rancangan sistem saluran dan penambah untuk membuat pembekuan terarah, sehingga kecil peluang terjadinya shrinkage?1.3 Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah ; 1. Mengetahui penggunaan padding pada pada suatu rancangaan benda cor.2. Menentukan rancangan yang tepat agar benda roda sound casting atau terhindar dari shrinkage.

1.4Metodologi Pengambilan Data

Gambar 1.2 Diagram Alir PenelitianTeori dasar2.1 PaddingPadding adalah penambahan logam untuk penampang dinding casting. Biasanya digunakan pada sebuah penambah, untuk memastikan punyuplaian cairan dapat menyuplai daerah yang diprediksikan adanya penyusutan (shrinkage) akan terjadi. (Steel Founders Society of America. 1980. Steel Casting Handbook, 5th ed.) Ketika penggunaan padding harus dipikirkan penempatannya, karena harus memikirkan proses pembersihan dan pengerjaan lanjut juga.Sebuah metode yang dikembangkan oleh Heuvers yang digunakan untuk menentukan bagian dari coran yang membutuhkan suplai cairan yang cukup melalui penambah. Dasar teoritis untuk metode ini adalah persyaratan bahwa modulus pembekuan harus semakin meningkat ke arah penambah untuk mencapai temperatur gradien yang seragam. Heuvers adalah orang pertama yang membuat metode praktis serangkaian lingkaran, untuk perhitungan dimensi pada padding. Contoh ditunjukkan pada gambar dibawah ini; (Wlodawer, R. (1966). Directional Solidification of Steel Castings, Pergamon Press, First English Edition.)

Gambar 2.1 Skema Pembekuan Metode Lingkaran Heuver pada CastingGambar 2.2 Metode Lingkaran Heuver pada Casting ke Penambah

2.2Penggunaan Padding Padding biasanya digunakan dalam desain coran dan penambah untuk mendapatkan pembekuan terarah. Hal ini sering dilakukan untuk menghindari penggunaan chill atau penambah dengan dimensi yang besar, karena akan mengurangi yield dari casting tersebut. Gambar dibawah menunjukkan beberapa kasus khas di mana padding diterapkan untuk menghindari penggunaan chill atau penambah. (Historic Naval Ships Association.1958. Foundry Manual, Bureau Of Ships Navy Department. Washington 25 DC)Padding

Casting sebelum menggunakan padding

Gambar 2.3 Padding untuk Menghindari Penggunaan Chill atau Riser pada CastingPara perancang pengecoran menggunakan padding untuk desain corannya, agar padding dapat menyeragamkan modul pada bagian coran yang bermodul besar (bagian coran yang memiliki area penampang yang besar) dengan bagian coran yang terisolasi (bagian coran dengan luas area penampang yang kecil). Sehingga pembekuan terarah dapat tercipta pada desain coran ini. Para perancang juga menggunakan padding untuk menghilangkan shrinkage. Namun penggunaan padding dapat meningkatkan biaya produksi, karena biaya pembersihan pada bagian padding itu sendiri. Perlunya biaya dan waktu yang berlebih untuk proses pembersihan jika menggunakan padding. Padding juga dapat berpengaruh permukaan pada casting. Ilustrasi desain cor yang menggunakan padding untuk menghilangkan shrinkage ditunjukan dalam gambar 2.4 (Steel Founders Society of America. 1980. Steel Casting Handbook, 5th ed.)

Gambar 2.4 Desain Coran yang Membutuhkan Penggunaan Padding untuk Menghilangkan ShrinkagePadding digunakan untuk membuat pembekuan terarah pada bagian coran yang memiliki ketebalan yang seragam. Ketika coran yang memiliki ketebalan yang seragam dibuat tanpa padding, centerline shrinkage dapat terjadi. Pembekuan yang seragam dalam casting biasanya menyebabkan centerline shrinkage, tapi pembekuan progresif membuat sound casting. Pembekuan yang seragam sebagian besar dapat dicegah dengan gatting dan risering, tetapi dalam banyak kasus ini tidak cukup. Gambar dibawah menunjukkan beberapa aplikasi khas padding untuk mendapatkan sound casting atau terbebas dari shrinkage.

Gambar 2.5 Padding untuk mencegah centerline shrinkage

Gambar 2.6 Padding pada Bagian Khas Penggunaan padding pun terkadang harus memerlukan penggunaan inti khusus untuk penggunaannya, ditunjukkan pada Gambar dibawah.

Gambar 2.7 Penggunaan Inti untuk Membuat Bagian yang diberi Padding

Data dan Hasil Analisa3.1Studi Desain Coran Roda pada Tugas SebelumnyaDesain coran roda pada tugas sebelumnya terdiri dari satu buah produk cor (casting roda), dua buah penambah atas (top riser), dan dua buah chill atau logam pendingin sebagai endzone buatan di permukaan bawah benda. Peletakan dua penambah atas sudah mengatasi shrinkage yang berada di pinggir benda dan pembekuan terarah pun sudah terlihat. Namun bagian tengah benda masih terdapat shrinkage yang cukup besar. Hal ini diprediksikan terdapat jalur penyuplaian yang terputus. Waktu suplai cairan tidak sempat karena cairan logam sudah membeku terlebih dahulu. Maka dapat dikatakan pembekuan terarah masih belum efektif tercipta. Adanya bagian batang pada casting roda pun menghambat suplai cairan dari penambah ke bagian tengah tersebut karena penampang batang yang cukup sempit. Oleh karena itu perlunya evaluasi terhadap rancangan sebelumnya sehingga akan didapatkan rancangan yang baru yang dapat membuat sound casting atau terhindar dari shrinkage.Penambah atasCasting RodaChill Jalur penyuplaian terputus

Gambar 3.1 Desain Coran Roda pada penelitian sebelumnyaGambar 3.2 Jalur Penyuplaian Terputus pada Hasil Simulasi Desain Coran Roda

Sebelum memperbaiki permasalahan pada desain coran roda yang tidak sound casting. Sebaiknya menganalisis terlebih dahulu desain coran pada casting Roda sebelumnya. 3.1.1Analisis Modulus ThermalLangkah awal dilakukan yaitu proses analisis data modulus thermal yang merepresentasikan distribusi modulus pembekuan melalui gradasi warna. Hasil pengolahan data dari simulasi penelitian sebelumnya nilai modulus thermal casting roda berdasarkan data tersebut, ditemukan arah gradasi warna modul terbesar pada penambah tetapi ada pemusatan modulus thermal dibagian lain, seperti ditunjukan pada Gambar di bawah ini ;Modul terbesarAda pemusatan modul lain yang cukup besar

Gambar 3.3 Modulus Thermal pada Casting Roda Terdapat pemusatan modul yang cukup besar pada bagian tengah benda selain bagian yang dekat dengan penambah. Hal ini menjadi suatu tanda bahwa distribusi modulus pembekuan masih belum efektif. Padahal untuk dapat menciptakan pembekuan terarah yang berurutan ke penambah, distribusi modulus pembekuan seharusnya berurutan semakin besar nilainya ke arah penambah. Seharusnya gradasi warna kuning terang terarah ke arah penambah. Tanpa ada pemusatan gradasi warna terang lagi selain ke arah bagian yang diletakan penambah (seperti pada bagian tengah benda).

3.1.2Analisis pada Desain Coran Sebelumnyaa) Model 3D Casting

Gambar 3.4 Pemodelan 3D (SolidWorks 2012)

Gambar 3.5 Pemesinan 2D (SolidWorks 2012)

b) Analisis Parting LineGaris belahan atau parting line pada benda Roda ini yaitu menggunakan belahan ganda, menggunakan belahan atas dan belahan bawah. Pemilihan garis belahan yang tepat akan mempermudah proses pembuatan cetakan dan tidak menyulitkan pengerjaan akhir pada casting Roda ini.Belahan AtasBelahan Bawah

Gambar 3.6 Garis Belahan Casting Roda

c) Analisis Penempatan Saluran Masuk dan Sistem SaluranDua buah saluran masuk

d) Analisis Penambah dan ChillDua buah chillDua buah penambah atas Dia 140mm

3.2Pengaturan Data Simulasi Tuangan (Naked Casting dan dengan Penambah)Tabel 3.1 Pengaturan Simulasi pada Data SimulasiNoNaked Casting2 riser3 riser

1Pouring Temp1615,55 C1615,55 C1615,55 C

2Pouring Time18 detik25 detik26 detik

3Mesh/Node2.000.0002.000.0002.000.000

4SandSilica sandSilica sandSilica sand

5Shell Thickness40 mm40 mm40 mm

6Simulation MethodeFlowCast FullFlowCast FullFlowCast Full

3.3Perencanaan Perbaikan Rancangan CoranIdentifikasi masalah dilakukan sebelum membuat perencanaan perancangan yang baru, permasalahannya sebagai berikut; Shrinkage, perlunya penggunaan penambah atasModul terbesar keduaModul terbesar

Gambar 3.9 Permasalahan yang Terjadi pada Perancangan SebelumnyaPada bagian tengah perlu ditambahkannya penambah, karena dilihat dari gambar diatas terjadi pemusatan modul yang berlebih. Sehingga diprediksikan terjadinya shrinkage pada bagian tersebut. Suplai cairan dari kedua penambah tersebut tidak dapat menjangkau bagian tersebut. Oleh karena itu perlu menambahkannya penambah atas pada bagian tersebut. Harus ditambahkannya penambah atas

Gambar 3.10 Desain Coran yang Baru dengan Penambahan Satu Penambah 3.4Perbaikan Rancangan Coran3.4.1 Perbaikan Rancangan Sistem SaluranPentingnya desain sistem saluran sangat berpengaruh dengan hasil casting. Karena sistem saluran ini berfungsi menyalurkan cairan logam ke dalam rongga cetak. Desain sistem saluran ini diharapkan mengalirkan cairan logam dengan tenang atau laminar. Diprediksikan desain sebelumnya pada perancangan coran roda ini memiliki aliran yang turbulens. Maka perbaikan rancangan sistem saluran harus dilakukan . Pada bukunya (Beeley, Peter BMet. 1988. Second Edition, Foundry Technology, Butterworth -Heinemann, Oxford OX2 8DP) beberapa teknik sistem saluran dikembangkankan yaitu; aliran cairan harus lancar dan seragam, diharapkan turbulensi yang minimum. Karena udara bisa terperangkap, oksidasi logam, dan erosi cetakan dengan demikian dapat dihindari. Ilmu pengetahuan tentang teknik sistem saluran harus membuat distribusi temperatur yang ideal seiring pengisian rongga cetak dengan lengkap, sehingga pola distribusi temperatur yang terjadi baik juga untuk penyuplaian kekurangan cairan.Turbulensinya desain coran yang pertama diprediksikan berasal dari sistem saluran pada daerah saluran turun. Dimana cairan logam yang langsung mengalir dari cawan tuang langsung menabrak dinding cetakan bawah dan langsung mengalir ke saluran terak. Hal ini akan mengakibatkan percikan pada cairan dan kemudian akan mengalir membentuk suatu sudut aliran tertentu, seperti pada Gambar 3.11. Hal tersebut bisa saja membuat udara terperangkap di dalam rongga cetak dan bisa menghasilkan cacat pada casting. Seharusnya diminimalisir sejak penuangan awal. (Campbell, John. (1991). First Edition, Castings. Butterworth Heinemann)

Gambar 3.11 Ilustrasi Aliran Cairan Pada Penuangan Awal Cairan LogamPada desain coran ini akan dilakukan perbaikan dengan menambahkannya down sprue pada saluran turun. Diharapkan dapat meminimalisir gejolak cairan logam agar tidak turbulensi. Desain coran dengan penambahan down sprue seperti pada gambar 3.12;

Gambar 3.12 Desain Down sprue pada Saluran TurunSetelah penambahan down sprue diharapkan dapat menghasilkan aliran cairan yang lebih tenang saat penuangan. Berikut adalah hasil simulasi pada full casting pada desain coran :Besar kecepatan aliranGejolak dapat diminimalisirKecepatan aliran sangat tinggi

Gambar 3.13 Data Velocity Vector pada Penuangan Cairan 11%Dapat diprediksikan pada desain coran dengan penambahan down sprue dapat meminimalisir gejolak cairan yang masuk dari saluran turun.Ket: arah cairan logam

Cairan masuk kedalam rongga cetak dengan kecepatan aliran yang lebih tenang dibandingkan dengan kecepatan aliran cairan pada rancangan pertama. Hal ini menandakan berfungsinya down sprue yang ditempatkan pada saluran turun.

Gambar 3.14 Data Pengisian Cairan ke Cetakan 18%

3.4.2Perhitungan Penambah (Berdasarkan Perhitungan Faktor Geometri)

Sumber : Steel Founder's Society of America. 2001. Feeding & Risering Guidelines for Steel Casting

Part CPart BPart A

Part APart BPart C

Diketahui mm

W120

L267,03

T35

Diketahui mm

W70

L90

T30

Diketahui mm

W120

L1178,09

T75

W/T3,4

W/T2,3

W/T 1,6

PERHITUNGAN penambah

RZL (mm)91

EZL (mm)126

DR(ESTIMASI) 105

SF11,05

Vc (dm3)1,12

VR(dm3)0,47

DR(mm)80

H(mm)93

PERHITUNGAN penambah

RZL (mm)66

EZL (mm)93

DR(ESTIMASI) 90

SF5,33

Vc( dm3)0,18

VR(dm3)0,13

DR(mm)55

H(mm)66

PERHITUNGAN penambah

RZL (mm)142,5

EZL (mm)195

DR(ESTIMASI) 140

SF17,3

Vc(dm3)10,6

VR(dm3)3,2

DR(mm)160

H(mm)160

1,92,23,12,63,62,33,41,6

Sumber : Steel Founder's Society of America. 2001. Feeding & Risering Guidelines for Steel Casting3.4.3 Perhitungan Leher PenambahPart APart C

Ln (mm)40

Dn (mm)56

Ln (mm)80

Dn (mm)112

Sumber : ASM - Casting Design and Performance3.4.4 Rancangan Penggunaan PaddingPerubahan rancangan dengan menambahkan penambah atas pada bagian tengah ternyata sulit untuk meletakan penambah tersebut karena luas penampang leher penambah yang tidak dapat diletakan sempurna pada bagian tengah. Penempatan penambah yang tidak sempurna tidak akan efektif menyuplai cairan pada casting. Oleh karena perlunya inisiatif dari perancang agar penggunaan penambah bisa efektif digunakan pada area tersebut. Salah satunya dengan penggunaan padding pada penambah tersebut. Metode lingkaran Heuver akan digunakan untuk penggunaan padding pada penelitian ini.Metode lingkaran Heuver

Gambar 3.15 Penggunaan Metode Lingkaran Heuver pada Casting Roda3.5Analisis Modulus Termal, Porositas Makro pada Casting Menggunakan Penambah tanpa Padding

Leher penambah tercekik, penambah tidak efektif berfungsiGambar 3.16 Penggunaan Tiga buah Penambah tanpa PaddingModul tidak seragamShrinkage

3.6Analisis Modulus Termal, Porositas Makro, dan Critical Fraction Solid Time pada Casting Setelah Menggunakan Penambah dan Padding Menggunakan 3 Penambah Atas dan 2 Chill

Data Porositas Makro dan Modulus Thermal

Modul thermal sudah seragam

Waktu Tuang26 sModulus terbesar2,86cm

Kesimpulan

Dengan menambahkan satu penambah atas dan penggunaan padding pada penambah tersebut menjadi tidak ada shrinkage pada keseluruhan casting. Hal ini menandakan bahwa penggunaan padding pada penambah sangat berpengaruh sekali,karena padding pada penambah tersebut dapat menjadi perantara antara bagian benda cor yang tersisolasi dengan penambah. Akhirnya pada area tersebut memiliki modulus thermal yang seragam, bertahap dari yang kecil menuju yang besar ke arah penambah.

Data Critical Fraction Solid Time

5,8 menit8,2menit9,2 menit

10,2 menit15,4 menit19,1 menit

Kesimpulan

Pada selang waktu 5,8 menit terlihat bagian besar disuplai dengan kedua penambah yang besar sedangkan bagian tengah disuplai oleh penambah yang kecil. Pada selang waktu 8,2 menit area yang suplai cairan pada section A dan section C mulai teputus dan memisahkan diri. Kemudian selang waktu 9,2 menit suplai cairan di tengah sudah terputus pada penambah tengah. Selanjutnya selang waktu 15,4 menit suplai cairan tersisa pada kedua penambah besar . Pembekuan terakhir terjadi pada kedua penambah besar pada menit ke 19 lebih.

3.7 KesimpulanHasil akhir dari simulasi ini casting roda diprediksikan sound casting tidak ada shrinkage dengan rancangan yang baru. Penambahan penggunaan penambah atas diameter 105mm dengan menggunkan padding. Metode yang digunakan untuk padding itu sindiri menggunakan metode dari Heuver dengan metode lingkarannya. Serta telah dilakukannya penambahan down sprue pada sistem saluran membuat kecepatan aliran lebih laminar, sesuai kaidah yang ditentukan cairan harus setenang mungkin. Pada rancangan yang baru ini telah menciptakan pembekuan terarah (directional solidification) ke arah penambah yang efektif dengan menggunakan padding. Besar yield produk Roda sekarang yaitu sebesar 58,2 %.

Perancangan Coran Baja Benda Roda Menggunakan Simulasi SolidCast 8.2.5 Page 19