Week04TeoriPembentukanBulk

PROSES MANUFAKTUR

Pembentukan Logam(Bulk Deformation)

Laboratorium Sistem Manufaktur

Jurusan Teknik Industri ITS

Jurusan Teknik Industri FTI - ITS

RI 1321 - Proses Manufaktur - Minggu 4 2

Pembentukan logam Mengubah bentuk suatu logam menggunakan

gaya yang melebihi kekuatan yield, sehingga logam tersebut terdeformasi plastis

Hasil / bentuk deformasi bergantung pada die yang digunakan

Gaya / tenaga yang digunakan Tekan Tarik Tekuk



Klasifikasi Pembentukan Logam

Bulk = area-to-volume ratio yang rendah



Operasi Bulk Deformation

(a) Rolling (b) Forging (c) Extrusion (d) Drawing



Produk Bulk Deformation



Operasi Plat Logam

(a) bending (b) drawing (c) shearing



Rolling



Rolling (1)



Rolling (2) Ketebalan benda kerja berkurang dengan gaya tekan yang diberikan oleh dua

rol secara berlawanan Mesin rolling

Sering disebut rolling mills Ukuran mesin sangat besar (massive) Harga mesin mahal, sehingga cocok untuk proses produksi masal (jumlah

banyak dan produk standar) Hot rolling

Proses rolling dilakukan pada temperatur tinggi Keuntungan:

bebas dari residual stress Kerugian

Toleransi rendah Karakteristik permukaan: oxide scale

Cold rolling Mengurangi ketebalan lebih lanjut dari hot rolling Menguatkan logam, meningkatkan toleransi dan bebas oxide scale



Rolling Mills



Proses Rolling (1) Bahan mentah

Cast steel ingot yang baru mengalami solidifikasi

Proses pemanasan Ingot dimasukkan ke dalam tungku agar temperatur ingot merata Sering disebut proses soaking Tungku yang digunakan disebut soaking pits Temperatur rolling 1200°C

Proses pengerolan Pengerolan membentuk salah satu dari tiga bentuk lanjutan:

bloom, billets atau slab Bentuk lanjutan di atas, dirol kembali hingga membentuk

produk akhir



Proses Rolling (2)

Proses pengerolan Bloom: memiliki penampang kotak dengan dimensi > 150 x 150mm Billet: dirol dari bloom dan memiliki penampang kotak dengan panjang sisi > 40mm Slab: dirol dari ingot atau bloom, memiliki penampang empat persegi panjang

dengan dimensi lebar > 250mm dan ketebalan > 40mm



Konfigurasi Rolling Mills

(a)two-high (b)three-high (c) four-high (d) cluster mill (e) tandem rolling mill



Jenis Rolling Lainnya (1) Thread rolling

Cold rolling Kecepatan produksi: 8 unit/detik Keuntungan: material terbuang sedikit, ulir lebih kuat, permukaan ulir

lebih rata dan tahan terhadap kelelahan (fatique)



Jenis Rolling Lainnya (2) Ring rolling

Hot rolling untuk ring berdiameter besar Cold rolling untuk ring berdiameter kecil Contoh produk: roda kereta api, ring pipa dll.



Jenis Rolling Lainnya (3) Roll piercing

Hot rolling Untuk membentuk pipa berdinding tebal Sering disebut: rotary tube piercing atau proses Mannesmann



Rolling Defectsa. Waviness

Improper roller speeds

b. Zipper cracks Too much rolling in

center

c. Edge cracks Too much rolling on

outside

d. Alligatoring Too much induced

tensile stress in the part, or defects



Case In Flat Rolling Terdapat tembaga paduan dengan ukuran lebar 8

inch dan tebal 1 inch. Kemudian rencananya, baja tersebut akan dibuat dalam sebuah bentuk lembaran dengan mereduksi ketebalan sebesar 0,3 inch. Apabila setiap part memiliki radius jarak sebesar 20 inch dan flat roll bergerak dengan v = 150 rpm, maka hitung besar kekuatan dan torque (tenaga putaran) ?



Solution L = (R(h0 – h1)1/2

= (12.0,3)1/2= 1,9 inchi = 0.16 feet

Lalu hitung perubahan panjang yang terjadi :Ε = ln (h0 /h1)

= ln (1 / 0.7)= 0.3566

Perhatikan kurva true strees – true strain (Tabel 2.6) Buku KalpakjianKita memperoleh true strain akibat pengurangan ketebalan sebesar 0.3566, maka true strainnya adalah (misal :52.000 psi), maka besar Roll Force (F) adalah :F = LωY-AVERAGEmisal annealed cooper (tembaga) memiliki true stress = 12.000 psi, makaY-AVERAGE = Ysebelum + Ysesudah

= 12.000 + 52.000 = 32.000 psi.

F = 1.9*8*32000= 486400 lb = 2,144 MN

Power = 2πFLN / 33.000= 2π (486400).0.16.150 / 33.000= 2223 HP= 2223*0.746 = 1658.35 kW

Total Torque = 3316.716 kW



Forging Proses deformasi dengan memberikan tekanan secara

tiba-tiba atau bertahap pada material menggunakan dua dies

Untuk membuat komponen otomotif, aerospace dll, dengan kekuatan yang tinggi

Mis: crank shaft, gear, komponen turbin dll. Gaya tekan

Tiba-tiba: menggunakan mesin forging hammer Bertahap: menggunakan mesin forging press



Jenis Operasi Forging

(a) open-die forging: die rata, aliran material tidak terkendali(b) impression-die forging: die memilliki bentuk, aliran material terarah + flash(c) flashless forging: die tertutup, aliran material terarah - flash



Operasi Open-Die Forging

(a) fullering: mengurangi luas penampang dan meratakan logam, bentuk die convex

(b) edging: mirip fullering, bentuk die concave(c) cogging: mengurangi luas penampang hingga ukuran yang dikendaki



Open Die Forging Defects Fracture -

exhausted ductility Intergranular

fracture in hot working

Barreling - Friction Solution -

limited deformation per step

Process anneal between steps



Operasi Impression-Die Forging

(1) just prior to initial contact with raw workpiece(2) partial compression(3) final die closure, causing flash to form in gap between die plates



Operasi Flashless Forging

(1) just before initial contact with workpiece(2)partial compression(3) final punch and die closure



Defects - Impression Die and Closed Die Forging

Cracking End grains Laps Cold shuts Anisotropy



Mesin Forging



Trimming Untuk menghilangkan flash (shearing process)



CASE IN FORGING Sebuah silinder solid yang terbuat dari

stainless steel 304, memiliki diameter 150 mm dan tinggi 100 mm. Rencananya material ini akan di – open die forging dengan reduksi ketinggian 50 mm. Koefisien friksi antara dies dan material diasumsikan 0,2.

Hitung Kekuatan Forging yang terjadi !

F = Y. π . (r)^2 [ 1 + (2μr)/(3h) ]



Solution π. (r1)2 . h1 = π. (r2)2 . h2

(75)2.100 = (r2)2.50r2 = 106 mm

ε = ln (h0 /h1)= ln (1 / 0.5)= 0.69

F = YF. π . (r)2 [ 1 + (2μr)/(3h) ]= 4.5 . 107 N = 45 MN



Extrusion Proses pembentukan dengan mendorong

material untuk mengalir melalui die terbuka. Advantages

Produk dengan berbagai bentuk penampang dapat dibuat

Struktur granular dan kekuatan material baik

Toleransi produk baik Material scrap sedikit

Shape factor:= perimeter/weight or=perimeter/cross-sectional area



Extrusion Hot extrusion

Material: aluminum, copper, magnesion, zinc, tin

Gaya yang diperlukan berkurang, kecepatan ram tinggi

Perlu lubrikasi mis: glass Cold extrusion

Material: low carbon steel, stainless steel Kekuatan meningkat (strain hardening),

toleransi akurat



Types of Extrusion

(a) Direct (b) indirect (c) hydrostatic (d) impact



Contoh Produk Extrusion



Mechanics of ExtrusionStep 1: Compute the extrusion ratio:

Re = A0 / A1

Step 2: In cold working, compute true strain,

= ln Re

In hot working, compute mean strain rate,A0 A1 3

13

0

20 tan6

dd

vdm

]1

[1

11

2

12

n

K nn

fm

Step 4: compute extrusion pressure using an empirical formula

Step 3: compute mean flow stress. In cold working

In hot working

mfm C

)2.18.0( fmep

Step 5: compute extrusion force,

0ApP ee



Cacat Pada Extrusion

(a) Centerburst; internal crack akibat dari tensile stress pada garis pusat benda. Penyebab: sudut die yang tajam, rasio extrusi yang rendah, impurities dari material

(b) Piping; terjadi pada direct extrusion. Nama lain: tailpipe, fishtailing(c) Surface cracking; akibat temperatur kerja yang tinggi, kecepatan

extrusi tinggi, friksi yang tinggi



HOT EXTRUSION CASE Round Billet dibuat dari 70 – 30

brass, diekstruksi pada temperatur 675 derajat celcius. Diameter billets adalah 5 inch, dan diameter ekstruksi = 2 inchi. Bila diketahui k = 35.000 psi atau 250 MPa, hitung kekuatan yang diperlukan !

F = Ao. k . ln (Ao / Af)



Wire & Bar Drawing Proses pengurangan luas penampang dengan menarik

material melalui die Bar drawing: diameter besar Wire drawing: diameter kecil Umumnya cold-working operation Keuntungan:

Dimensi akurat mudah dicapai Permukaan baik Kekuatan dan kekerasan meningkat Mudah di setup untuk economical batch atau mass

production



Peralatan Drawing



Tube Drawing (1) Without mandrel (tube sinking)



Tube Drawing (2) With mandrel

(a) fixed mandrel (b) floating plug



CASE FOR GROUP DISCUSSION Batasan apakah yang sangat membatasi kemampuan proses forming ?

Kaitkan dengan kurva stress – strain dan berikan analisis matematisnya !

• Perhatikan kurva stress – strain berikut ! Analisa material mana yang tidak tepat untuk proses forming ! Jelaskan !

• Bila anda menginginkan proses yang secara energi hemat, material mana yang akan anda pilih ? Jelaskan dengan persamaan matematis !

• Dua buah material berbentuk silinder dengan diameter sama dan ketinggian berbeda. Setelah mengalami reduksi ketinggian dengan proporsi yang sama, buktikan apakah diameter mereka akan sama !

• Hitung energi yang diperlukan untuk proses rolling untuk AISI 1020 carbon steel strip dengan lebar 400 mm dan tebal 10mm, bila direduksi 7mm dengan radius 200mm dan 120 rpm

Documents

Week04TeoriPembentukanBulk