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. Pengerolan datar Pengerolan bentuk Pengerolan
Roda pengerolan (rolling mill) Pengerolan lainnya
Penempaan dengan die terbuka Penempaan dengan die tertutup Pengerjaan Logam Pejal
Penempaan
Penempaan tanpa sirip (flashless forging ) Die tempa, palu, & press Penempaan lainnya
Ekstrusi langsung Ekstrusi
Ekstrusi tak langsung Ekstrusi lainnya
Penarikan
Penarikan batang dan kawat
pejal 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.
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 = t o – t f
dimana : d = draft dalam in (mm)
t o = ketebalan mula-mula dalam in (mm) t f = ketebalan akhir dalam in (mm)
Gambar 5.4 Pandangan samping pengerolan datar
Draft kadang-kadang dinyatakan sebagai fraksi dari ketebalan bendakerja mulamula yang disebut reduksi. r
dimana
t 0 t f
d
t 0
t 0
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 : t 0 w 0 L0
dimana :
t f w f Lf
w o & w f = 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 : t 0 w 0 v 0
t f w f v f
dimana :
v o & v f = 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 v r, dimana : v 0 v r v f. 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 dan gesekan antara rol dan bendakerja. Besarnya slip antara rol dan bendakerja dinyatakan dengan persamaan : s
v f
v r
v r
dimana : s = slip ke depan, v f = kecepatan akhir (keluar) bendakerja, ft/sec (m/s), v r = kecepatan rol, ft/sec (m/s). Regangan sesunguhnya dapat dinyatakan dengan persamaan :
ln
t 0 t f
Regangan sesungguhnya tersebut dapat digunakan untuk menentukan tegangan
alir rata-rata Y f yang terjadi pada bendakerja dalam pengerolan datar. Persamaan tegangan alir rata-rata : n
Y f
dimana
= = n = K =
Y f
K
1 n
tegangan alir rata-rata dalam lb/in2 (MPa); dan regangan maksimum eksponen pengerasan regang koefisien kekuatan dalam lb/in (MPa)
Tegangan alir rata-rata berguna dalam menghitung perkiraan gaya dan daya dalam pengerolan. Harga maksimum ditentukan dengan persamaan : d max
2
μ R
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.
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 : L
F w pdL 0
dimana :
F w p L
= = = =
gaya rol, lb (N) lebar bendakerja, in (mm) tekanan rol, lb/in2 (MPa) panjang sentuh antara rol dengan bendakerja, in (mm)
Harga pendekatan dari gaya F di atas dapat juga dihitung dengan rumus :
F
Y f wL
Panjang sentuh (L) dapat dihitung dengan rumus : L
R t 0 t f
Torsi pada setiap rol : T
0,5F.L
atau
F.L
2T
Daya ( P ) dapat dihitung dengan rumus : P
dimana :
P N F L
= = = =
2 .N.F.L
atau
P
4 .N.T
daya (power) , in-lb/min (J/s) kecepatan putar, rev/min (1/s) gaya pengerolan, lb (N) 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 ) Jawab : d = t o – t f = 1,0 – 0,875 = 0,125 in Draft maksimum yang dapat dihasilkan dengan koefisien gesek 0,12 adalah : d max
μ
2
R
0,122 10
0,144 in
Jadi gesekan tersebut mencukupi. L
R t 0 t f
Y f
K
1 n
T
t f
ln
1,0 0,875
40.0000,134 1,15
F
t 0
101,0 0,875 = 1,118 in
0,134
0,15
n
ln
Y f wL
25.729 lb/in2
25.729121,118 345.184 lb.
0,5F.L 0,5345.1841,118 192.958 in-lb.
P
2π .N.F.L
2π50345.1841,118 121.238.997 in-lb/min.
1hp = 396.000 in-lb/min. HP
121.238.997
396.000
306
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. Produkproduk yang dibuat dengan pengerolan bentuk adalah : I –b eams , L– beams , dan Uchannel . Roda pengerolan (rolling mills) Konfigurasi dari berbagai jenis rolling mill ditunjukkan dalam gambar 5.6.
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 tingkat Mesin 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 90 o agar penampang uniform dan butirbutir 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. 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.
Gambar 5.9 Proses penembus rol untuk membuat pipa tampa kampuh
