4 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Sheet Metal Forming
Sheet Metal Forming adalah salah satu bagian dari proses produksi dimana dalam proses pembuatannya menggunakan sheat metal atau lembaran plat sebagai material, pressing dies sebagai cetakannya serta menggunakan mesin press sebagai mesin pemrosesnya. Hasil yang didapatkan dari proses ini adalah sheat metal part atau biasa dikenal dengan nama pressed part (Winarso & Tugiman, 2013)
2.2 Deep Drawing
Deep Drawing atau biasa disebut drawing adalah salah satu jenis proses pembentukan logam, dimana bentuk pada umumnya berupa silinder dan selalu mempunyai kedalaman tertentu (Tugiman, 2013), sedangkan definisi proses drawing menurut P.CO Sharma seorang professor production technology drawing adalah proses pembentukan logam dari lembaran logam ke dalam bentuk tabung (hallow shape) (Sharma, 2002).
Deep drawing dan drawing pada intinya merupakan satu jenis proses produksi namun terdapat beberapa ahli yang membedakan dengan indek ketinggian, proses deep drawing mempunyai indek ketinggian yang lebih besar dibandingkan dengan drawing. bahan dasar dari proses deep drawing adalah lembaran logam (sheet metal) yang disebut dengan blank, sedangkan produk dari hasil proses deep drawing disebut dengan draw piece yang ditunjukkan pada Gambar 2.1
5 Gambar 2.1Skematika deep drawing (Kristiyono, 2017)
2.3 Proses Deep Drawing
Proses deep drawing dilakukan dengan menekan material benda kerja yang berupa lembaran logam yang disebut dengan blank sehingga terjadi peregangan mengikuti bentuk dies, bentuk akhir ditentukan oleh punch sebagai penekan dan die sebagai penahan benda kerja saat di tekan oleh punch. pengertian dari sheet metal adalah lembaran logam dengan ketebalan maksimal 6 mm, lembaran logam (sheet metal) di pasaran dijual dalam bentuk lembaran dan gulungan. Terdapat berbegai tipe dari lembaran logam yang digunakan, pemilihan dari jenis lembaran tersebut tergantung dari :
a. Strain rate yang diperlukan b. Benda yang akan dibuat c. Material yang diinginkan
d. Ketebalan benda yang akan dibuat e. Kedalaman benda
Pada umumnya berbebagai jenis material logam dalam bentuk lembaran dapat digunakan untuk proses deep drawing seperti stainless stell, alumunium, tembaga, perak, emas, baja. maupun titanium. Gambaran lengkap proses drawing dapat dilihat pada Gambar 2.2
6
Gambar 2.2 Proses deep drawing (Ostergaard, 1967)
2.4 Dies
Dalam satu unit die set terdapat komponen utama yaitu : 1. punch
2. blank holder 3. die
Sedangkan komponen lainya merupakan komponen tambahan tergantung dari jenis die yang dipakai.
Bentuk dan posisi dari komponen utama tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.
3deep drawing .
Gambar 2. 3deep drawing (Shofiyanto M. Y., 2009)
7 Gambar 2. 4Sekematik proses pembentukan metal forming (deep drawing example) (Tekkaya, 2012).
2.4.1 Blank holder
Berfungsi memegang blank atau benda kerja berupa lembaran logam, pada gambar diatas blank holder berada diatas benda kerja, walaupun berfungsi untuk memegang benda kerja, benda kerja harus tetap dapat bergerak saat proses drawing dilakukan sebab saat proses drawing berlangsung benda kerja yang dijepit oleh blank holder akan bergerak ke arah pusat sesuai dengan bentuk dari die drawing.
2.4.2 Punch
Punch merupakan bagian yang bergerak ke bawah untuk meneruskan gaya dari sumber tenaga sehingga blank tertekan ke bawah, bentuk punch disesuaikan dengan bentuk akhir yang diiginkan dari proses drawing, letak punch pada Error! R eference source not found. Posisi dari punch sebenarnya tidak selalu diatas tergantung dari jenis die drawing yang digunakan.
2.4.3 Die
Merupakan komponen utama yang berperan dalam menentukan bentuk akhir dari benda kerja drawing (draw piece), bentuk dan ukuran die bervariasi sesuai dengan bentuk akhir yang diinginkan, kontruksi die harus mampu menahan gerakan, gaya geser serta gaya punch. Pada die terdapat radius tertentu yang berfungsi mempermudah reduksi benda saat proses berlangsung.
8 2.5 Variabel Proses Drawing
Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan proses drawing, variabel yang mempengaruhi proses drawing antara lain :
2.5.1 Gesekan
Saat proses drawing berlangsung gesekan terjadi antara permukaan punch, dies drawing dengan blank, gesekan akan mempengaruhi hasil dari produk yang dihasilkan sekaligus mempengaruhi besarnya gaya yang dibutuhkan untuk proses pembentukan drawing, semakin besar gaya gesek maka gaya untuk proses drawing juga meningkat, beberapa faktor yang mempengaruhi gesekan antara lain :
a. Pelumasan
proses pelumasan adalah salah satu cara mengontrol kondisi lapisan pada proses drawing, dengan pelumasan diharapkan mampu menurunkan koefisien gesek permukaan material yang bersinggungan.
b. Gaya Blank Holder
Gaya blank holder yang tinggi akan meningkatkan gesekan yang terjadi, bila gaya blank holder terlalu tinggi dapat mengakibatkan aliran material tidak sempurna sehingga produk dapat mengalami cacat.
c. Kekasaran Permukaan Blank
Kekasaran permukaan blank mempengaruhi besarnya gesekan yang terjadi, semakin kasar permukaan blank maka gesekan yang terjadi juga semakin besar.
Hal ini disebabkan kofisien gesek yang terjadi semakin besar seiring dengan peningkatan kekasaran permukaan.
d. Kekasaran Permukaan punch, die dan blank holder
Seperti halnya permukaan blank semakin kasar permukaan punch, die dan blank holder koefisien gesek yang dihasilkan semakin besar sehingga gesekan yang terjadi juga semakin besar.
2.5.2 Bending dan straightening
Pada proses drawing setelah blank holder dan punch menempel pada permukaan blank saat kondisi blank masih lurus selanjutnya terjadi proses pembengkokan material (bending) dan pelurusan sheet sepanjang sisi samping dalam dies (straightening).
9 Variabel yang mempengaruhi proses ini adalah :
1. Radius Punch
Radius punch disesuaikan dengan besarnya radius die, radius punch yang tajam akan memperbesar gaya bending yang dibutuhkan untuk proses drawing.
2. Radius Die
Radius die disesuaikan dengan produk yang pada nantinya akan dihasilkan, radius die berpengaruh terhadap gaya pembentukan, bila besarnya radius die mendekati besarnya tebal lembaran logam maka gaya bending yang terjadi semakin kecil sebaliknya apabila besarnya radius die semakin meningkat maka gaya bending yang terjadi semakin besar.
2.5.3 Penekanan
Proses penekanan terjadi setelah proses straghtening, proses ini merupakan proses terakhir yang menetukan bentuk dari bagian bawah produk drawing, besarnya gaya tekan yang dilakukan dipengaruhi oleh :
1. Drawability
Drawability adalah kemampuan bahan untuk dilakukan proses drawing, sedangkan nilainya ditentukan oleh Limiting drawing ratio ( maks β ), batas maksimum maks β adalah batas dimana bila material mengalami proses penarikan dan melebihi nilai limit akan terjadi cacat sobek (craking).
2. Keuletan logam
Semakin ulet lembaran logam blank semakin besar kemampuan blank untuk dibentuk ke dalam bentuk yang beranekaragam dan tidak mudah terjadi sobek pada saat proses penekanan, keuletan logam yang kecil mengakibatkan blank mudah sobek.
3. Tegangan Maksimum material
Material blank yang mempunyai tegangan maksimum besar mempunyai kekuatan menahan tegangan yang lebih besar sehingga produk tidak mudah mengalami cacat, material dengan tegangan maksimum kecil mudah cacat seperti sobek dan berkerut.
4. Ketebalan Blank
10 Ketebalan blank mempengaruhi besar dari gaya penekanan yang dibutuhkan, semakin tebal blank akan dibutuhkan gaya penekanan yang besar sebaliknya bila blank semakin tipis maka dibutuhkan gaya yang kecil untuk menekan blank.
5. Temperatur
Dengan naiknya temperatur akan dibutuhkan gaya penekanan yang kecil hal ini disebabkan kondisi material yang ikatan butirannya semakin meregang sehingga material mudah untuk dilakukan deformasi.
2.5.4 Diameter blank
Diemeter blank tergantung dari bentuk produk yang akan dibuat, apabila material kurang dari kebutuhan dapat menyebabkan bentuk produk tidak sesuai dengan yang diinginkan, namun bila material blank terlalu berlebih dari kebutuhan dapat menyebabkan terjadinya cacat pada produk seperti kerutan pada pinggiran serta sobek pada daerah yang mengalami bending.
2.5.5 Kelonggaran
Kelonggoran atau cleaerence adalah celah antara punch dan die untuk memudahkan gerakan lembaran logam saat proses drawing berlangsung Bila celah die terlalu kecil atau kurang dari tebal lembaran logam, lembaran logam dapat mengalami penipisan (ironing) dan bila besar clearence melebihi toleransi dapat mengakibatkan terjadinya kerutan.
2.5.6 Strain Ratio
Strain ratio adalah ketahanan lembaran logam untuk mengalami peregangan, bila lembaran memiliki perbandingan regangan yang tinggi maka kemungkinan terjadinya sobekan akan lebih kecil.
2.5.7 Kecepatan Drawing
Kecepatan yang tidak sesuai dapat menyebabkan retak bahkan sobek pada material, masing – masing jenis material mempunyai karateristik berbeda sehingga kecepatan maksimal masing – masing material juga berbeda. Tabel berikut adalah kecepatan maksimal beberapa jenis material yang biasa digunakan untuk sheet metal drawing.
11 Tabel 2. 1 Kecepatan Drawing (Ostergaard, 1967)
Kecepatan penekanan punch pada pembentukan profil channel dengan matrial yang di pilih yaitu steel dengan alasan profil channel yang berada di pasaran matrialnya yaitu steel.
2.6 Hubungan Torsi Baut dengan Tegangan Baut
Menghubungkan torsi baut ke ketegangan baut, Setelah mengetahui bahwa preload yang tinggi sangat diinginkan pada sambungan-sambungan baut yang penting, selanjutnya kita harus mempertimbangkan cara memastikan bahwa preload benar-benar digunakan saat bagian dirakit (Nisbett, 2011)
2.6.1 Relasi torsi baut dan tekanan baut pada blank holder
T = K.Fi.d (2.1)
Ket : T : Torsi
K : Di dapat dari tabel kondisi baut.
Fi : Nilai Force blank holder dibagi jumlah baut yang digunakan, dimana nilai ini di dapat dari hasil simulasi yang di lakukan oleh saudara (Hijrayanto, 2018).
d : Diameter baut.
Tabel 2. 2 Kondisi Baut (Nisbett, 2011)
Bolt Condition K
Nonplated, black finish 0,30
Zinc-plated 0.20
Lubricated 0.18
Cadmium-plated 0.16
With Bowman Anti-Seize 0.12
With Bowman-Grip nuts 0.09
2.7 Baja Karbon
12 Baja karbon atau carbon steel adalah paduan antara besi (Fe) dan karbon (C) dimana unsur karbon sangat menentukan sifat -sifatnya. Sedang unsur-unsur paduan lainnya yang biasa terkandung didalamnya terjadi karena proses pembuatannya. Baja merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam bidang teknik. Baja dalam pencetakannya dapat berbentuk pelat (sheet metal), batangan, pipa dan lain sebagainya.
Berdasarkan kadar karbon, baja karbon dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu :
A. Baja Karbon Rendah (Hypoeutectoid)
Baja dengan kadar karbon (< 0,30 %). Baja ini disebut baja ringan (mild steel) atau baja perkakas. Baja karbon rendah bukan termasuk baja yang keras karena kandungan karbonnya rendah (<0,30 %). Baja ini dapat dijadikan mur, baut, peralatan senjata, alat pengangkat presisi.
B. Baja Karbon Sedang (Eutectoid)
Baja karbon dengan kadar karbon (0,30 % ¸ 0,60 %) dan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan pengerjaan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon sedang digunakan untuk sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, poros bubungan, poros engkol,serta peralatan tangan.
C. Baja Karbon Tinggi (Hypereutectoid)
Baja karbon dengan kadar karbon (> 0,80 %) dibuat dengan cara digiling panas.
Apabila baja ini digunakan untuk bahan produksi, maka harus dikerjakan dalam keadaan panas dan digunakan untuk peralatan mesin berat, batang-batang pengontrol, pegas kumparan dan lain- lain. (H. Amanto, 1999)
2.8 Sifat Mekanik Bahan
Dalam pemilihan bahan untuk produk , perancang harus memperhatikan sifat- sifat logam seperti kekuatan (strength), keliatan (ductility), kekerasan (hardness) atau kekuatan luluh (fatique strength). Sifat mekanik didefinisikan sebagai ukuran kemampuan bahan untuk membawa atau menahan gaya atau tegangan. Pada saat menahan beban, atom-atom atau struktur molekul berada dalam kesetimbangan.
13 Gaya ikatan pada struktur menahan setiap usaha untuk mengganggu kesetimbangan ini, misalnya gaya luar atau beban.
A. Bahan liat (ductile) dan bahan rapuh (brittle)
Bahan-bahan logam biasanya diklasifikasikan sebagai bahan liat (ductile) atau bahan rapuh (brittle). Bahan liat mempunyai gaya regangan ( tensile strain ) relatif besar sampai dengan titik kerusakan (misal baja atau aluminium) sedangkan bahan rapuh mempunyai gaya regangan yang relatif kecil sampai dengan titik yang sama. Besi cor dan beton merupakan contoh bahan rapuh.
B. Modulus kekerasan (modulus of toughness)
Kerja yang dilakukan suatu unit volume bahan, seperti misalnya gaya tarikan yang dinaikkan dari nol sampai suatu nilai yang menyebabkan keruntuhan didefinisikan sebagai modulus kekerasan. Ini dapat dihitung sebagai luasan dibawah kurva tegangan-regangan dari origin sampai titik keruntuhan.
Kekerasan bahan adalah kemampuan untuk menyerap energi pada selang plastis dari bahan
C. Batas luluh bahan
Sebenarnya sifat elastis masih terjadi sedikit di atas batas proporsional, namun hubungan antara tegangan dan regangan tidak linear dan pada umumnya batas daerah elastis dan daerah plastis sulit untuk ditentukan. Karena itu, maka didefinisikan kekuatan luluh (yield point). Kekuatan luluh adalah harga tegangan terendah dimana material mulai mengalami deformasi plastis.
2.9 Uji Tarik
Uji tarik adalah pemberian gaya atau tegangan tarik kepada material dengan maksud untuk mengetahui atau mendeteksi kekuatan dari suatu material. Tegangan tarik yang digunakan adalah tegangan aktual eksternal atau perpanjangan sumbu benda uji. Uji tarik dilakuan dengan cara penarikan uji dengan gaya tarik secara terus menerus, sehingga bahan (perpajangannya) terus menerus meningkat dan teratur sampai putus, dengan tujuan menentukan nilai tarik. Untuk mengetahui kekuatan tarik suatu bahan dalam pembebanan tarik, garis gaya harus berhimpit dengan garis sumbu bahan sehingga pembebanan terjadi beban tarik lurus. Tetapi
14 jika gaya tarik sudut berhimpit maka yang terjadi adalah gaya lentur. (Salindeho &
Soukota, 2015)
2.10 Tegangan-Regangan Teknis
Sifat-sifat mekanik material yang dikuantifikasikan salah satunya dengan kuat tarik dapat diperoleh dengan pengujian tarik. Pada pengujian tarik uniaksial atau uji satu arah, benda uji diberi beban atau gaya tarik pada satu arah dan gaya yang diberikan bertambah besar secara kontinu. Pada saat bersamaan benda uji akan bertambah panjang dengan bertambah gaya yang diberikan. (Salindeho & Soukota, 2015)
Berdasarkan hasil pengujian tarik yaitu berupa data gaya dan perpanjangan, maka dapat dianilisis untuk menentukan tegangan dan regangan secara teknis, yaitu persamaannya:
A. Tegangan Teknis
Tegangan yang didapatkan dari kurva tegangan teoritik adalah tegangan yang membujur ratarata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu.
(Salindeho & Soukota, 2015) 𝜎 = 𝑃
𝐴0
(2.2) Keterangan :
𝜎 = tegangan teknis (N/mm2)
P = gaya yang diberikan pada benda uji (N) Ao = luas penampang awal benda uji (mm2) B. Regangan Teknis
Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji, dengan panjang awal. (Salindeho & Soukota, 2015)
𝜀 =∆𝐿
𝐿0 =𝐿 − 𝐿0 𝐿0
(2.3) Keterangan :
15 𝜀 = regangan teknis
∆𝐿 = Perubahan panjang (mm) 𝐿0 = Panjang mula-mula (mm)
𝐿 = Panjang setelah diberi gaya (mm)
Jika terus menarik suatu benda uji sampai putus, akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva seperti digambarkan pada Gambar 2.6.
Kurva ini menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam desain yang memakai bahan tersebut.
Gambar 2.5 Kurva uji tarik (Salindeho & Soukota, 2015)
Memudahkan pembahasan, Gambar 2.6 dimodifikasi dari hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan mekanik dan regangan (stress vs strain), seperti diperlihatkan pada gambar 2.11 Tegangan-Regangan Sejati
Tegangan-regangan teknik tidak memberikan indikasi karekteristik deformasi yang sesungguhnya, karena kurva tersebut semuanya berdasarkan pada dimensi awal benda uji, sedangkan selama pengujian terjadi perubahan dimensi. Pada tarik untuk logam liat, akan terjadi penyempitan setempat pada saat beban mencapai harga maksimum. Karena pada tahap ini luas penampang lintang benda uji turun secara cepat, maka beban yang dibutuhkan untuk melanjutkan deformasi akan segera mengecil.
m
16 Gambar 2.6 Kurva tegangan-regangan teknis (Salindeho & Soukota,
2015)
Tegangan-regangan teknik juga menurun setelah melewati beban maksimum.
Keadaan sebenarnya menunjukkan, logam masih mengalami pengerasan regangan sampai patah sehingga tegangan yang dibutuhkan untuk melanjutkan deformasi juga bertambah besar. Tegangan yang sesungguhnya adalah beban pada saat manapun dibagi dengan luas penampang lintang benda uji, Ao dimana beban itu bekerja.
Tegangan-regangan rekayasa didasarkan atas dimensi awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan tegangan-regangan sejati diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur.
Perbedaan kedua kurva tidaklah terlampau besar pada regangan yang kecil, tetapi menjadi signifikan pada rentang terjadinya pengerasan regangan, yaitu setelah titik luluh terlampaui. Secara khusus perbedaan menjadi demikian besar di dalam daerah necking (pengecilan penampang). Pada teganganregangan rekayasa, dapat diketahui bahwa benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat penghitungan tegangan P / Ao.
Sementara pada kurva tegangan-regangan sejati luas area aktual adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena P/ Ai . (Salindeho & Soukota, 2015)
Hubungan tegangan-regangan sejati dan tegangan-regangan teknis, yaitu dengan persamaan sebagai berikut: (Salindeho & Soukota, 2015)
17 Persamaan tegangan sejati
𝜎𝑡= 𝑠(𝑒 + 1) (2.4)
Keterangan
𝑠 = tegangan teknis 𝑒 = regangan teknis Persamaan regangan sejati
𝜀𝑡=ln(e+1) (2.5)
Keterangan
ln = logaritma natural 𝑒 = regangan teknis
Gambar 2.7 Perbandingan antara kurva tegangan regangan teknik Dengan kurva tegangan regangan sejati (Salindeho & Soukota, 2015)
2.12 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength) adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan kekuatan material. Untuk logam ulet, kekuatan tariknya harus dikaitkan dengan beban maksimum, dimana logam dapat menahan beban sesumbu untuk keadaan yang sangatterbatas. Pada tegangan yang lebih komplek, kaitan nilai tersebut dengan kekuatanlogam kecil sekali kegunaannya.
18 Kecenderungan yang banyak ditemui adalah, mendasarkan rancangan statis logam ulet pada kekuatan luluhnya. Tetapi karena jauh lebih praktis menggunakan kekuatan tarik untuk menentukan kekuatan bahan, makametode ini lebih banyak dipakai. Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang lintang awal benda uji. (Salindeho & Soukota, 2015)
𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐴0
(2.6) Korelasi emperis yang diperluas antar kekuatan tarik dengan sifat mekanik lainnya seperti kekerasan dan kekuatan lelah, sering dipergunakan. Hubungan tersebut hanya terbatas pada hasil penelitian beberapa jenis material.
2.13 Uji bending
Uji Bending dilakukan untuk menentukan keuletan atau kekuatan suatu material. Bagian "uji bending Kelenturan" juga termasuk tes representatif data untuk banyak logam, uji bending untuk keuletan berbeda secara fundamental dari tes mekanis lainnya dalam kebanyakan tes mekanis dirancang untuk memberikan hasil kuantitatif dan memiliki tujuan akhir yang obyektif. Sebaliknya, uji keuletan lentur memberikan lulus / gagal hasil dengan titik akhir subjektif. (Eugene Shapiro, 2000).
