TI-2121: Proses Manufaktur

(1)

TI-2121: Proses Manufaktur

Proses Pengecoran Logam

Laboratorium

Sistem

Produksi

www.lspitb.org

©

2003

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

Tugas 3

• Buku:

Groover M.P., Fundamentals of modern manufacturing,

Second Edition, John Wiley & Sons, USA, 2002

• Dengan menggunakan produk yang dibuat pada

Tugas 2, jawablah latihan soal Bab 10 sebagai

berikut:

10.3 (heating and pouring)

10.10 (shrinkage)

10.25 (solidification time and riser design)

• Berdasarkan latihan soal di atas

Buatlah sketsa rinci desain cetakan

• Dikumpulkan: Senin, 15 September 2003, jam

1-10.00 di LSP

(2)

TI2121 - Proses Manufaktur - Minggu 3

3 1. Hasil Pembelajaran

• Umum:

Memberikan mahasiswa pengetahuan yang

komprehensif tentang dasar-dasar proses pemesinan

dan mesin perkakas, proses forming dan molding,

metrology dan aplikasi terhadap kualitas produk dan

analisis system manufaktur.

• Khusus:

Mampu membedakan jenis-jenis pengecoran serta

ukuran kualitas pengecoran

Istilah

• Pengecoran pasir = sand casting

• Pola = patterns

(3)

5 Pengecoran Pasir (1)

• Merupakan proses pengecoran yang paling

banyak digunakan

• Dapat digunakan untuk pengecoran logam yang

memiliki temperatur lebur tinggi

• Produk pengecoran memiliki rentang ukuran dari

kecil hingga besar dan rentang jumlah dari satu

hingga jutaan

Pengecoran Pasir (2)

(4)

7 Langkah-langkah Pengecoran Pasir

Pola dalam Pengecoran Pasir

• Pola dibuat lebih besar dari ukuran produk yang

sebenarnya untuk mengkompensasi:

Penyusutan

Proses pemesinan selanjutnya (finishing)

• Material pola:

Kayu Plastik Logam

• Pola kayu

Kelebihan: banyak digunakan karena kemudahan dalam proses pembentukan

Kekurangan: kecendurangan melengkung dan terkena abrasi pasir (cepat aus)

• Pola metal: lebih tahan lama tetapi mahal

• Pola plastik: kompromi kelebihan/kekurang antara kayu

dan metal

(5)

9 Jenis Pola

a)

Solid pattern: mudah dibuat, sulit dalam pembuatan cetakan (penentuan parting line, letak gating system dll), cocok untuk volume produksi rendah

b)

Split pattern: cocok untuk bentuk komplek dengan volume produksi sedang, parting line telah ditentukan

c)

Match-plate pattern: bagian atas/bawah dalam satu plat , cocok untuk volume produksi tinggi

d)

Cope-and-drag pattern: bagian atas/bawah dalam plat yang terpisah, cocok untuk volume produksi tinggi

Pengecoran dengan rongga internal

a)

Core held in the mold cavity by chaplets

b)

Possible chaplet design

c)

Casting with internal cavity

Catatan:

• Chaplets terbuat dari material yang memiliki titik lebur lebih tinggi dari logam lebur

(6)

11 Pembuatan Cetakan Pasir (1)

• Pasir yang digunakan:

Silica (SiO2) atau campuran silica dengan material lainnya  Tahan terhadap temperatur tinggi (refractory)

Bentuk dan ukuran granular pasir:

– Granular kecil menghasilkan permukaan cor yang halus tetapi granular yang besar memiliki permeabilitas (rongga untuk keluarnya gas/udara) yang tinggi

– Granular berbentuk tak beraturan cenderung lebih kuat (interlocking) tetapi granular berbentuk bulat memiliki permeabilitas yang tinggi

• Perekatan pasir:

 Air dan tanah liat perekat (bonding clay) 90% pasir, 3% air, 7% tanah liat Perekat lainnya yang dapat digunakan:

– resin orgranik (phenolic resins)

– perekat non-organik (sodium silicate, phosphate)

Pembuatan Cetakan Pasir (2)

• Pembuatan cetakan pasir:

Pemampatan pasir cetakan terhadap pola untuk cope

dan drag dalam sebuah kontainer

Kontainer tersebut disebut flask

• Metoda pemampatan:

Hand ramming

Mesin

– menggunakan tekanan pneumatic

– Jolting action: flask dijatuhkan berulang-ulang agar pasir termampatkan

– Slinging action: granular pasir ditumbuk ke pola pada kecepatan yang tinggi

(7)

13 Pembuatan Cetakan Pasir (3)

• Indikator-indikator dalam penentuan kualitas

cetakan pasir:

Strength: kemampuan untuk mempertahankan bentuk

dan ketahanan terhadap erosi

Permeability: kemampuan cetakan untuk mengalirkan

udara panas dan gas yang terperangkap dalam cetakan

Thermal stability: ketahanan permukaan rongga cetakan

terhadap retak (cracking) dan melengkung (buckling)

saat logam lebur dituangkan

Collapsiblity: kemampuan pasir untuk lepas terhadap

produk cor saat penyusutan dan pembongkaran cetakan

tanpa produk cor tersebut mengalami cacat

Reusability: kemampuan pasir cetakan yang telah

dibongkar untuk digunakan kembali

Pembuatan Cetakan Pasir (4)

• Pasir cetakan diklasifikasikan menjadi:

 Green-sand mold

– Campuran: pasir, tanah liat dan air

– “Green”: pada saat logam lebur dituang, cetakan dalam keadaan basah (moisture)

– Strengh, collapsibility, permeability dan resuability baik – Keadaan basah dapat mengakibatkan cacat untuk logam dan

bentuk tertentu

 Dry-sand mold

– Menggunakan perekat organik dan dipanaskan dalam oven antara 200 °C - 300°C untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan cetakan

– Pengendalian dimensi lebih baik tetapi biaya mahal dan waktu produksi lama (waktu pengeringan)

– Cocok untuk produk dengan ukuran produk sedang-besar dan volume produksi rendah-sedang

 Skin-dried mold

– Permukaan green-sand mold yang dipanaskan hingga kedalaman 10-25mm; menggunakan torches, heating lamp

– Perlu menggunakan perekat khusus; daya rekat menjadi seperti dry-sand

(8)

15 Operasi Pengecoran

• Inti diposisikan (jika digunakan) dan kedua sisi cetakan

diclamp

• Proses selanjutnya: penuangan, pengerasan dan

pendinginan

• Problem: pada saat penuangan, daya apung logam lebur

dapat mengakibatkan bergesernya inti (hukum archimedes)

• Langkah akhir: cetakan dibongkar, komponen dibersihkan

dan diinspeksi

inti

berat

lebur

logam

berat

apung

gaya

=

−

=

c m b c m b

W

F

W

F

Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (1)

•

Shell molding

(1) a match-plate or cope-and-drag metal pattern is heated and placed over a box containing sand mixed with thermosetting resin; (2) box is inverted so that sand and resin fall onto the hot pattern, causing a layer of the mixture to partially cure on the surface to form a hard shell; (3) box is repositioned so that loose, uncured particles drop away; (4) san shell is heated in oven for several minutes to complete curing; (5) shell mold is stripped from the pattern; (6) two halves of the shell mold are assembled,

(9)

17 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (2)

•

Vacuum molding

(1) a thin sheet of preheated plastic is drawn over a matchplate or copeanddrag pattern by vacuum -the pattern has small vent holes to facilitate vacuum forming; (2) a specially designed flask is placed over the pattern plate and filled with sand and a sprue and pouring cup are formed in the sand; (3) another thin plastic sheet is place over the flask and a vacuum is drawn that causes the sand grains to be held together, forming a rigid mold; (4) the vacuum on the mold pattern is released to permit pattern to be stripped from the mold; (5) this mold is assembled with its matching half to form the cope and drag, and with vacuum maintained on both halves, pouring is accomplished. The plastic sheet quickly burns away on contacting the molten metal. After solidification, nearly all of the sand can be recovered for reuse.

Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (3)

• Expanded polystyrene casting

(1) pattern of polystyrene is coated with refractory compound; (2) foam pattern is placed in mold box and sand is compacted around the pattern (3) molten metal is poured into the portion of the pattern, that forms the pouring cup and sprue. As the metal enters the mold, the polystyrene foam is vaporized ahead of the advancing liquid, thus allowing the resulting mold cavity to be filled

(10)

19 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (4)

•

Investment casting

(1) wax patterns are produced (2) several patterns are attached to a sprue to form a pattern tree (3) the pattern tree is coated with a thin layer of refractory material; (4) the full mold is formed by covering the coated tree with sufficient refractory material to make it rigid; (5) the mold is held in an inverted position and heated to melt the wax and permit it to drip out of the cavity; (6) the mold is preheated to a high temperature, which ensures that all contaminants are eliminated from the mold; it also permits the liquid metal to flow more easily into the detailed cavity; the molten metal is poured; it solidifies (7) the mold is broken away from the finished casting. Parts are separated from the sprue

Proses Pengecoran Cetakan Permanen (1)

• Cetakan permanen terdiri dari dua sisi yang

terbuat dari logam dan dirancang untuk

memudahkan pembukaan/penutup secara akurat

• Material cetakan: steel atau cast iron

• Logam yang dicor: aluminum, magnesium,

copper-based alloy dan cast iron

• Inti terbuat dari logam. Jika pelepasan

/pengeluaran inti sulit, digunankan pasir

(semipermanent-modl casting)

(11)

21 Proses Pengecoran Cetakan Permanen (2)

(1) mold is preheated and coated; (2) cores (if used) are inserted and mold is closed (3) molten metal is poured into the mold (4) mold is opened. Finished part is shown in (5)

Proses Pengecoran Cetakan Permanen Lainnya

• Low pressure casting

The diagram shows how air pressure is used to force the molten metal in the ladle upward into the mold cavity. Pressure is maintained until the casting has solidified

(12)

23 Die casting (1)

• Die casting adalah proses pengecoran

cetakan-permanen, dimana logom lebur diinjeksi kedalam

rongga cetakan dengan tekanan yang tinggi (7 –

350MPa)

• Cetakan yang digunakan disebut dies

• Mesin die casting dibedakan menjadi:

Hot-chamber

Cold-chamber

Die casting (2)

• General configuration of a cold chamber die casting

machine

(13)

25 Die casting (3)

• Cycle in

hot-chamber casting;

(1) with die closed and plunger withdrawn, molten metal flows into the chamber (2) plunger forces metal in chamber to flow into die,

maintaining pressure during cooling and solidification; (3) plunger is withdrawn, die is opened and solidified part is ejected. Finished part is shown in (4)

Die casting (4)

• Cycle in cold chamber casting

(1) with die closed an ram withdrawn, molten metal is poured into the chamber; (2) ram forces metal to flow into die, maintaining pressure during cooling and solidification; (3) ram is withdrawn, die is opened and part is ejected

(14)

27 Jenis Tungku

• Cupola

Hanya digunakan untuk melebur cast iron Bahan bakar: batubara

Jenis Tungku

• Directed fuel-fired furnace

Logam dilebur langsung oleh fuel burner

Melebur logam non-ferro: copper-based alloys dan

aluminum

(15)

29 Jenis Tungku

• Crucible furnace

Logam dilebur tanpa kontak langsung dengan fuel burner (sering disebut indirect fuel-fired furnace)

Bahan bakar: minyak, gas atau serbuk batubara

 Melebur logam non-ferro: bronze, brass dan alloy of zinc &

aluminum

Jenis Tungku

• Electric-arc furnace

Logam dilebur menggunakan electric arc

Hanya digunakan untuk melebur cast steel

(16)

31 Jenis Tungku

• Induction furnace

Peleburan menggunakan arus AC yang dialiri kedalam coil untuk menciptakan medan magnet hingga logam cair  Melebur logam: steel, cast iron, aluminum alloy

Kualitas Pengecoran (1)

• Cacat pada pengecoran

 Misrun; Pengecoran yang telah mengeras sebelum sebelum rongga cetakan terisi sempurna. Penyebab: fluiditas logam lebur kurang, temperatur tuang rendah, kecepatan penuangan lambat, bagian cross-section rongga cetakan tipis.

 Cold shut; terjadi jika dua aliran logam lebur bertemu tetapi kurang terjadi fusi antar keduanya akibat adanya pendinginan yang prematur

 Cold shots; percikan (splattering) logam lebur saat penuangan mengakibatkan gelembung logam (solid globules) yang mengeras terperangkap dalam cetakan

 Shrinkage cavity; depresi yang terjadi pada permukaan atau bagian internal pengecoran akibat terjadinya pengerasan yang menyusut

 Microporosity; terjadinya pengerasan yang menyusut secara lokal dan terdistibusi secara merata pada structur dendritic

 Hot tearing/hot cracking; retaknya logam pada titik yang mengalami tegangan (tensile stress) yang tinggi akibat dari ketidakmampuan logam untuk menyusut secara natural

(17)

33 Kualitas Pengecoran (1)

• Cacat pada pengecoran

(a) misrun; (b) cold shut; (c) cold shot (d) shrinkage cavity (e) microporosity (f) hot tearing/hot cracking

Kualitas Pengecoran (2)

• Cacat pada pengecoran pasir

 Sand blow; Terperangkapnya gas cetak (mold gases) saat penuangan

 Pin holes; Seperti sand blow tetapi dalam ukuran kecil dari tersebar

 Sand wash; erosi yang terjadi pada cetakan saat penuangan sehingga bentuk cetakan berubah

 Scabs; permukaan kasar pada permukaan akibat encrustation logam dan pasir

 Penetration; logam lebur terpenetrasi kedalam cetakan karena fluiditas logam yang tinggi

 Mold shift; pergeseran antara cope dan drag sehingga mengakibatkan parting line yang menonjol

 Core shift; pergeseran inti akibat dari buoyancy dari logam

 Mold crack; retaknya cetakan sehingga logam lebur membentuk sirip pada produk akhir

(18)

35 Kualitas Pengecoran (2)

• Cacat pada pengecoran pasir

(a) sand blow (b) pin holes (c) sand wash (d) scabs (e) penetration (f) mold shift (g) core shift (h) mold crack

Pertimbangan Dalam Perancangan Produk Cor

• Desain geometri produk sesederhana mungkin

Menyederhanakan pembuatan cetakan

Menghindari penggunaan inti

Meningkatkan kekutan cetakan

• Hindari sudut-sudut yang tajam

Merupakan sumber konsentrasi tegangan (stress)

Sumber keratakan

Rancang menggunakan radius (fillet)

• Toleransi pemesinan

Kepresisian dimensi hasil pengecoran sangat rendah.

Jika kepresisian dimensi diperlukan, perlu toleransi

(19)

37 Pertimbangan Dalam Perancangan Produk Cor

(a) Thick section at intersection can result in a shrinkage cavity (b) redesign to reduce thickness

(c) use of a core

Design change to eliminate the need for using a core: (a) Original design

TI-2121: Proses Manufaktur