PERBAIKAN PEMEGANG DAN PENGECILAN DIAMETER SPESIMENTERHADAP KINERJA UJI LELAH
Syamsul Hadi1, Anggit Murdani2, Sudarmadji3, Andhika Erlangga Setiawan Putra4, Hendri Irwanto Prabowo5, Sapto Wibowo6, Sza Sya Monica Valeria7, Andri Setiawan8
1,2,3,4,5,7,8 Jurusan Teknik Mesin, 6Jurusan Teknik Listrik, Politeknik Negeri Malang
1[email protected] atau [email protected], 2[email protected], 3[email protected],
4[email protected], 5[email protected], 6[email protected], 7[email protected],
Abstrak
Kendala dalam uji lelah adalah selipnya pegangan ujung spesimen memakai chuck mata bor dan kurang efisiennya durasi pengujian terutama pada bahan spesimen yang ulet untuk kuningan berdurasi 2,4 hari pada 1400 rpm. Metode penelitian meliputi penggantian pemegang ujung spesimen dengan collet mesin frais dari chuck dan pengecilan radius bubut copy menjadi 240 mm (9,45 inch) dari 252 mm (10 inch) yang menghasilkan tegangan lentur (S) 395 MPa dari sebelumnya 229 MPa, sehingga dapat mempersingkat waktu pengujian pada pembebanan maksimal 10 kg, pengambilan data dilakukan menggunakan spesimen Kuningan tipe C3604BD dengan dua ukuran diameter spesimen minimal 8,6 mm dengan radius bubut copy 10 inch dan diameter spesimen minimal 7.3 mm dengan radius bubut copy 9,45 inch. Hasil penelitian menunjukkan bahwa spesimen kuningan C3604BD pada S 229 MPa mencapai umur lelah 4848365 putaran dengan durasi 3463 menit dan pada S 395 MPa mencapai umurlelah 201512 putaran dengan durasi 144 menit; pemegang ujung spesimen dengan hanya tiga bidang kontak jepit chuck mengakibatkan selip yang dapat diperkecil melalui penggantian dengan delapan bidang kontak jepit collet mesin frais; dan pengecilan radius bubut copy dari 252 mm menjadi 240 mm mempercepat durasi pengujian dari 3463 menit menjadi 144 menit atau 24 kali lebih cepat.
Kata kunci: Uji lelah batang putar, Kuningan C3604BD, chuck mata bor, collet mesin frais, durasi pengujian, radius bubut copy.
I. PENDAHULUAN
Kendala yang dihadapi dalam uji lelah adalah terjadi selipnya pegangan ujung spesimen setelah beberapa lama pengujian akibat terlukanya permukaan spesimen, sementara gaya penjepitan pada chuck mata bor tidak meningkat, akibatnya luka pada permukaan menjadi meluas dan akhirnya menjadi selip.
Dengan terjadinya selip pada jepitan ujung spesimen perlu dilakukan pemeriksaan secara periodik dan dilakukan pengencangan penjepitan dari ketiga bidang kontaknya melalui penyempitan 3 rahang chuck mata bor. Kendala kedua adalah lamanya durasi pengujian lelah terutamauntuk bahan spesimen yang ulet seperti kuningan, aluminium dan bahan lainnya yang dalam pengujian membutuhkan durasi pengujian hingga beberapa hari pada kecepatan uji tertentu. Kedua masalah tersebut diselesaikan dengan penggantian dengan collet mesin frais yang memiliki delapan permukaan kontak jepit yang tentunya lebih mencengkeram dan lebih kokoh. Lamanya durasi pengujian lelah diselesaikan dengan pengecilan radius spesimen pada bagian tengah spesimen standar uji lelah melalui penggantian rel bubut copy pada mesin uji lelah batang putar terpadu prinsip R.R. Moore.
Maksud dilakukan riset adalah meningkatkan kinerja uji lelah
pengujian dapat dipersingkat.
Uji lelah spesimen kuningan dengan 3 kondisi perlakuan menghasilkan umur lelah pada tegangan lentur (S) 98,95 MPa pada kondisi normal 1.200.000 putaran, pada kondisi anil 380oC senilai 800.000 putaran, pada kondisi dengan alur sedalam 1 mm senilai 692.000 putaran, dan kondisi dikorosikan dalam larutan NaCl pada pH 6,6 dan konsentrasi 38% diperoleh 1.110.000 putaran [1]. Perlakuan yang berbeda pada spesimen uji lelah mengakibatkan umur lelahnya berbedajuga pada spesimen yang dianil, pemberian alur dan dikorosikan dapat mengurangi umur lelah dibandingkan dengan kondisi tanpa perlakuan. Spesimen kuningan C85700 pada beban 20 kg atau pada S 316 MPa mencapai umur lelah 333725 putaran, pada beban 18 kg atau S 284 MPa mencapai umur lelah 554043 putaran dan pada beban 16 kg atau pada S 252 MPa mencapai umur lelah 1780859 yang menunjukkan bahwa variasi pembebanan dapat mempengaruhi terhadap batas lelah (endurance limit) kuningan [2]. Untuk spesimen AA 7075 karena tidak menunjukkan batas lelah, maka pada uji lelah dihentikan pada 100 MPa [3]. Umur lelah spesimen paduan aluminium, AA 6063-TF dengan permukaan kasar diperoleh umur lelah 1.102.472 putaran dan pada permukaan halus diperoleh umur lelah 1.281.945 putaran yang berartiumur lelah spesimen permukaan halus adalah 16,3% lebih lama daripada umur lelah spesimen dengan permukaan yang lebih kasar [4]. Umur lelah spesimen AA 2219-T852 akibat
Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Manufaktur Vol. 01 Desember 2021 | e-ISSN 2809-5588 Rata-rata umur lelah spesimen AA 1100 yang dipotong pada
arah memanjang arah pengerolan/rolling direction (RD) adalah10.685.087 putaran dan untuk spesimen AA 1050 adalah 10.171.184 putaran. Kedua nilai umur lelah tersebut lebih besardaripada umur lelah pada arah melintang RD yaitu 8.814.385 putaran untuk AA 1100 dan 8.596.266 putaran untuk AA 1050 [6]. Spesimen Aluminium tidak memiliki batas lelah, tetapi pada baja [7] menunjukkan nilai batas lelah. Spesimen AA6063 T6 yang telah diuji lelah dengan ukuran spesimen mini dengan luas 5,5 mm2 (tebal 1,58 mm dan lebar 3,5 mm) yang dipotong dari profil persegi kompleks 45 mm x 45 mm pada tegangan maksimum 220 MPa menghasilkan umur lelah pada 48.011 putaran [8]. Mesin uji lelah batang putar terpadu tidak hanya digunakan dalam uji lelah untuk kuningan dan aluminium, tetapi juga digunakan untuk uji lelah pada besi cordan nylon [9].
II. BAHAN DAN METODA
Spesimen uji lelah standar kuningan C3604BD (57-61% Cu, 39-43% Zn) [10] dengan bentuk dan dimensi sebelum dilakukan pengecilan radius bubut copy pada 254 mm dengan diameter minimal di tengah spesimen 8,6 mm sebagaimana Gambar 1.
Gambar 1. Bentuk dan dimensi spesimen uji lelah standar sebelum dilakukanpengecilan radius bubut copy pada 254 mm
Spesimen uji lelah standar dengan bentuk dan dimensi setelah dilakukan pengecilan radius bubut copy menjadi 240 mm dengan diameter minimal di tengah spesimen 7,3 mm sebagaimana Gambar 2.
Gambar 2. Bentuk dan dimensi spesimen uji lelah standar sebelum dilakukanpengecilan radius bubut copy pada 240 mm
rel bubut copy dilakukan penggantian jika diinginkan perubahan radius pada bagian tengah spesimen dari radius 254mm menjadi radius 240 mm sebagaimana Gambar 3.
Gambar 3. Mesin bubut copy dengan rel yang menghasilkan spesimen dengan :
(a) radius 254 mm dan (b) radius 240 mm
Hasil pembubutan spesimen kuningan menggunakan bubut copy sebagaimana Gambar 4.
Gambar 4. Hasil pembubutan spesimen kuningan menggunakan bubut copy
Pengujian lelah menggunakan prinsip batang putar R.R.
Moore sebagaimana Gambar 5.
Gambar 5. Mesin uji lelah batang putar oleh R.R. Moore: (a) konstruksi mesin(Dowling, 2007: 408), dan (b) pelenturan spesimen (Callister, 2007:
230)
Mesin uji lelah spesimen batang putar metoda R.R. Moore dilengkapi dengan saklar pemutus arus listrik, ketika spesimen putus (shutoff switch), maka poros (shaft) melentur dan saklar pemutus bekerja, penghitung putaran (revolution counter), kopling fleksibel, dan beban pemberat pada kedua bantalan gelinding (ball bearing) sebagaimana
Gambar 5a (Dowling,2007: 408) dan pelenturan spesimen (Callister, 2007: 230) sebagaimana Gambar 5b. Tanda - (negatif) pada spesimen menunjukkan kondisi spesimen sedang ditekan dan tanda + (potitif) menunjukkan kondisi spesimen sedang ditarik akibat pembebanan.
Langkah pengujian lelah dilaksanakan sebagai berikut:
1. Mengubungkan konektor listrik motor uji lelah dengan panel kelistrikan melalui stabilizer catu daya,
2. Memasangkan spesimen dengan cara memasukkan ke dalam satu diantara chuck mata bor dan menggeser kedua ujungnya hingga simetri terjepit, kemudian mengencangkan sekencang mungkin untuk menghindari selip pada saat berlangsungnya proses pengujian,
3) Mamasangkan pemberat beban secara diawali dengan beban terberat yaitu dengan masa 10.033kg, kemudian untuk spesimen selanjutnya dilakukan pemvariasian beban dengan mengurangi satu-persatu keping beban, sehingga masa beban berkurang sesuai perhitungan pengujian lelah,
4) Mengisikan data pada komputer untuk nama spesimen, tingkat beban yang dipilih atau diberikan, mengisi nomor HP operator dan menghidupkan motor untuk menggerakan mesin uji dengan menekan tombol start, kemudian mengatur kecepatan putaran hingga mencapai 1400 rpm,
5) Saat menekan tombol start, seketika itu HP operator menerima pesan singkat (sms/short message service) dari Mesin Uji Lelah Batang Putar Terpadu dengan isi pesan:
“Mesin Uji lelah Mulai Beroperasi”,
6) Menunggu proses operasi mesin uji hingga spesimen uji lelah patah yang mana otomatis motor listrik penggerak mesin mati, kemudian membiarkan dan spesimen jangan ada kontak dengan benda asing atau sentuhan saat berputar agar dapat diperoleh data jumlah putaran yang baik (tidak kacau), pada saat spesimen patah, HP operatormenerima sms dengan isi pesan “ Spesimen Uji Lelah Telah Putus”,
7) Operator dapat meyakinkan memeriksa apakah spesimen uji lelah benar-benar putus atau terjadi aliran listrik PLN putus dapat dipantau melalui HP operator yang telah di- install perangkat lunak CCTV (Close Circuit Television) terkait, sehingga dapat melihat melalui HP di lokasi di luar gedung tempat mesin uji lelah berada (dapat demonitor secara remote),
8) Mencatat jumlah putaran (N) pada monitor yang mengindikasikan umur lelah spesimen uji telah yang telahterekam secara otomatis dan mencatat pula beban yang telah diberikan saat mengujinya,
9) Pelepasan spesimen yang telah patah, kemudian menggantidengan spesimen sejenis yang baru,
10) Mengurangi jumlah keping beban 1 (atau beberapa) buah sesuai dengan prediksi oleh operator, hal tersebut dilakukan setiap spesimen sudah selesai diuji hingga beratpembebanan terkecil yang mungkin dilakukan,
11) Umumnya jumlah spesimen disiapkan sejumlah 12 buah, perlu dilakukan uji lelah sejumlah spesimen tertentu hingga diperkirakan diperoleh lengkungan kurva S-N 12) Menggolah data beban yang diberikan menjadi tegangan lentur berpasangan dengan jumlah putaran yang dicapai untuk diolah dan diplot dengan perangkat lunak excell, sehingga menjadi plot kurva S-N (Tegangan lentur terhadap Umur lelah).
Nilai beban pemberat secara berurutan pada mesin uji lelah batang putar terpadu sebagaimana Tabel 1.
Tabel 1. Nilai Beban Pemberat Secara Berurutan
Momen lentur yang bekerja pada spesimen sebagaimana Rumus (1).
M = (F/2) (L/2) (1)
Tegangan lentur yang bekerja pada spesimen sebagaimana Rumus (2).
S = M.c/I (2)
Momen inersia yang bekerja pada spesimen berpenampang bulat sebagaimana Rumus (3).
I = d4/64 (3)
dengan
S: Tegangan lentur (MPa), M: Momen lentur (Nm),
c: Jarak serat terluar atau radius spesimen (m),
F: Beban (N), dalam kisaran 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10;
11; 12; dan 13 kg.
L: Jarak horizontal antara beban bantalan, tetap untuk mesinadalah 0,285 m,
I: Momen inersia (m4), dan
d: Diameter minimum di tengah panjang spesimen uji lelah(mm).
III. HASIL DAN DISKUSI
Umur lelah kuningan C3604BD dengan diameter minimum spesimen 7,3 mm dan 8,6 mm sebagaimana Tabel 2.
Tabel 2 Umur Lelah Kuningan C3604BD dengan Diameter Minimum Spesimen 7,3 milimeter dan 8,6 milimeter
Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Manufaktur Vol. 01 Desember 2021 | e-ISSN 2809-5588
Gambar 6. Hasil plot kurva tegangan lentur terhadap umur lelah spesimenkuningan/brass C3604BD
Kerusakan ujung spesimen ketika pegangan/penjepitan oleh chuck mata bor yang tidak segera dikencangkan tatkala mengalami kelonggaran/selip sebagaimana Gambar 7.
Umur lelah kuningan dan durasi pengujian untuk diameter minimal 8,6 mm dan 7,3 mm sebagaimana Tabel 3.
Tabel 3. Umur Lelah Kuningan Dan Durasi Pengujian Untuk Diameter Minimal 8,8 Milimeter Dan 7,3 Milimeter
Kuningan minimum = 8.6 Kuningan minimum = 7.3 Umur lelah,
N (putaran)
Durasi (menit)
Umur lelah, N (putaran)
Durasi (menit)
4848366 3463 201513 144
9385424 6704 498000 356
14234556 10168 684311 489
18988907 13564 1072145 766
31322458 22373 1783948 1274
- - 2533160 1809
- - 4212535 3009
- - 9731510 6951
Hasil plot kurva tegangan lentur terhadap umur lelah spesimen kuningan/brass C3604BD sebagaiman Gambar 6
Delapan bidang kontak collet mesin frais pada permukaan ujung spesimen sebagaimana Gambar 9.
Gambar 7. Kerusakan ujung spesimen ketika pegangan/penjepitan oleh chuck mata bor mengalami selip
Pemegang kedua ujung spesimen dari chuck mata bor memiliki kelemahan bisa terjadi selip saat pengujian lelah, olehkarenanya perlu penyempurnaan dengan penggantian menggunakan collet mesin frais yang bidang kontaknya lebih banyak yakni 8 bidang kontak sebagaimana Gambar 8 dibandingkan dengan chuck mata bor yang hanya memiliki 3 bidang kontak pada permukaan ujung spesimen.
Gambar 8. Collet mesin frais yang memiliki 8 bidang kontak
Kuningan C3604BD
7.3 mm 8.6 mm
S N S N
(MPa) (Putaran) (MPa) (Putaran)
395 201513 298 2455546
329 498000 275 2889076
299 684311 252 3625736
269 1072145 229 4848366
240 1783948 201 9385424
211 2533160 183 14234556
182 4212535 165 18988907
7153 9731510 147 31322458
Gambar 9. Delapan bidang kontak collet mesin frais permukaan pada ujungspesimen
Pengolahan data beban yang diberikan untuk diolah menjadi tegangan lentur berpasangan dengan jumlah putaran yang dicapai dapat dibuat program khusus agar data dapat diolah langsung di dalam komputer mesin uji lelah batang putar terpadu, sehingga langsung dapat dihasilkan berupa plot kurva S-N (Tegangan lentur terhadap Umur lelah) yang dapat langsung dicetak (print) setelah pengujian sejumlah spesimen selesai dilaksanakan.
IV. SIMPULAN Simpulan yang dapat ditarik dari hasil penelitian diantaranya:
1) Hasil penelitian spesimen Kuningan C3604BD pada S 229 MPa mencapai umur lelah (N) 4.848.365 putaran dengan durasi 3.463 menit dan pada S 395 MPa mencapai umur lelah 201.512 putaran dengan durasi 144 menit,
2) Pemegang ujung spesimen dengan hanya tiga bidang kontak jepit chuck mengakibatkan selip dapat diperkecil dengan penggantian delapan bidang kontak jepit collet mesin frais, dan
3) Pengecilan radius bubut copy dari 252 mm menjadi 240 mm mempercepat durasi pengujian dari 3.463 menit menjadi 144 menit atau 24 kali lebih cepat UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih disampaikan atas dukungan Hibah Penelitian dari Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Riset dan Teknologi melalui kontrak Nomor 257/E4.1/AK.04.PT/2021.
REFERENSI
[1] R. Ranjan , J. N. Mahto, and S. K. Soren, “Experimental investigationon the various factors which influences the fatigue- life of brass materials,” Int. J. Comp. Eng. Res. (IJCER), vol. 4, no. 7, pp. 28-39, 2014.
[2] Tauvana, A. I, "Analisa kuat lelah kuningan yellow brass c85700 pada mesin uji rotary bending," Jurnal Teknologika, vol. 5, no. 2, pp. 49-52, 2015.
[3] P. Shreyas, M. A. Trishul, R. C. Kumar, and K. R. K. Babu,
“Testing of Al 7075 specimen using dual specimen rotating bending fatigue testing machine,” Int. Adv. Res. J. Sci., Eng.
and Tech., vol. 2, no. 4, pp. 11-13, 2015
[4] E. Diniardi, B. Setiawan, and A. I. Ramadhan, “Fatigue analysis aluminium 6063-tf on the rotary bending testing machine,” J.
App. Sci. Adv. Tech., vol. 2, no. 1, pp. 7-11, 2019.
[5] J. Escamilla, “Rotating beam fatigue of forged 2219-t852 aluminium alloy,” A Senior Project of Bachelor of Science The Faculty of Materials Engineering California Polytechnic State University, San Luis Obispo, pp. 1-22, 2019.
[6] R. Sakin, “Investigation of bending fatigue-life of aluminum sheets based on rolling direction,” Alexandria Eng. J., vol. 57, pp.
35-47, 2018.
[7] B. Sepahpour, “A practical educational fatigue testing machine,”
121st ASEE Annual Conference and Exposition, The College of New Jersey, Paper ID #8403, pp. 1-29, 2014.
[8] T. Tomaszewski and J. Sempruch, “Fatigue life prediction of aluminium profiles for mechanical engineering,” J. Theor. and App. Mech., vol. 55, no. 2, pp. 497-507, 2017.
[9] S. Hadi, A. Murdani, Sudarmadji, A. Artiko, “Testing of the ability of fatigue test machine prototype and fatigue test for nylon and cast iron specimens,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 732, no. 1, pp. 1-8, 2020.
[10] Anonim, JIS-C3604BE/C3604BD, 2021. tersedia pada http://beyond-steel.com/product/tag/jis-h3250-92/
