18

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Material penelitian

3.1.1 Material benda Kerja

Benda Kerja yang digunakan sebagai spesimen uji dalam penelitian ini

adalah kawat aluminium murni. Aluminium dipilih karena material ini memiliki

karakteristik logam lunak serta banyak diaplikasikan di micro part yang mana

juga merupakan tujuan dari penelitian ini untuk bisa membuat micro part.

Aluminium yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah tipe

commercial Aluminium (pure aluminium) yang banyak dijumpai dipasaran

dengan komposisi kimia seperti dalam tabel 3.1

Tabel 3.1 Komposisi Kimia Aluminum Murni

Unsur Persentase (% wt)

Al 99.60%

Si 0.25%

Fe 0.35%

Cu 0.05%

Mn 0.03%

Mg 0.03%

Zn 0.05%

V 0.05%

Ti 0.03%

Lain-lain 0.03%

Spesimen ini diperoleh dipasaran dalam bentuk kawat tergulung dengan

diameter 1,5 mm, sehingga di perlukan upaya lanjut untuk membuat spesimen

menjadi ukuran yang diinginkan.

(a) (b)

Gambar 3.1 Spesimen benda uji penelitian. (a) Kawat aluminium murni yang

telah dipotong, dan (b) Sketsa aluminium.

5 mm

1,5 mm

19

Spesimen yang digunakan adalah berdiameter 1,5 mm dan panjang 5

mm. Dalam menyiapkan benda uji, kawat aluminum murni dipotong

menggunakan dan kemudian diratakan permukaaannya. Alat bantu yang

digunakan adalah tang dan amplas.

3.1.2 Material Dies.

Untuk material dies, menggunakan baja JIS SKD 11. Material ini juga

sering disebut dengan AISI: D2 atau DIN: 1.2379 . JIS SKD 11 yang digunakan

memiliki komposisi kimia materialnya adalah seperti dalam tabel 3.2

Tabel 3.2 komposisi kimia JIS SKD 11

Unsur Prosentase (% wt)

C 1,55

Si 0,25

Mn 0,35

Cr 11,80

Mo 0,80

V 0,95

Dalam pembuatan die (cetakan), proses dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin

Politeknik Negeri Semarang menggunakan mesin EDM (Electric Discharge

Machine) dan elektroda yang digunakan adalah tembaga.

(a) (b)

Gambar 3.2 (a) Mesin EDM. (b) Elektroda Tembaga.

Elektroda

tembaga

20

Gambar 3.3 Desain Closed Die (cetakan). (a) Top Die, dan (b) Bottom Die.

3.2 Peralatan Penelitian

3.2.1 Mesin forging

3.2.1.1 Mesin Gravity Drop-Hammer Forging.

Gambar 3.4 Mesin Closed Die Forging

Keterangan:

1. Lampu Indikator 6. Bottom Die.

2. On/Off Button. 7. Lever.

3. Panel LCD. 8. Tuas Handle.

0,6 mm 2,86 mm

mmmm

1,5 mm

(a)

(b)

2,92 mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

21

4. Beban. 9. Sensor pemanas

5. Top die/Punch. 10. Pemanas/heater

3.2.1.2 Ejector.

Gambar 3.5 Ejector

3.2.2 Surface Roughness

Alat yang digunakan untuk pengukuran ini adalah Mitutoyo Surftest SJ-

201P roughness tester (gambar 3.11). Setelah itu catat hasil pengukuran ke dalam

data, dan pengukuran dilakukan sebanyak tiga kali untuk setiap produk.

Gambar 3.6 Mitutoyo Surftest SJ-201P roughness tester

3.2.3 Alat Uji Metallography

Untuk mengetahui perubahan struktur butiran pada produk jadi dilakukan

proses uji metallographu srtuktur butir menggunakan microscope type Olympus

PME 3 (gambar 3.15) pada perbesaran 50 kali dan 200 kali. Berukut ini adalah

beberapa peralatan yang dipakai sebelum nantinya dilakukan pemotretan hasil

menggunakan kamera.

22

Gambar 3.7 (a) Polish Machine (b) Microscope type Olympus PME 3

3.2.4 Peralatan Pendukung

(a) (b)

Gambar 3.8 (a) Vernier Calipver, (b) Mikrometer.

Gambar 3.9 USB Digital Microscope VP-EYE 6.0 dengan Perbesaran pertama

10~50X dan perbesaran kedua 195X

3.3 Parameter dan Variabel Penelitian

3.3.1. Variabel Bebas

Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini ada tiga, yaitu:

1. Variasi Pembebanan

Pembebanan yang dilakukan adalah dengan memvariasikan beban

yaitu 75N, 85N, 95N, 105N, 115N, 125N. Setiap beban yang tersebut

akan divariasikan lagi berdasarkan kecepatan yang diberikan.

23

2. Variasi Kecepatan Jatuh

Kecepatan jatuh diberikan berdasarkan set up elevasi ketinggian beban

jatuh.

Tabel 3.3 Kecepatan ram pada berbagai mesin forging

Ketinggian beban (mm) Kecepatan Jatuh beban (m/s)

25 2,215

50 3,132

75 3,836

Tabel 3.4 Kecepatan pada berbagai mesin forging [Altan, 1973]

Mesin Tempa Kecepatan

ft/detik m/detik Mesin Palu Jatuh (akibat gravitasi) 12-16 3,6-4,8 Mesin Palu 10-30 3,0-9,0 Mesin HERF 20-80 6,0-24,0 Mesin Mekanik 0,2-5 0,06-1,5 Mesin Hidrolis 0,2-1,0 0,06-0,30

3.3.2 Variabel Tetap

Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini adalah: temperatur (T)

baik itu temperatur benda kerja, dies, dan environtment tempat eksperimen.

Variabel tetap yang lain adalah proses dilakukan tanpa pelumasan

Temperatur benda kerja : 20oC

Temperatur cetakan : 20oC

Temperatur lingkungan : 20oC

Pelumasan : tidak ada (dry)

Operasi : Single- Stroke Process

3.3.3 Variabel Terikat

Variabel terikat adalah variabel yang merupakan mana karakteristiknya

merupakan efek samping dari diterapkannya atau divariasikannya variabel bebas.

Sehingga variabel terikat akan sangat tergantung dari pola variabel bebas yang

diberikan. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah :

1) Dimensi Geometri -forgeability(Diameter kepala produk, tinggi produk)

2) Surface roughness (kekasaran permukaan)

24

3) Barreling pada produk

4) Struktur butir

5) Cacat Produk

3.4 Tahapan Proses Eksperimen

3.4.1 Pembuatan cetakan

3.4.2 Persiapan spesimen uji

Proses persiapan bahan yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai

berikut:

a. Pengujian komposisi

Proses ini bertujuan untuk mengetahui komposisi dari unsur-unsur kimia

material yang digunakan. Pengujian dilaksanakan di PT Itokoh Ceperindo

Klaten. Hasil pengujian komposisi kimia material ditunjukkan pada Tabel

3.1.

3.4.3 Proses Pemesinan

Proses pemesinan dilakukan sesuai dengan desain eksperimen penelitian

seperti terlihat pada Tabel 3.3, dengan replika untuk setiap eksperimen sebanyak 3

kali.

Tabel 3.5 Desain eksperimen penelitian.

h

(mm)

V

(m/s)

Beban

(N)

E = 0,5m.v2

(J)

Temperatur

Ruang

Temperatur

benda kerja

dan cetakan

Jumlah

Eksperimen

25 2,215 75 18,75 20oC 20oC 3 kali

85 21,25 20oC 20oC 3 kali

95 23,75 20oC 20oC 3 kali

10,5 26,25 20oC 20oC 3 kali

11,5 28,75 20oC 20oC 3 kali

12,5 31,25 20oC 20

oC 3 kali

50 3,132 75 37,50 20oC 20oC 3 kali

85 42,50 20oC 20oC 3 kali

95 47,50 20oC 20oC 3 kali

10,5 52,50 20oC 20oC 3 kali

11,5 57,50 20oC 20oC 3 kali

12,5 62,50 20oC 20oC 3 kali

75 3,836 75 56,25 20oC 20oC 3 kali

85 63,75 20oC 20oC 3 kali

95 71,25 20oC 20oC 3 kali

10,5 78,75 20oC 20oC 3 kali

11,5 86,25 20oC 20oC 3 kali

12,5 93,75 20oC 20oC 3 kali

25

3.4.4 Pengukuran geometri diameter dan tinggi produk yang dihasilkan

3.4.5 Pengukuran barreling yang terjadi

(a) (b)

Gambar 3.10 (a) Penelitian barreling [Altan, 2001] (b) Skema pengukuran

barreling

3.4.6 Pengukuran Kekasaran Permukaan

Pengujian kekasaran permukaan dilakukan dengan menggunakan Mitutoyo

surftest SJ-201P roughness tester dengan pengambilan sampel dilakukan pada

titik di area sepanjang permukaan kepala produk hasil proses forging seperti pada

skema (Gambar 3.11). Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali, untuk setiap

specimen.

Gambar 3.11 Skema pengukuran kekasaran produk

3.4.7 Pengamatan cacat produk yang terjadi

Pengamatan cacat luar produk dilakukan dengan USB digital microscope

dengan perbesaran 10 ~ 50X dan 195X. Dan hasil pengamatan dari

microscope bisa di capture dalam komputer secara langsung.

d

1 D

2

26

Prosesnya adalah benda kerja yang berukuran kecil diletakkan dalam busa

sebagai holdernya sekaligus untuk mendapatkan kerataan permukaan,

selanjutnya digital microscope digunakan untuk mengamati.

Gambar 3.12 Skema penggunaan digital microscope

3.5 Pemodelan Metode Elemen Hingga menggunakan DEFORM 2D

Secara garis besar tahapan yang akan dilalui dalam penelitian ini

tergambar dalam flowchart pada gambar 3.13. Dimana disana tergambar alur

proses penelitian yang akan ditempuh/diaplikasikan dalam pemakaian software

Deform sebagai sarananya.

Gambar 3.13. Flow chart Pemodelan closed-die forging [Shen, 2001]

Benda kerja

Digital microscope

Busa

Kabel USB

ke PC Arah

penempatan

microscope

27

3.5.1 Parameter Input untuk simulasi Deform

Tabel 3.6 Parameter input untuk benda kerja dan die

Parameter

Benda Kerja

Cold Working

[20oC]

Parameter Top &

Bottom Die

Cold Working

[20oC]

Material Al-1100

Material JIS: SKD11, AISI: D2;

DIN: 1.2379

Young’s modulus

[GPa] 69

Young’s modulus

[Gpa] 210

Poisson’s ratio 0,334 Poisson’s ratio 0,30

Thermal expansion [1/ oC]

23,6. 10-6 Thermal expansion

[1/ oC]

10,4. 10-6

Thermal conductivity[W/m.K]

180 Thermal

conductivity[W/m.K] 20

Heat Capacity[N/mm2

oC]

2,433 Heat Capacity

[N/mm2 oC]

3,542

Emissivity 0,05 Emissivity 0,7

Diameter [mm] 1,5

Diameter [mm] 2,86 (top dies)

1,5 (bottom dies)

Tinggi [mm] 5 Tinggi/kedalaman

lubang [mm]

0,6 (top dies)

2,92 (bottom dies)

Temperatur [oC] 20 Temperatur [

oC] 20

Tabel 3.7 Parameter input sebagai variabel proses dalam simulasi Deform

Parameter proses Cold Working [20oC]

Temperatur lingkungan [oC] 20

Beban [N] 75,85,95,105,115,125

Blow Efficiency (0,3) ~ (0,6)

Sistem Mesin forging Free/gravity Drop-Hammer

Ketinggian jatuh beban [mm] 25, 50, 75

Lubrication Tidak ada

Koefisien gesek 0,4 (dry – steel die)

Step Simulasi 100

meshing Automatic by deform

Benda kerja Plastis

Die Rigid

Operasi One operation (single- stroke process)

Parameter material dari benda kerja dan tools sangat diperlukan untuk

memprediksikan secara akurat tentang laju aliran metal dalam proses deformasi

serta beban pembentukannya. Data hubungan tegangan regangan sangatlah

diperlukan. Namun kadangkala tools dianggap rigid sehingga deformasi pada

cetakan dan tegangan yang terjadi diabaikan. Namun untuk operasi proses forging

yang presisi, deformasi elastis yang kecil akan bisa berpengaruh pada kondisi

28

pembebanan secara termal dan mekanis serta distribusi tegangan kontak pada

permukaan dies-dan benda kerja.

3.5.2 Parameter Output hasil dari simulasi Deform

Parameter output yang bisa dihasilkan dari simulasi adalah :

1. Estimasi waktu (contact time) proses forging

Contact time yang semakin lama dengan adanya penekanan/beban yang besar

berakibat timbulnya gesekan yang kuat dan lama, sehingga berakibat

timbulnya peningkatan panas pada cetakan dan material. Panas berakibat

berkurangnya kekuatan material karena yield strength turun. Hal ini juga

berakibat kualitas kekasaran permukaan produk menjadi berkurang.

2. Ukuran Geometri produk (diameter, tinggi) dan barreling

Salah satu parameter keberhasilan proses adalah kesesuain geometri yang

dihasilkan dengan desain awal (cetakan terisi penuh) atau dengan kondisi

masih masuk toleransi kelayakan produk meski tidk penuh terisi.

Barreling merupakan efek adanya gesekan yang terjadi, semakin besar

nilainya berarti gesekan yang terjadi juga semakin besar. Barelling juga

merupakan penghambat untuk pemenuhan cetakan sehingga berpengaruh

terhadap kualitas geometri produk.

Hasil pengukuran geometri dan barreling pada simulasi ini akan

dibandingkan dengan hasil dari produk eksperimen.

Trend barreling yang terjadi juga akan dibandingkan dengan trend kekasaran

permukaan yang terjadi pada produk eksperimen.

3. Prediksi beban (grafik Load / Energy vs Time / Stroke)

Beban yang diberikan akan berimplikasi pada energy pembentukan yang kan

terjadi. Bahwa energy pembentukan untuk proses gravity drop hammer

adalah 0,1 ~ 0,2 dari total energy yang diberikan, maka gravik ini penting

untuk melihat apakah proses tersebut bekerja dalam energy yang optimum

atau berlebih sehingga akan berimplikasi semakin besarnya energi yang di

transfer ke cetakan dan berakibat pada resiko timbulnya cacat dan

pemendekan umur pakai cetakan.

29

(a) (b)

(c)

Gambar 3.14 Grafik (a) Load vs Displacement pada baja [ Altan, 1973]

dan (b) Load vs Displacement upseting Aluminium 1100 Annealed (c)

Simulasi Finite Element Load vs Stroke [Dixiet, 2002]

4. Perubahan volume benda kerja (Grafik Volume Change vs Time / Stroke)

Desain proses dengan sistem closed die ini adalah tanpa adanya flash, yang

berarti tanpa adanya kelebihan material awal yang disediakan. Dari hasil

simulasi akan di lihat apakah ada penyusutan volume sehingga ada

kemungkinan berpengaruh dalam terisi secara penuh cetakannya atau tidak.

Sehingga bisa direkomendasikan prosentase penambahan material awal untuk

mencapai pemenuhan cetakan dalam proses.

5. Effective Stress, Strain, Strain rate vs Time / Stroke

Parameter ini akan digunakan untuk pembanding dalam menganaisa trend

butir yang terjadi. Orientasi dan arah deformasi, serta titik-titik

30

konsentrasinya akan di bandingkan dengan pola yang terjadi pada produk

hasil eksperimen dalam uji metallography.

Gambar 3.15 Pengaruh forgeability dan flow stress pada kemampuan

pemenuhan pengisian cetakan [Sabrof,dkk. 1968]

6. Velocity vs Time / Stroke

Grafik kecepatan ini akan digunakan bersama dengan trend dari temperatur,

barreling. Sehingga posisi ideal dari kombinasi kecepatan dan beban yang ada

akan bisa ditentukan dengan mempertimbangkan kualitas dari proses forging.

7. Temperatur vs Time / Stroke

Dengan adanya hasil tentang peningkatan temeperatur yang terjadi, maka hal

ini membantu sekali dalam upaya mendesain ulang dies untuk daerah-daerah

kritis. Namun hal ini perlu dibuktikan terlebih dahulu bahwa untuk daerah

yang bertemperatur tinggi dan rendah secara simulasi benar adanya dengan

kondisi pada produk hasil eksperimen. Sebagai bahan komparasi daerah

bertemperatur tinggi akan diukur tinggkat kekasaranya dibandingkan dengan

yang bertemperatur rendah.

3.6 Diagram Alir Penelitian

Tahap penelitian dalam penelitian ini dapat digambarkan dengan diagram

alir proses penelitian seperti terlihat pada Gambar 3.16.

31

Gambar 3.16 Diagram alir penelitian.

Studi Pendahuluan

1. Literatur review

2. Studi Lapangan (alat dan bahan )

Variabel Penelitian

1. Variabel bebas 2. Variabel tetap

3. Variabel terikat

Desain proses eksperimen, pembuatan Dies forging

serta persiapan spesimen uji

Validasi

Hasil

Tidak

Ya

Pengumpulan Data

Selesai

Validasi Software DEFORM

2D V 2.8

Analisa Data

1. Formability (tinggi, diameter produk)

2. Cacat

Interpretasi Hasil

Kesimpulan

Eksperimen

Perbandingan hasil

1. Pengukuran Geometri akhir

(Tinggi, Diameter)

2. Pengukuran Barreling

3. Uji Kekasaran Permukaan 4. Metallography

5. Cacat

Mulai

Simulasi proses forging dengan

DEFORM 2D V 2.8