LAPORAN TUGAS AKHIR
DISAIN DIES FORGING DENGAN METODE PRESS UNTUK PEMBUATAN FLANGE COMPANION MOBIL JENIS TUV (TRANSPORT UTILITY VEHICLE) MENGGUNAKAN SOFTWARE UNIGRAPHICS
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Akademis Dalam Menyelesaikan Pendidikan Tingkat Sarjana Strata-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
Disusun Oleh: TRIANTO SATYAWAN NIM 0130212046
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007
DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS MERCU BUANA FAKULTAS TEKNIK TUGAS AKHIR
Diberikan kepada
: Trianto Satyawan 0130212046
Dosen Pembimbing
: Ir. Ruli Nutranta M.Eng
Judul
: Disain Dies Forging dengan Metode Press untuk Pembuatan Flange Companion Mobil Jenis TUV (Transport Utility Vehicle) menggunakan Software Unigraphics
Isi Tugas
: Mendisain Dies Forging dan Mentransfernya ke Mesin CNC secara Otomatis.
Jakarta, Maret 2007 Dosen Pembimbing
Ir. Ruli Nutranta M.Eng NIP : 194680136
ii
HALAMAN PENGESAHAN
Laporan Tugas Akhir dengan judul “Disain Dies Forging dengan Metode Press untuk Pembuatan Flange Companion Mobil Jenis TUV (Transport Utility Vehicle) menggunakan Software Unigraphics” ini telah disetujui dan disahkan pada:
Hari
: Minggu
Tanggal
: 11 Maret 2007
Mengetahui;
Pembimbing
Ir. Ruli Nutranta M.Eng NIP. 194680136
Koordinator Tugas Akhir
Ir. R. Ariosuko Dh. NIP. 196660199
iii
ABSTRAKSI
Tugas Akhir ini membahas tentang “Disain Dies Forging dengan Metode Press untuk Pembuatan Flange Companion Mobil Jenis TUV (Transport Utility Vehicle) menggunakan Software Unigraphics”. Penggunaan fasilitas software Unigraphics ini akan dapat mempermudah proses disain benda kerja, yang kemudian dapat ditransfer langsung menuju mesin-mesin CNC tanpa harus membuat perintah lain untuk mengoperasikannya.
Proses pembuatan Flange Companion ini adalah forging dengan metode press forging. Penggunaan metode ini hanya diperlukan ukuran raw material yang tepat, yang dapat dihitung dengan teliti sehingga benda yang dihasilkan bisa langsung masuk toleransi dari benda jadi.
Pembuatan dies forging untuk flange companion mobil jenis TUV dengan ukuran standar rata-rata ini diperlukan mesin press dengan kapasitas 1000 ton dengan ukuran dies atas diameter 200,4 mm tebal 67 mm dan dies bawah diameter 200,4 mm tebal 115 mm. Efisiensi material pasa proses forging ini sebesar 73,91%.
v
SIMBOL-SIMBOL .
Keterangan
Satuan
Bsm
lebar rata-rata benda forging
mm
d
diameter pahat
mm
D
diameter
mm
Dth
1,13
mm
F
gaya
Fs
luasan bidang benda kerja (top view)
mm2
Ls
panjang maksimal benda forging
mm
Mp
momen punter
n
putaran spindle mesin
P
gaya forging
r
jari-jari
Sm
kecepatan pemakanan
Smatrl
scaling of material
mm3
Sz
pemakanan tiap gigi
mm
Tolforging
toleransi forging
mm3
Vc
kecepatan potong
m/min
Vflash
volume flash
mm3
Vgutter
volume gutter
mm3
Vmodel
volume model
mm3
Vraw
volume raw material
mm3
Z
jumlah gigi potong pahat
α
thermal expansion coefficient
η
effisiensi
ρ
massa jenis material
kg/mm3
σ
kekuatan tarik
N/mm2
θ
temperatur benda kerja
λ
persentase shrinkage
Fs
N
Nmm rpm N mm mm/min
%
0
vi
C
KATA PENGANTAR
Assalammu’alaikum Warrahmaatullahi Wabarrahkatuh, Alhamdulillahirrabill’alamiin, segala puji dan rasa syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu Wata’ala, Tuhan Seru Sekalian Alam, Maha Besar, Maha Suci, Maha Pengasih, dan Maha Penyayang. Karena limpahan rahmat, hidayah, karunia serta izinNya-lah sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Disain Dies Forging Dengan Metode Press Untuk Pembuatan Flange Companion Mobil TUV (Transport Utility Vehicle) Dengan Bantuan Sofware Unigraphics“ ini tepat pada waktunya. Shalawat dan salam kita haturkan kepada junjungan terkasih, Nabi Besar Muhammad Shalallahu ‘Alaihi Wassalam, para sahabat dan orang-orang yang senantiasa selalu mengikuti jejaknya dalam Islam hingga akhir jaman. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa terselesaikannya tugas akhir ini berkat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu dengan segenap rasa tulus dan segenap kerendahan hati penulis sampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada: 1. Bapak, Ibu dan Saudara-saudaraku yang telah memberikan doa, restu, dukungan semangat, motivasi serta bantuan moril maupun materil dari awal sampai akhir pembuatan tugas akhir ini. 2. Ir. Ruli Nutranta M.Eng, dosen pembimbing, yang dengan kesabarannya telah memberikan masukkan dan ilmunya kepada penulis. 3. Bapak Gede Oka Suryawan, pembimbing di PT Menara Terus Makmur, yang senantiasa memberikan arahan dan bimbingan yang sangat berarti bagi penulis. 4. Bapak-bapak dan Ibu-ibu karyawan PT Menara Terus Makmur yang telah membantu penulis dalam menyiapkan data-data yang berhubungan dengan tugas akhir penulis.
vii
5. Teman-teman seperjuangan selama kuliah yang selalu berusaha maju terus pantang mundur. Akhir kata penulis berharap besar semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi rekan-rekan mahasiswa dan semua pihak yang memerlukannya. Wassalammu’alaikum Warrahmatullahi Ta’ala Wabarrahkatuh.
Jakarta, Maret 2007
T. Satyawan
viii
DAFTAR ISI
Halaman Judul…………………………………………………………………….. i Form Tugas Sarjana………………………………………………………………. ii Halaman Pengesahan……………………………………………………………… iii Halaman Pernyataan……………………………………………………………… iv Abstraksi………………………………………………………………………….. v Simbol-simbol…………………………………………………………………….. vi Kata Pengantar……………………………………………………………………. vii Daftar Isi………………………………………………………………………….. ix Daftar Gambar……………………………………………………………………. xii Daftar Tabel dan Grafik..…………………………………………………………. xv
BAB I Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Masalah…………………………………………………... 1 1.2. Tujuan Penyusunan Tugas Akhir…………………………………………. 3 1.3. Pembatasan Masalah……………………………………………………… 3 1.4. Metode Penulisan Tugas Akhir…………………………………………… 4 1.5. Sistematika Penulisan Tugas Akhir……………………………………….
4
BAB II Teori Dasar Forging dan Prinsip Kerja Flange Companion 2.1. Prinsip Kerja Flange Companion Pada Sistem Transmisi Mobil…………. 6 2.2. Persiapan dan Prinsip Proses Pembuatan Benda Dengan Forging………... 9 2.3. Urutan Proses Disain Dies Forging……………………………………….. 10 2.4. Rumus-rumus Yang Digunakan…………………………………………… 12 2.5. Penentuan Tahapan Proses Forging yang Direncanakan………………….. 13 2.6. Prencanaan Berat Material yang Dibutuhkan……………………………... 13 2.7. Perencanaan Dies Forging………………………………………………… 15 2.7.1. Parting Line ………………………………………………………….. 15 2.7.2. Draft Angle ……………………………………………………….….. 15
ix
2.7.3. Radius/fillet ………………………………………………………….. 16 2.7.4. Shrinkage …………………………………………………………….. 17 2.7.5. Upset ………………………………………………………………… 17 2.7.6. Blocker ………………………………………………………………. 18 2.7.7. Finisher ………………………………………………………………. 19 2.7.8. Flash Desain …………………………………………………………. 19 2.8. Dasar Teori Mesin Milling CNC ………………………………………….. 20 2.8.1. Proses Pemotongan pada Mesin Milling …………………………….. 21 2.8.2. Variabel-variabel Proses Pemotongan ……………………………..
21
2.8.3. Sistem Persumbuan ………………………………………………….. 23 2.8.4. Position Shift Offset …………………………………………………..23 2.8.5. Penentuan Titik Nol Benda Kerja ……………………………………. 24 2.8.6. Pergeseran Titik Nol Pahat …………………………………………... 25
BAB III Implementasi Proses Disain dan Permesinan Dengan Software Unigraphics 3.1. Gambaran Umum Proses Disain Dengan Sofware Unigraphics ………
26
3.2. Proses Disain dengan CAD untuk Dies Forging Flange Companion…… 30 3.2.1. Memahami Konsep Dasar dari Model yang Dibuat ……………….. 30 3.2.2. Membuat Bentuk Dasar dari Model………..……………………….. 31 3.2.3. Penyelesaian Akhir ………………………………………………… 32 3.2.4. Menganalisa Forging Model dengan Unigraphics…………………… 33 3.2.5. Membentuk Cavity Dies dengan Unigraphics……………………… 34 3.3. Proses Disain dengan CAM untuk Dies Forging Flange Companion ….… 36 3.3.1. Disain model Sebagai Referensi Model……………………………
36
3.3.2. Set Up Manufacturing Database ……………………………………. 36 3.3.3. Set Up Operasi Permesinan ………………………………………… 41 3.3.4. Pendefinisian Manufacturing Geometry ……………………………. 41 3.3.5. Pendefinisian Langkah-langkah Proses NC ………………………… 42 3.3.6. File CL-Data dan File G-Code ……………………………………… 47 3.3.7. Proses yang Dilakukan Setelah Proses Pemesinan dengan CNC …
x
49
BAB IV Perhitungan Yang Digunakan Pada Forging 4.1. Perhitungan Estimasi Beban Forging……………………………………. 52 4.2. Estimasi Material yang Dibutuhkan……………………………………… 53 4.3. Penentuan Dimensi Raw Material………………………………………… 55 4.4. Penentuan Ukuran Dies Block……………………………………………. 57 4.5. Pembuktian Kekuatan Konstruksi Dies…………………………………
59
BAB V Penutup 5.1. Kesimpulan………………………………………………………………
64
5.2. Saran………………………………………………………………………. 65
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1.
Gambar Flange Companion dan Posisinya pada Mobil…………… 7
Gambar 2.2.
Dimensi Global dari Flange Companion………………………….. 8
Gambar 2.3.
Ilustrasi Gaya-gaya pada Flange Companion…………………….
Gambar 2.4.
Contoh Bentuk Dasar Benda Forging…………………………… 14
Gambar 2.5.
Macam-macam Penentuan Parting Line…………………………... 15
Gambar 2.6.
Urutan Proses Forging Untuk Menentukan Radius yang
9
Diijinkan…………………………………………………………....16 Gambar 2.7.
Aplikasi Bentuk Upset Untuk Proses Upsetting Benda Kerja Sebelum Masuk Blocker……………………………………………18
Gambar 2.8.
Teknik Umum Disain Blocker…………………………………… 19
Gambar 2.9.
Prinsip Disain Flash……………………………………………… 20
Gambar 2.10. Gerakan Pemakanan dan Pemotongan pada Mesin Milling……… 21 Gambar 2.11. Titik Nol Mesin………………..………………………………… 23 Gambar 2.12. Titik Nol Referensi Pemegang Pahat……………………………... 24 Gambar 2.13. Titik Nol Benda Kerja…………………………………………… 24 Gambar 2.14. Setting Titik Nol Benda Kerja dengan Edge……………………… 25 Gambar 2.15. Setting Titik Nol Pahat dengan Dial Indicator …………………… 25 Gambar 3.1.
Flow Proses CAD & CAM terhadap Proses Lain yang Terkait… 26
Gambar 3.2.
Diagram Alir CAD & CAM Secara Umum Proses Disain Dies Forging…………………………………………………………… 27
Gambar 3.3.
Flow Chart Proses Disain CAD untuk Forging Dies dengan Menggunakan Software CAD dari Unigraphics………………… 28
Gambar 3.4.
Flow Chart Proses Disain CAM untuk Forging Dies dengan Menggunakan Software CAM dari Unigraphics………………….. 29
Gambar 3.5.
Konversi dari Data Referensi berupa Gambar Teknik ke dalam Bentuk CAD 3D Solid Modeling ………………………………………… 30
Gambar 3.6.
Protrusion Revolve dengan Unigraphics dari Bentuk Dasar
xii
Flange Companion………………………………………………
Gambar 3.7.
31
Cut Revolve dengan Unigraphics dari Bentuk Dasar Flange Companion…………………………………………………31
Gambar 3.8.
Menambah penyelesaian akhir pada Flange Companion dengan fitur Round/Fillet dan Draft Angle dengan Software Unigraphics……. 32
Gambar 3.9.
Penambahan Flash dan Gutter pada Flange Companion dengan Software Unigraphics Untuk Keperluan Analysis dan Pembuatan Die Cavity……………………………………….. 32
Gambar 3.10. Draft dan Volume Analysis dengan Software Unigraphics untuk Keperluan Pengecekan Draft ……………………………… 33 Gambar 3.11. Model Referensi Berupa Flange Companion dengan Flash Gutter Diperpanjang……………………………………………………… 34 Gambar 3.12. Workpiece Siap Dibelah Berdasar Parting Surface ……………… 34 Gambar 3.13. Hasil Extract Workpiece yang Telah Dibelah dan Telah Ditambah Kelengkapan Lain yang Diperlukan Untuk Sebuah Forging Dies…35 Gambar 3.14. Referensi Model harus Diletakkan ke Dalam Workpiece pada saat Operasi CAM Berlangsung ……………………………………… 36 Gambar 3.15. Pustaka Pahat yang digunakan saat proses CAM serta pemesinannya Dengan CNC …….……………………………………………….. 37 Gambar 3.16. Arah Kecepatan Potong dan Kecepatan Putaran Spindle Mesin Terhadap Diameter Cutter………………………………………… 38 Gambar 3.17. Titik Nol Koordinat Sistem………………………………………. 41 Gambar 3.18. Mill Volume yang digunakan sebagai Acuan bagi CAM untuk Melakukan Proses Perhitungan Pahat …………………………… 42 Gambar 3.19. Langkah (Sequence) Facing dari Lower Die dengan CAM……… 43 Gambar 3.20. Langkah (Sequence) Roughing 1 dari Lower Die …………………44 Gambar 3.21. Langkah (Sequence) Roughing 2 dari Lower Die …………………45 Gambar 3.22. Langkah (Sequence) Finishing dari Lower Die ………………… 46 Gambar 3.23. Gambaran dari Sebuah Contoh Format CL-Data ………………… 47 Gambar 3.24. Gambaran dari Sebuah Contoh Format G-Code Hasil Post Processimg
xiii
Dari CL-Data …………………………………………………… 48 Gambar 3.25. Proses Pengerjaan Permukaan dengan hand grinding…….………. 50 Gambar 4.1.
Data Luas Area Top View dengan Metode CAD ………………… 53
Gambar 4.2.
Volume Model Lengkap dengan Flash dan Gutter Asumsi Dihitung Dengan Metode CAD …………………………………………… 54
Gambar 4.3.
Raw Material ……………………………………………………. 56
Gambar 4.4.
Volume Model (Flange Companion) Dihitung dengan CAD…… 57
Gambar 4.5.
Ilustrasi Proses Penentuan Ukuran Ketebalan Dies Block Berdasar Dimensi Die Holder ……………………………………………… 58
Gambar 4.6.
Pemberlakuan Gaya-gaya pada Upper Die Flange Companion dengan Software MSC Visual NASTRAN ……………………………… 61
Gambar 4.7.
Hasil Perhitungan Kekuatan Die dengan Sofware MSC Visual NASTRAN Menggunakan Metode Von Mises Stress …………… 62
Gambar 4.8.
Gambaran Die yang Terdeformasi .dengan Skala Deformasi 76.481 kali Serta Kontur Warna Menunjukkan Besar Displacement ……………………………………………… 63
xiv
DAFTAR TABEL & GRAFIK
Tabel 2.1.
Scalling Of Material By Heating Process…………………………
1
Tabel 2.2.
Shrinkage Percentage Of Various Steel at The Finishing Temperature In Forging Between 8000 C ~ 11000 C…………………………….. 1
Tabel 2.3.
Typical Value For Draft, Transition Radius and Minimum Wall Thickness For Forged Parts Made Of Steel, Light Alloys, Copper And Copper Alloys………………………………………………… 2
Tabel 2.4.
Typical Dimension Of Die Blocks…………………………………. 3
Tabel 2.5.
Strength, Forging Temperature, Flow Stress, Spesific Heat and Temperature Increase During Forging Of Various Materials……… 4
Grafik 1.
Hubungan Antara Suhu Dengan Koefisien Muai Panas Untuk Setiap Jenis Baja…………………………………………………… 5
xv
1
DAFTAR TABEL DAN GRAFIK Table 2.1. Scalling of Material By Heating Process (Instruction Manual On Forging Technology, hal. 311)
Heating Process
Scaling Rate Of Material (%)
Box Type Oil Furnace
4~3
Oil Furnace
3 ~ 2,5
Box Type Gas Furnace
3 ~ 2,5
Gas Furnace
2,5 ~ 2
Electric Furnace
1,5 ~ 1
Electric Induction Furnace
1 ~ 0,5
Tabel 2.2. Shrinkage percentage of various steels at the finishing temperature in forging between 8000 C ~ 11000 C (Instruction Manual On Forging Technology, hal.307)
Contraction Coeficient at The Finishing Temperature λ (%) = α • θ
Material 8000C
9500C
11000C
C 35
0.84 %
1.16 %
1.48 %
C45
0.88 %
1.22 %
1.60 %
C90
1.24 %
1.62 %
2.03 %
12 CrNi 188
1.50 %
1.85 %
2.20 %
2
3
4
5
Grafik 1. Hubungan antara suhu dengan koefisien muai panas untuk setiap jenis baja
6
Grafik 2. Hubungan antara kekerasan material dengan kecepatan potong
BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang Masalah Seiring dengan pertumbuhan dunia otomotif yang semakin pesat pada era globalisasi ini yang mendorong persaingan industri. Banyak industri otomotif yang berpacu untuk menjadi yang terdepan, memenangkan kompetisi dan menjadi raksasa industri. Mereka berlomba untuk menunjukkan bahwa industri mereka lebih efisien dan mampu unggul dalam quality, cost, dan delivery serta terus berpacu untuk unggul dalam product development. Untuk mampu unggul dalam persaingan industri tersebut, industri otomotif dalam hal ini industri perakitan sebagai penghasil kendaraan bermotor menghendaki pemasok komponen memiliki kemampuan untuk mengimbangi perkembangan di lingkungan industri otomotif dan menuntut industri pemasok komponen otomotif untuk bisa menghasilkan produk yang lebih berkualitas dan punya daya saing yang tinggi. Hal ini secara otomatis mendorong pihak industri komponen meningkatkan kemampuan secara terus-menerus agar bisa memenuhi tuntutan pihak pasar dalam hal ini industri perakitan. Permintaan pasar akan produk komponen otomotif berkualitas, ulet, dan mempunyai masa pakai yang lama. Salah satu contohnya adalah Flange Companion yang terdapat pada sistem transmisi mobil sebagai penahan universal joint yang terus menerus menahan gaya putar poros propeler pada saat mobil berjalan, dan oleh karena itu Flange Companion harus mempunyai keuletan yang tinggi. Dengan pertimbangan tersebut, pihak produsen dituntut untuk bisa menyediakan suatu sistem yang dapat memproduksi produk tersebut dengan tingkat keuletan tinggi dan mempunyai masa pakai yang lama, dan sistem pembentukan komponen tersebut yang tepat adalah dengan sistem Forging atau Tempa. Dalam proses tempa ini diperlukan adanya beberapa Punch dan Die yang ukurannya presisi untuk dapat menghasilkan benda sesuai dengan yang diinginkan.
1
2
Salah satu cara yang sedang berkembang pesat serta mulai digunakan secara luas oleh kalangan praktisi dunia manufaktur adalah dengan menggunakan bantuan software komputer dalam merencanakan dan menganalisa produk yang akan dibuat. Seiring dengan perkembangan teknologi komputer , maka semakin banyak jenis software yang berguna bagi kalangan industri manufaktur ditawarkan, salah satunya adalah software CAD/CAM. Melalui penggunaan software ini diharapkan akan terjadi peningkatkan kualitas produk dan meminimalkan serta menghindari terjadinya kesalahan-kesalahan pada saat proses permesinan. Fakta ini dimungkinkan karena proses analisa dan desain dilakukan dengan toleransi, akurasi, dan kepresisian yang tinggi. Software-software CAD/CAM sendiri pada umumnya merupakan software yang menyediakan fasilitas-fasilitas untuk mendesain serta dapat langsung berkomunikasi dengan mesin-mesin produksi berbasis CNC umum yang biasa digunakan oleh kalangan industri manufaktur. Salah satu keunggulan umum dari penggunaan software CAD/CAM adalah kemudahan dalam pengerjaan kontur-kontur yang sangat kompleks, dimana jika dilakukan tanpa software CAD/CAM akan sangat memperpanjang proses desain dan pemrograman pada CNC.Seperti kita ketahui, dalam dunia industri efisiensi waktu sangat penting sekali dan merupakan salah satu faktor untuk bisa bersaing dengan kompetitor yang lain. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menggunakan software CAD dan software CAM yang terpadu. Adapun jenis software yang digunakan oleh penulis adalah UNIGRAPHICS. •
Alasan penulis memilih menggunakan software terpadu dibandingkan dengan software CAD/CAM yang terpisah, adalah: a. Faktor biaya; Pembelian beberapa software dalam satu paket terpadu biasanya relatif lebih ekonomis daripada paket terpisah dari berbagai vendor. b. Faktor Performa; Kemampuan dan kelebihan spesifik dari masing-masing software yang dipakai akan lebih termanfaatkan secara optimal. c. Faktor Data-Interchangeability; Menghindari adanya kesalahan penterjemaahan suatu bentuk file saat pembacaan dan konversi antar software.
3
•
Alasan penggunaan software UNIGRAPHICS : a. Menggunakan logika alur pemikiran dan pengoperasian sama dengan sistem CAD yang masih terus dikembangkan dewasa ini, yaitu parametric. b. Tersedia fitur-fitur untuk proses desain dan manufaktur yang terkenal handal, mudah, dan cepat. c. Kemampuan berkomunikasi dengan software lain yang cukup baik. d. Banyak digunakan secara luas oleh industri di seluruh dunia, demikian pula di Indonesia. e. Karena banyak digunakan industri di Indonesia, maka akan menjadi nilai lebih bagi penulis apabila mampu sedikit banyak menguasai Unigraphics dibandingkan Software CAD/CAM lain yang kurang dikenal di industri, hal ini untuk mengantisipasi persaingan kerja dimasa mendatang.
2. Tujuan Penyusunan Tugas Akhir Adapun tujuan yang ingin dicapai oleh penulis dalam penyusunan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: •
Memahami langkah-langkah yang diperlukan untuk membuat suatu obyek komponen otomotif, misalnya Flange Companion pada sistem transmisi mobil jenis TUV.
•
Mampu menganalisa masalah-masalah yang terjadi dalam proses permesinan dengan CNC agar diperoleh penghematan waktu yang efektif.
•
Sebagai tambahan pengetahuan untuk bekal bekerja didunia industri serta sebagai sarana studi banding terhadap teknologi yang berkembang di dunia industri.
•
Sebagai tambahan literatur bagi perpustakaan jurusan Teknik Mesin UNIVERSITAS MERCU BUANA.
3. Pembatasan Masalah Untuk mempermudah pemahaman tugas akhir ini, maka penulis mengambil beberapa batasan masalah sebagai berikut :
4
•
Pengolahan data gambar teknik beserta dimensinya ke dalam bentuk solid 3D dilakukan dengan bantuan software CAD, dalam hal ini penulis menggunakan UNIGRAPHICS.
•
Pembahasan dalam penulisan tugas akhir ini hanya meliputi; perancangan dies forging untuk pembuatan Flange Companion dengan software Unigraphics beserta analisa proses pemesinan.
•
Perhitungan yang digunakan dalam tugas akhir ini mengacu pada referensi dan standar yang berlaku di dunia industri pada umumnya, hal ini termasuk pemilihan bahan, asumsi angka keamanan beserta gaya-gaya forging yang dibutuhkan.
•
Proses forging yang digunakan adalah metode Press.
4. Metode Penulisan Tugas Akhir a. Studi Literatur Mengkaji dan menyimak referensi dari buku-buku yang menunjang dalam penyusunan Tugas Akhir sebagai dasar teori. b. Survey Lapangan Mengamati perkembangan teknologi manufaktur yang ada, guna mengetahui kendala-kendala yang dihadapi dalam proses pembuatan komponen otomotif. c. Bimbingan Asistensi dan konsultasi dengan dosen pembimbing untuk mendapatkan hasil penulisan yang baik sesuai aturan yang baku.
5. Sistematika Penulisan Tugas Akhir BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, tujuan, pembatasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan Tugas Akhir.
BAB II TEORI DASAR FORGING DAN PRINSIP KERJA FLANGE COMPANION
5
Berisi gambaran secara umum tentang : Cara kerja Flange Companion pada sistem transmisi mobil, Prinsip Proses Pembentukan Benda dengan forging, Urutan Proses Disain Dies forging, serta Rumus yang digunakan.
BAB III IMPLEMENTASI PROSES DISAIN DAN PERMESINAN DENGAN SOFTWARE UNIGRAPHICS Berisi urutan dan cara kerja proses permesinan dengan bantuan software Unigraphics untuk membuat Dies Flange Companion pada sistem transmisi mobil jenis TUV, serta membahas tentang kendala-kendala yang dihadapi pada proses permesinan, dan keunggulan-keunggulan dari penggunaan software Unigraphics. BAB IV PERHITUNGAN YANG DIGUNAKAN PADA FORGING Berisi tentang perhitungan yang diperlukan dalam penentuan beban forging, material yang dibutuhkan serta penentuan ukuran dies forging block sesuai dengan standar dan referensi yang berlaku di dunia industri.
BAB V PENUTUP Berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan saran.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II TEORI DASAR FORGING DAN PRINSIP KERJA FLANGE COMPANION
2.1. Prinsip Kerja Flange Companion Pada Sistem Transmisi Mobil Untuk dapat meneruskan daya putar mesin sampai ke roda belakang mobil , diperlukan suatu mekanisme khusus yang dapat meneruskan daya sesuai dengan yang diinginkan dan ini melalui beberapa sistem perantara, diantaranya adalah kopling, transmisi, poros propeller, dan differential / gardan. Perangkat mekanisme penerus daya tersebut dinamakan Propeller Shaft, dimana dalam poros propeller itu sendiri terdapat beberapa komponen yang fungsinya saling mendukung antara satu dengan yang lainnya, diataranya Flange Companion. Flange Companion berfungsi sebagai dudukan sambungan antara poros input gardan dengan poros propeler. Poros Propeler yang berfungsi sebagai penerus putaran dari gear box menuju differential, dimana differential itu sendiri berfungsi untuk menambah momen puntir dan dapat membedakan putaran roda kiri dan kanan. Karena kondisi tersebut diatas, Flange Companion tersebut akan selalu menerima beban puntir dari poros output transmisi dengan beban yang tinggi sesuai bobot kendaraan, maka dari itu dalam proses kerjanya Flange Companion harus mampu menahan gaya-gaya tersebut dalam kondisi yang aman. Dilihat dari fungsinya tersebut, maka Flange Companion harus mempunyai sifat yang ulet, tangguh, dan tahan terhadap momen puntir yang diberikan oleh poros propeler untuk memutarkan susunan roda gigi dalam gardan, sehingga dapat memutarkan roda belakang. Untuk dapat bekerja dengan gaya-gaya tersebut diperlukan suatu material yang punya sifat khusus dan proses pembuatannyapun khusus, yang antara lain dengan proses forging atau tempa.
6
7
Gambar berikut di bawah ini adalah gambar susunan dan posisi pemasangan Flange Companion pada mobil.
Gb 2.1. Gambar Flange Companion dan Posisi Flange Companion pada Mobil
8
Komponen Flange Companion yang diulas pada Tugas Akhir ini adalah yang terdapat pada mobil jenis TUV ( Transport Utility Vehicle ), dimana mobil jenis TUV itu sendiri seperti contohnya adalah mobil Kijang, Panther dll. Adapun dimensi Flange Companion secara global tercantum seperti di bawah ini.
Gb. 2.2. Dimensi Global dari Flange Companion Adapun keuntungan proses pembentukan logam yang dilakukan dengan metode forging adalah : •
Arah susunan struktur logam dapat direncanakan sesuai dengan pembebanan yang akan dikenakan benda.
•
Benda hasil forging lebih ulet dan tangguh walaupun dimensinya kecil
•
Cocok untuk menumpu pembebanan dinamis
Selain keuntungan-keuntungan diatas, terdapat kekurangan dari proses pembentukan dengan metode forging, diantaranya adalah seperti tersebut dibawah ini: •
Membutuhkan peralatan pendukung yang membutuhkan investasi yang relatif mahal.
•
Produk yang dihasilkan dari proses forging relatif kurang baik dibandingkan proses lain yang setara, hal ini disebabkan adanya proses oksidasi serta reaksi penyusutan dari permukaan logam.
9
•
Toleransi benda yang dihasilkan rendah atau tidak bisa diharapkan tinggi, ini karena produk yang dihasilkan relatif kurang baik seperti point diatas.
Dibawah ini penulis akan gambarkan sedikit tentang perkiraan gaya-gaya pembebanan yang terjadi pada Flange Companion secara sederhana pada saat menerima beban puntir dari poros output transmisi dengan beban yang tinggi sesuai bobot kendaraan. F r r Mp
r
F
F
r F
Gb. 2.3. Ilustrasi gaya – gaya pada Flange Companion Gaya yang terjadi pada pembebanan Flange Companion hanya Momen Puntir dan ini bisa dirumuskan sebagai berikut.
Mp = F x r Dimana : Mp = momen puntir
(2.1.1)
( N.mm )
F
= gaya
(
N
)
r
= jari – jari
( mm )
2.2. Persiapan dan Prinsip Proses Pembentukan Benda Dengan Forging Guna memenuhi persyaratan suatu benda yang harus mampu menahan pembebanan pada arah dan bagian tertentu dengan dimensi yang minimal, maka salah satu metode pembuatannya adalah dengan forging. Melalui metode forging ini akan diperoleh suatu bentuk dan susunan struktur mikro dari logam yang dibentuk agar sesuai dengan arah beban yang akan ditumpunya, sehingga dengan kondisi itu benda tersebut akan mampu menahan gaya-gaya yang ditumpunya. Adapun langkah pertama dalam
10
proses forging adalah mendisain dies yang sesuai dengan pesanan customer, menentukan kapasitas mesin yang akan dipakai dan selanjutnya menghitung volume raw material yang akan digunakan. Apabila hal tersebut diatas sudah terpenuhi, maka langkah selanjutnya adalah mencoba dies tersebut dengan menggunakan gibs agar diketahui apakah bentuk hasil forging sudah sesuai dengan yang diharapkan atau belum. Jika hasilnya kurang baik (cavity tidak terisi semua) maka akan dilakukan pembenahan pada Blockernya hingga diperoleh hasil yang maksimal. Setelah dilakukan perbaikan pada Blocker, dies tersebut akan digunakan untuk percobaan dengan raw material sesungguhnya guna meneliti hasil forging apakah aliran struktur mikro dari benda yang dibentuk sudah sesuai dengan harapan atau belum. Proses pemeriksaan struktur logam dilakukan dengan membelah benda kerja yang kemudian dietsa hingga terlihat bentuk struktur mikronya. Adapun raw material yang akan diforging dipanaskan terlebih dahulu selama ± 2 menit dalam tungku listrik hingga mencapai temperatur
12000 C,
setelah itu dimasukan kedalam dies forging, dimana dalam dies tersebut ada tiga komponen pembentuk, yaitu Upset yang berfungsi untuk membentuk benda awal sehingga medekati bentuk Blocker, Blocker yang berfungsi untuk membentuk benda kerja mendekati ukuran aslinya sehingga mempermudah proses finishing, dan yang terakhir adalah Finisher yang berfungsi sebagai dies akhir untuk membentuk benda kerja sesuai dengan ukuran yang diinginkan. Setelah benda kerja keluar dari finisher, dilanjutkan dengan proses Pierching (untuk melubangi bagian tertentu kalau diperlukan) dan selanjutnya memasuki proses Trimming untuk menghilangkan flashflash yang tidak berguna. Kedua proses tersebut dilakukan pada satu mesin, akan tetapi terpisah dengan mesin forging.
2.3. Urutan Proses Disain Dies Forging Sebelum tahapan disain dies dilakukan, produk yang diterima dari customer baik yang berupa gambar ataupun model harus diteliti terlebih dahulu baik itu spesifikasi material yang dibutuhkan, bentuk dan dimensi benda jadi, toleransi yang digunakan serta mesin-mesin dan proses yang mungkin dibutuhkan. Hal tersebut perlu dilakukan untuk dapat menentukan bahwa produk tersebut mampu dan layak diproduksi sesuai
11
dengan peralatan yang dimiliki oleh pabrik. Secara garis besar proses urutan disain dies forging yang sering dilakukan di industri sekarang ini adalah sebagai berikut : CUSTOMER
FORGING DRAWING /SAMPLE /MODEL
PROCESS & EQUIPMENT STUDY
Mempelajari metode & proses yang akan diterapkan, perlengkapan yg diperlukan, serta kemungkinan yg akan terjadi kemudian
REDRAWING
Untuk mendapat kesepakatan dengan customer mengenai usulan bentuk, dimensi dan toleransi yang dipakai
LOAD ESTIMATION
Estimasi Beban mesin forging yang akan dibutuhkan
PROCESS METHOD ESTIMATION
Estimasi Urutan Proses yang direncanakan untuk memproduksi produk tersebut
WEIGHT ESTIMATION
Estimasi ukuran material yang meliputi diameter, panjang dan berat
FINISHER DESIGN
Mendisain cavity sesuai dengan ukuran benda jadi BLOCKER DESIGN
PERFORM DESIGN
TRIMMING / PIERCHING / COINING DESIGN
CAD / CAM
Disain pembentukan awal benda seperti bending, rolling, upset
Disain dies untuk Trimming, Pierching dan Coinning
Proses pembuatan program CNC hasil disain diserahkan kebagian dies shop untuk dilakukan proses manufaktur
12
2.4. Rumus-Rumus Yang Digunakan Rumus-rumus perhitungan beban forging mengacu pada referensi yang digunakan oleh PT. MENARA TERUS MAKMUR yaitu Basic Forging Dies Design. Karena Perusahaan tersebut bekerja sama dengan perusahaan metal forming di jepang, maka teori yang dipakai juga mengikuti referensi dari jepang yaitu : Instruction Manual on Forging Technology dan Handbook of Metal Forming. Sehingga rumus-rumus dibawah ini berlaku secara umum. Perhitungan beban forging akan digunakan untuk menentukan kapasitas mesin yang dipakai.
Rumus-rumus yang digunakan dari mulai penghitungan beban sampai pada pembuatan dies dengan mesn CNC adalah sebagai berikut. ¾ Menghitung beban untuk benda yang mempunyai penampang melingkar Rumus ini digunakan untuk benda-benda yang mempunyai penampang melingkar/mendekati melingkar (dilihat dari pandangan atas/top view), dan benda yang mempunyai sumbu simetri.
2
20 ⎞ ⎛ P = 8 ⎜ 1,1 + ⎟ (1 − 0 , 001 • Ds ). σ . Fs Ds ⎠ ⎝
(2.4.1)
(The Sokeizai Center Of Japan, Instruction Manual On Forging Technology, 1986, Published By The Material Process Technology Center)
Dimana = -P
= gaya forging yang dibutuhkan
(N)
- Ds = diameter terluar benda kerja
(mm)
-σ
(N/mm2)
= kekuatan tarik
- Fs = luasan bidang benda kerja (Top View)
(mm2)
¾ Menghitung beban untuk benda dengan penampang tidak melingkar Rumus ini digunakan untuk benda-benda yang tidak mempunyai penampang melingkar/mendekati melingkar (dilihat dari pandangan atas/top view), dan benda yang tidak mempunyai sumbu simetri.
13
⎛ 20 Pth = 8 ⎜⎜1,1 + Dth ⎝
2
⎛ ⎞ ⎟⎟ (1 − 0,001. Dth ) ⎜1 + 0,1 ⎜ ⎠ ⎝
Ls Bsm
⎞ ⎟ .σ . Fs ⎟ ⎠
(2.4.2)
(The Sokeizai Center Of Japan, Instruction Manual On Forging Technology, 1986, Published By The Material Process Technology Center)
Dimana : -P
= gaya forging yang dibutuhkan
(N)
-σ
= kekuatan tarik
(N/mm2)
- Fs
= luasan bidang benda kerja (Top View)
(mm2)
- Dth
= 1,13
(mm)
- Ls
= panjang maksimal benda forging
Fs
- Bsm = lebar rata-rata benda forging
(mm) (mm)
2.5. Penentuan Tahapan Proses Forging yang Direncanakan Untuk menentukan metode proses yang akan digunakan terhadap produk tersebut tergantung dari beberapa faktor, diantaranya adalah : ¾
Pengalaman dari desainer itu sendiri.
¾
Mesin-mesin yang dimiliki oleh suatu perusahaan.
¾
Bentuk /kontur dari benda ataupun die yang akan diproses. Berdasarkan faktor-faktor tersebut, untuk perancangan Flange Companion ini
menggunakan beberapa macam proses yaitu : •
Raw Material ( material mentah ).
•
Blocker ( proses untuk membentuk benda kerja mendekati ukuran asli ).
•
Finisher ( proses untuk membentuk benda kerja sesuai aslinya ).
•
Piercing ( proses untuk melubangi bagian tertentu pada benda jadi ).
•
Trimming ( proses untuk menghilangkan flash yang tidak berguna).
2.6. Perencanaan Berat Material yang Dibutuhkan Estimasi material digunakan untuk menentukan effisiensi material dan berat material yang diperlukan saat proses forging berlangsung sehingga akan diperoleh dimensi dari raw material (diameter dan panjang raw material).
14
Penentuan berat material didapat dengan cara menghitung berat benda tersebut ditambah berat flash gutter yang direncanakan beserta toleransi-toleransi yang diijinkan, seperti faktor scalling of material dan faktor forging tolerance. Faktor toleransi yang sering digunakan untuk merencanakan berat material benda forging adalah : ¾
Reduction / Scalling of material by heating Pengertiannya adalah material akan tereduksi karena proses pemanasan, dengan adanya oksidasi yang terjadi akan mengakibatkan berkurangnya berat atau ukuran material tersebut. Adapun tabel yang menunjukan faktor koreksi yang perlu diperhitungkan berdasarkan mesin pemanas yang dipergunakan dapat dilihat pada daftar tabel halaman 1.
¾
Forging Tolerance Forging Tolerance ini dimaksudkan untuk keamanan distribusi material selama proses, sehingga semua rongga dies dapat terisi semua (tidak terjadi under fill). Hal tersebut memang sangat sulit untuk diprediksi dan diperhitungkan. Teknik penentuan toleransi ini diambil berdasarkan pengalaman disainer. Adapun bentukbentuk dasar yang banyak dijumpai dan bisa dijadikan acuan adalah sebagai berikut :
Forging tolerance :
∅
Luas luar x (0,5 ~ 1 mm) =…….mm3
Forging tolerance :
∅1
(Luas 1 – Luas 2) x (0,5 ~ 1 mm) =……mm3 ∅2
Forging tolerance : Luas total (top view) x (0,5 ~ 1 mm) =……mm3 Gb. 2.4. Macam-macam Bentuk Dasar Benda Forging yang Dijadikan Acuan Penentuan Toleransi Forging
15
2.7. Perencanaan Dies Forging 2.7.1. Parting Line Parting Line bisa berbentuk garis lurus atau berbentuk garis lengkung (kontur) tergantung dari bentuk model dan permintaan customer. Penentuan parting line sangat berpengaruh terhadap die cost, kemudahan proses forging, grain flow yang berhubungan dengan sifat-sifat mekanik material serta kebutuhan proses pemesinan saat finishing produknya. Berikut di bawah ini adalah gambar macam-macam parting line.
Gb.2.5. Macam-macam Penentuan Parting Line
2.7.2. Draft Angle Draft angle pada dies forging diberikan dengan maksud untuk mempermudah benda keluar dari cavity. Standar untuk draft angle adalah sebagai berikut : •
Untuk proses dengan metode Press, minimum 10, umumnya 50
16
Besarnya draft angle tersebut tidak mutlak, tetapi harus disesuaikan dengan permintaan customer, dimana tidak akan mempersulit proses selanjutnya.
2.7.3. Radius/Fillet Ukuran radius dalam cavity dies akan menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan dan tekanan yang dibutuhkan untuk mengisi cavity dies bertambah besar. Bila fillet/radius terlalu tajam akan menyebabkan peningkatan tekanan dan tegangan yang dapat menimbulkan keretakan pada benda kerja. Gambar-gambar berikut ini dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan untuk menentukan radius dalam cavity :
Gb. 2.6. Urutan Proses Forging untuk Menentukan Radius yang Diijinkan
17
2.7.4. Shrinkage Shrinkage adalah suatu nilai yang menunjukan perubahan dimensi saat material mengalami perlakuan panas dan nilai ini dipertimbangkan untuk merencanakan dimensi benda saat panas yang nantinya akan dingin. Angkaangka yang terdapat pada tabel tersebut tidak mutlak, akan tetapi tergantung pada pengalaman masing-masing disainer, temperatur pemanasan material, metode forging yang digunakan dan jenis material yang dipakai dalam proses forging. Shrinkage dapat dihitung dengan rumus : λ = α . θ . 10-4 %
(2.7.1)
(Hill, Mc. Graw, Production Technology Hand Book, 1987, Tata)
dimana : α = thermal expansion coefficient θ = temperatur benda kerja λ = Persentase shrinkage
2.7.5. Upset Proses upset dilakukan untuk memberikan bentuk awal, dimana dengan proses ini akan memudahkan material dibentuk menjadi bentuk yang diinginkan, jika dibandingkan tanpa dilakukan proses pembentukan awal. Umumnya desain upset sangat berpengaruh terhadap distribusi material pada proses selanjutnya. Dalam hal ini pengalaman merupakan faktor yang sangat menentukan keberhasilan desain. Berikut adalah gambar skema proses upsetting benda kerja sebelum masuk blocker :
18
Gb. 2.7. Aplikasi Bentuk Upset Sebelum Masuk Blocker
Untuk mencegah bending yang berlebih saat proses upset, sebaiknya ukuran material mengikuti perbandingan panjang / diameter, dimana untuk: - Proses Press
= 1,3 ≤ L/D ≤ 2,3
2.7.6. Blocker Blocker merupakan bentuk awal yang dibutuhkan untuk mencapai bentuk akhir benda forging yang baik sebelum memasuki proses finishing. Desain blocker sangat menentukan proses selanjutnya, dalam hal ini pengalaman seorang desainer akan sangat membantu tingkat keberhasilan desain. Berikut ini adalah teknik umum untuk mendesain blocker :
19
Gb. 2.8. Teknik Umum untuk Desain Blocker
2.7.7. Finisher Desain finisher harus sama dengan ukuran benda yang diminta oleh customer, maka dari itu untuk mencapai bentuk yang baik diperlukan desain blocker yang baik sehingga pada saat proses finishing, material akan terbentuk dengan mudah dan sesuai harapan. Ukuran die finisher sesuai dengan dimensi produk dikalikan dengan shrinkagenya.
2.7.8. Flash Desain Flash merupakan kelebihan material yang direncanakan, hal ini bertujuan untuk membantu mengontrol aliran material dalam cavity selama proses forging berlangsung. Flash ini nantinya akan dihilangkan dengan proses Trimming. Secara umum disain flash ditunjukkan pada gambar berikut ini :
20
Gb. 2.9. Desain Flash Secara Umum 2.8. Dasar Teori Mesin Milling CNC Pada prinsipnya, cara kerja mesin CNC ini adalah benda kerja dipotong oleh sebuah pahat yang berputar dan kontrol gerakannya diatur oleh komputer melalui program yang disebut G-Code. Komputer ini merupakan komponen yang sangat penting dan sangat vital dalam sistem kontrol numerik. Komputer dapat memecahkan persamaan-persamaan matematika dan pekerjaan yang sulit dalam waktu singkat. Selain itu sebuah komputer dapat dengan mudah memahami bentuk dan ukuran benda kerja, fungsi kontrol dari mesin dan operasi pengerjaannya. Keuntungan penggunaan mesin CNC antara lain adalah : •
Kemampuan mengulang Pada saat pembuatan benda kerja, mesin CNC ini mampu mengulangi membuat beberapa benda dengan bentuk yang sama persis dengan aslinya.
•
Keserbagunaan Mesin CNC dapat digunakan untuk berbagai bentuk pengerjaan/bermacammacam kontur sesuai dengan kebutuhan.
•
Kemampuan kerja Mesin CNC dapat memproduksi benda kerja secara terus menerus dengan hasil yang baik, sehingga dapat meningkatkan produktifitas pengerjaan.
21
2.8.1. Proses Pemotongan pada Mesin Milling Geram dari proses milling dapat terbentuk karena adanya pemotongan dari alat potong yang berputar dimana sisi potongnya diatur disekeliling alat potong tersebut. Agar sisi potong dari alat potong dapat memotong material, maka sisi potongnya harus memiliki sudut bebas. Pada mesin milling terdapat dua gerakan dasar yaitu gerakan pemotongan dan gerakan pemakanan. Gerakan pemotongan adalah gerakan melingkar dari alat potong. Sedangkan gerakan pemakanan merupakan gerakan dalam bentuk garis lurus. Tebal geram didapat dari gerakan pemakanan tersebut.
Gb. 2.10. Gerakan Pemakanan dan Pemotongan pada Mesin Milling
2.8.2. Variabel – variabel Proses Pemotongan Pada proses pemotongan dengan menggunakan mesin milling terdapat beberapa variabel antara lain : ¾
Kecepatan Potong Kecepatan potong merupakan kecepatan gerak putar pahat, yang dinyatakan dalam meter per menit. Kecepatan gerak pahat tergantung dari bahan benda kerja yang akan di-milling dan bahan dari pahat potong itu sendiri. Faktor-faktor lain yang dapat menyebabkan variasi harga kecepatan potong adalah : kecepatan pemakanan (feeding), kedalaman pemakanan (depth of cut) dan kondisi mesin.
22
n=
1000 Vc π d
(2.8.1)
(Basuki, Dwi Wibowo, Pelatihan Penggunaan Mesin Freis CNC TU-3A)
Dimana : - d = diameter pahat
¾
(mm)
- Vc = kecepatan potong
(m/min)
- n = putaran spindle mesin
(rpm)
Kecepatan Pemakanan
Kecepatan pemakanan dihitung berdasarkan ketebalan geram yang dapat dipotong oleh setiap gigi pahat, yang disebut pemakanan per gigi. Besarnya pemakanan tiap gigi tergantung oleh beberapa faktor yaitu : jenis material yang dipotong, jenis pahat yang digunakan, kedalaman pemotongan dan hasil akhir yang diinginkan. Untuk menghitung kecepatan pemakanan dapat digunakan satuan
μ m/put atau mm/menit. Dalam pemrograman dengan CNC menggunakan kode G95 dan G94. G94 dipakai untuk pengerjaan umum dengan satuan mm/menit. Sedangkan G95 dipakai untuk pengerjaan pengeboran.
Sm = Sz . Z . n
(2.8.2)
(Basuki, Dwi Wibowo, Pelatihan Penggunaan Mesin Freis CNC TU-3A)
Dimana : - Sz = pemakanan tiap gigi
(mm/gigi)
- Z = jumlah gigi potong pahat - n = putaran spindle mesin
(rpm)
- Sm = kecepatan pemakanan
(mm/mnt)
23
¾
Kedalaman Pemakanan
Besarnya kedalaman pemakanan berhubungan erat dengan kecepatan pemakanan dan juga dari diameter pahat tersebut. Semakin tinggi kecepatan pemakanan, maka pahat yang digunakan semakin kecil diameternya dan kedalaman pemakanan pada benda kerja menjadi kecil.
2.8.3. Sistem Persumbuan
Sistem persumbuan pada mesin CNC mengikuti sistem persumbuan umum yang telah ditetapkan ISO, yaitu sumbu Z ditempati spindel utama sebagai dasar persumbuan, kemudian secara berurutan sumbu X pada arah memanjang meja, dan sumbu Y pada arah gerak melintang meja. Untuk gerakan lurus ketiga sumbu tersebut dapat bergerak bersamaan, sedangkan untuk gerakan melingkar hanya dua sumbu yang dapat bergerak secara bersamaan.
2.8.4. Position Shift Offset
Titik NOL mesin untuk mesin milling terletak pada sudut kiri atas dari meja mesin. Titik nol pada posisi ini, pada pemakaiannya bisa digeser ke suatu titik/ tempat yang menguntungkan. Perg Untuk melakukan pergeseran titik referensi mesin perlu diketahui titik-titik referensi mesin yaitu : ¾
Titik Nol Mesin (M)
Titik Nol Mesin adalah sistem koordinat asli.
Gb. 2.11. Titik Nol Mesin
24
¾
Titik Referensi Pemegang Pahat (N)
Dari titik inilah dinyatakan panjangnya alat potong.
Gb. 2.12. Titik Nol Referensi Pemegang Pahat
¾
Titik Nol Benda Kerja (W)
Titik nol benda kerja ditentukan oleh pemrograman.
Gb. 2.13. Titik Nol Benda Kerja
2.8.5. Penentuan Titik Nol Benda Kerja
Untuk memindahkan titik nol ini diperlukan peralatan bantu yang disebut : Edge Indicator. Ragum berfungsi sebagai tempat pemindahan titik nol. Penentuan titik nol ini dilakukan dengan cara menggeser Edge Indicator pada ragum/benda kerja sesuai dengan posisi yang dikehendaki.
25
Gb. 2.14. Setting Titik Nol Benda Kerja dengan Edge I d 2.8.6. Pergeseran Titik Nol Pahat
Pergeseran titik nol pahat disebut juga kompensasi panjang pahat. Titik nol pahat asli terletak pada sumbu permukaan spindel. Pergeseran yang dimaksud disini adalah memindah titik nol asli ke ujung pahat. Besarnya pergeseran tersebut dicatat dan dimasukkan dalam data pahat ( tool data ). Peralatan yang digunakan untuk mengukur kompensasi panjang pahat adalah Dial Indicator.
Gb. 2.15. Setting Titik Nol Pahat dengan Dial Indicator
BAB III IMPLEMENTASI PROSES DISAIN DAN PERMESINAN DENGAN SOFTWARE CAD/CAM UNIGRAPHICS
3.1. Gambaran Umum Proses Disain Dengan Software Unigraphics. Dalam melakukan disain menggunakan software CAD/CAM seperti Unigraphics, diperlukan beberapa langkah yang tepat agar diperoleh sebuah disain yang benar. Semua ini untuk mendapatkan hasil akhir berupa G-Code untuk menjalankan sebuah mesin CNC yang dalam hal ini untuk memproduksi beberapa pasang dies forging. Untuk lebih jelasnya dalam melihat masalah keterkaitan antara proses disain dengan proses lainnya yang saling terkait, dapat diperlihatkan pada flow chart forging process di bawah ini:
Gb. 3.1. Flow proses CAD & CAM terhadap proses lain yg terkait.
26
27
Dari gambar ilustrasi yang diperlihatkan diatas, bisa kita jabarkan bahwa posisi atau bagian divisi sangat penting pengaruhnya terhadap semua proses dalam dunia industri, seperti contohnya dalam proses forging. Adapun alur proses yang disain baik CAD maupun CAM, yang dalam hal ini menggunakan software CAD/CAM Unigraphics, secara umum dapat dijabarkan dalam bentuk diagram alir sebagai berikut: ORDER DARI CUSTOMER PEMBUATAN MODEL OBYEK DALAM SOLID 3D
PEMBUATAN MODEL DIES & CAVITY DALAM SOLID 3D
CAD
PENGECEKAN KEKUATAN KONSTRUKSI DIE
SET-UP DATABASE DARI OPERASI PERMESINAN
PEMBUATAN MILL VOLUME DAN PENENTUAN URUTAN PEMOTONGAN
CAM
VERIFIKASI OPERASI PEMOTONGAN DAN PEMBUATAN CL-DATA
G-CODE TRANSFER DATA KE MESIN CNC
Gb. 3.2. Diagram alir CAD & CAM secara umum proses disain die forging.
28
Pada Tugas Akhir ini penulis melakukan proses disain die forging untuk komponen Flange Companion pada mobil. Adapun alur proses yang digunakan penulis dalam melakukan disain baik CAD maupun CAM dengan software Unigraphics secara umum adalah sebagai berikut:
1.
2.
Model Concept of Flange Companion
Drawing, model, sample, etc.
Creating Basic Shape of
Flange Companion.
Protrusion; Revolve, and advanced features. Cut; Extrude, and advanced features.
3.
Finishing Touch; Adding Draft angles, Round, Fillet, etc.
Additional; Copy, mirror, pattern, etc.
Draft Angle Analysis.
4.
Model Analysis
Volume Analysis Surface Area Analysis
5.
Create Dies Cavity
Refference Model Adding Shrinkage Workpiece Parting line Parting Surface Split Cavity & Extract
Gb. 3.3. Flow Chart Proses disain CAD untuk forging dies komponen Flange Companion dengan menggunakan Software CAD dari Unigraphics.
29
Alur proses yang digunakan penulis dalam meng-implementasi-kan proses CAM adalah merupakan kelanjutan dari alur proses CAD, hal ini disebabkan karena proses CAM menggunakan data-data masukan berupa disain model dari proses CAD sebelumnya. Disain model akan digunakan sebagai model referensi dari CAM untuk dapat mengkalkulasi gerak pahat ( toolpath ).
1.
4.
Design Model (as Refference Model)
Workpiece
2.
3.
Manufacturing Model
4.
Set Up Manufacturing Database
5.
Set Up Operation
6.
Create Manufacturing Geometry
7.
Define NC Sequences
8.
Create CL-Data files
9.
Post-Process (G-Code)
10
Drive NC Machine Tool
Machine Tool
4.
Tool
Gb. 3.4. Flow Chart Proses disain CAM untuk forging dies dengan menggunakan Software CAM dari Unigraphics.
30
3.2. Proses Disain dengan CAD untuk Dies Forging Flange Companion. Sebelum dijelaskan lebih lanjut tentang alur proses secara umum, perlu penulis jelaskan terlebih dahulu bahwa alur proses tentang CAD yang coba dijelaskan disini adalah gambaran yang diharapkan dapat dipahami oleh pembaca secara umum, karena untuk penjelasan lebih detail akan diperlukan tingkat pemahaman khusus; dalam hal ini paling tidak pernah belajar atau berpengalaman dalam menggunakan software Unigraphics. Penjelasan di bawah ini orientasinya akan mengacu pada Flow Chart proses disain CAD yang telah coba penulis jelaskan dan tampilkan sebelumnya. Adapun rinciannya dapat dijelaskan pada berbagai sub bab di bawah. 3.2.1. Memahami Konsep Dasar dari Model yang Dibuat Pemahaman yang dimaksud disini adalah disainer CAD harus mengetahui betul seperti apa yang dimaksudkan dari informasi yang terdapat di data-data referensi awal; ini biasanya berupa gambar teknik, model dalam bentuk suatu format file, atau sample produk. Dengan suatu pemahaman yang baik, maka diharapkan tidak akan terjadi suatu kesalahan penerjemahan dari data referensi terhadap model CAD yang akan kita buat nantinya.
Gb. 3.5. Konversi dari data referensi berupa gambar teknik ke dalam bentuk CAD 3D Solid Modelling. Dengan kuatnya pemahaman kita dari data referensi, maka akan mempermudah dalam penentuan langkah yang akan diambil dalam membuat suatu bentuk disain model CAD solid 3D, karena penentuan langkah ini akan berbeda-beda pada setiap orang dan tergantung dari tingkat pemahaman dan pengalaman masing-masing.
31
3.2.2. Membuat Bentuk Dasar dari Model Pada prinsipnya untuk membuat suatu bentuk dasar dalam 3D Solid Modelling
dengan
menggunakan
Software
Unigraphics
hanya
diklasifikasikan dalam 3 kelompok besar, yaitu; 1. Protrusion: membuat atau menambah suatu volume dengan referensi suatu sketsa dari loop tertutup. (Contoh; extrude, revolve, sweep, blend, dll)
Gb. 3.6. Protrusion Revolve dengan Unigraphics dari bentuk dasar Flange Companion, berawal dari sebuah sketsa loop yang tertutup. 2. Cut: mengurangi suatu volume yang telah ada sebelumnya dengan referensi suatu sketsa dari loop tertutup. (Contoh; extrude, revolve, sweep, blend, dll)
Gb. 3.7. Cut Revolve dengan Unigraphics dari bentuk dasar Flange Companion, berawal dari sebuah sketsa loop yang tertutup.
32
3. Additional Feature: Suatu fitur-fitur tambahan yang berguna dalam kasus-kasus khusus. (Contoh: mirror, pattern, copy, dll)
3.2.3. Penyelesaian Akhir Dalam proses forging yang umum berlaku; model dari benda yang akan mengalami pembentukan secara forging, tidak dianjurkan adanya suatu ketajaman atau transisi mendadak pada pertemuan dua bidang atau lebih. Untuk itu perlu ditambahkan fitur round/fillet pada model.
Round
Draft Angle 5º
Gb. 3.8. Menambah penyelesaian akhir pada Flange Companion dengan fitur round/fillet dan draft angle dengan Software Unigraphics. Kemudian untuk memudahkan benda forging untuk diangkat dari cavity dies,
meminimalisasi
kelengketan
dan
mencegah
underfill;
harus
ditambahkan suatu fitur Draft Angles pada sisi yang sejajar arah gerakan ram mesin. Untuk kasus Flange Companion ini, karena customer mengijinkan adanya draft angle yang tinggi, maka pada semua sisi diberi draft sebesar 70, dan minimal 50.
Gb. 3.9. Penambahan flash dan gutter pada Flange Companion dengan Software Unigraphics untuk keperluan analysis dan pembuatan die cavity.
33
Apabila semua round dan draft angle sudah ditambahkan, maka model utama dapat dikatakan selesai, file dapat disimpan tersendiri untuk perhitungan volume nantinya. Kemudian copy dari file tersebut kita modifikasi lagi untuk menambahkan kelengkapan lain yang mutlak diperlukan oleh sebuah model dari benda forging. Penambahan flash dan gutter pada sekeliling parting line mutlak dibuat untuk memudahkan volume analisis, dan surface area analisis nantinya. Selain itu Flange Companion yang telah ditambah flash dan gutter akan langsung terlibat dalam proses membuat cavity dies forging nantinya. 3.2.4. Menganalisa Forging Model dengan Unigraphics Proses analisa ini berkaitan dengan pengecekan model serta mendapatkan data-data yang dibutuhkan untuk perhitungan nantinya. Data berupa volume dan surface area akan diperlukan dalam perhitungan kapasitas mesin forging, perhitungan raw material, efisiensi material, dsb.
Pull Direction
Pull Direction
Draft Check Analysis
Volume & Surf Area Analysis
Gb. 3.10. Draft dan volume Analisis dengan Software Unigraphics untuk keperluan pengecekan draft dan mendapatkan data untuk perhitungan selanjutnya. Draft Check diperlukan untuk mengetahui seberapa yakin (confidence) dalam mengeluarkan benda dari dies, semakin besar draft angle akan semakin mudah, hal ini terwakili dalam derajat warna pada display. Volume dan surface analysis akan diterapkan pada berbagai tipe model yang kita inginkan untuk mendapatkan data-data geometri dari tiap-tiap
34
model; misal pada ilustrasi diatas, diterapkan pada model yang belum ditambah flash gutter, maka akan didapatkan data tersebut diatas. 3.2.5. Membentuk Cavity Dies dengan Unigraphics Pembentukan suatu cavity pada die yang merupakan negatif dari model referensi merupakan salah satu feature unggulan dari Unigraphics. Feature ini membutuhkan file model referensi untuk membentuk suatu cavity, untuk ini penulis mengambil sample dari model Flange Companion yang diberi tambahan flash, dan gutter yang diperpanjang unrtuk memudahkan proses split. Kemudian ditambahkan faktor shrinkage, dengan formula 1+S; dimana S adalah faktor shrinkage tergantung dari bahan dan suhu oerasi forging, dapat dicari dari tabel referensi.
Gb. 3.11. Model referensi berupa Flange Companion dg flash dan gutter diperpanjang. Model referensi akan diletakkan dalam suatu workpiece, dimana dimensinya ditentukan berdasar pada space mesin serta die holder. Workpiece ini nantinya akan dibelah (split) oleh suatu parting surface yang berasal dari parting line. Model Referensi
Workpiece
Gb. 3.12. Workpiece siap dibelah berdasar parting surface.
35
Upper Die
Lower Die
Gb. 3.13. Hasil Extract workpiece yang telah dibelah (split) dan telah ditambah kelengkapan lain yang diperlukan untuk sebuah forging dies. Hasil dari pembelahan dies perlu dilakukan proses extract supaya dies dapat dimunculkan dalam bentuk part dan file tersendiri. Ini dimaksudkan file hasil extract dapat dimodifikasi untuk ditambahkan kelengkapan-kelengkapan lain bagi sebuah dies forging. Sedangkan untuk kemudahan pemindahan material hasil tiap proses forging (upset, blocker, finisher) dilakukan oleh tenaga operator dengan menggunakan penjepit khusus. Untuk itu diperlukan suatu tempat tersendiri bagi ujung penjepit untuk dapat meraih bagian flash gutter; maka diperlukan semacam kontur yang menjorok kedalam die. Lubang yang diperuntukkan sebagai tempat bagi baut juga perlu ditambahkan pada dies forging ini. Baut disini berfungsi sebagai pengikat dari die ke die holder yang terhubung ke bed mesin forging press; semuanya berjumlah dua buah untuk masing-masing die.
36
3.3. Proses Disain dengan CAM untuk Dies Forging Flange Companion. Sebelum dijelaskan lebih lanjut tentang alur proses secara umum, perlu penulis jelaskan terlebih dahulu bahwa alur proses tentang CAM yang coba dijelaskan disini adalah gambaran yang diharapkan dapat dipahami oleh pembaca secara umum, karena untuk penjelasan lebih detail akan diperlukan tingkat pemahaman khusus; dalam hal ini paling tidak pernah belajar atau berpengalaman dalam menggunakan software Unigraphics. Penjelasan di bawah ini orientasinya akan mengacu pada Flow Chart proses disain CAM yang telah coba penulis tampilkan pada sub bab 3.1. Adapun rinciannya dapat dijelaskan pada berbagai sub bab di bawah. 3.3.1. Disain model Sebagai Model Referensi Disain model pada proses CAM merepresentasikan produk hasil akhir proses CAM, digunakan sebagai dasar dari setiap operasi CAM. Disain model harus terletak di dalam workpiece, kedua part ini oleh Unigraphics disebut sebagai Manufacturing Model.
Refference Model
Workpiece
Gb. 3.14. Refference model harus diletakkan ke dalam workpiece pada saat operasi CAM berlangsung.
3.3.2. Set Up Manufacturing Database. Dalam set up manufacturing database ini dibagi dalam dua kelompok besar, yaitu set up tooling dan set up machine tool; dimana dalam set up tooling kita harus mengisi data-data tentang pahat cutter yang kita gunakan, sedangkan dalam set up machine tool kita harus menentukan jenis serta standar spesifikasi dari mesin CNC yang akan kita gunakan.
37
Sedangkan dalam aplikasi untuk proses pemesinan die forging untuk Flange Companion ini, Penulis menggunakan tiga ukuran pahat/cutter. Adapun daftar pustaka pahat yang penulis gunakan seperti tergambar dibawah ini: 1.
2. Plain End Mill Cutter, two-flute medium helix ¬ 20 mm, panjang maksimum 138 mm
3. Plain End Mill Cutter, two-flute medium helix ¬ 8 mm, panjang maksimum 100 mm
Ball End Mill Cutter, two-flute medium helix ¬ 3 mm, panjang maksimum 47 mm, radius ujung pahat = 1.5 mm
(Refference: Summary Of Production Technology Hand Book, hal: 663) Gb. 3.15. Pustaka pahat yang digunakan saat proses CAM serta pemesinannya dengan CNC Dari pustaka pahat tersebut harus disesuaikan ke dalam menu referensi pahat pada Unigraphics (Tool setup), karena yang dibutuhkan dan yang berpengaruh dalam perhitungan toolpath adalah diameter pahat dan radius ujung pahat, sedangkan panjang pahat hanya berpengaruh pada tampilan animasi playpath. Sebagian besar kasus-kasus umumnya pada pemesinan CNC milling berbantuan Software CAM, pahat/cutter yang digunakan adalah yang jumlah giginya dua buah (two flute), atau lebih dikenal dengan slot drill. Alasan pemilihan jenis ini adalah: Pahat yang bergigi dua mempunyai daerah pembuangan chip yang besar sehingga dapat difungsikan untuk pemakanan kebawah seperti layaknya drill. Sedangkan untuk setup machine tool, kita harus menentukan jenis dari mesin CNC yang kita pakai. Misal: milling 3 axis, 4 axis, 5 axis, turning multi axis, wire cutting, dan sebagainya. Dalam hal ini Penulis menggunakan General Milling 3 axis.
38
•
Variabel Yang Perlu diperhitungkan sebelum Proses CAM
- Cutting Speed Vc (Kecepatan Potong) Merupakan kecepatan potong pada arah tangensial diameter cutter, Nilai dari kecepatan potong ini tergantung pada jenis material bahan yang dipotong dan jenis material pahat yang digunakan. Kecepatan potong digunakan untuk menentukan kecepatan putaran spindle mesin.
Vc [m/min]
N [ rpm ]
Gb.3.16. Arah Kecepatan Potong dan Kecepatan Putaran Spindle Mesin terhadap Diameter Cutter n= -
1000 .Vc π .D
(rpm)
Feeding Speed
Kecepatan makan cutter sebagaimana disebutkan diatas, juga akan berpengaruh terhadap umur cutter. Hal ini dipengaruhi oleh material benda kerja, unjuk kerja mesin, dan geometri cutter milling. Semakin tinggi ketahanan material akan semakin memperbesar kecepatan makan dan kedalaman potong, sedangkan dari hubungan F – t dapat ditunjukan bahwa semakin besar kedalaman potong (t), harga kecepatan makan (F) semakin kecil, begitu juga sebaliknya. (Bk. Petunjuk Pelatihan Penggunaan Mesin CNC, hal :8) - Step Depth (t) Kedalaman tiap kali makan. (arah aksial) - Step Over Merupakan jarak pergeseran cutter kearah radial.
39
Untuk lebih jelasnya mengenai parameter-parameter pemotongan material dies dengan menggunakan proses Milling dapat dilihat pada contoh perhitungan, yang selanjutnya ditabelkan sebagai berikut : •
Dari gambar 3.6. Relation between hardness & cutting speed (Production Technology, hal. 61) diperoleh ; Cutting Speed (Vc) = 10 m/min
•
Dari tabel 7.9. Typical Cutting Condition for Milling (Production Technology, halaman. 215) diperoleh ; - Pemakanan tiap gigi (Sz) cutter HSS ¬ 20 mm = 0,06 mm/gigi
•
-
Pemakanan tiap gigi (Sz) cutter HSS ¬ 8 mm = 0,06 mm/gigi
-
Pemakanan tiap gigi (Sz) cutter HSS ¬ 3 mm = 0,06 mm/gigi
Step Depth -
Cutter ¬ 20 mm = 1 mm
-
Cutter ¬ 8 mm = 1 mm
-
Cutter ¬ 3 mm = 0.5 mm
Maka untuk mentukan perhitungannya sebagai berikut : n (¬ 20 mm) =
1000 Vc π d
Sm (¬ 20 mm)
= Sz . Z . n = 0,06 x 2 x 159
1000 x 10 = 3,14 x 20
= 19,08 mm/min
= 159 Rpm
Tabel hasil perhitungan :
Diameter Vc (mm) (m/min) 20 10
Putaran (Rpm) 159
Sz (mm/gigi) 0,06
t (mm) 1
Sm (mm/min) 19,08
8
10
398
0,06
1
47,76
3
10
1062
0,06
0.5
127,44
40
• Definisi Proses Facing, Roughing dan Finishing
-
Proses Facing :
Proses Facing adalah proses pemesinan yang pertama kali dilakukan sebelum proses yang lain dan ini dilakukan dengan tujuan untuk memakan sedikit benda kerja dan meratakan permukaannya, sehingga diharapkan proses selanjutnya dapat lebih akurat dalam penentuan titik acuan proses berikutnya.
-
Proses Roughing :
Proses Roughing adalah proses pemesinan yang dilakukan setelah proses facing dan sebelum proses yang lain dan dalam proses ini pahat dalam melakukan pemakanan menyisakan sedikit dimensi untuk proses finishing, dengan maksud mempermudah dan mempercepat proses selanjutnya. Selain itu juga bertujuan untuk menjaga kondisi alat potong yang ukurannya lebih kecil agar mempunyai usia pakai lebih panjang.
-
Proses Finishing
Proses Finishing adalah proses pemesinan yang paling akhir, dimana proses ini betujuan untuk mendapatkan ukuran akhir yang diharapkan dan permukaannya halus. Arah pergerakan cutter mengikuti bentuk kontur benda kerja sesuai dengan dimensi akhir yang diberikan, dengan feeding rendah tetapi putaran cutter tinggi.
41
3.3.3. Set Up Operasi Permesinan
Sebelum melakukan operasi permesinan, tentu harus dilakukan set up yang berkaitan terhadap operasi tersebut, diantaranya; menentukan titik nol koordinat operasi, menentukan jarak pengangkatan pahat yang aman, dll. Penulis menentukan bahwa titik koordinat nol terletak di tengah, ini untuk kepentingan kemudahan dalam setting nol pahat karena bentuk dari material yang akan dimesin berupa silindris.
Titik Nol Sumbu X, Y, Z (Zero benda kerja)
Gb. 3.17. Titik Nol Koordinat Sistem Pada bentuk dies silindris ini titik nol pada mesin ( zero machine ) dipindahkan ke titik nol benda kerja ( zero benda kerja )
3.3.4. Pendefinisian Manufacturing Geometry
Manufacturing geometry merupakan suatu bentuk geometri yang digunakan oleh CAM sebagai acuan untuk melakukan proses perhitungan pahat. Pada kasus die Flange Companion ini menggunakan geometri jenis mill volume; geometri jenis ini merepresentasikan suatu volume yang akan dihilangkan materialnya oleh proses pemakanan pahat.
42
Refference Model (Digunakan sebagai referensi pembentukan mill volume)
Mill Volume (Material yang akan dihilangkan oleh proses pemakanan pahat)
Gb. 3.18. Mill Volume yang digunakan sebagai acuan bagi CAM untuk melakukan proses perhitungan pahat.
3.3.5. Pendefinisian langkah-langkah proses NC
Dalam suatu operasi permesinan dengan CNC, dapat dipastikan akan mempunyai lebih dari satu langkah permesinan; biasanya yang umum digunakan adalah facing, roughing, dan finishing. Sementara langkah roughing dan finishing sendiri umumnya tidak cukup terdiri dari satu langkah saja. Keadaan ini tergantung dari bentuk profile dari model referensi yang kita aplikasikan. Seperti dalam kasus die forging Flange Companion ini Penulis memerlukan satu langkah facing, dua langkah roughing serta satu langkah finishing, total semua langkah adalah empat langkah (sequences).
43
Cutter
Tool Path
Reff Model
Daerah yang dimakan
Gb. 3.19. Langkah (sequence) facing dari lower die dengan CAM.
Langkah facing yang pertama; seperti yang tergambar diatas berguna untuk menghilangkan material atau meratakan permukaan benda kerja yang akan dilakukan proses pemakanan selanjutnya.
44
Langkah roughing yang pertama; seperti yang tergambar dibawah berguna untuk menghilangkan material pada gutter dan sebagian material pada benda kerja yang terletak diantara daerah satu dan daerah dua. Tool Path
Reff Model
Daerah 1
Cutter
Daerah 2
Daerah yang dimakan
Gb. 3.20. Langkah (sequence) roughing pertama dari lower die dengan CAM.
45
Langkah roughing yang kedua terhadap cavity seperti yang tergambar dibawah berguna untuk menghilangkan material yang berada di dalam cavity yaitu mulai dari daerah A sampai kontur terdalam pada cavity, langkah roughing pada cavity ini mutlak dilakukan untuk proses selanjutnya yaitu langkah finishing pada cavity. Tool Path
Reff Model
Cutter
Daerah A
Daerah yang dimakan
Gb. 3.21. Langkah (sequence) roughing kedua dari lower die dengan CAM.
46
Cutter
Tool
Reff Model
Daerah yang dimakan
Gb. 3.22. Langkah (sequence) finishing cavity dari upper die dengan CAM. Langkah finishing pada cavity; seperti yang tergambar diatas bertujuan untuk membentuk kontur sesuai dengan kontur pada referensi model. Pada proses finishing ini biasanya digunakan langkah operasi dengan tipe surface milling dengan nilai Step-Over berada pada kisaran 0.03 sampai dengan 0.08 milimeter.
47
3.3.6. File CL-Data dan File G-Code.
CL-Data merupakan data-data langkah pahat hasil perhitungan CAM, CL-Data ini berbeda dengan G-Code yang digunakan oleh mesin CNC secara umum. Karena G-Code pada setiap jenis mesin CNC dengan merek yang berbeda mempunyai perbedaan struktur penulisan, maka Unigraphics perlu membuat data langkah pahat yang dapat dimengerti oleh Unigraphics sendiri (CL-Data).
Gb. 3.23. Gambaran dari sebuah contoh format CL-Data.
48
CL-Data disini selanjutnya dapat diproses menjadi suatu perintah GCode yang sesuai dengan standar masing-masing perusahaan pembuat mesin CNC, adapun proses ini dilakukan oleh software Post-Processor yang telah built-in dengan Unigraphics.
Gb. 3.24. Gambaran dari sebuah contoh format G-Code hasil Post-Processing dari CL-Data.
49
Setelah didapatkan G-Code dari proses disain dengan software Unigraphics, langkah selanjutnya adalah memberikan atau menyisipkan perintah-perintah tambahan pada file G-Code tersebut. Ini dikarenakan hasil G-Code yang dihasilkan tidak sepenuhnya lengkap untuk bisa proses lebih lanjut ke mesin CNC, sehingga harus diberikan menu perintah tambahan agar bisa diaplikasikan ke mesin CNC.
3.3.7. Proses-proses yang Dilakukan Setelah Proses Pemesinan dengan CNC.
Setelah semua urutan pengerjaan dengan CNC telah dilaksanakan, maka proses pemesinan dengan CNC dapat dinyatakan selesai. Tetapi die yang
dihasilkan CNC masih membutuhkan proses-proses perlakuan lebih lanjut untuk dapat menjakankan fungsinya sebagai suatu forging die. Adapun prosesproses yang dilaksanakan setelah proses pemesinan dengan CNC adalah sebagai berikut: ¾ Proses E.D.M.
Proses E.D.M. (Electrical Discharge Machine) ini berfungsi untuk mengatasi bentuk, kontur, dan dimensi yang tidak dapat dicapai oleh proses pemesinan secara CNC. Adapun hubungannya dengan kasus pemesinan dengan CNC adalah bahwa proses pemesinan dengan CNC ini hanya memperbolehkan pahat terkecil adalah berdiameter 3 mm dengan radius ujung pahat 1.5 mm. Maka diharapkan dengan proses secara E.D.M. semua kontur dan dimensi akan terbentuk sesuai dengan yang diharapkan. ¾ Proses Pemesinan Tambahan.
Proses pemesinan tambahan ini dilakukan dengan mesin-mesin konvensional, proses ini dimaksudkan untuk memberikan perlengkapan-perlengkapan yang diperlukan bagi sebuah forging die untuk berfungsi optimal. Adapun proses pemesinan tambahan yang perlu diberikan adalah: 1) Pemberian empat buah counterbore sebagai lubang baut untuk mengikat die ke mother die / die holder. Proses ini dapat dilakukan oleh mesin drill atau milling konvensional.
50
2) Pemberian dua lubang pengait pada samping die sebagai sarana mempermudah bongkar pasang. Proses ini dapat dilakukan oleh mesin drill atau milling konvensional. 3) Pemberian dua keyway pada permukaan bawah die, sebagai sarana penepat posisi die terhadap mother die / die holder. Proses ini dapat dilakukan oleh mesin milling konvensional. 4) Pemberian dua kontur kearah dalam pada samping die sebagai tempat bagi tang penjepit pemindah material dalam proses forging. Proses ini dapat dilakukan oleh mesin copy milling. ¾ Proses Pengerjaan dengan Hand Grinding (Buffing).
Setelah permukaan pada cavity die mengalami proses pemesinan dengan CNC dan E.D.M., maka akan terbentuk suatu hasil permukaan (surface finish) yang relatif masih kasar. Untuk itulah diperlukan proses lebih lanjut untuk membentuk permukaan cavity die lebih rata. Proses ini dimaksudkan untuk menghilangkan kekasaran akibat pembentukan step over pada mesin CNC (step over effect).
Gb. 3.25. Proses pengerjaan permukaan dengan hand grinding (buffing).
51
¾ Proses Heat Treatment pada Die.
Setelah die mengalami segala proses yang diperlukan, maka proses pemesinan dianggap selesai. Tetapi untuk memenuhi sifat-sifat mekanis dari syarat sebuah forging die, maka perlu dilakukan proses Heat Treatment. Adapun Standar yang berlaku untuk sebuah die forging dengan metode press forging dengan material SKD 61, merunut kepada ketentuan Sanyo Special Steel Co, - yaitu: 1) Quenching pada suhu 1000-1050 C, pendinginan dengan udara paksa (air quenching). 2) Tempering pada suhu 550-650 C, pendinginan dengan udara bebas (air cooling).
BAB IV PERHITUNGAN FORGING
4.1. Perhitungan Estimasi Beban Forging Karena
dalam
proses
pembentukan
komponen
Flange
Companion
ini
menggunakan metode press forging, maka semua perhitungan akan mengikuti metode press forging. Perhitungan estimasi forging load ini untuk menentukan kapasitas mesin yang akan digunakan dalam proses pembentukan komponen Flange Companion tersebut. Sebagai gambaran, perusahaan yang kami mintai keterangan memiliki dua jenis kapasitas, yaitu; mesin berkapasitas 1000 Ton dan 1600 Ton. Karena bentuk Flange Companion mempunyai kontur yang melingkar (circular shape), maka untuk mencari estimasi gaya forging yang dibutuhkan menggunakan rumus 2.4.1 2
⎛ 20 ⎞ ⎟⎟ (1 − 0 , 001 ⋅ D S )σ ⋅ F S P = 8 ⎜⎜ 1,1 + D S ⎠ ⎝
dengan diameter terluar benda kerja, - DS = 1.13 = 1,13
Fs
9715 , 7
= 111,4 mm Data Luas Area Top View diketahui dengan CAD model analysis sebagai berikut:
Luas Top View (Fs): 9715,7 mm2
Gb. 4.1. Data Luas area top view dgn metode CAD
52
53
Material yang digunakan dalam proses forging untuk Flange Companion ini adalah S35C, maka berdasarkan referensi didapatkan: * Tegangan tarik bahan S35C pada suhu operasi (σ) …… = 6,5 N/mm2 Maka dapat dihitung estimasi beban forging:
2
⎛ 20 ⎞ ⎟ (1 − 0 , 001 ⋅ D S )σ ⋅ F S P = 8 ⎜⎜ 1,1 + D S ⎟⎠ ⎝
20 ⎛ P = 8 ⎜ 1,1 + 111,4 ⎝
⎞ ⎟ ⎠
2
(1 −
0,001 x 111 , 4 ) 6,5 x 9715 , 7
P
= 8 ( 1,673 ) x ( 0.89 ) x 63152,05 ( kg )
P
= 752,252 ton
…………(Mesin Forging Press kapasitas 1000 ton)
4.2. Estimasi Material yang Dibutuhkan Untuk menghitung massa suatu material mula-mula yang dibutuhkan dalam proses forging Flange Companion ini, dapat dihitung dengan rumus umum: Wraw = Vraw ⋅ ρ ….………………………………………………... (kg) Dimana : - Vraw - ρ
= Volume Raw Material …………………... (mm3) = Massa jenis material (S35C) …… (7,83x10-6 kg/mm3)
Sedangkan Volume raw material sendiri merupakan akumulasi dari:
Vraw = (Vmod el + V flash + VGutter + Tol forging ) ⋅ S matrl .…………………. (mm3) Dimana : - Vmodel = Volume model …………………………... (mm3) - Vflash
= Volume flash ……………………………..(mm3)
- Vgutter = Volume gutter …………………………… (mm3)
54
- Tolforging = Forging tolerance ………………………. (mm3) - Smatrl
= Scaling of material ………………………. (mm3)
Untuk menghitung volume dari model lengkap dengan flash dan gutter-nya
dilakukan dengan model analysis dari Unigraphics, didapatkan data derikut:
Volume model+flash+gutter: 2,596x105 mm3
Gb. 4.2. Volume model lengkap dgn flash dan gutter assumsi dihitung dgn metode CAD
Untuk Forging Tolerance pada bentuk Flange Companion yang merupakan circular
shape ; dilakukan dengan metode: 9 Forging tolerance dengan kontur tipe takteratur:
Tolforging = Luas total (top view) x (0,5 ~ 1 mm) ………….. (mm3) Tolforging = ( 9715,7 mm2 ) x ( 0,8 mm )
∅
Tolforging = 7772,56 mm3
Untuk faktor scaling of material:
Scaling of material dengan menggunakan electric induction furnace = 1 %
55
Maka sebagai faktor perkalian terhadap volume, menjadi 1.01 dari volume total. Dari semua data diatas; maka perhitungan dari volume raw material menjadi:
Vraw = (Vmod el + V flash + VGutter + Tol forging ) ⋅ S matrl Vraw = (2,596 × 10 5 + Tol forging ) ⋅ S matrl V raw = ( 2 ,596 × 10 5 + 7772 ,56 ) x1 . 01
V raw = 270046 , 2856 mm
3
Karena volume telah diketahui, maka dapat dicari berat/massa raw material.
Wraw = Vraw ⋅ ρ ….………………………………………………... (kg) Dimana :- ρ = Massa jenis material (S35C) ………… (7,83x10-6 kg/mm3) W raw = 270046 , 2856 ( mm 3 ) ⋅ ρ W raw = 270046 ,2856 ( mm 3 ) ⋅ 7.83 × 10 −6 ( kg / mm 3 )
W raw = 2,114462 kg
4.3. Penentuan Dimensi dari Raw Material.
Karena pada pembentukan Flange Companion ini ada tiga tahap, yaitu Material, Blocker, kemudian Finisher. Untuk mencegah bukling (bending) pada saat proses forging maka dimensi material harus memenuhi ratio perbandingan L/D (panjang/diameter) dimana untuk Press Forging : 1,3 ≤ L/D ≤ 2,3
Gb.4.3. Raw Material
56
Diameter material yang dibutuhkan
Berdasarkan Tabel 1 Dimension Material diperoleh Diameter Material : 64 mm. Panjang material yang dibutuhkan
L =
=
volume
π
4
D
2
270046,2856
π 4096 4
= 83,99 mm
Berdasarkan perhitungan panjang dan diameter material didapat ratio perbandingan L/D = 1,31 Efisiensi Material
Volume Model = 1,996 x 105 mm3
Gb. 4.4. Volume Model (Flange Companion) dihitung dengan CAD
57
η =
Volume produk Hasil Disain x 100 % Volume Bahan yang dibutuhkan
1.996x10 5 270046 , 2856 = 73 ,91 % =
x 100 %
4.4. Penentuan Ukuran Dies Block
Untuk menentukan ukuran dies block yang diperlukan dalam pembuatan cavity dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain : -
Pengalaman disainer
-
Kedalaman Cavity
-
Jumlah cavity dalam dies
-
Jarak antar cavity dalam dies
-
Jarak sisi cavity atau flash gutter dari tepi dies block
Dalam penentuan ukuran dies block ini sudah tersedia berbagai alternatif ukuran die holder, yang berpengaruh pada besar kecilnya dies block yang akan dibuat. Disainer harus mampu merancang seefektif mungkin ukuran dies block yang dibutuhkan sehingga dapat menghemat biaya material dies yang mahal. Untuk menentukan ukuran ketebalan dies block Flange Companion ini berdasarkan jarak kerenggangan bed mesin atas dan bawah saat posisi bed bergerak maksimal dan dimensi die holder yang tersedia. Dalam perencanaannya satu buah dies akan digunakan untuk satu proses (finisher/blocker). Dimana seorang disainer dies harus dapat menentukan ukuran seminimal mungkin tetapi aman untuk kondisi kerjanya. Dari hasil disain yang telah dianalisa kekuatannya menggunakan bantuan software Visual Nastran dan disesuaikan dengan dimensi die holder yang ada, sehingga diperoleh dimensi dies minimum yang masih aman sebagai berikut; untuk dies atas = ↓200,4 mm dengan tebal 67 mm dan untuk dies bawah = ↓200,4 mm dengan tebal 115 mm. Berikut ini adalah gambar ilustrasi proses penentuan ukuran dies block berdasarkan dimensi die holder :
58
1
TMA
1200 mm
90 mm 2
TMB
3 4
100 mm
5
372 mm 182 mm
6
7
Gb. 4.5. Iilustrasi proses penentuan ukuran ketebalan dies block berdasarkan dimensi die holder
Keterangan :
1. Bed atas mesin pada saat TMA 2. Bed atas mesin pada saat TMB 3. Die Holder atas 4. Upper Dies 5. Lower Dies 6. Die Holder bawah 7. Bed bawah mesin
59
a. Langkah Bed mesin (1200 mm) b. Minimum Clearance (372mm) c. Tebal die holder atas ( 90 mm) d. Tebal die holder bawah ( 100 mm) e. Tebal total dies atas & bawah (182 mm)
4.5. Pembuktian Kekuatan Konstruksi Dies
Untuk membuktikan tingkat keamanan konstruksi dies hasil disain sesuai kondisi kerjanya digunakan suatu metode, dalam hal ini menggunakan bantuan software MSC Visual NASTRAN. Pada pengujian ini hanya diambil salah satu dies saja, yaitu dies finisher atas, dengan alasan bagian ini merupakan penentu kualitas akhir produk jadi, sehingga bagian-bagian yang dianggap kritis, seperti flash gutter dan flash land harus benar-benar aman. Untuk lebih jelasnya dapat diilustrasikan pada asumsi dibawah ini: Illustrasi Gaya forging yang dikenakan pada dies: Gaya Forging
1000 ton Upper Die
Material Pressure
Lower Die
Diketahui: Gaya Forging ………………………………….. = 1000 ton = 9.81 x 106 N Luas Permukaan cavity pada die finisher ………= 3,556x 104 mm2 = 3,556 x 10-2 m2
60
Maka: Tekanan material yang terjadi pada die cavity adalah sebesar: P=
Gaya Forging Luas Permukaan Cavity Dies
9.81 x 10 6 N P= 3,556 x 10 -2 m 2
P = 2,759 x 10 8 Pa
Data tentang material yang dibutuhkan oleh software MSC Visual NASTRAN: Data-data Material Die Forging Æ SKD 61:
a. Mass Density
= 7670 kg/m3
b. Elasticity Modulus
= 1,75 x 1011 Pa
c. Poisson’s Ratio
= 0,287
d. Yields Strength
= 1,27 x 109 Pa
e. Ultimate Tensile Strength
= 1,419 x 109 Pa
Setelah semua data yang dibutuhkan oleh perhitungan telah didapat, proses selanjutnya adalah pemberian gaya-gaya yang terjadi pada die. Gaya-gaya disini telah dibahas diatas merupakan gaya tekanan material akibat terdeformasi (pressure), maka sifatnya adalah menekan ke segala arah. Pressure ini dikenakan pada permukaan cavity die dan pada flash land. Sedangkan untuk constraint dikenakan pada permukaan bawah die dengan tipe fixed terhadap sumbu X, Y, dan Z. hal ini merepresentasikan permukaan bawah die yang tetap karena terikat oleh baut ke die holder. Penempatan gaya-gaya ini coba Penulis gambarkan pada ilustrasi dibawah:
61
Constraint tipe fixed pada permukaan bawah die
Gaya dikenakan pada permukaan cavity die dan flash land, tipe pressure; arah normal pada permukaan
Gb. 4.6. Pemberlakuan gaya-gaya pada upper die Flange Companion dengan software MSC Visual NASTRAN
Sedangkan hasil dari perhitungan dengan MSC Visual NASTRAN dapat dilihat pada gambar dibawah, dimana dilakukan perhitungan dengan metode Von Mises Stress. Pada hasil perhitungan dapat dilihat bahwa Max Value berada pada nilai 7,17 x 108 Pa, angka ini merupakan angka yang aman karena masih dibawah nilai Yield Strength ijin dari material Die (SKD 61) yaitu sebesar 1,058 x 109 Pa (angka keamanan 1,2).
62
Gb. 4.7. Hasil perhitungan kekuatan die dengan software MSC Visual NASTRAN, menggunakan metode Von Mises Stress.
Sedangkan untuk deformasi dan displacement yang terjadi pada perhitungan dengan MSC Visual NASTRAN dapat dilihat pada gambar dibawah, dimana dilakukan perhitungan dengan metode Displacement. Pada hasil perhitungan dapat dilihat bahwa Max Value berada pada nilai 0.00013075 m, angka ini merupakan angka yang aman karena masih dibawah nilai Forging General Tolerance yaitu sebesar ±0.3 mm.
63
Gb. 4.8. Gambaran die yang terdeformasi dengan skala deformasi diperbesar 76,481 kali, serta kontur warna menunjukkan besar displacement akibat deformasi.
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan Setelah melakukan semua tahapan dalam proses desain die forging untuk Flange Companion dengan menggunakan software CAD/CAM Unigraphics, maka Penulis dapat mengambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: a. Gaya forging yang dibutuhkan untuk membentuk benda forging adalah berbanding lurus dengan luas penampang top view, untuk kasus Flange Companion, didapatkan hasil estimasi gaya forging sebesar 752,252 ton karena mempunyai luas top view sebesar 9715,7 mm2, maka digunakan mesin forging press kapasitas 1000 ton. b. Pada pembentukan Flange Companion dengan proses forging diperoleh efisiensi material sebesar 73,91%, angka ini didapatkan setelah melalui semua langkah proses desain menggunakan metode CAD, hal ini dipengaruhi oleh tingkat kesulitan benda kerja, semakin rumit konturnya maka efisiensinya semakin rendah karena sebagian besar material akan terbuang sebagai flash. c. Penentuan ukuran dies berdasarkan ukuran die holder yang sudah tersedia dan spesifikasi mesin forging press yang digunakan (1000 ton), maka didapatkan ukuran dies yatiu : •
Untuk Dies Atas
•
Untuk Dies Bawah : Ø 200,4 mm dengan tebal dies 115 mm
: Ø 200,4 mm dengan tebal dies 67 mm
64
65
5.2. Saran Untuk meningkatkan kualitas hasil disain dies dimasa yang akan datang, ada beberapa saran yang perlu dipertimbangkan terlebih dahulu, diantaranya adalah : a. Untuk meningkatkan efisiensi waktu permesinan, akan lebih efektif apabila menggunakan cutter dengan material yang lebih baik (Titanium carbide atau Sintered carbide), maka cutting speed dan feeding speed akan meningkat drastis. b. Karena Penulis menggunakan software CAM Unigraphics unlicensed, maka fasilitas NC check pada CAM Unigraphics tidak dapat diaktifkan, untuk versi licensed, fasilitas ini akan sangat membantu dalam visualisasi proses CAM seperti kondisi sebenarnya. c. Dalam pemodelan Solid 3D, disarankan tidak dilakukan proses tambal sulam, karena proses ini kemungkinan besar akan sangat mengganggu proses selanjutnya. d. Diperlukan literatur forging untuk disain yang lebih lengkap.
DAFTAR PUSTAKA
1. Basuki, Dwi Wibowo, Pelatihan Penggunaan Mesin Freis CNC TU -3A 2. Hill, Mc. Graw, Bulk Material Forming, 1992, Tata 3. Hill, Mc. Graw, Production Technology Hand Book, 1987, Tata 4. Sudrajat, R. Sugeng, Basic Forging Dies Design, PT. Menara Terus Makmur 5. The Sokeizai Center of Japan, Instruction Manual On Forging Technology, 1986, Published By The Material Process Technology Center 6. Wadsworth, John, Knowing G-Code, 1993
