Distribusi dan Interaksi Tegangan Sisa antar Lubang Setelah Proses Cold Expansion Hole

Transkripsi

1 Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X Distriusi dan Interaksi Tegangan Sisa antar Luang Setelah Proses Cold Expansion Hole Ari W. 1), Anindito P. 1), Andika H P. 2) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang 1) Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya 2) Jl. MT. Haryono 167 Malang 65145, Indonesia Anindito@u.ac.id Astract It is well known that the main cause of a failure of structure is initiated y cracks on a memer. A crack may originate easily in a region with high stress concentration. Because in the rivet and the olt joining method are usual with numer of holes, and to reduce the stress concentration, the compressive residual stress is introduced in the region near y the hole. The cold expansion hole technique is used to developed compressive residual on the vicinity of the edge hole. The present study was carried out y the computer simulation ased on finite element method to investigate the distriution and interaction residual stress in the region etween holes related to the cold expansion hole. The result of the study suggests that the distance etween holes influence the state of residual stress and its magnitude. These cause y the deformed material etween holes interact each other. Keywords: residual stress distriution, stress interaction, region etween holes PENDAHULUAN Latar Belakang Proses penyamungan untuk memangun suatu struktur adalah salah satu proses yang sulit dihindari [1]. Salah proses atau teknik penyamungan yang sering digunakan adalah penyamungan dengan menggunakan mur dan aut atau dengan menggunakan paku keling. Teknik penyamungan ini dapat dilakukan dengan cara memuat suatu luang atau eerapa luang pada komponen yang akan disamung. Umumnya teknik penyamungan ini digunakan untuk menyamung suatu jenis profile atau lemaran (plat) dari suatu logam [1]. Salah satu kelemahan teknik penyamungan dengan menggunakan metode mur-aut atau pun keling adalah luang yang harus diuat pada suatu komponen atau agian yang disamung. Hal ini, dapat meyeakan timulnya konsentrasi tegangan, yang mana esar tegangan pada tepi luang adalah 3 kali dari tegangan kerja [1-4]. Sehingga kekuatan material yang harus digunakan setidak-tidaknya mempunyai kekuatan 3 kali leih kuat dari tegangan kerja. Untuk mengurangi esar tegangan pada daerah sekitar tepi luang yang diseakan oleh konsentrasi tegangan, maka daerah terseut dieri tegangan sisa tekan. Ada eerapa teknik digunakan untuk menimulkan tegangan sisa tekan pada daerah sekitar tepi luang. Teknik-teknik terseut pada dasarnya adalah dengan cara memerikan deformasi plastis aik secara dingin maupun panas sehingga menyeakan tegangan sisa tekan terdistriusi pada daerah sekitar tepi luang [6, 7]. Dengan menggunakan teknik ekspansi dingin (cold expansion hold) pada luang, tegangan sisa tekan terentuk mulai dari tepi luang sampai eerapa milimeter dari tepi luang, dan selanjutnya tegangan sisa tekan secara gradual eruah menjadi tegangan sisa tarik dan selanjutnya setelah eerapa milimeter pengaruh proses ekspansi terhadap tegangan sisa tidak mempunyai pengaruh [6-8]. Teknik penyamungan mur-aut atau paku keling, pada umumnya dilakukan dengan menggunakan leih dari satu muraut atau keling, maka seagai konsekuensi, jumlah luangnya disesuaikan dengan jumlah mur-aut atau keling. Kondisi ini menyeakan timulnya daerah konsentrasi 372

2 Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X tegangan pada eerapa tempat. Selain di daerah tepi luang, tegangan pada daerah antar luang pun dapat mempunyai tegangan yang leih tinggi dari tegangan kerja, jika jarak antar luang terlalu dekat. Semakin anyaknya konsentrasi tegangan, maka semakin meningkatkan kemungkinan terjadinya inisiasi retak, dan jika retak meramat pada daerah antar luang yang mempunyai tegangan yang leih esar dari tegangan kerja dapat meningkatkan laju peramatan retak. Hal ini dapat memperpendek umur suatu komponen dan memahayakan keamanan dari struktur [1-1]. Dengan adanya eerapa luang pada suatu komponen, dan jika teknik cold expansion hold digunakan untuk menimulkan tegangan sisa tekan, maka proses terseut harus dilakukan pada masingmasing luang. Selain dapat menimulkan tegangan sisa tekan, proses ini juga dapat menimulkan tegangan sisa tarik pada jarak tertentu dari tepi luang. Jika dalam kasus penyamungan dengan menggunakan anyak luang, maka daerah antar luang akan terdapat interaksi tegangan sisa yang diseakan oleh proses ekspansi pada tiaptiap luang. Oleh karena itu dalam investigasi ini akan diteliti agaimana huungan jarak antar luang dan esar deformasi ekspansi pada masing-masing luang terhadap kondisi dan interaksi tegangan sisa pada daerah antar luang. METODE PENELITIAN Pada studi ini difokuskan pada distriusi tegangan sisa yang terjadi pada daerah sekitar luang. Metode yang digunakan adalah simulasi numerik dengan menggunakan antuan software erasis metode elemen hingga. Dalam simulasi ini model material yang digunakan adalah identik dengan Almunium komersial seri 1, yang mempunyai spesifikasi seagai erikut : Density ( ρ ) 2,75 g/cm 2, Poisson s Ratio ( υ ),33, Elastic Modulus ( E )71 Gpa., Tensile Strength ( σ ) 32 MPa., Yield Strength ( σ y ) 28 MPa., Elongation ( e )1 %, Hardness 3 HB. x Tekanan D h Potongan x-x Gamar 1. Proses cold expansion hold Gamar 1 erikut ini menunjukkan secara skematik agaimana proses cold expansion hole dilakukan. Gamar terseut menunjukkan suatu luang samungan dengan diameter D h pada suatu plat dengan ketealan t, diekspansi dengan cara memeri tekanan pada luang terseut dengan pasak erdiameter D p. Karena D p > D h, maka pada saat D p = D h keliling luang akan terdeformasi, sehingga akan terentuk tegangan sisa disekitar luang. Dalam studi ini akan diteliti distriusi tegangan sisa pada ketealan plat t = 2 dan dengan D p = 2.2 mm dan D h = 2 mm pada jarak antar tepi luang r masingmasing, 2, 4 dan 6 mm. HASIL DAN PEMBAHASAN L D p Hasil Gamar 2 menunjukkan contoh hasil simulasi pada plat setelah diekspansi dengan jarak antar tepi luang r = 2 mm. Karena simitri maka pada gamar teseut ditunjukkan kontur distriusi tegangan sisa pada setengah agian saja ( semi model). Pada Gr. 2a adalah distriusi tegangan normal searah dengan sumu x dan pada Gr. 2 adalah distriusi tegangan pada arah sumu y. Warna iru menunjukkan ahwa daerah terseut mempunyai tegangan sisa tekan (compressive) dan kontur yang cenderung H t x 373

3 MPa. MPa. Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X tergradasi ke arah merah eruah menjadi tegangan sisa tarik. Dari gamar ini dapat diperoleh petunjuk ahwa tegangan sisa tekan ke arah sumu y mendominasi pada daerah antar tepi luang, sehingga jika dieri ean ke arah sumu y, maka dapat mengurangi konsentrasi tegangan yang terjadi pada daerah di depan tepi luang. Hal ini dapat menurunkan peluang terjadinya retak di sekitar tepi luang, misalnya, dalam kasus ini adalah retak yang timul atau meramat searah sumu x. a.. Gamar 2. Kontur distriusi tegangan normal searah sumu x dan y Untuk mengetahui leih detail esar tegangan sisa di daerah antar luang, maka Gr. 3 menunjukkan contoh variasi distriusi tegangan sisa pada daerah antar luang untuk tegangan sisa paralel terhdap sumu x dan y dengan jarak antar luang 2 mm, yang mana r = adalah kondisi tegangan sisa tepat diantara luang dan r = -1 atau 1 mm adalah masing-masing posisi di tepi luang. Jarak antar luang 2 mm r, mm Searah sum. Y Searah sum. X Gamar 3. Distriusi tegangan sisa, jarak antar luang 2 mm Dalam penelitian ini simulasi di fokuskan pada pemeanan tegangan aksial ke arah sumu y, maka Gr. 4 hanya menunjukkan grafik variasi dan kondisi tegangan sisa pada daerah antar luang searah sumu y untuk kondis r yang ereda yaitu 2, 4 dan 6 mm. Karena jarak antar luangnya ereda maka agar supaya dapat diandingkan, maka dalam grafik terseut r diganti dengan, yaitu perandingan jarak dari titik diantara luang atau pada saat r = dengan jarak antar luang. Dari gamar ini dapat terlihat ahwa kondisi tegangan sisa disekitar ujung luang adalah tekan, walaupun esarnya ereda pada masing-masing jarak antar luang, r. Pada daerah antar luang terlihat jelas ahwa esar tegangan sisa tekan pada r = 2, jauh leih esar diandingkan dengan yang terjadi pada jarak antar luang dengan r = 4 dan 6 mm. Sealiknya kondisi tegangan sisa di ujung luang pada r = 2 mm leih kecil diandingkan dengan kedua harga r lainnya. Variasi Tegangan Sisa r = 2 mm r = 4 mm r = 6 mm Gamar 4. Distriusi tegangan sisa diantara luang pada eragai harga r. Gamar 5 menunjukkan kontur distriusi tegangan pada daerah antar luang pada saat dieri ean aksial, searah sumu y, seesar 9 MPa. Seperti pada umumnya ahwa tegangan akan terkonsentrasi di depan 374

4 MPa. MPa. Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X tepi luang seesar tiga kali dari ean. Hal ini juga terlihat pada gamar ini, yang mana warna merah pada daerah sekitar ujung luang mengindikasikan ahwa pada daerah terseut terjadi konsentrasi tegangan. Sedangkan pada agian luang sisi tepi atas dan awah didominasi warna iru, hal ini mengindikasikan ahwa pada area terseut mempunyai kondisi tegangan tekan. Oleh karena arah pemeanan paralel terhadap sumu y, maka investigasi di fokuskan pada tegangan yang paralel terhadap sumu y. Gamar 5. Contoh kontur distriusi tegangan sekitar daerah luang pada pemeanan ke arah sumu y Gamar 6 menunjukkan harga distriusi tegangan yang terjadi pada daerah antar luang ketika plat dieri ean seesar 9 MPa. dengan jarak antar ujung luang r = 2 mm. Ketika r = 1 atau -1, karena tepat di tepi luang maka mempunyai nilai tegangan yang leih dari tiga kali ean aksial, yaitu sekitar 295 MPa., dan karena nilai ini meleihi esar dari tegangan yeild material, maka pada daerah disekitar ujung luang akan mengalami defoemasi plastis, seperti ditunjukkan dengan kontur warna merah pada Gr. 5. Semakin menjauh dari ujung luang, konsentrasi tegangan cenderung menurun, dan tepat di antara luang atau r = nilai tegangan menjadi minimum, sekitar 14 MPa.. Tetapi nilai ini masih leih esar dari esar tegangan aksial, yaitu seesar 9 MPa., hal ini diseakan oleh jarak antar luang, r yang dekat. Distriusi Tegangan r, mm r = 2 Gamar 6. Contoh harga distriusi tegangan pada daerah antar luang pada r = 2 mm Untuk mengetahui pengaruh peredaan jarak antar luang r terhadap distriusi tegangan pada daerah antar luang, maka Gr. 7 menunjukkan ahwa semakin dekat jarak antar luang maka tegangan yang terjadi pada daerah antar luang adalah cenderung leih tinggi dianding ean aksial, hal ini terlihat pada r = 2 mm. Sedangkan pada masing-masing tepi luang mempunyai kecenderungan sama yaitu sekitar tiga kali dari ean aksialnya. Dari sini dapat disimpulkan ahwa semakin dekat jarak antar luang dapat memahayakan karena tegangan pada daerah antar luang juga leih tinggi daripada tegangan kerjanya, dalam penelitian ini adalah ean yang diseakan oleh tegangan aksial, 9 MPa. searah sumu y. Distriusi Tegangan r = 2 r = 4 r =6 Gamar 7. Distriusi tegangan pada daerah antar luang pada eragai variasi r. Selain untuk mengetahui interaksi tegangan sisa pada daerah antar luang, tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui agaimana pengaruh distriusi tegangan sisa pada daerah antar luang pada eragai variasi jarak antar luang r, maka dengan mensuperposisi tegangan sisa pada daerah antar luang, Gr. 4 dan kondisi tegangan pada saat dieri ean, Gr. 7, pada eragai jarak antar luang r, kondisi 375

5 MPa. Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X tegangan pada saat dieani, dalam hal ini diseut tegangan total, dapat diketahui seperti ditunjukkan pada Gr. 8. Dari sini dapat diketahui ahwa pementukan tegangan sisa melalui proses ekspansi luang sangat effektif menurunkan konsentrasi tegangan. Pada r = 2 mm, meskipun konsentrasi tegangan masih tetap tinggi pada daerah ujung luang, akan tetapi nilainya jauh diawah tegangan yeild ahan, ahkan meskipun dieri ean tarik pada daerah antar luang masih mempunyai tegangan dalam kondisi tekan. Hal ini merupakan suatu keuntungan, karena dapat mencegah terjadinya inisiasi retak. Untuk r = 4 dan 6 mm, esar tegangan yang terjadi pada daerah antar luang adalah seanding dengan ean yang dierikan pada plat, yaitu 9 MPa., dan tegangan sisa tekan yang diseakan proses ekspansi luang, ternyata dapat mengeliminasi konsentrasi tegangan pada ujung luang, sehingga esar tegangan pada daerah terseut mendekati MPa.. tegangan sisa, maka sesi erikut akan memahas leih detail. Pemahasan Untuk mengetahui penyea distriusi tegangan sisa tekan kearah sumu y yang leih esar pada daerah antar luang diandingkan dengan pada ujung luang, untuk kasus r = 2 mm, maka distriusi deformasi pada daerah-daerah terseut perlu diinvestigasi. Gr. 9 menunjukkan contoh kontur distriusi deformasi searah sumu x, y dan z pada kasus dengan jarak antar ujung luang 2 mm. Selanjutnya untuk mengetahui leih detail harga deformasi pada daerah antar luang, maka Gr. 1 menunjukkan distriusi deformasi pada daerah terseut. Tegangan Total Gamar 8. Tegangan Total r = 2 r = 4 r =6 a. Deformasi arah sumu x Dari hasil studi ini dapat diketahui pengaruh interaksi tegangan sisa hasil proses ekspansi luang dan tegangan pada luang dipengaruhi oleh jarak antar luang r. Dapat disimpulkan ahwa semakin kecil harga r, maka tegangan sisa tekan yang terentuk leih esar pada daerah antar luang dianding dengan pada tepi luang. Sealiknya pada r yang leih esar tegangan sisa tekan yang terjadi pada ujung luang mempunyai harga yang leih esar. Tentunya ini merupakan suatu petunjuk ahwa untuk mereduksi inisiasi retak yang iasanya terjadi pada daerah dengan kosentrasi tegangan tinggi dalam hal ini tepi luang, akan leih efektif jika harga r leih esar. Untuk mengetahui mekanisme terentukya. Deformasi arah sumu y c. deformasi arah z Gamar 9. Contoh kontur deformasi, mm 376

6 mm mm mm mm Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X Deformasi, r = 2 mm Sumu x Sumu y Sumu z Gamar 1. Harga distriusi deformasi pada daerah antar luang, r = 2 mm Gamar 1 menunjukkan deformasi yang terjadi pada eragai arah sumu, pada daerah antar luang. Untuk arah sumu x, terlihat ahwa deformasi yang terjadi erlawanan arah, yang mana satu sisi tepi luang erharga negatif dan sisi lain erharga positif, sehingga menyeakan timulnya tegangan sisa tekan kearah x. Untuk arah sumu y, deformasi yang terjadi erharga negatif. Hal ini tidak mempengaruhi harga dari tegangan sisa yang timul, karena pada arah sumu y tidak erinteraksi dengan luang, tetapi erinteraksi dengan area lain yang tidak terdeformasi. Kondisi inilah yang menyeakan timulnya tegangan sisa ke arah y. Pada arah sumu z terjadi deformasi, hal ini mengindikasikan ahwa terjadi peruahan entuk pada daerah antar luaang yang menyeakan turunya harga tegangan sisa ke arah sumu x. Gr. 11 adalah semi model untuk kasus r = 2, menunjukkan peruahan entuk erupa lengkungan diantara luang yang diseakan tekanan dari arah sumu x. deformasi pada r = 2 mempunyai kecenderungan leih esar dianding dengan kedua harga r lainnya. Hal ini merupakan indikasi ahwa semakin dekat jarak antar ujung luang dapat meningkatkan kondisi tegangan sisa pada daerah antar luang Searah Sumu x a. Arah sumu x Searah Sumu y Searah sumu y Searah sumu z r = 2 r = 4 r = 6 r = 2 r = 4 r = 6 r = 2 r = 4 r = 6 c. Searah sumu z -1 Gamar 11. Peruahan entuk pada daerah sekitar luang, r = 2 mm Gamar 12 menunjukkan perandingan esar deformasi pada masingmasing sumu untuk masing masing jarak antar luang, r. Dari gamar terseut terlihat ahwa aik ke arah sumu x, y dan z Gamar 12. Deformasi kearah masing-masing sumu dan pada masing-masing jarak antar luang, r. Gamar 13. menunjukkan vektor deformasi total, pada masing-masing r. Terlihat ahwa deformasi total untuk r = 2, leih terfokus tepat diantara luang, hal ini mengindikasikan ahwa terjadi eruahan 377

7 Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X entuk yang leih esar, dalam hal ini, engkokan yang paralel terhadap sumu x. a. Vektor deformasi total, r = 2 mm KESIMPULAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan ahwa; 1. Tegangan sisa tekan yang dihasilkan melalui proses ekspansi luang, leih esar terjadi pada daerah antar luang yang mempunyai jarak 2 mm antar ujung luang. 2. Penyea utama dari esarnya tegangan sisa tekan yang terjadi pada r = 2 adalah interaksi deformasi antar luang leih esar. Besarnya interaksi inilah yang menyeakan terjadinya lengkungan diantara luang leih esar diandingkan jika ujung luang mempunyai jarak yang leih esar. 3. Tegangan sisa tekan yang dihasilkan dari proses ekspansi luang dapat secara effektif menghilangkan konsentrasi tegangan di ujung luang, ahkan jika jarak antar ujung luang semakin dekat, r = 2, isa terjadi juga pada daerah diantara luang.. Vektor deformasi total, r = 4 mm DAFTAR PUSTAKA c. Vektor deformasi total, r = 6 mm Gamar 13. Deformasi total pada r = 2, 4 dan 6 mm Dari hasil Studi ini diketahui ahwa jarak antar luang mempengaruhi esar tegangan sisa yang terentuk setelah proses ekspansi luang. Harga tegangan sisa tekan pada r = 2, leih esar diandingkan dengan yang terjadi pada r = 4 dan 6. Hal ini diseakan interaksi regangan atau deformasi terjadi leih esar pada konfigurasi luang dengan jarak antar ujung luang seesar 2 mm, seperti ditunjukkan pada Gr. 12 dan 13. [1]. Roert L. Mott, RE, Machine Elements in Mechanical Design, Prentice Hall, 24 [2]. Shin Ichi Nishida, Failure Analysis in Engineering Application, Butterworth- Heinemann Ltd., [3]. Barsom, J.M., Rofle, S.T., Fracture and Fatigue Control in Structure. Appliaction of Fracture Mechanics, ASTM,MNL41, 1999 [4]. A.J. McEvily, " Failures in inspection procedures: case studies", Engineering Failure Analysis, Vol. 11, 24, pp [5]. Stephens, R.I., Fatemi, A., Stephens, R.R., Fuchs, H.O., Metal Fatigue in Engineering,21. [6]. R. Ghf I Ri, A. Amrouche, A. Imad And G. Mesmacque, Fatigue life estimation after crack repair in 65 A-T6 aluminium alloy using the cold expansion hole technique, Fatigue Fract Engng Mater Struct, vol. 23, 2, pp

8 Jurnal Rekayasa Mesin Vol.3, No. 3 Tahun 212 : ISSN X [7]. P.F.P. de Matos, A.J. McEvily, P.M.G.P. Moreira, P.M.S.T. de Castro, Analysis of the effect of cold-working of rivet holes on the fatigue life of an aluminum alloy, International Journal of Fatigue, Vol. 29, 27, pp [8]. Zeljko Domazet, Comparison Of Fatigue Crack Retardation, Engineering Failure Analysis, Vol.3, No. 2, pp , 1996 [9]. Charlie R. Brooks, Ashok Choudhury, "Failure Analysis of Engineering Materials", Profesional Engineering, Mc.Graw Hill, 22. [1]. F.S. Silva, " Analysis of a vehicle crankshaft failure", Engineering Failure Analysis, Vol. 1, 23, pp [11]. Norman E. Dowling, " Mechanical Behavior of Materials", Engineering Methods for Defromation, fracture, and fatigue, Prentice Hall, 1999 [12]. Makae, C., McEvily, A. J., Purnowidodo, A. and Yamauchi, A. Effects of Negative Stress Ratios on Crack Propagation Behavior after an Overload. Int. J. Modern Physics. B, Vol.17, 23, PP [13]. Makae, C., Purnowidodo, A. and McEvily, A. J. Effects of Surface Deformation and Crack Closure on Fatigue Crack Propagation after Overloading and Underloading, Int. J. Fatigue, Vol.26, 24, pp [14]. Bao, H. and McEvily, A. J. The Effect of Overload on the Rate of Crack Propagation under Plane Stress Conditions. Metallurgical and Materials, Vol. 26A, 1995, pp [15]. Anindito Purnowidodo, Choin Makae, The Crack Growth Behavior After Overloading on Rotating Bending Fatigue, Engineering Failure Analysis, European Structural Integrity Society, Vol. 16, issue 7, Octoer 29, pp [16]. Anindito Purnowidodo, Budi Prawara, The Relation Of Crack Length And Overloads To Crack Growth On Solid Round Bar, International Journal of Materials Engineering and Technology, Vol. 5, No. 1, pp. 29-4,