MAKSIMUM TEGANGAN THERMAL PADA PROSES PENCELUPAN CERAMIC STALK DI LOW PRESSURE DIE CASTING MACHINE

Transkripsi

1 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 MASIMUM TEGANGAN THERMAL PADA PROSES PENCELUPAN CERAMIC STAL DI LOW PRESSURE DIE CASTING MACHINE Henda Pogam Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Univesitas Bengkulu mpe2_boy@yahoo.com Abstact Low pessue die casting is pocess to make the axi-simmetic poduct such as cylinde head, piston, bake dum and etc. The pocess is injected the molten metal with high speeds and pessue into a metallic die. The low pessue die casting pocess has some advantages as a low-cost and high-efficiency pecision foming technique. The low pessue die casting having the pemanent die and filling systems ae placed ove the funace containing the molten alloy. The filling of the cavity is obtained by focing using the pessuied gas to ode a ise the molten metal into a tube, which connects the die to the funace. The tube called stalk made fom ceamics because ceamics has high tempeatue esistance and high coosion esistance. Howeve, cae should be taken fo the themal stess when the tube is dipped into the molten metal. To educe the isk of factue it is impotant because factue may happen due to the themal stesses. In this pape, themo-fluid analysis is pefomed to calculate suface heat tansfe coefficient. Then, the finite element method is applied to conside the themal stesses when the stalk is dipped into the cucible with vaying the dipping speeds. It is found that the stalk with slowly dipping is bette than fast dipping to educe the themal stess. eywods: Themal Stess, Stalk, Low Pessue Die Casting Machine, Finite element method 1. INTRODUCTION Low pessue die casting (LPDC) meupakan suatu poses untuk menghasilkan poduk axi-symmetic sepeti cylinde head, piston, bake dum dan light automotive wheels [1,2]. LPDC didefinisikan sebagai satu bentuk teknik pembentukan dengan cetakan yang mana pinsip kejanya yaitu molten metal di injeksikan dengan tekanan dan kecepatan tinggi ke cetakan metal. Poses LPDC memiliki peanan yang besa pada industi pengecoan kaena memiliki ongkos yang endah dan efisiensi ketepatan teknik pembentukan yang tinggi. Gamba 1 menunjukkan skema dai mesin LPDC. Mesin LPDC mempunyai cetakan pemanen, tungku pemanasan dan pipa penyalu metal dai tungku pembakaan yang beisi molten metal. Pipa penyaluan befungsi meneuskan molten metal dengan memanfaatkan gaya tekan dai gas yang dimampatkan dai tungku pembakaan ke cetakan. Pipa penyaluan molten metal disebut dengan stalk. 23

2 o 65mm 13mm 13mm Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 Moving platen o Die Stalk u=2mm/s Metal fill Pessuing gases Fill stalk Molten Aluminum 75 Cucible 7mm 85mm 15mm o Gamba.1 Skema dai mesin low pessue die casting (LPDC) Gamba. 2 Elemen mesh dai stalk (dengan adius sudut =5) Tabel 1 The physical popeties dai molten aluminum at 75 o C (123) Physical popety (dimension) Themal conductivity, W/m Roll diamete D, m inematics viscosity, mm 2 /s Isobaic specific heat C p, kj/kg Viscosity, mpa s 3 5 Constants in Eq. (1) when Re ( C1) 3 5 Constants in Eq. (1) when Re ( n) Tabel 3 Haga suface heat tansfe coefficient W/m 2. Model u 2mm/s o i Level pencelupan hingga petengahan stalk: W/m Step W/m Step 8 Cylinde model (Molten Al T=75 o C) 85mm 7mm given Table 2 Mechanical popeties dai ceamics Mechanical popeties of ceamics (dimension) Themal conductivity, W/m Specific heat, J/kg Coefficient of linea expansion, 1/ Young s modulus, GPa(kgf/mm 2 ) Specific weight Poisson s atio 4 Point bending stength, MPa (kgf/mm 2 ) Factue toughness, MN/m 3/2 Sialon (29979) (17) 7.5 u 25mm/s Step 2 (1) t -6s Bagian dalam dan lua pemukaan i 7mm :-65mm o 85mm ( ) 1 W/m Bagian bawah pemukaan mm W/m ( ) 1 W/m ( ) 1 W/m W/m (2) t 6s -6s Untuk keseluuhan pemukaan pencelupan sampai petengahan stalk: W/m W/m Mateial pipa penyaluan tebuat dai ceamic kaena ceamic memiliki daya tahan tehadap tempeatu tinggi dan koosi. Sebelumnya mateial stalk atau pipa dibuat dai besi co yang mana membuat kualitas poduk endah kaena adanya bagian pemukaan dai molten metal yang meleleh menempel pada pemukaan pipa. Akibatnya kualitas poduk 24

3 Suface heat tansfe (W/m 2 ) Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 endah dan umu stalk pendek. Oleh kaena itu ceamic digunakan untuk meningkatkan umu pemakaian. Tetapi ceamic memiliki kelemahan yaitu memiliki factue toughness endah. Gamba.1, menunjukkan ceamic stalk yang memiliki peanan penting pada mesin LPDC kaena stalk meneima molten metal dai tabung pemanas yang dikenal dengan nama cucible. Pemasalahan muncul ketika ceamic stalk dicelupkan kedalam molten metal kaena adanya tegangan themal yang muncul ketika ceamic stalk dicelupkan. Tegangan themal ini akan mempengauhi kekuatan mateial ceamic sehingga mengakibatkan keusakan akibat endahnya factue toughness dai mateial ceamic. Pape ini menggunakan metode elemen hingga untuk menghitung tegangan themal yang muncul ketika stalk dicelup kedalam cucible dengan vaiasi level pencelupan dan kecepatan pencelupan. 2. METODOLOGI DAN SIFAT PHISI MATERIAL Ceamic stalk pada mesin low pessue die casting memiliki dimensi panjang 13mm dan diamete 17mm. Tempeatu molten aluminum diasumsikan adalah 75 o C. dan tempeatu ceamic 2 o C. Tabel 1 menunjukkan sifat phisik dai molten aluminum pada tempeatue 75 o C. Tabel 2 menunjukkan sifat mekanik dai mateial ceamik Ceamik yang digunakan adalah Sialon [3]. Axi-symmetic model digunakan untuk ceamic stalk dengan jumlah elemen 195 dan nodal B D A C x x o o A B C,D x (mm) Heat tansfe coefficient fo 2-D and axi-symmety model Gamba 3 Suface heat tansfe coefficient dai stalk () 25

4 σ(mpa) (MPa) Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet Maximum stess max 128 max 1max max min MPa max min max max min min Time (s) a Maximum stess σ max =128MPa σ σ 1max max max σ σ θmax max -1-1 min σ min -2-2 σ min σ θmin σ -3 3max Time (s) b. Pebesaan gamba (a) Gamba 4 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan lambat ( u 2mm/s ) oefisien heat tansfe α ketika stalk dicelup kedalam molten metal dipelukan dalam analisa tegangan themal. Pape ini menggunakan volume beda hingga 2 dimensi (2D) and axi-simeti model untuk menghitung koefisien heat tansfe. Hasil 2D dibandingkan dengan hasil axi-simeti model. Gamba 3 menunjukkan nilai koefisien heat tansfe 2D 26

5 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 Detail of A Detail of B 39MPa -19MPa 68MPa -79MPa 95 C 98MPa -18MPa -138MPa A 17 C 322 C 472 C 246 C 397 C 548 C B max 128MPa 9.6MPa -49MPa -19MPa 623 C Gamba 5 Distibusi tempeatu dan tegangan ( 5 Tempeatue Tempeatue Stess u = 2mm/s pada saat t = 2.5s ), displacement dan axi-simeti model dengan kecepatan celup cepat u = 25mm/s. Axi-simeti model menunjukkan nilai koefisien heat tansfe α bagian dalam bebeda dengan bagian lua sepeti yang ditunjukkan oleh Gamba 3. Jika diamete axi-simeti model tak hingga maka nilai α akan mendekati nilai α pada hasil 2D. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien heat tansfe α untuk ceamic stalk dengan kecepatan celup lambat u = 2mm/s and kecepatan celup cepat u = 25mm/s. Apabila kecepatan celupnya lebih lambat daipada u = 2mm/s ini sangat lambat pada poses pencelupan dan jika melebihi u = 25mm/s sangat bebahaya. Sehingga dipilih ange pencelupan yaitu u = 2mm/s dan u = 25mm/s. 3. TEGANGAN THERMAL PADA CERAMIC STAL 3.1. Hasil Pengujian Pencelupan Lambat Pada kecepatan celup lambat u = 2mm/s, nilai koefisien pepindahan panas αm =1.5 1 W/m digunakan untuk tiap level pencelupan pada bagian dalam dan lua ceamic stalk sampai mencapai titik tengah ceamic stalk. Level pencelupan bevaiasi antaa 8 level, 16 level dan 32 level. Hasil yang dipeoleh ditunjukkan oleh Gamba 4. Gamba 4 menunjukkan nilai maksimum tegangan taik 1, maksimum tegangan tekan 3, komponen maksimum tegangan,, dan maksimum egangan gese dengan 16 level pencelupan. Gamba 4 menunjukkan maksimum tegangan hampi sama max dengan maksimum tegangan taik 1 pada waktu t = 2.5s Oleh sebab itu hanya maksimum tegangan komponen max yang akan dibahas dalam tulisan ini kaena nilai komponen sama dengan nilai max 27

6 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 maksimum tegangan taik 1. Maksimum tegangan memiliki nilai puncak max 128MPa pada waktu t = 2.5s untuk level pencelupan 16 level. Pada level 8 dan 32 nilainya sama tetapi waktu mencapai nilai puncaknya bebeda. Hal ini disebabkan oleh level pencelupan menimbulkan efek getaan akibat adanya pebedaan panas yang tejadi pada daeah dibawah dan diatas level pencelupan. Maksimum tegangan =128MPa max t dan tidak tejadi pada saat waktu = 2.5s mengalami penuunan nilai sampai level pencelupan mencapai petengahan ceamic stalk. Setelah mencapai petengahan ceamic stalk tegangan akan mengalami penuunan. Dengan adanya level pencelupan 16 menunjukkan tejadinya fluktuasi nilai tegangan sepeti ditunjukkan pada Gamba 4. Gamba 5 menunjukkan distibusi tempeatu dan tegangan pada ceamic stalk dengan kecepatan pencelupan lambat u = 2mm/s dan waktu t = 2.5s. Gamba 5 menunjukkan tegangan maksimum tejadi pada bagian dalam dai ceamic stalk 128MPa yang mana tegangan maksimum = 296MPa max tedapat pada bagian diamete dalam dan bawah ceamic stalk. 3.2 Hasil Pengujian Pencelupan Cepat Tegangan themal dengan pencelupan cepat u = 25mm/s ditunjukkan pada Gamba 1. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien pepindahan panas yang digunakan pada pencelupan cepat u = 25mm/s. Tabel 3 menjelaskan nilai koefisien pepindahan panas yang digunakan pada pemukaan ceamic stalk dan dibagi menjadi dua poses: 1. Saat waktu pencelupan t = -6s, nilai koefisien heat tansfe α = ( ) 1 W/m digunakan untuk bagian dalam dan lua pemukaan ceamic stalk. Maksimum nilai koefisien heat tansfe α= W/m digunakan pada pemukaan bagian bawah ceamic stalk ( mm ) sepeti ditunjukkan oleh Tabel Saat waktu pencelupan t > 6s, nilai minimal koefisien pepindahan panas α = W/m digunakan pada seluuh pemukaan ceamic stalk yang dicelup sampai petengahan ceamic stalk. Gamba 6 menunjukkan distibusi tempeatu dan tegangan pada ceamic stalk dengan pencelupan cepat ( u = 25mm/s pada saat t =1.1s ). Gamba 6 menunjukkan nilai tegangan maksimum tedapat pada bagian bawah dai ceamic tube. Hal ini disebabkan oleh pebedaan tempeatu yang besa tejadi pada bagian dalam dan lua ceamic stalk. Gamba 7 menunjukkan tegangan maksimum 1,,, dan. Sepeti ditunjukkan pada Gamba 7, tegangan taik maksimum 1 = meningkat dalam waktu singkat. Setelah mencapai nilai puncak = 246MPa max pada waktu t =1.1s, nilai tegangan taik akan menuun. 28

7 σ(mpa) σ(mpa) Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet σ 3max (a) σ σ 1max θmax σ min Maximum stess σ θmax =246MPa σ max σ max min max σ min σ 3max σ θmin Maximum stess σ θmax =246MPa σ 1max σ θmax σ θmin σ min σ min σ max min σ max max Time (s) Time (s) (b). Pembesaan gamba (a) Gamba 6 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan cepat ( u = 25mm/s ) 29

8 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 Detail of C Detail of D 177MPa 18MPa 16 C 369 C 59 C 9 C 299 C 439 C 579 C 39MPa -98MPa -167MPa -235MPa 719 C 649 C -373MPa σ θmax =246MPa C D Tempeatue Tempeatue σ θ Stess Gamba 7 Distibusi tempeatu dan tegangan ( u = 25mm/s pada saat t =1.1s ), displacement 5 3

9 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet 212 Tabel 4 Nilai maksimum tegangan taik pada ceamic stalk Model u=2mm/s Ceamic Stalk Saat t=2.5s (maksimum tegangan) 1 128MPa(A) 128MPa(A) 15MPa(B) 4MPa(A) 21MPa(C) Saat t=1.1s (maksimum tegangan) 1 246MPa(A) 246MPa(A) 29MPa(A) 89MPa(A) 98MPa(B) A B C A B Casting of Aluminium Alloys: a Technical and Economical Benchmak. Allumino E Leghe, 25. [3] Nogami S. Lage Sialon Ceamics Poduct fo Stuctual Use. Hitachi Metal Repot, vol.15; 1999.pp [in Japanese]. [4] Editoial committee of JSME. Data of heat tansfe. Tokyo: JSME; p.323 [in Japanese]. 3.3 Pebandingan Tegangan Maksimal Antaa Pencelupan Cepat Dan Lambat Pebandingan tegangan maksimum antaa pencelupan cepat u = 25mm/s dan lambat u = 2mm/s dapat dilihat pada Gamba 4 sampai dengan 7. Gamba 6 menunjukkan maksimum tegangan untuk pencelupan cepat u = 25mm/s yaitu = 246MPa max, 2 kali lebih tinggi dibanding dengan pencelupan lambat u = 2mm/s yaitu =128MPa max (lihat gamba 4). Tabel 4 menunjukkan posisi maksimum tegangan dan pebandingan tegangan maksimum pencelupan cepat u = 25mm/s dan pencelupan lambat. u = 2mm/s. DAFTAR PUSTAA [1] The A to Z of Mateials Aluminum Casting Techniques-Sand Casting and Die Casting Pocesses. (Online), available fom < Aticled=1392>, (accessed ). [2] F. Bonollo, J. Uban, B. Bonatto, M. Botte. Gavity and Low Pessue Die 31

10 Junal Mechanical, Volume 3, Nomo 1, Maet