TI-2121: Proses Manufaktur

Transkripsi

1 TI-2121: Proses Manufaktur Proses Pengecoran Logam Laboratorium Sistem Produksi Tugas 3 Buku: Groover M.P., Fundamentals of modern manufacturing, Second Edition, John Wiley & Sons, USA, 2002 Dengan menggunakan produk yang dibuat pada Tugas 2, jawablah latihan soal Bab 10 sebagai berikut: 10.3 (heating and pouring) (shrinkage) (solidification time and riser design) Berdasarkan latihan soal di atas Buatlah sketsa rinci desain cetakan Dikumpulkan: Senin, 15 September 2003, jam di LSP 2 1

2 1. Hasil Pembelajaran Umum: Memberikan mahasiswa pengetahuan yang komprehensif tentang dasar-dasar proses pemesinan dan mesin perkakas, proses forming dan molding, metrology dan aplikasi terhadap kualitas produk dan analisis system manufaktur. Khusus: Mampu membedakan jenis-jenis pengecoran serta ukuran kualitas pengecoran 3 Istilah Pengecoran pasir = sand casting Pola = patterns Inti = cores 4 2

3 Pengecoran Pasir (1) Merupakan proses pengecoran yang paling banyak digunakan Dapat digunakan untuk pengecoran logam yang memiliki temperatur lebur tinggi Produk pengecoran memiliki rentang ukuran dari kecil hingga besar dan rentang jumlah dari satu hingga jutaan 5 Pengecoran Pasir (2) A large sand casting weighing more than 680kg for an air compressor frame 6 3

4 Langkah-langkah Pengecoran Pasir 7 Pola dalam Pengecoran Pasir Pola dibuat lebih besar dari ukuran produk yang sebenarnya untuk mengkompensasi: Penyusutan Proses pemesinan selanjutnya (finishing) Material pola: Kayu Plastik Logam Pola kayu Kelebihan: banyak digunakan karena kemudahan dalam proses pembentukan Kekurangan: kecendurangan melengkung dan terkena abrasi pasir (cepat aus) Pola metal: lebih tahan lama tetapi mahal Pola plastik: kompromi kelebihan/kekurang antara kayu dan metal 8 4

5 Jenis Pola a) Solid pattern: mudah dibuat, sulit dalam pembuatan cetakan (penentuan parting line, letak gating system dll), cocok untuk volume produksi rendah b) Split pattern: cocok untuk bentuk komplek dengan volume produksi sedang, parting line telah ditentukan c) Match-plate pattern: bagian atas/bawah dalam satu plat, cocok untuk volume produksi tinggi d) Cope-and-drag pattern: bagian atas/bawah dalam plat yang terpisah, cocok untuk volume produksi tinggi 9 Pengecoran dengan rongga internal a) Core held in the mold cavity by chaplets b) Possible chaplet design c) Casting with internal cavity Catatan: Chaplets terbuat dari material yang memiliki titik lebur lebih tinggi dari logam lebur Chaplet akan menyatu dengan material cor 10 5

6 Pembuatan Cetakan Pasir (1) Pasir yang digunakan: Silica (SiO2) atau campuran silica dengan material lainnya Tahan terhadap temperatur tinggi (refractory) Bentuk dan ukuran granular pasir: Granular kecil menghasilkan permukaan cor yang halus tetapi granular yang besar memiliki permeabilitas (rongga untuk keluarnya gas/udara) yang tinggi Granular berbentuk tak beraturan cenderung lebih kuat (interlocking) tetapi granular berbentuk bulat memiliki permeabilitas yang tinggi Perekatan pasir: Air dan tanah liat perekat (bonding clay) 90% pasir, 3% air, 7% tanah liat Perekat lainnya yang dapat digunakan: resin orgranik (phenolic resins) perekat non-organik (sodium silicate, phosphate) 11 Pembuatan Cetakan Pasir (2) Pembuatan cetakan pasir: Pemampatan pasir cetakan terhadap pola untuk cope dan drag dalam sebuah kontainer Kontainer tersebut disebut flask Metoda pemampatan: Hand ramming Mesin menggunakan tekanan pneumatic Jolting action: flask dijatuhkan berulang-ulang agar pasir termampatkan Slinging action: granular pasir ditumbuk ke pola pada kecepatan yang tinggi 12 6

7 Pembuatan Cetakan Pasir (3) Indikator-indikator dalam penentuan kualitas cetakan pasir: Strength: kemampuan untuk mempertahankan bentuk dan ketahanan terhadap erosi Permeability: kemampuan cetakan untuk mengalirkan udara panas dan gas yang terperangkap dalam cetakan Thermal stability: ketahanan permukaan rongga cetakan terhadap retak (cracking) dan melengkung (buckling) saat logam lebur dituangkan Collapsiblity: kemampuan pasir untuk lepas terhadap produk cor saat penyusutan dan pembongkaran cetakan tanpa produk cor tersebut mengalami cacat Reusability: kemampuan pasir cetakan yang telah dibongkar untuk digunakan kembali 13 Pembuatan Cetakan Pasir (4) Pasir cetakan diklasifikasikan menjadi: Green-sand mold Campuran: pasir, tanah liat dan air Green : pada saat logam lebur dituang, cetakan dalam keadaan basah (moisture) Strengh, collapsibility, permeability dan resuability baik Keadaan basah dapat mengakibatkan cacat untuk logam dan bentuk tertentu Dry-sand mold Menggunakan perekat organik dan dipanaskan dalam oven antara 200 C C untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan cetakan Pengendalian dimensi lebih baik tetapi biaya mahal dan waktu produksi lama (waktu pengeringan) Cocok untuk produk dengan ukuran produk sedang-besar dan volume produksi rendah-sedang Skin-dried mold Permukaan green-sand mold yang dipanaskan hingga kedalaman 10-25mm; menggunakan torches, heating lamp Perlu menggunakan perekat khusus; daya rekat menjadi seperti dry-sand 14 7

8 Operasi Pengecoran Inti diposisikan (jika digunakan) dan kedua sisi cetakan diclamp Proses selanjutnya: penuangan, pengerasan dan pendinginan Problem: pada saat penuangan, daya apung logam lebur dapat mengakibatkan bergesernya inti (hukum archimedes) F F b b W W m c = W m W = gaya apung = berat logam lebur = berat inti Langkah akhir: cetakan dibongkar, komponen dibersihkan dan diinspeksi c 15 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (1) Shell molding (1) a match-plate or cope-and-drag metal pattern is heated and placed over a box containing sand mixed with thermosetting resin; (2) box is inverted so that sand and resin fall onto the hot pattern, causing a layer of the mixture to partially cure on the surface to form a hard shell; (3) box is repositioned so that loose, uncured particles drop away; (4) san shell is heated in oven for several minutes to complete curing; (5) shell mold is stripped from the pattern; (6) two halves of the shell mold are assembled, supported by sand or metal shot in a box and pouring is accomplished. The finished casting with sprue removed is show in (7) 16 8

9 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (2) Vacuum molding (1) a thin sheet of preheated plastic is drawn over a match-plate or cope-and-drag pattern by vacuum - the pattern has small vent holes to facilitate vacuum forming; (2) a specially designed flask is placed over the pattern plate and filled with sand and a sprue and pouring cup are formed in the sand; (3) another thin plastic sheet is place over the flask and a vacuum is drawn that causes the sand grains to be held together, forming a rigid mold; (4) the vacuum on the mold pattern is released to permit pattern to be stripped from the mold; (5) this mold is assembled with its matching half to form the cope and drag, and with vacuum maintained on both halves, pouring is accomplished. The plastic sheet quickly burns away on contacting the molten metal. After solidification, nearly all of the sand can be recovered for reuse. 17 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (3) Expanded polystyrene casting (1) pattern of polystyrene is coated with refractory compound; (2) foam pattern is placed in mold box and sand is compacted around the pattern (3) molten metal is poured into the portion of the pattern, that forms the pouring cup and sprue. As the metal enters the mold, the polystyrene foam is vaporized ahead of the advancing liquid, thus allowing the resulting mold cavity to be filled 18 9

10 Proses Pengecoran Cetakan-Habis-Pakai Lainnya (4) Investment casting (1) wax patterns are produced (2) several patterns are attached to a sprue to form a pattern tree (3) the pattern tree is coated with a thin layer of refractory material; (4) the full mold is formed by covering the coated tree with sufficient refractory material to make it rigid; (5) the mold is held in an inverted position and heated to melt the wax and permit it to drip out of the cavity; (6) the mold is preheated to a high temperature, which ensures that all contaminants are eliminated from the mold; it also permits the liquid metal to flow more easily into the detailed cavity; the molten metal is poured; it solidifies (7) the mold is broken away from the finished casting. Parts are separated from the sprue 19 Proses Pengecoran Cetakan Permanen (1) Cetakan permanen terdiri dari dua sisi yang terbuat dari logam dan dirancang untuk memudahkan pembukaan/penutup secara akurat Material cetakan: steel atau cast iron Logam yang dicor: aluminum, magnesium, copper-based alloy dan cast iron Inti terbuat dari logam. Jika pelepasan /pengeluaran inti sulit, digunankan pasir (semipermanent-modl casting) 20 10

11 Proses Pengecoran Cetakan Permanen (2) (1) mold is preheated and coated; (2) cores (if used) are inserted and mold is closed (3) molten metal is poured into the mold (4) mold is opened. Finished part is shown in (5) 21 Proses Pengecoran Cetakan Permanen Lainnya Low pressure casting The diagram shows how air pressure is used to force the molten metal in the ladle upward into the mold cavity. Pressure is maintained until the casting has solidified 22 11

12 Die casting (1) Die casting adalah proses pengecoran cetakanpermanen, dimana logom lebur diinjeksi kedalam rongga cetakan dengan tekanan yang tinggi (7 350MPa) Cetakan yang digunakan disebut dies Mesin die casting dibedakan menjadi: Hot-chamber Cold-chamber 23 Die casting (2) General configuration of a cold chamber die casting machine 24 12

13 Die casting (3) Cycle in hotchamber casting; (1) with die closed and plunger withdrawn, molten metal flows into the chamber (2) plunger forces metal in chamber to flow into die, maintaining pressure during cooling and solidification; (3) plunger is withdrawn, die is opened and solidified part is ejected. Finished part is shown in (4) 25 Die casting (4) Cycle in cold chamber casting (1) with die closed an ram withdrawn, molten metal is poured into the chamber; (2) ram forces metal to flow into die, maintaining pressure during cooling and solidification; (3) ram is withdrawn, die is opened and part is ejected 26 13

14 Jenis Tungku Cupola Hanya digunakan untuk melebur cast iron Bahan bakar: batubara 27 Jenis Tungku Directed fuel-fired furnace Logam dilebur langsung oleh fuel burner Melebur logam non-ferro: copper-based alloys dan aluminum 28 14

15 Jenis Tungku Crucible furnace Logam dilebur tanpa kontak langsung dengan fuel burner (sering disebut indirect fuel-fired furnace) Bahan bakar: minyak, gas atau serbuk batubara Melebur logam non-ferro: bronze, brass dan alloy of zinc & aluminum 29 Jenis Tungku Electric-arc furnace Logam dilebur menggunakan electric arc Hanya digunakan untuk melebur cast steel 30 15

16 Jenis Tungku Induction furnace Peleburan menggunakan arus AC yang dialiri kedalam coil untuk menciptakan medan magnet hingga logam cair Melebur logam: steel, cast iron, aluminum alloy 31 Kualitas Pengecoran (1) Cacat pada pengecoran Misrun; Pengecoran yang telah mengeras sebelum sebelum rongga cetakan terisi sempurna. Penyebab: fluiditas logam lebur kurang, temperatur tuang rendah, kecepatan penuangan lambat, bagian cross-section rongga cetakan tipis. Cold shut; terjadi jika dua aliran logam lebur bertemu tetapi kurang terjadi fusi antar keduanya akibat adanya pendinginan yang prematur Cold shots; percikan (splattering) logam lebur saat penuangan mengakibatkan gelembung logam (solid globules) yang mengeras terperangkap dalam cetakan Shrinkage cavity; depresi yang terjadi pada permukaan atau bagian internal pengecoran akibat terjadinya pengerasan yang menyusut Microporosity; terjadinya pengerasan yang menyusut secara lokal dan terdistibusi secara merata pada structur dendritic Hot tearing/hot cracking; retaknya logam pada titik yang mengalami tegangan (tensile stress) yang tinggi akibat dari ketidakmampuan logam untuk menyusut secara natural 32 16

17 Cacat pada pengecoran Kualitas Pengecoran (1) (a) misrun; (b) cold shut; (c) cold shot (d) shrinkage cavity (e) microporosity (f) hot tearing/hot cracking 33 Kualitas Pengecoran (2) Cacat pada pengecoran pasir Sand blow; Terperangkapnya gas cetak (mold gases) saat penuangan Pin holes; Seperti sand blow tetapi dalam ukuran kecil dari tersebar Sand wash; erosi yang terjadi pada cetakan saat penuangan sehingga bentuk cetakan berubah Scabs; permukaan kasar pada permukaan akibat encrustation logam dan pasir Penetration; logam lebur terpenetrasi kedalam cetakan karena fluiditas logam yang tinggi Mold shift; pergeseran antara cope dan drag sehingga mengakibatkan parting line yang menonjol Core shift; pergeseran inti akibat dari buoyancy dari logam Mold crack; retaknya cetakan sehingga logam lebur membentuk sirip pada produk akhir 34 17

18 Cacat pada pengecoran pasir Kualitas Pengecoran (2) (a) sand blow (b) pin holes (c) sand wash (d) scabs (e) penetration (f) mold shift (g) core shift (h) mold crack 35 Pertimbangan Dalam Perancangan Produk Cor Desain geometri produk sesederhana mungkin Menyederhanakan pembuatan cetakan Menghindari penggunaan inti Meningkatkan kekutan cetakan Hindari sudut-sudut yang tajam Merupakan sumber konsentrasi tegangan (stress) Sumber keratakan Rancang menggunakan radius (fillet) Toleransi pemesinan Kepresisian dimensi hasil pengecoran sangat rendah. Jika kepresisian dimensi diperlukan, perlu toleransi dimensi sekitar mm untuk diproses pemesinan 36 18

19 Pertimbangan Dalam Perancangan Produk Cor (a) Thick section at intersection can result in a shrinkage cavity (b) redesign to reduce thickness (c) use of a core Design change to eliminate the need for using a core: (a) Original design (b) Redesign 37 19