TUGAS AKHIR FENOMENA TRANSVERSE WELDING PADA PROSES EKSTRUSI ALUMINIUM Tugas Akhir ini Disusun Guna Memperoleh Gelar Sarjana Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh: DANI FIRMANDINI NIM : D 200 020 215 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA Oktober 2007
HALAMAN PERSETUJUAN Tugas Akhir ini telah disetujui oleh Pembimbing Tugas Akhir untuk dipertahankan di depan Dewan Penguji sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada : Hari : Tanggal : Disusun Oleh : Nama : Dani Firmandini NIM : D 200 020 215 Judul : Fenomena Transverse Welding Pada Proses Ekstrusi Aluminium Pembimbing I Pembimbing II (Tri Widodo Besar Riyadi, ST, MSc.) (Muh. Al Fatih Hendrawan, ST.) ii
HALAMAN PENGESAHAN Telah diterima dan disetujui pembimbing untuk diajukan kepada Dewan Penguji Tugas Akhir Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, dengan judul : FENOMENA TRANSVERSE WELDING PADA PROSES EKSTRUSI ALUMINIUM Nama : Dani Firmandini NIM : D 200 020 215 Hari Tanggal : : Dewan Penguji: 1. Tri Widodo Besar Riyadi, ST, MSc. (1. ) 2. Muh. Al Fatih Hendrawan, ST. (2. ) 3. Bambang Waluyo Febriantoko, ST, MT (3. ) Mengetahui, a.n. Dekan Fakultas Teknik Wakil Dekan I Ketua Jurusan Teknik Mesin UMS (Ir. Subroto, MT) (Marwan Effendy, ST, MT) iii
MOTTO iv
PERSEMBAHAN Karya ini adalah hasil perjuangan yang melelahkan, bersama kesabaran, ketekunan dan doa karya ini menjadi sebuah karya yang manis. Untuk itu, karya ini kupersembahkan kepada : Bapak dan ibu tercinta, Mumu Mukhtar dan Imas sa adah yang dengan kasih sayang dan buliran doa restunya selalu menyertaiku selamanya. Kakaku tercinta, Ihda Afriani Adiku tersayang, Tri Yuni Wulandari Almamaterku v
KATA PENGANTAR Bismillahirrohmanirrohim Assalamu alaikum Warohmatullohi Wabarokaatuh Alhamdulillahirobbil alamiin, segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala rahmat dan hidayah-nya serta memberikan kekuatan dan kedamaian dalam berfikir, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir yang berjudul FENOMENA TRANSVERSE WELDING PADA PROSES EKSTRUSI ALUMINIUM. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mengalami banyak kesulitan dan hambatan, namun berkat bantuan, arahan, dorongan serta bimbingan dari berbagai pihak, dengan demikian kesulitan dan hambatan itu dapat teratasi. Untuk itu dalam kesempatan ini dengan segala keikhlasan dan kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tidak terhingga kepada: 1. Bapak Ir. H. Sri Widodo, MT, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Marwan Effendy, ST, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST, MSc., selaku Dosen Pembimbing Pertama, disela-sela kesibukannya masih sempat memberikan petunjuk, arahan, dan saran mulai dari awal sampai dengan terselesaikannya penyusunan Tugas Akhir ini. vi
4. Bapak Muh. Al Fatih hendrawan, ST, selaku Dosen Pembimbing kedua yang telah meluangkan waktu dan memberikan bimbingan, arahan, serta petunjuk yang sangat bermanfaat bagi penulis. 5. Bapak Marwan Effendy, ST, MT., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan bimbingan dan arahan semasa kuliah. 6. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah membekali ilmu yang berguna bagi penulis untuk menyongsong masa depan. 7. Seluruh Staff dan Karyawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah membantu dalam penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. 8. Ibunda dan Ayahanda tercinta, atas perhatian, didikan, kasih sayang, pengorbanan, dorongan, dan do a-do anya. 9. Kakaku tercinta, Teh Ihda Afriyani dan Ka Iparku, Aa Sofyan Saori yang selalu memberi dukungan dan do a. 10. Adiku tersayang, Tri Yuni Wulandari yang selalu memberikan semangat dan membuatku belajar lebih dewasa. 11. Semua teman-temanku penghuni wisma Baitussukur : Andi Prasetyono H, Catur Widodo, Mustofa, Ahris, Joko, Beni kurniawan, terima kasih atas kebersamaannya. 12. Semua teman-teman angkatan 2002 yang tercinta, semoga cepat lulus dan selalu mendapatkan hidayah dari Allah SWT. vii
13. Pihak-pihak yang secara langsung maupun tidak langsung terlibat dalam mensukseskan penyusunan Tugas Akhir ini. Sebagai satu tahapan dalam proses belajar, penulis menyadari bahwa penyusunan Tugas Akhir ini tidak luput dari segala kekurangan maupun kesalahan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun. Akhirnya harapan penulis semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, para pembaca, dan dunia ilmu pengetahuan. Amiin. Wassalamu alaikum Warohmatullohi Wabarokaatuh Surakarta, Oktober 2007 Penulis viii
LEMBAR SOAL ix
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i HALAMAN PERSETUJUAN...ii HALAMAN PENGESAHAN...iii HALAMAN MOTTO iv HALAMAN PERSEMBAHAN.. v KATA PENGANTAR...vi LEMBAR SOAL DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR ABSTRAKSI....ix...x...xvi...xxii BAB I PEDAHULUAN...1 1.1. Latar Belakang...1 1.2. Perumusan Masalah...2 1.3. Pembatasan Masalah...3 1.4. Tujuan Masalah...3 1.5. Manfaat Penelitian...4 1.6. Sistematika Penulisan...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...6 2.1. Beberapa Penelitian Sebelumnya...6 2.2. Landasan teori...8 2.2.1. Ekstrusi (Cold Forward Extrusion)...9 x
2.2.2. Sejarah Ekstrusi...9 2.2.3. Perencanaan Proses Ekstrusi Dingin...10 2.2.4. Aliran Material...13 2.2.5. Cara Menentukan Tekanan Ekstrusi...15 2.2.6. Penentuan Perhitungan Reduksi Dari Material...18 2.2.7. Metode Elemen Hingga...18 2.2.8. Teori Elastisitas dan Plastisitas...21 2.2.8.1. Tegangan...21 2.2.8.2. Regangan...22 2.2.8.3. Deformasi...24 2.2.8.4. Diagram Tegangan Regangan...25 2.2.9. Metode Penyambungan Partikel Logam...28 2.2.9.1. Adhesi dan Kohesi...28 2.2.9.2. Brazing...28 2.2.9.3. Difusi Atom...29 2.2.9.4. Solid-State Diffusion Bonding...31 BAB III METODOLOGI PENELITIAN DAN LANGKAH-LANGKAH SIMULASI...33 3.1. Metode Penelitian...33 3.2. Pengertian ABAQUS...34 3.2.1. Preprocessing (ABAQUS CAE)...36 3.2.2. Simulasi (ABAQUS Standart dan ABAQUS Explicit)...39 3.2.3. Post Processing (ABAQUS CAE)...39 xi
3.3. Pemodelan Dengan ABAQUS CAE...39 3.3.1. Cara Pemodelan Dengan ABAQUS CAE...40 3.3.1.1. Membuka Menu ABAQUS CAE...40 3.3.1.2. Part Modul ABAQUS CAE...41 3.3.1.3. Property Modul ABAQUS CAE...44 3.3.1.4. Assembly Modul ABAQUS CAE...46 3.3.1.5. Step Modul ABAQUS CAE...48 3.3.1.6. Interaction Modul ABAQUS CAE...50 3.3.1.7. Load Modul ABAQUS CAE...51 3.3.1.8. Mesh Modul ABAQUS CAE...52 3.3.1.9. Job Modul ABAQUS CAE...53 3.3.1.10. Visualization Modul ABAQUS CAE...54 BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN...55 4.1. Hasil Simulasi...56 4.1.1. Pengaruh dari Ukuran Diameter Dies (Tidak Ada Friksi)...56 4.1.1.1. Dies 1 (D = 13 mm), Reduksi 0.74... 56 4.1.1.1.1. Gambar Step Terakhir...56 4.1.1.1.2. Grafik Punch Force VS Punch Displacement...56 4.1.1.1.3. Perkembangan Formasi Weld Interface...57 4.1.1.2. Dies 2 (D = 16 mm), Reduksi 0.60... 58 4.1.1.2.1. Gambar Step Terakhir...58 xii
4.1.1.2.2. Grafik Punch Force VS Punch Displacement...59 4.1.1.2.3. Perkembangan Formasi Weld Interface...59 4.1.1.3. Dies 3 (D = 19 mm), Reduksi 0.44... 61 4.1.1.3.1. Gambar Step Terakhir...61 4.1.1.3.2. Grafik Punch Force VS Punch Displacement...61 4.1.1.3.3. Perkembangan Formasi Weld Interface...61 4.1.1.4. Dies 3 (D = 22 mm), Reduksi 0.25... 63 4.1.1.4.1. Gambar Step Terakhir...63 4.1.1.4.2. Grafik Punch Force VS Punch Displacement...63 4.1.1.4.3. Perkembangan Formasi Weld Interface...64 4.1.2. Pengaruh Adanya Friksi Terhadap Punch Force...66 4.1.2.1. Dies 1 (D = 13 mm), Reduksi 0.74... 66 4.1.2.1.1. Gambar Akhir Dengan Adanya Variasi Friksi...66 4.1.2.2. Dies 2 (D = 16 mm), Reduksi 0.60... 67 4.1.2.2.1. Gambar Akhir Dengan Adanya Variasi Friksi...67 xiii
4.1.2.3. Dies 3 (D = 19 mm), Reduksi 0.44... 69 4.1.2.3.1. Gambar Akhir Dengan Adanya Variasi Friksi...69 4.1.2.4. Dies 3 (D = 19 mm), Reduksi 0.44...70 4.1.2.4.1. Gambar Akhir Dengan Adanya Variasi Friksi...70 4.1.3. Pengaruh Punch Speed Terhadap Punch Force-Punch Displacement...71 4.1.3.1. Gambar Akhir Terjadinya Void Dengan Adanya Variasi Punch Speed Pada Dies 16 mm...71 4.1.3.2. Gambar Akhir Terjadinya Void Dengan Adanya Variasi Punch Speed Pada Dies 19 mm...72 4.1.4. Perbandingan Hasil Simulasi Ekstrusi Dua Billet Dengan Satu Billet...74 4.1.4.1. Gambar Perbandingan Step Terakhir Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Pada Dies (D = 22 mm), Reduksi 0.25...74 4.1.4.2. Grafik Perbandingan Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Reduksi 0.25...74 4.1.4.3. Gambar Perbandingan Step Terakhir Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Pada Dies (D = 19 mm), Reduksi 0.44...75 xiv
4.1.4.4. Grafik Perbandingan Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Reduksi 0.44...75 4.1.4.5. Gambar Perbandingan Step Terakhir Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Pada Dies (D = 16 mm), Reduksi 0.60...76 4.1.4.6. Grafik Perbandingan Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Reduksi 0.60...76 4.1.4.7. Gambar Perbandingan Step Terakhir Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Pada Dies (D = 19 mm), Reduksi 0.74...77 4.1.4.8. Grafik Perbandingan Hasil Simulasi Ekstrusi Satu Billet Dengan Dua Billet Reduksi 0.74...77 4.2. Pembahasan...78 4.2.1. Pembahasan Pengaruh Dari Ukuran Dies (Tidak Ada Friksi)...79 4.2.2. Pembahasan Pengaruh Friksi...81 4.2.3. Pembahasan Pengaruh Kecepatan Penekanan...83 BAB V PENUTUP...85 5.1. Kesimpulan...85 5.2. Saran...86 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN xv
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Visualisasi metode simulasi FEM...07 Gambar 2.2. Beberapa contoh proses ekstrusi dingin...08 Gambar 2.3. Perbandingan kekuatan tarik rata-rata...10 Gambar 2.4. Contoh suku cadang NNSF dan NSF untuk industri otomotif...12 Gambar 2.5. Aliran material proses ekstrusi...16 Gambar 2.6.Variasi beban atau tekanan dengan perjalanan ram untuk proses ekstrusi langsung dan tidak langsung...15 Gambar 2.7. Skema penentuan tekanan ekstrusi...16 Gambar 2.8. Diagram tegangan regangan...26 Gambar 2.9. Garis modulus elastisitas...27 Gambar 2.10. Metode Brazing...29 Gambar 2.11. Mekanisme difusi...30 Gambar 2.12. Mekanisme difusi Vacancy...31 Gambar 2.13. Mekanisme difusi Interstitial dan interstitial pada larutan padat...31 Gambar 3.1. Flowchart penelitian...34 Gambar 3.2. Alir proses running...36 Gambar 3.3. Viewport awal ABAQUS CAE...41 Gambar 3.4. Sket billet...42 Gambar 3.5. Sket dies...42 Gambar 3.6. Sket punch...43 Gambar 3.7. Sifat density aluminium...44 xvi
Gambar 3.8. Sifat elastis aluminium...45 Gambar 3.9. Sifat plastisitas aluminium...45 Gambar 3.10. Viewport create section...45 Gambar 3.11. Hasil dari section assignments...46 Gambar 3.12. Hasil create instance...46 Gambar 3.13. Viewport create sets...47 Gambar 3.14. Viewport create surface...47 Gambar 3.15. Viewport create steps...48 Gambar 3.16. Viewport time period pada step...49 Gambar 3.17. Viewport adaptive mesh pada step...49 Gambar 3.18. Viewport dari contact property...50 Gambar 3.19. Viewport untuk edit constraint...50 Gambar 3.20. Viewport untuk create interaction...51 Gambar 3.21. Viewport boundary condition manager...52 Gambar 3.22. Viewport untuk mesh...53 Gambar 3.23. Viewport create job...53 Gambar 3.24. Visualisasi...54 Gambar 4.1. Hasil ekstrusi...56 Gambar 4.2. Grafik hubungan Punch Force VS Punch Displacement pada dies 13 mm...56 Gambar 4.3. Interface sebelum terjadi void pada t = 0.0017...57 Gambar 4.4. Interface mulai terjadi void pada t = 0.0020...57 Gambar 4.5. interface pada t = 0.0030...57 xvii
Gambar 4.6. Interface pada t = 0.0040...58 Gambar 4.7. Akhir terjadi, interface pada t = 0.0050...58 Gambar 4.8. Hasil ekstrusi...58 Gambar 4.9. Grafik hubungan Punch Force VS Punch Displacement pada dies 16 mm...59 Gambar 4.10. Interface sebelum terjadi void pada t = 0.0017...59 Gambar 4.11. Interface mulai terjadi void pada t = 0.0020...59 Gambar 4.12. Interface pada t = 0.0030...60 Gambar 4.13. Interface pada t = 0.0040...60 Gambar 4.14. Akhir terjadi, Interface pada t = 0.0050...60 Gambar 4.15. Hasil Ekstrusi...61 Gambar 4.16. Grafik hubungan Punch Force VS Punch Displacement pada dies 19 mm...61 Gambar 4.17. Interface sebelum terjadi void pada t = 0.0020...61 Gambar 4.18. Interface mulai terjadi void pada t = 0.0025...62 Gambar 4.19. Interface pada t = 0.0032...62 Gambar 4.20. Interface pada t = 0.0040...62 Gambar 4.21. Akhir terjadi, Interface pada t = 0.0050...62 Gambar 4.22. Hasil Ekstrusi...63 Gambar 4.23. Grafik hubungan Punch Force VS Punch Displacement pada dies 22 mm...63 Gambar 4.24. Interface sebelum terjadi void pada t = 0.0020...64 Gambar 4.25. Interface mulai terjadi void pada t = 0.0025...64 xviii
Gambar 4.26. Interface pada t = 0.0032...64 Gambar 4.27. Interface pada t = 0.0040...65 Gambar 4.28. Akhir terjadi, Interface pada t = 0.0050...65 Gambar 4.29. Step terakhir dengan friksi 0...66 Gambar 4.30. Step tetakhir dengan friksi 0.09...66 Gambar 4.31. Step terakhir dengan friksi 0.11...66 Gambar 4.32. Step terakhir dengan friksi 0.13...67 Gambar 4.33. Step terakhir dengan friksi 0.15...67 Gambar 4.34. Step terakhir dengan friksi 0...67 Gambar 4.35. Step tetakhir dengan friksi 0.09...68 Gambar 4.36. Step terakhir dengan friksi 0.11...68 Gambar 4.37. Step terakhir dengan friksi 0.13...68 Gambar 4.38. Step terakhir dengan friksi 0.15...68 Gambar 4.39. Step terakhir dengan friksi 0...69 Gambar 4.40. Step tetakhir dengan friksi 0.09...69 Gambar 4.41. Step terakhir dengan friksi 0.11...69 Gambar 4.42. Step terakhir dengan friksi 0.13...69 Gambar 4.43. Step terakhir dengan friksi 0.15...70 Gambar 4.44. Step terakhir dengan friksi 0...70 Gambar 4.45. Step tetakhir dengan friksi 0.09...70 Gambar 4.46. Step terakhir dengan friksi 0.11...70 Gambar 4.47. Step terakhir dengan friksi 0.13...71 Gambar 4.48. Step terakhir dengan friksi 0.15...71 xix
Gambar 4.49. Step terakhir dengan punch speed 1.6 m/s...71 Gambar 4.50. Step terakhir dengan punch speed 1.8 m/s...72 Gambar 4.51. Step terakhir dengan punch speed 2 m/s...72 Gambar 4.52. Step terakhir dengan punch speed 2.2 m/s...72 Gambar 4.53. Step terakhir dengan punch speed 1.6 m/s...72 Gambar 4.54. Step terakhir dengan punch speed 1.8 m/s...73 Gambar 4.55. Step terakhir dengan punch speed 2 m/s...73 Gambar 4.56. Step terakhir dengan punch speed 2.2 m/s...73 Gambar 4.57. Dimensi benda uji pada dies diameter 22 mm...74 Gambar 4.58. Grafik hubungan antara Punch Force Punch Displacement pada hasil simulasi ekstrusi satu billet dengan dua billet reduksi 0.25...74 Gambar 4.59. Dimensi benda uji pada dies diameter 19 mm...75 Gambar 4.60. Grafik hubungan antara Punch Force Punch Displacement pada hasil simulasi ekstrusi satu billet dengan dua billet reduksi 0.44...75 Gambar 4.61. Dimensi benda uji pada dies diameter 16 mm...76 Gambar 4.62. Grafik hubungan antara Punch Force Punch Displacement pada hasil simulasi ekstrusi satu billet dengan dua billet reduksi 0.60...76 Gambar 4.63. Dimensi benda uji pada dies diameter 13 mm...77 Gambar 4.64. Grafik hubungan antara Punch Force Punch Displacement pada hasil simulasi ekstrusi satu billet dengan dua billet reduksi 0.74...77 Gambar 4.65. (a) Pada awal proses batas antar permukaan kedua billet lurus. (b). Billet baru dan lama menyatu...78 Gambar 4.66. Hasil akhir dari proses ekstrusi dengan variasi diameter dies...79 xx
Gambar 4.67. Grafik pengaruh dari reduksi terhadap punch force...80 Gambar 4.68. Hasil akhir dari benda ekstrusi dengan dies 19 mm (R = 0.60) dengan adanya variasi koefisien gesek...81 Gambar 4.69. Grafik gaya penekanan (punch force) terhadap langkah penekanan (punch displacement) akibat perbedaan koefisien gesek...81 Gambar 4.70. Hasil akhir akibat perbedaan kecepatan penekanan...83 Gambar 4.71. Grafik gaya penekanan (punch porce) terhadap langkah penekanan (punch displacement) akibat perbedaan kecepatan penekanan...83 xxi
ABSTRACT Transverse Welds occur in the billet-to-billet extrusion process, which is often used in modern aluminum extrusion plants for the purpose production. The transverse weld introduces a discontinuity at the weld interface in the extruded product and in many structural applications. This is not acceptable because it can severely reduce the strength and is detrimental to the quality of the extruded product. The requirement of wasting a certain portion of the product becomes undesirable. Since the occurrence of this defect is troublesome in industrial practice, it is important to study the conditions leading to transverse welding formation. This study concentrated on improving the understanding of the behavior and the formation mechanisms of transverse welds with the aim of providing general guidance for aluminum extrusion industry. The experiment of extrusion process was undertaken in parallel with a finite element analysis (FEA) using ABAQUS software, a suite of powerful engineering simulation programs, based on the finite element method, that can solve problem ranging from relatively simple linear analysis to the most challenging nonlinear simulations, including metal forming simulation. An axisymmetric 2D geometric model of the tooling and billet was constructed for the analysis. In this work, transverse welding formation was investigated by a variation of die reduction. The influence of coefficient of friction, and punch speed were also observed. The formation and metal flow behavior of transverse welds in the aluminum extrusion process have been investigated using an FEA simulation technique. It was shown that inhomogeneous metal flow occurred and a transverse welding pattern were revealed. Keyword : Transverse Welding, Extrusion, Purpose Production xxii