Variabel-Parameter Yang Mempengaruhi Proses Deep Drawing

Variabel-Parameter Proses Penarikan Dalam, Deep Drawing

Gaya Tekan Pemegang Bakalan, Blank Holder Force, BHF

Pemegang bakalan (blank holder) dipakai untuk memberikan gaya tekan pada bagian flens (flange), dengan tujuan untuk menghindari terjadinya buckling atau cacat keriput (wringkles). Besar gaya tekan dari pemegang bakalan harus tepat. Pemberian gaya tekan pada pemegang bakalan yang terlalu rendah/kecil akan menyebabkan terjadinya keriput, namun sebaliknya bila gaya tekan yang diberikan terlampau besar akan menyebabkan aliran material akan terhambat, sehingga pada dinding mangkuk akan terjadi penipisan dan selanjutnya menjadi robek.

Siebel dan Beisswanger  memberikan persamaan empirik untuk kebutuhan gaya pemegang bakalan seperti ditunjukkan persamaan 1. Pada persamaan ini dapat dilihat bahwa besarnya gaya tekan tergantung pada sifat mekanik yaitu kuat tarik material.

pBH  (Pa) = 10 C [ (  β – 1 )3  +  (0,005 db)/to ] Su      (persamaan 1)

nilai     = C sekitar 2 – 3

to         = tebal plat, mm.

β           = db/dp

Su        = kuat tarik, N/mm2.

db       = diameter blank, mm.

dp        = diameter punch, mm.

Sedangkan dalam literatur yang lain diberikan persamaan seperti ditunjukkan pada persamaan 2.  yang menunjukkan  selain kuat tarik juga tergantung pada kuat luluh material.

BHF (blank holder force, N) = 0,25 p (db2 – dp2 ) (Su + Sy)/200      (persamaan 2)

Sy        =  kuat luluh, N/mm2.

Persamaan 2 dinyatakan dalam satuan gaya atau Newton, jika dinyatakan dalam satuan tekanan atau Paskal, maka persamaan 2  harus dibagi dengan luas daerah flange yang ditekan oleh dies dan blank holder yaitu sebesar 0,25 p (db2 – dp2). Sehingga persamaan 2  menjadi:

BHp (MPa) = (Su + Sy)/ 200      (persamaan 3)

Dari persamaan 3 dapat dilihat bahwa besarnya kebutuhan tekanan pemegang bakalan  hanya tergantung pada sifat mekanik material yaitu kuat tarik dan kuat luluh. Berbeda dengan persamaan 1 yang memberikan besarnya kebutuhan tekanan pemegang bakalan selain tergantung pada sifat mekanik (kuat tarik) juga tergantung pada dimensi bakalan (diameter  dan tebal) dan diameter punch yang digunakan.

Working Area Pada Deep Drawing.

Gambar 1. Working Area Pada Deep Drawing.

Gambar 1. menunjukkan hubungan besar gaya untuk blank holder, BHF dengan besar rasio drawing, db/dp. Garis merah merupakan batas daerah aman untuk proses deep drawing.  Operasi deep drawing dibagi dalam tiga daerah kerja atau working area yaitu: daerah kerja aman, daerah kerja robek dan daerah kerja keriput.  Proses deep drawing pada daerah kerja yang aman akan menghasilkan mangkuk tanpa keriput atau robek. Jika proses deep drawing dilakukan di daerah robek/retak maka mangkuk akan robek atau retak. Sedangkan proses deep drawing yang dilakukan di daerah keriput akan menghasilkan mangkuk keriput.

Jika pembentukan mangkuk memiliki drawing ratio 2,3, maka proses drawing akan aman jika gaya blank holder yang diberikan antara 3 kN sampai dengan 13 kN. Mangkuk yang dihasilkan akan cenderung keriput jika gaya blank holder lebih kecil daripada 3 kN. Sedangkan jika gaya blank holder lebih daripada 13 kN, maka mangkuk akan cenderung robek/retak.

Radius Profile Die

Besarnya radius profile cetakan (die radius profile) yang digunakan pada deep drawing akan sangat menentukan terhadap tingkat keberhasilan proses. Hal ini berkaitan dengan pengaturan variabel yang digunakan selama proses berlangsung. Karena  batasan suatu variabel yang digunakan akan berubah jika variabel yang lain berubah, maka pemilihan kondisi tepat dari setiap variabel yang digunakan  merupakan suatu keharusan.

Untuk memperoleh drawing ratio maksimum yang tinggi dan pemakaian drawing load yang rendah, maka radius profil cetakan  yang digunakan harus dibuat relatif besar.  Namun besarnya radius profil ini juga terbatas, karena pada penggunaan radius profil yang terlalu besar akan mengurangi luas daerah kontak antara  blank holder  dengan  flange dan  keadaan ini akan menambah kecenderungan terbentuknya keriput di daerah sekitar radius profil cetakan. Kemungkinan terbentuknya keriput dapat dikurangi jika radius profil dibuat kecil. Namun jika radius profil ini terlampau kecil akan menimbulkan terjadinya penipisan yang berlebihan pada dinding mangkuk, dan tentu hal inipun tidak diinginkan, karena penipisan yang berlebihan merupakan tahapan awal terjadinya robekan.

Radius Profil Dies Dan Punch

Gambar 2. Radius Profil Dies Dan Punch

Oehler dan Kaiser  memberikan persamaan empirik untuk radius profil cetakan atau dies yang digunakan pada deep drawing.

rd = 0,035 [ 50 + (db – d1)] to0,5      (persamaan 4)                                                  

rd = radius profil cetakan, mm

rp = radius profil punch, mm

db = diameter blank, mm

d1 = diameter dalam mangkuk, mm

to  = tebal lembaran, mm

Besarnya radius dari persamaan tersebut tergantung pada ukuran lembaran blank  yaitu diameter dan tebal blank  juga tergantung pada diameter dalam mangkuk. Sehingga dalam penentuan besarnya radius cetakan yang akan dipakai harus selalu memperhatikan hal-hal tersebut.

Radius Profile Punch.

Radius profil punch (rp) yang digunakan pada deep drawing harus lebih besar dari radius profil die (rd) dengan faktor 3~5 kali. Penggunaan radius profil punch yang lebih kecil dari radius profil die akan dapat mengakibatkan punch memotong material. Radius punch mempunyai pengaruh yang relatif kecil terhadap pemakaian beban drawing. Namun demikian penggunaan radius profil yang terlalu kecil akan mengakibatkan terjadinya penipisan yang berlebihan pada dasar mangkuk dan selanjutnya dinding mangkuk menjadi robek.

Gambar 3. menunjukkan pengaruh besar radius profil punch, rp terhadap posisi retak pada mangkuk.  Secara visual dapat dilihat perubahan lokasi retak/robek akibat perbedaan radius profil. Pada awal deep drawing, di daerah lengkungan, baja lembaran mengalami deformasi stretching (perentangan) yang terbentuk antara punch dan die. Selanjutnya blank mengalami pengecilan diameter diikuti dengan terjadinya deformasi bending dan unbending di atas radius profil die. Batas daerah lengkungan, dengan awal blank yang mengalami pengecilan diameter disebut sebagai die impact line. Dalam gambar ditunjukkan dengan tandah panah.

Posisi Retak Pada Mangkuk Yang Dibentuk Dengan Besar Radius Profil Punch Berbeda

Gambar 3. Posisi Retak Pada Mangkuk Yang Dibentuk Dengan Besar Radius Profil Punch Berbeda

Garis batas ini secara visual dapat dilihat dengan jelas. Terletak antara daerah lengkungan dengan dinding mangkuk. Daerah lengkungan terlihat lebih terang dibanding daerah dinding mangkuk, sehingga  kedua daerah ini mudah untuk dibedakan.

Penggunaan radius profil punch yang kecil,  retak/robek terjadi di bawah die impact line, daerah yang mengalami deformasi stretching. Sedangkan penggunaan radius profil punch besar, retak/robek terjadi di atas die impact line, daerah yang mengalami deformasi bending dan unbending di atas radius profil die.

Penentuan radius profile punch akan menentukan berapa besar drawing ratio maksimum yang dapat dicapai dalam satu proses. Pengaruh radius profil  punch terhadap drawing ratio maksimum ditunjukkan pada gambar 4. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa untuk satu radius profil die, semakin besar radius profil punch yang dipakai, maka nilai drawing ratio bisa dicapai akan menjadi lebih besar. Namun penggunaan radius profil yang terlalu besar (~50to) akan menghasilkan keriput di atas profil punch.

Sebagai ilustrasi dari Gambar 4, jika radius profil die yang digunakan adalah enam kali tebal lembaran (6to) dan drawing ratio yang ingin dicapai adalah β = 1,91, maka radius profil punch yang harus dipakai minimal 6to. Pada gambar 4 dapat dilihat bahwa radius profile punch dan die yang digunakan ikut menentukan terhadap nilai drawing ratio yang dapat dicapai. Sehingga untuk memperoleh drawing ratio yang tinggi, maka selain harus menentukan radius profil punch, juga harus menentukan radius profil die secara tepat.

Pengaruh Radius Profil Punch dan Dies Terhadap LDR

Gambar 4. Pengaruh Radius Profil Punch dan Dies Terhadap LDR

Oehler dan Kaiser  memberikan persamaan empirik untuk radius profil die seperti pada persamaan 5.  Dengan demikian besarnya raduis profil  punch adalah:

rp = (3~5) rd atau  rp =(0,105~0,175)[50 + (db – d1)] to0,5        (persamaan 5)            

Karena besarnya nilai radius profil punch dihitung dari persamaan empirik yang digunakan untuk menentukan besarnya radius profil die, maka faktor-faktor yang menentukan nilai radius profil  punch sama dengan faktor-faktor yang menentukan nilai radius profil die, yaitu diameter dan tebal blank  juga tergantung pada diameter dalam mangkuk. Sehingga dalam penentuan besarnya radius profil yang akan dipakai harus selalu memperhatikan hal-hal tersebut

Faktor Gesekan.

Pada saat operasi deep drawing berlangsung akan timbul gesekan antara blank dengan perkakas. Gesekan yang ditimbulkan akan sangat berpengaruh selain pada pemakaian beban drawing, juga berpengaruh pada keberhasilan proses. Untuk mengurangi pengaruh negatif dari faktor gesekan biasa digunakan pelumasan dan menjaga permukaan perkakas selalu pada keadaan yang halus  atau  tidak kasar.

Nilai drawing ratio maksimum yang besar akan dapat diperoleh jika koefisien gesekan antara blank dengan permukaan die dibuat serendah mungkin dan koefisien gesekan antara radius punch dengan blank cukup tinggi. Koefisien gesekan antara permukaan die dengan blank dapat dibuat rendah dengan memberikan pelumasan pada flange dan menjaga permukaan die selalu halus. Sedangkan koefisien gesekan antara blank dengan punch dapat dinaikkan dengan pemakaian punch yang kasar atau tanpa pelumasan pada daerah punch.

Clearance, Celah Antara Dies dan Punch

Lebar celah antara die (cetakan) dengan punch harus cukup untuk melewatkan aliran material flange  kedalam cetakan. Dalam prakteknya dimensi dari die clearance   sering ditentukan berdasarkan persamaan empirik. Untuk proses deep drawing dengan produk yang dihasilkan berupa mangkuk selinder, Oehler dan Kaiser memberikan persamaan sebagai berikut:

ud  = to + 0,07  [ 10 to ] 0,5        (persamaan 6.)

Ud = Die clearance (celah antara die dan punch)

to = tebal plat

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa besarnya harga die clearance hanya bergantung pada tebal plat yang digunakan. Berbeda dengan persamaan 1 tersebut, Panknin  memberikan persamaan yang tidak hanya melibatkan tebal lembaran baja yang digunakan, tapi juga melibatkan diameter blank dan punch. Semakin besar diameter blank (bakalan) atau semakin kecil diameter punch, maka die clearance yang digunakan menjadi lebih besar.

t = to [ db/dp] 0,25             (persamaan 7)

db = dimeter blank, mm

dp = diameter punch, mm

Besarnya die clearance yang digunakan  harus lebih besar dari harga t, hal ini dimaksudkan untuk menghindari kemungkinan terjadinya ironing (pandesakan). Kondisi ini harus diperhatikan karena ironing akan mempengaruhi harga “limitting Drawing Ratio” LDR.

Pada proses deep drawing  yang menggunakan die clearance terlalu lebar (besar), produk yang dihasilkan menjadi kurang presisi. Mangkuk tidak benar-benar berbentuk selinder, namun diameter  mangkuk bagian atas cenderung lebih besar. Sedangkan jika die clearance yang digunakan terlampau kecil (sempit), cenderung terjadi ironing, selain itu kebutuhan drawing force meningkat disertai dengan kecenderungan terjadinya retak.

Pustaka:

  1. Hosford, W. F., 1993, “Metal Forming, Mechanics & Metallurgy”, Second edition, Printice-Hill, Inc., New Jersey.
  2. Lange, K. 1985, “Handbook of Metal Forming”, MC Graw-Hill, New Jersey.
  3. Backofen, W. A., 1972, “Deformation Processing”, Addison-Willey Publishing Company, Massachusett.
  4. Dieter, G.E., 1986,”Mechanical Metallurgy”, Mc. Graw-Hill, New Jersey.
  5. Dieter, G.E., 1988,”Workability Testing Techniques”, ASM, Metal Park, Ohio.
  6. Hobbs,R.M., 1974,”BPH Technical Bulletin”, Broken-Hill Proprietary Co., Ltd., Vol. 18.N0. 2.
  7. Hutchinson, W.B., 1984, “International Metal Riviews”, vol 29, No. 1.
  8. A. Hedrick, 2001,”Controlling Flow and Obtaining Stretch in Deep Draw Operations”, Stamping Journal, February.
  9. A. Hedrick, 2003,”Die Geometry for Embossing and Stretching”, Stamping Journal, August.
  10. Nitin Jain, Xiaoxiang Shi, et al, 2003,”Simulation Confirms Deep-Draw Die Design”, Metal Forming, November.
  11. S. Keeler, 2002,”The Science of Forming, Cup and Box Are Similar”, Metal Forming, December.

Gambar:

  1. www://ardra.biz