118817614 Intake Valve Design
-
Upload
irwandi-trinov -
Category
Documents
-
view
180 -
download
15
Transcript of 118817614 Intake Valve Design
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi alat transportasi semakin berkembang yang diiringi
dengan produk- produk sepeda motor maupun mobil yang diproduksi perusahaan-
perusahan di bidang otomotif.
Dari Perkembangan bentuk cover body sampai komponen-komponen pada mesin
yang semakin disempurnakan. Salah satu komponen mesin yang paling penting adalah
valve (katup) yang berfungsi sebagai pintu pemasukan bahan bakar dan pembuangan
gas sisa pembakaran, yang mana waktu pembukaan dan penutupan katup-katup tersebut
diatur sesuai dengan prinsip kerja mesin.
Jadi untuk menghasilkan katup yang sesuai dengan standard proses pemilihan
bahan dan proses pembuatannya haruslah tepat agar menghasilkan produksi katup yang
berkualitas dan sesuai dengan permintaan pasar.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari tugas pemilihan bahan dan proses ini adalah :
1. Untuk memilih material/bahan yang cocok untuk pembuatan katup masuk (intake
valve)
2. Untuk memilih proses pembuatan yang cocok untuk katup masuk (intake valve)
1.3 Manfaat
Adapun manfaat dari tugas pemilihan bahan dan proses ini adalah :
1. Memperoleh material/bahan untuk pembuatan katup masuk (intake valve)
2. Dapat menentukan proses pembuatan yang cocok untuk katup masuk (intake
valve)
2
1.4 Batasan Masalah
Dalam mengerjakan makalah ini diperlukan pembatasan masah agar
pembahasannya lebih dalam dan juga tidak meluas ke objek-objek yang lain. Batasan
Masalah pada makalah ini adalah sebagai berikut:
a Proses pemilihan material katup masuk (intake valve)
b Proses manufaktur katup masuk (intake valve)
3
BAB II
TEORI DASAR
2.1. Pengertian Katup
Katup (valve) adalah salah satu komponen mesin yang berfungsi sebagai alat
pembuka dan penutup saluran masuk dan saluran keluar.
Definisi lain dari katup yaitu katup berfungsi sebagai pintu gerbang pemasukan
bahan bakar dan pembuangan gas sisa pembakaran, yang mana waktu pembukaan dan
penutupan katup-katup tersebut diatur sesuai dengan prinsip kerja mesin. Kontruksi
katup terdiri dari kepala katup (valve head), batang katup (valve stem) berbentuk seperti
jamur. Bagian katup yang berhimpit disebut permukaan katup (valve face) yang dibuat
miring sesuai dengan kemiringan permukaan dudukan katup. Kepala katup atau daun
katup, pada katup hisap berdiameter lebih besar dibandingkan dengan katup buang,
karena perbedaan tekanan antara gas yang masuk kedalam silinder dan gas yang keluar
dari dalam silinder. Katup hisap mengandalikan perbedaan tekanan udara luar dengan
penurunan tekanan dalam silinder yang disebabkan oleh hisapan torak, sedangkan pada
katup buang gas bekas pembakaran akan keluar dari silinder dengan tekanan sisa
pembakaran sehingga cukup kuat untuk mendorong gas bekas pembakaran keluar dari
silinder. Disamping itu juga dimaksudkan agar pemasukan bahan bakar udara lebih
sempurna.
Katup (valve) terbagi menjadi dua, yaitu :
a) Katup Masuk (intake valve)
Katup masuk biasa diletakkan disaluran pemasukan campuran bahan bakar dan
udara dari kabulator atau biasa disebut intake manifold. katup masuk berfungsi
sebagai pembuka dan penutup antara saluran masuk (intake manifold) ke ruang
bakar pada mesin. untuk membuka dan menutup, katup masuk digerakkan oleh
camsaft.
4
b) Katup Keluar (Exhaust valve)
Katup buang biasa diletakkan di saluran pebuangan gas sisa pembakaran atau
biasa disebut exhaust manifold. katup buang berfungsi sebagai pembuka dan
penutup antara saluran bahan bakar ke saluran buang kemudian menuju ke
knalpot.
Gambar 2.1 katup masuk (intake valve) dan katup buang (exhaust valve)
2.2. Mekanisme Katup
Berdasarkan mekanisme katup jenis katup terdiri dari jenis OHV (over head valve) dan
OHC (over head camshaft).
a) OHV (Over Head Valve)
OHV (over head valve) Motor yang menggunakan mekanisme katup jenis ini mempunyai
ciri fisik yaitu poros cam berada pada blok silinder dan katup berada pada kepala silinder.
Motor dengan mekanisme katup OHV mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi
dibandingkan dengan katup sisi. Penempatan katup di kepala silinder menyebabkan
perbandingan kompresi tinggi sehingga meningkatkan torsi dan daya.
5
Gambar 2.2. Katup jenis OHV
b) OHC (Over Head Camshaft)
Pada jenis OHC poros cam dipasangkan di atas kepala silinder, yang mana rocker arm
dan katup-katup digerakkan langsung oleh poros kam. Susunan ini di sebut over head
camshaft system. OHC mempunyai keuntungan dibanding OHV yaitu proses pembukaan
dan penutupan katup lebih cepat, sehingga cocok digunakan oleh motor kecepatan tinggi.
Katup jenis OHC terbagi dua yaitu :
SOHC (Single Over Head Camshaft)
Jenis ini memiliki satu poros cam yang menggerakkan katup.
DOHC (Double Over Head Camshaft)
Jenis ini memiliki dua poros cam yang menggerakkan katup.
Gambar 2.3. Katup jenis OHC (Single dan Double Camshaft)
Camshaft
Camshaft
6
Komponen – komponen utama mekanisme katup adalah :
a) Katup (valve)
Kelengkapan katup terdiri dari :
Katup (valve) berfungsi untuk membuka dan menutup saluran hidap dan saluran
buang. Diameter atau penampang katup masuk lebih besar atau lebih banyak
jumlahnya dari katup buang.
Dudukan katup (valve seat) berfungsi sebagai tempat dudukan kepala katup.
Pegas katup (valve spring) berfungsi untuk mengembalikan dan merapatkan katup
pada valve seat setelah katup terbuka.
Selongsong katup (valver guide) berfungsi sebagai tempat turun naiknya batang katup.
Valve guide ini terbuat dari bahan besi cor yang pemasangannya disatukan dengan
kepala silinder dan yang terpisah sehingga bisa dibuka bila telah aus.
Gambar 2.4. Bagian – bagian Katup
b) Poros Cam
Poros cam adalah sebuah poros yang mempunyai sejumlah nok atau cam. cam tersebut
disusun sedemikian rupa pada porosnya yang berfungsi untuk mengatur pembukaan dan
penutupan katup sesuai dengan firing order yang telah ditentukan. Selain untuk mengatur
pembukaan dan penutupan katup, poros cam juga berfungsi untuk menggerakan
distributor dan pompa bahan bakar mekanik.
7
Gambar 2.5. Camshaft
c) Pengangkat Katup (Valve Lifter)
Pengangkat katup (Valve Lifter) adalah komponen yang berbentuk silinder yang
meneruskan tekanan angkat dari poros cam.Valve lifter ini digunakan pada mekanisme
katup OHV. Pengangkat katup bergerak naik turun pada penghantarnya di blok silinder.
Gambar 2.6. Valve Lifter
d) Batang Penekan (Push Rod)
Batang penekan (Push rod) meneruskan tekanan dari valve lifter ke rocker arm. Batang
penekan ini digunakan hanya pada mekanisme katup OHV.
e) Rocker Arm
Rocker arm berfungsi sebagai meneruskan gerakan dari pushrod atau camshaft ke katup.
8
Gambar 2.7. Rocker arm
2.3. Metode Penggerak Poros Cam
a) Timing Gear
Poros cam digunakan untuk menggerakan valve lifter, push rod dan rocker arm. Gerakan
rocker arm ini diteruskan untuk membuka dan menutup katup. Putaran poros cam ini
adalah setengah putaran dari poros engkol. Putaran poros engkol diteruskan melalui roda
gigi dengan perbandingan jumlah roda gigi 1 : 2. Mekanisme penggerak poros cam
dengan roda gigi digunakan pada motor dengan susunan katup samping dan OHV dengan
penempatan poros cam pada blok silinder.
Gambar 2.8. Timing Gear
b) Timing Chain
Jenis penggerak poros cam ini memindahkan putaran dari poros engkol ke poros cam
melalui mekanisme rantai. Pada poros engkol dipasangkan crankshaft sproket dan pada
poros engkol dipasangkan camshaft sproket dengan jumlah giginya dua kali lebih banyak
Timing Gear
9
dari crankshaft sproket. Mekanisme penggerak ini digunakan untuk motor dengan
susunan katup sisi, OHV dan OHC. Tetapi untuk susunan OHC jarak dari poros engkol
cukup jauh. Karena jarak yang jauh tersebut maka rantai memerlukan chain guide dan
tensioner. Chain guide dan tensioner berfungsi untuk menegangkan rantai agar rantai
tetap berkaitan dengan sproket dan tidak menimbulkan bunyi.
Gambar 2.9. Timing Chain
c) Timing Belt
Mekanisme penggerak menggunakan timing belt (sabuk bergigi) digunakan untuk motor
dengan susunan katup OHC. Pada saat sekarang, jenis ini paling banyak digunakan
pada motor-motor kendaraan, karena mempunyai beberapa keuntungan yaitu harga
sabuk yang relatif murah, ringan, getaran yang dihasilkan kecil tidak berisik dan tidak
perlu pelumasan. Tetapi ada kerugian yaitu kekuatan bahan sabuk terbatas, maka timing
belt memerlukan penggantian secara berkala untuk menghindari putus timing belt saat
motor hidup.
10
Gambar 2.10. Timing Belt
2.4. Kondisi Kerja Katup
Pada motor empat langkah (4stroke), pada saat langkah hisap katup masuk akan
terbuka sehingga campuran bahan bakar masuk keruang bakar dan katup buang dalam
keadaan tertutup, pada langkah kompresi katup masuk dan katup buang dalam keadaan
tertutup, karena kedua katup dalam keadaan tertutup dan piston bergerak ke TMA
sehingga terjadinya kompresi pada ruang bakar. Pada akhir langkah kompresi terjadi
proses pembakaran yang disebut dengan langkah kerja, yang terakhir pada langkah
buang, katup masuk dalam keadaan tertutup dan katup buang dalam keadaan terbuka
untuk mengeluarkan sisa pembakaran di ruang bakar. Dari langkah buang lalu kembali
lagi ke proses langkah hisap dan begitu seterusnya.
Pada mesin OHV (Over Head Valve), katup-katup ini digerakkan oleh penekan
katup digerakkan oleh bos. Sedangkan pada mesin yang menerapkan sistem katup diatas
(SOHC/DOHC), penekan katup dan batang penekan katup. Setelah diangkat sehingga
terlepas dari tempat dudukannya, katup-katup ini dikembalikan pada posisi semula oleh
sebuah pegas. Pada saat membuka, katup-katup itu akan terangkat dari dudukannya
antara 5/16 - 3/8 inchi. Selain itu kerja katup bisa dikatakan berat. Seperti, jika mesin
berputar 7500 rpm, katup membuka dan menutup lebih dari 60 kali/detik. Jika mesin
berputar hingga 10000 rpm , katup dipaksa membuka dan menutup hingga lebih dari 80
kali/detik. Suhu katup bisa melebihi 700 derajat Celcius.
11
Gambar 2.11 Kondisi kerja Katup
2.5. Proses Produksi
Berdasarkan jenisnya proses produksi dapat dibagi atas :
1) Pengecoran (casting)
Casting adalah proses pembentukan logam (termasuk pengaturan komposisi)
dengan menggunakan cetakan (mold) dalam bentuk lubang yang kemudian diisi oleh
logam cair.
Gambar 2.12 Proses pengecoran.
Tata urut proses pengecoran adalah :
a. Gambar produk
Dalam menggambar ini kita harus memperhatikan penyusutan logam. Jadi ukuran
harus diperhatikan.
b. Pola
Pola adalah bentuk tiruan dari produk untuk membuat rongga pada cetakan.
12
Pola terbagi dua, yaitu :
Pola tetap contohnya adalah logam, kayu dan plastik.
Pola sekali pakai contohnya adalah pola dari lilin.
c. Cetakan
Cetakan yang dibuat harus sempurna, karena dalam pengecoran bentuk dari
produk tidak mungkin lebih baik daripada cetakan.
Berdasarkan bahan dasarnya cetakan dapat dibagi atas :
Sand casting (dengan bahan dasar pasir)
Investment casting (dengan bahan dasar keramik)
Permanent mould (dengan bahan dasar logam)
d. Benda cor dan sistem saluran.
e. Machining test.
f. Delivery.
Jenis-jenis Proses Pengecoran :
Berdasarkan prosesnya proses pengecoran dibedakan menjadi dua macam, yaitu
traditional casting (tradisional) dan non-traditional (non-tradisional).
A. Teknik pengecoran secara tradisional
1) Sand-mold casting
Proses pengecoran dengan cetakan pasir. Proses ini merupakan proses yang paling
sering digunakan dalam proses pengecoran.
Keuntungan sand mold casting:
a. Harga murah dan mudah didapat
b. Dalam operasinya tidak diperlukan tenaga ahli
Kerugian sand mold casting:
a. Proses pengerjaan lambat dan perlu proses lanjutan
b. Ketelitian produk tidak baik
c. Satu cetakan untuk satu produk
13
Gambar 2.13. Skema proses pengecoran cetakan pasir
2) Dry-Sand Casting
Proses ini sama dengan proses sand mold casting, tetapi cetakan dibuat dari pasir
yang kasar dengan menggunakan material untuk pengikat. Tempat cetakan terbuat
dari bahan logam. Cetakan pasir kering tidak menyusut sewaktu terkena panas dan
bebas dari gelembung udara.
3) Shell-Mold Casting
Shell-mold casting adalah suatu proses di mana logam dicairkan lalu dituangkan
ke dalam suatu heat-cured, dimana kulit atau shell dibuat dari pasir, tanah, kerikil
dan tambahannya dan dipakai sampai pembekuan logam terjadi.
Gambar 2.14. Skema shell-mold casting
14
4) Cement-Mold Casting
Proses pengecoran ini menggunakan semen sebagai bahan cetakan.
Gambar 2.15. Skema cement-mold casting
5) Vacuum-Mold Casting
Vacuum casting adalah pengecoran logam dengan ukuran yang kecil dan detail
yang bagus. Vacuum casting juga merupakan pengecoran untuk material plastik.
Material yang telah dicairkan akan dimasukan ke dalam pola dengan tekanan
atmosfir, vacuum membuang udara yang terjebak untuk melancarkan aliran
material cair. Vacum casting dikembangkan untuk pengecoran logam, yang mana
vacuum digunakan dengan berbagai macam kombinasi gas dengan tekanan untuk
menaikan kualitas pengecoran dan menurunkan porositas logam.
Gambar 2.16. Skema vacuum-mold casting
15
B. Teknik non-traditional
1) High-Pressure Die Casting
High-pressure die casting adalah proses pengecoran dengan memanfaatkan
tekanan tinggi dalam penuangan logam cair kecetakan.
Gambar 2.17. Skema high-pressure die casting
2) Permanent-Mold Casting
Jenis pengecoran ini , cetakannnya dapat dipakai berulang kali (terbuat dari logam
dan grafit). Pengecoran ini dikhususkan untuk pengecoran logam non ferrous dan
paduan. Kualitas pengecoran ini tergantung dari kualitas mold, umumnya
dikerjakan dengan machining untuk mendapatkan kualitas yang bagus maka
dikerjakan dengan proses machining yang memiliki keakuratan yang tinggi.
Keuntungan permanent mold casting :
Produksi tinggi
Cetakan dapat dipakai berulang kali
Dalam operasinya tidak diperlukan tenaga ahli
Ketelitian produk lebih baik daripada sand casting
Tidak memerlukan proses lanjutan
Kerugian permanent mold casting :
Harga cetakan mahal.
Perlu perhitungan yang tepat dalam mengerjakan cetakan.
Cetakan untuk satu macam produk.
16
Ukuran produk kecil dan sederhana.
Tidak dapat mengecor baja.
Gambar 2.18. Proses permanent mold casting
3) Centrifugal Casting
Prinsipnya adalah menuangkan logam cair ke dalam cetakan yang berputar dan
akibat gaya centrifugal logam cair akan termampatkan sehingga diperoleh benda
kerja tanpa cacat. Pengecoran ini digunakan secara intensif untuk pengecoran
plastik , keramik, beton dan semua logam.
Keuntungan centriugal casting :
Riser tidak diperlukan.
Produk yang berlekuk-lekuk dapat diproses dengan kualitas. permukaan baik.
Toleransi dimensi kecil.
Ketebalan benda kerja seragam.
Kerugian centriugal casting :
Harga peralatan mahal.
Laju produksi rendah.
Satu produk satu cetakan.
Gaya sentrifugal besar.
Gambar 2.19. Proses centriugal casting
17
4) Plaster-Mold Casting
Plaster-mold casting adalah suatu proses pengecoran logam nonferrous dimana
logam cair dituangkan ke dalam suatu non-reusable, lalu memplester cetakan
sampai pembekuan terjadi.
Gambar 2.20. Proses plaster-mold casting
5) Investment Casting
Proses pengecoran dengan pola tertanam dalam rangka cetak , kemudian pola
dihilangkan dengan cara pemanasan sehingga diperoleh rongga cetak. Pola
biasanya terbuat dari lilin (wax), plastik atau mateial yang mudah meleleh .
Prosedur investment casting:
a) Membuat Master Pattern dan Master Die.
b) Membuat Wax Pattern.
c) Melapisi Wax Pattern.
d) Mengeluarkan Wax Pattern dari Mold.
e) Preheat Mold.
f) Menuangkan logam cair.
g) Mengeluarkan Produk.
18
Gambar 2.21. Proses investment casting
Cacat-cacat pada hasil coran:
Gambar 2.22 Cacat-cacat pengecoran.
19
(a). Retak panas (hot tear)
Terjadi akibat efek pendinginan yang tidak seragam. Bagian yang bersudut yang
membeku belakangan, kekurangan logam cair, sehingga menimbulkan rongga
penyusutan.
(b). Sumbat dingin (cold sheet)
Permukaan terpisah, terjadi karena pertemuan aliran logam yang berbeda suhunya.
(c). Cetakan rontok (sand wash)
Bagian-bagian tertentu dari cetakan, rontok akibatnya aliran logam cair (erosi).
(d). Cetakan tertiup (sand blow)
Sumuran atau lubang terbentuk pada produk akibat permeabilitas cetakan jelek
atau bila cetakan terlalu basah.
(e). Bengkak (scab)
Terjadi akibat pasir menempel di produk coran. Ini terjadi kalau pasir terlalu
halus.
(f). Rongga penyusutan (shrinkage porosity)
Terbentuk akibat penyusutan saat logam membeku. Cacat ini terjadi akibat
kesalahan disain.
(g). Bintik laras (hand spot)
Daerah tertentu yang keras sehingga sulit di machining. Ini dapat terjadi pada
berbagai tempat di coran.
(h). Penyimpangan komposisi kimia
Kontaminasi dan efek pembekuan menyebabkan komposisi kimia bahan coran
menyimpang dari perencanaan.
2) Pembentukan ( forming )
Pemberian deformasi plastis pada material dengan kombinasi dari aplikasi gaya
pembebanan, dengan atau tanpa petakan, dibawah pengaruh temperatur ataupun tidak,
proses ini dilakukan dengan tidak mengurangi volume benda kerja.
Macam-macam proses forming :
a. Forging
Proses pembentukan material akibat beban impact atau tekanan tinggi dengan
menggunakan cetakan atau tidak.
20
Gambar 2.23. Proses forging.
Secara umum penempaan terbagi atas :
Proses mereduksi penampang dan menambah panjang.
Proses mereduksi panjang dan memperbesar penampang (upset).
Proses aliran kompleks (dies), material mengalir dalam banyak arah.
b. Rolling
Proses deformasi plastis logam dengan melewati pasangan rol yang berputar,
sehingga terjadi reduksi penampang.
Gambar 2.24 Proses pengerolan.
21
c. Ekstrusi
Proses deformasi plastis dengan penekanan/pendesakan material melewati dies
sehingga penampang produk sesuai bentuk dies.
Gambar 2.25 Proses ekstrusi.
d. Drawing
Proses deformasi plastis dengan penarikan material melewati dies sehingga
penampang produk sesuai bentuk dies.
Proses drawing terbagi dua yaitu :
Wire drawing (penarikan kawat)
Gambar 2.26 Proses wire drawing.
Deep drawing
Deep drawing adalah penarikan dalam suatu plat.
Gambar 2.27 Skema deep drawing.
22
e. Spinning
Proses pembentukan logam dengan penekanan pada logam tersebut yang diputar
mandrel di sumbu simetri.
Gambar 2.28 Proses spinning.
f. Bending
Bending atau pembengkokan digunakan untuk membuat piringan roda, curls,
seams dan corrugations, serta untuk benda-benda yang kaku dengan cara
meningkatkan momen inersia.
Gambar 2.29 Proses bending
23
3) Proses Pemesinan (machining)
Proses pemesinan adalah suatu proses produksi yang dilakukan dengan
memanfaatkan gerak relatif antara pahat pengan benda kerja, dan terdapat material sisa
(geram) dengan menggunakan mesin-mesin perkakas seperti mesin bubut, mesin freis,
mesin gurdi dan lain-lain.
Gambar 2.30 Gambar mesin freis.
Gambar 2.31 Mesin Bubut
24
4) Proses Penyambungan (joining)
Proses penyambungan adalah proses penggabungan dua komponen atau lebih
untuk menggabungkannya menjadi sebuah kesatuan. Sambungan ini bisa berupa
sambungan permanen, contohnya sambungan dengan menggunakakn pengelasan,
sambungan semi permanen seperti sambungan paku keling dan juga sambungan tidak
tetap seperti sambungan menggunakan baut dan pin.
26
BAB IV
PEMBAHASAN
4.1. Pemilihan Material Katup
Untuk pemilihan material katup ada beberapa sifat yang harus dimiliki oleh
material.
Function : Valve
Constrains :
a) Temperatur operasi : < 700 0C
b) Berat katup : < 1 kg
c) Strength, σf : > 200 Mpa
d) Fracture Toughness, K1C : > 50 Mpa.m1/2
e) Modulus, E : > 100 Gpa
f) Kuat dan kaku
g) Harga murah
Goals : minimalisasi biaya
Variable bebas : Pemilihan Bahan dan Proses
27
Untuk menentukan material yang diinginkan tersebut dibutuhkan beberapa bubble
charts yaitu :
1) Strenght VS Max. Service Temperature
Untuk menentukan material yang mampu bekerja hingga temperatur 700 0C
σf = 200 Mpa
T max = 700 0C
Material yang didapat adalah :
1. Ti alloys
2. Ni alloys
3. Low alloys Steel
4. Cast irons
5. Carbin steels
6. CFRP
7. Mg alloys
8. Al alloys
9. Cu alloys
10. Zinc alloys
28
2) Fracture Toughness VS Young’s Modulus
Untuk menentukan material dengan tingkat kekakuan yang tinggi.
K1C = 50 Mpa.m1/2
E = 100 Gpa
Material yang didapat adalah :
1. Zinc alloys
2. Ti alloys
3. Cu alloys
4. Ni alloys
5. Steels
6. W alloys
7. Cast iron
29
3) Young’s Modulus VS Strength
Untuk menentukan material yang kuat, kaku dan bersifat buckling before yield
E = 100 Gpa
σf = 200 Mpa
Material yang didapat adalah :
1. Silicon
2. AIN
3. Al2O2
4. SiC
5. B4C
6. WC
7. W alloys
8. Ni alloys
9. Steels
10. Cu alloys
11. Ti alloys
12. CFRP
13. Cast Iron
30
Dari ketiga charts tersebut, material yang didapat adalah :
σf VS Tmax K1C VS E E VS σf
1. Ti alloys
2. Ni alloys
3. Low alloys Steel
4. Cast irons
5. Carbon steels
6. CFRP
7. Mg alloys
8. Al alloys
9. Cu alloys
10. Zinc alloys
\
1. Zinc alloys
2. Ti alloys
3. Cu alloys
4. Ni alloys
5. Steels
6. W alloys
7. Cast iron
1. Silicon
2. AIN
3. Al2O2
4. SiC
5. B4C
6. WC
7. W alloys
8. Ni alloys
9. Steels
10. Cu alloys
11. Ti alloys
12. CFRP
13. Cast Iron
Dari hasil penyeleksian didapat beberapa material yang dapat dipertimbangkan
untuk material katup, yaitu :
1. Ti alloys
2. Ni alloys
3. Cast iron
4. Cu alloys
Setelah didapat material yang masuk dalam pertimbangan untuk dijadikan
material katup, maka diperlukan pengetahuan tentang sifat – sifat dari material tersebut
yang berguna untuk pemilihan proses manufaktur yang sesuai dengan material yang
dipilih.
1) Ti alloys
Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol
Ti dan nomor atom 22. Dia merupakan logam transisi yang ringan, kuat, berkilau, tahan
korosi (termasuk tahan terhadap air laut dan klorin dengan warna putih-metalik-
31
keperakan. Titanium digunakan dalam alloy kuat dan ringan (terutama dengan besi dan
aluminum) dan merupakan senyawa terbanyaknya, titanium dioksida, digunakan dalam
pigmen putih. Titanium dihargai lebih mahal daripada emas karena sifat-sifat logamnya.
Unsur ini terdapat di banyak mineral dengan sumber utama adalah rutile dan
ilmenit, yang tersebar luas di seluruh Bumi. Ada dua bentuk alotropi dan lima isotop
alami dari unsur ini; Ti-46 sampai Ti-50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di
alam (73,8%). Sifat Titanium mirip dengan zirkonium secara kimia maupun fisika.
Keunggulan Titanium
Salah satu karakteristik Titanium yang paling terkenal adalah dia sama kuat
dengan baja tapi hanya 60% dari berat baja.
Kekuatan lelah (fatigue strength) yang lebih tinggi daripada paduan aluminium.
Tahan suhu tinggi. Ketika temperatur pemakaian melebihi 150 C maka
dibutuhkan titanium karena aluminium akan kehilangan kekuatannya seacara
nyata.
Tahan korosi. Ketahanan korosi titanium lebih tinggi daripada aluminium dan
baja.
Dengan rasio berat-kekuatan yang lebih rendah daripada aluminium, maka
komponen-komponen yang terbuat dari titanium membutuhkan ruang yang lebih
sedikit dibanding aluminium.
Aplikasi Titanium
Militer. Oleh karena kekuatannya, unsur ini digunakan untuk membuat peralatan
perang (tank) dan untuk membuat pesawat ruang angkasa.
Industri. Beberapa mesin pemindah panas (heat exchanger)dan bejana
bertekanan tinggi serta pipa-pipa tahan korosi memakai bahan titanium.
Kedokteran. Bahan implan gigi, penyambung tulang, pengganti tulang
tengkorak, struktur penahan katup jantung.
Mesin. Material pengganti untuk batang piston.
32
2) Ni Alloys
Nikel dan nikel paduan digunakan untuk berbagai aplikasi yang luas, sebagian
besar yang melibatkan ketahanan korosi dan ketahanan pada suhu tinggi. Beberapa di
antaranya adalah:
Pesawat turbin gas
Turbin uap
Aplikasi medis
Sistem tenaga nuklir
Kimia dan petrokimia industri
Nikel bersifat megnetik karena juga digunakan untuk aplikasi elektromagnet
seperti selenoid. Paduan nikel memiliki kekuatan tinggi dan daya tahan korosi pada
suhu tinggi. Unsur paduan untuk nikel meliputi chromium, cobalt, dan molybdenum.
Sifat mampu prosesnya yaitu :
Machining
Forming
Casting
Welding
Tabel 4.1. Properties of nickel alloys
33
3) Cast Iron
Cast iron mengandung 2,14% – 4,3% karbon dengan sejumlah kecil mangan,
belerang, fosforus, dan silikon Besi cor terdiri dari besi kelabu, besi nodular, besi putih,
besi malleable.
a) Besi cor kelabu
Terdiri dari 2.5-4.0 %C & 1.0-3.0%Si. Graphite berbentuk serpihan-serpihan,
dikelilingi oleh matriks ferrite or pearlite Besi cor kelabu standar sangat keras
diakibatkan karbon yang mengembang dalam stuktur yang bertindak sebagai
perambat tegangan Bisa diberikan perlakuan panas untuk memperbaiki struktur
yang membuat material menjadi mampu bentuk dan mampu tempa
b) Besi Cor putih
Seluruh karbon merupakan simentit sehingga sangat keras dan getas.
Mikrostruktur terdiri dari karbida putih sehingga tidak bisa di las
c) Besi cor mampu tempa (maleable)
Dibuat dari besi cor putih dengan melakukan heat treatment kembali untuk
menguraikan gumpalan grafit (Fe3C) menjdi ferrite, pearlit & martensit serta
mempunyai sifat mirip baja.
d) Besi cor nodular
Merupakan perpaduan besi cor kelabu yang berbentuk grafit bola-bola kecil
dimana ujung-ujung flake berbentuk takikan Mempunyai keuletan tinggi
(disebut juga ductile cast iron). Sifat mekanik dapat ditingkatkan dengan
perlakuan panas.
Tabel 4.2. Komposisi cast iron
34
Sifat-sifat mekanis besi cor menunjukkan bahwa besi cor cocok untuk
bagian-bagian mesin. Sifat mekanis itu ialah kekuatan tarik, perpanjangan,
kekerasan kekuatan tekan, kekuatan bentur, kekuatan lentur, kekuatan lelah, tahan
aus, mampu mesin, sifat meredam getaran dan sebagainya. Kandungan karbon yang
rendah dapat meninggikan kekuatan tarik. Silisium memberikan kecenderungan yang
sama tetapi lebih lemah dari karbon. Berikit ini hubungan derajat kejenuhan karbon
dan kekuatan tarik. Kekerasan besi cor kelabu adalah 130-270 kekerasan Brinel, dan
sangat erat hubungannya dengan struktur. Grafit kasar dalam matrik dapat
menyebabkan kekerasan rendah dan grafit halus menyebabkan kekerasan lebih tinggi.
Disamping itu kekerasan berbanding lurus dengan kekuatan tarik. Kekuatan tekan besi
cor kelabu adalah 3 sampai 5 kali lebih besar kekuatan tariknya, dan kebanyakan
lebih besar dari kekuatan tekan baja. Kekuatan tarik yang lebih tinngi
mengurangi perbandingan antara kekuatan tekan dan kekuatan tarik. Besi cor kelabu
adalah bahan yang menpunyai sifat mampu mesin dan sangat baik karena grafitnya
bekerja sebagai pelumas. Kekerasan dan kekuatan tarik yang lebih rendah
menyebabkan mampu mesin yang lebih baik. Besi cor lebih buruk dalam ketahanan
korosinya terhadap asam dibanding dengan baja. Hal ini dipengaruhi oleh sel kimia
antara besi dan grafit. Namun ketahanan korosi besi cor terhadap air murni dan
air laut lebih kuat dibanding baja. Untuk memperbaiki ketahanan korosi sangat
efektif apabila ditambahkan khrom, nikel atau tembaga. titik cair 1150 – 1250 0C.
4) Cu alloys
Tembaga Paduan (Copper base Alloy) paling banyak digunakan sebagai bahan
teknik karena memiliki berbagai keuntungan, antara lain :
1) Memiliki sifat mekanik yang baik, sifat electrical dan thermal conductivity yang
tinggi serta tahan terhadap korosi dan ketahanan aus.
2) Mudah dibentuk melalui pemesinan.
3) Mudah dibentuk melalui pengerjaan panas (Hot working) dan pengerjaan dingin
(Cold Working)
4) Mudah disambung melalui penyolderan, brazing dan welding.
5) Mudah dipoles atau diplating jika dikehendaki
35
6) Pressing dan forging Temperatur lebih rendah dibanding dengan pemakaian bahan
logam Ferro.
Tembaga Paduan (Copper Alloy) dapat dikelompokan menjadi :
1) Tembaga paduan rendah yang termasuk dalam kelompok ini ialah Silver-Copper,
Cadmium-Copper, Tellurium-Copper, Berylium- Copper dan Paduan Copper-Nickel-
Silicon.
2) Tembaga Paduan dengan kadar tinggi, yaitu Brass (kuningan) dan Bronze
(perunggu).
Tabel 4.3. Properties of materials
36
Evaluasi Untuk Material Yang Akan Dipilih
Sebagai Material Katup
Properties
s
k
o
r
Ti alloys Ni alloys Cast
iron
Cu
alloys
n s.n n s.n n s.n n s.n
Strength - Max
Service Temp 5 4 20 5 25 3 15 2 10
Fracture Toughness -
Modulus 3 2 6 5 15 3 9 3 9
Modulus - Strength 4 5 20 3 12 4 16 2 8
massa 3 5 15 2 6 3 9 2 6
Harga 4 2 8 3 12 5 20 4 16
Jumlah 69 70 69 49
Dari evaluasi diatas maka diperoleh material yang cocok sesuai dengan kebutuhan
katup adalah “Ni alloys”
4.2. Pemilihan Proses Manufaktur
Setelah melakukan proses pemilihan material, langkah selanjutnya adalah proses
pemilihan manufaktur. Proses ini perlu dilakukan untuk memilih proses manufaktur
yang sesuai untuk camshaft berdasrkan material yang telah dipilih dan berdasarkan
pertimbangan-pertimbangan kebutuhan katup yang dinginkan.
37
Gambar 4.1 Diagram Jenis-Jenis Proses Manufaktur
Adapun proses manufaktur dari suatu produk secara umum dibagi tiga kategori
yaitu :
a. Shaping (pembentukan)
b. Joining (penyatuan /assembly)
c. Finishing (penyelesaian akhir)
Pada kasus ini, katup yang didesain adalah katup dimana badan katup dan kepala
katup menyatu sehingga proses metal shaping terdiri dari
Shaping
Finishing
1) Shaping
Untuk menentukan metode yang digunakan bergantung dari beberapa faktor
antara lain :
Jenis material yang akan dibentuk
Bentuk produk
38
Toleransi
Massa
Kakasaran
Kekakuan
Dan lain-lain
Dibawah ini adalah beberapa diagram sebagai pertimbangan dalam menentukan
pemilihan proses manufaktur.
Gambar 4.2. Diagram Matrik Proses – Material
39
Gambar 4.3. Diagram Matrik Proses – Bentuk Produk
Gambar 4.4. Diagram Matrik Hubungan Proses – Massa
40
Berdasarkan pertimbangan keuntungan dan keterbatasan dari beberapa proses
casting dan juga berdasarkan spesifikasi katup yang dinginkan, maka proses yang
dipilih untuk metal shaping pada Katup adalah : Die Casting
Die casting
Die Casting adalah salah satu jenis pengecoran dengan cara memaksa logam cair
ke dalam cetakan baja ( Die ) dengan menggunakan tekanan tinggi.
Gambar 4.5. Die Casting
Keuntungan :
Hasil permukannya halus
Akurasi dimensi yang bagus
Proses pembuatan cepat
Keterbatasan :
Biaya cetakan mahal
Terbatas pada logam non ferrous
Pengerjaan terbatas pada part yang kecil
41
Spesifikasi katup yang dinginkan yang berhubungan dengan proses manufaktur
adalah :
Berat kurang dari 1 kg
Kekasaran kecil
Toleransi kecil
2) Finishing
Proses Finishing adalah proses penyelesaian akhir dari suatu proses pembuatan
suatu produk. Proses ini bertujuan untuk memperhalus dan mempercantik produk
sehingga produk tersebut siap untuk dipasarkan dan dipakai.
Proses finishing pembuatan katup yang dipilih adalah :
a) Turning
Turning (Bubut) merupakan suatu proses pemakanan benda kerja yang sayatannya
dilakukan dengan cara memutar benda kerja kemudian dikenakan pada pahat yang
digerakkan secara translasi sejajar dengan sumbu putar dari benda kerja.
Gambar 4.6. sayatan pada mesin bubut
b) Polishing
Polishing merupakan proses penghalusan permukaan dari suatu produk dengan
menggunakan polish machine. Pada produk katup, bagian yang dipolish adalah bagian
permukaan katup. Hal ini bertujuan agar proses pembukaan dan penutupan katup tidak
terhambat akibat permukaan yang tidak licin.
42
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat penulis sampai dalam proses pemilihan material
mendesign sebuah katup (valve) adalah sebagai berikut :
a) Material yang cocok untuk katup adalah Ni alloys
b) Proses manufaktur pada katup pada dasarnya terdiri dari dua proses utama yaitu
metal shaping process (die casting) dan finishing (bubut dan polishing).
4.2 Saran
Banyak sekali faktor – faktor yang dapat mempengaruhi proses pembuatan suatu
produk terutama mendesign katup, oleh sebab itu perlu adanya perencanaan yang tetap
agar produk yang dihasilkan sesuai dengan kebutuhan pasar, berkualitas tinggi dan
harganya dapat bersaing, aspek-aspek yang harus dipenuhi adalah :
Design
Material selection
Process selection
Manufacture
Evaluation / inspection