Perencanaan Pengecoran logam

32
TEKNIK PENGECORAN LOGAM (TPL) Perencanaan Pengecoran Forum Kuliah TPL http://on.fb.me/ 1arVTk5

description

descripsi pengecoran logam dalam pembahasan matakuliah di kampusdengan pencapaian point point yang telah disusun dalam dunia kampushal ini dapat menambah wawasan mahasiswa dalam perencanaan pengecoran

Transcript of Perencanaan Pengecoran logam

Page 1: Perencanaan Pengecoran logam

TEKNIK PENGECORAN LOGAM (TPL)

Perencanaan Pengecoran

Forum Kuliah TPLhttp://on.fb.me/1arVTk5

Page 2: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Aspek teknis mendasar yang perlu dipelajari sebelum merencanakan proses pengecoran

Karakteristik logam cair Solidifikasi Perpindahan panas Fluiditas logam cair

Product Design Bentuk dan ukuran produk Toleransi produk

Cetakan/Mold Design Gating system Part orientation Parting line location Pattern/mold design Process simulation

Page 3: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Karakteristik Logam Cair

Solidifikasi/Pembekuan Logam Cair Logam yang dicairkan akan mengalami pembekuan atau

solidifikasi di dalam cetakan. Cepat atau lambatnya solidifikasi dipengaruhi oleh sifat-sifat

termal logam coran, bahan cetakan, volume dan luas permukaan bidang kontak logam dengan dinding cetakan, bentuk cetakan, ukuran benda cor, bentuk dan komposisi kimia logam yang di cor.

Page 4: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Skema solidifikasi logam cair dalam cetakan

Solidifikasi

Page 5: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Daerah mushy atau daerah yang mengalami dua fase sekaligus yakni padat dan cair memiliki lebar rentang perbedaan temperatur atau disebut rentang beku/freezing range sebagai berikut.

Freezing range = TCair – Tpadat (1)

Untuk logam murni memiliki nilai freezing range mendekati harga nol. Sedangkan untuk logam paduan berkisar antara 50 oC – 110 oC.

Semakin besar perbedaan temperatur freezing range maka semakin lebar daerah mushy yang berdampak pada laju proses solidifikasi akhir lebih lama.

Selama proses solidifikasi logam coran akan mengalami penyusutan (shrinkage) yang harus bisa dicegah dengan mengontrol aliran logam cair dan desain cetakan yang baik

Solidifikasi

Page 6: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Waktu solidifikasi coran dihitung menggunakan aturan Chvorinov

(2)

TST = Total solidification time

V = volume benda cor

A = luas permukaan benda cor

n = eksponensial, umumnya = 2

Cm = konstanta yang merefleksikan bahan cetakan, sifat

termal bahan coran, temperatur logam cair Persamaan Chvorinov menjelaskan bahwa ukuran coran yang besar akan lebih

lambat terjadi solidifikasi dibandingkan dengan benda coran dengan ukuran lebih kecil.

Solidifikasi

Page 7: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

Aliran logam cair termasuk kelompok aliran inkompresibel (seperti air). Prinsip dasar aliran ini menganut hukum Bernoulli dan hukum kontinuitas sebagai berikut.

(3)

h = ketinggian terhadap bidang referensi

p = tekanan pada ketinggian itu

v = kecepatan aliran logam cair

ρ = densitas cairan

g = konstantan gravitasi

Page 8: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Fluiditas dan Aliran logam cair

Pada lokasi atau posisi ketinggian tertentu, energi konservasi pada hukum Bernoulli tersebut mengindikasikan kesetimbangan sebagai berikut.

(4)

Index 1 dan 2 pada persamaan tersebut menunjukkan dua perbedaan lokasi atau ketinggian fluida dan f adalah kerugian gesek antara logam cair yang mengalir yang bersentuhan langsung dengan dinding cetakan

Page 9: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

Sedangkan hukum kontinuitas untuk cairan inkompresibel menyatakan bahwa laju aliran atau debit logam cair yang mengalir melalui suatu saluran (gate) adalah konstan. Dinding saluran diasumsikan tidak menyerap cairan/impermeabel.

Q = A1v1 = A2v2 (5)

Q = laju aliran atau debit

A = luas penampang melintang dari fluida (biasanya sesuai

penampang saluran yang dipenuhi cairan)

v = kecepatan cairan

Page 10: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

Aplikasi Persamaan (4) dan (5) pada teknik pengecoran adalah ketika bentuk dan dimensi saluran pengalir turun (sprue) berbentuk penampang silinder tirus (dari atas ke bawah saluran penuangan mengecil), dengan asumsi tekanan sama dan tidak ada kerugian gesek maka hubungan antara ketinggian dan luas penampang saluran pengalir dapat ditulis sebagai berikut.

(6)

Persamaan 6 digunakan untuk menentukan ukuran penampang saluran penuangan yang memiliki ketinggian berbeda yakni bagian atas, tempat penuangan logam cair, dan bagian paling bawah saluran yakni saluran runner yang berhubungan langsung dengan saluran turun logam cair memasuki cetakan. Perhitungan ini penting agar aliran logam cair lebih lancar terutama pada sistem pengecoran tradisional seperti cetakan pasir.

Page 11: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

Karakteristik logam cair Kemampuan logam cair mengisi ruang cetakan dengan baik disebut

fluiditas (fluidity). Fluiditas logam coran dipengaruhi oleh dua faktor yakni karakteristik

logam cair dan parameter pengecoran. Karakteristik logam cair dapat dirinci sebagai berikut.

○ Solidifikasi. Perilaku solidifikasi yang semakin singkat menandakan fluiditas semakin tinggi, terutama pada logam murni. Sedangkan pada logam paduan yang mengalami solidifikasi lama maka fluiditasnya rendah.

○ Viskositas/kekentalan. Semakin tinggi kekentalan semakin rendah fluiditas logam cair. Kekentalan juga sangat dipengaruhi oleh temperatur.

○ Tegangan permukaan. Semakin tinggi tegangan permukaansemakin menurun fluiditas logam cair. Lapisan oksida film yang muncul pada permukaan logam cair menurunkan fluiditasnya.

○ Inklusi/partikel. Inklusi adalah partikel asing yang tidak larut dalam logam cair

Page 12: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

Kesalahan dalam memahami perilaku logam cair, terutama saat melakukan penuangan logam cair tersebut ke dalam cetakan akan mengakibatkan ketidaksempurnaan hasil coran.

Page 13: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranFluiditas dan Aliran logam cair

• Parameter pengecoran yang berpengaruh terhadap fluiditas antara lain:1. Desain cetakan/mold. Desain dan ukuran komponen cetakan seperti cawan tuang (cup), saluran turun (sprue), saluran pengalir (runners) dan

saluran penambah (riser) dan saluran masuk (ingate) berpengaruh terhadap fluiditas.

2. Bahan cetakan dan karakteristik permukaanya.Semakin tinggi konduktifitas panas dan kekasaran permukaan cetakan semakin rendah fluiditas. Pemanasan awal cetakan mampu meningkatkat fluiditas.

3. Derajat pemanasan lanjut (superheat) logam. Pemanasan lanjut di atas temperatur leleh logam yang bertujuan menunda solidifikasi/pembekuan.

4. Laju penuangan logam cair. Semakin lambat laju penuangan ke dalam cetakan semakin rendah fluiditas sebab mempercepat terjadinya pendinginan.

Page 14: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran• Parameter pengecoran yang berpengaruh

terhadap fluiditas antara lain:5. Perpindahan panas

Meskipun aliran panas antara logam cair dengan dinding komponen cetakan pada lokasi yang berbeda memiliki fenomena perpindahan panas yang kompleks tetapi semakin tinggi temperatur maka kekentalannya semakin menurun. Perpindahan panas yang tidak terkontrol dengan baik akan menyebabkan terjadinya cacat coran seperti chilling dan misrun.

Page 15: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa logam cair akan

mengalami dua penurunan temperatur (temperature drop) ΔT pada antarmuka udara luar dinding cetakan dan antarmuka dinding cetakan-logam cair.

Karena hal ini, logam akan mengalami susut-kembang (shrinkage) selama proses solidifikasi dan pendinginan.

Shrinkage adalah gejala berubahnya ukuran hasil coran yang kadang menyebabkan retak (cracking) pada produk coran.

Shrinkage ini muncul karena hasil dari beberapa fenomena antara lain: Konstraksi logam cair yang mengalami pendinginan saat proses

solidifikasi Konstraksi logam saat terjadi perubahan fase cair menjadi padat

(kondisi kritis di daerah mushy) Konstraksi logam yang telah beku akibat temperature drop tibatiba

terhadap lingkungan atmosfir/udara luar

Page 16: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran Product Design Consideration

Kesederhanaan geometris Hindari sudut tajam, gunakan radius/fillet. Keseragaman ketebalan bagian produk untuk menghindari rongga

penyusutan dan hot spot. Memudahkan pengeluaran benda cor dari cetakan (umumnya 1

derajat untuk cetakan pasir dan 2/3 derajat untuk cetakan permanen).

Pilih metode pengecoran yang tepat untuk memperoleh toleransi dimensi dan permukaan akhir yang disyaratkan.

Lebihkan ukuran produk coran untuk tujuan pekerjaan finishing (machining allowance) dan perakitan, biasanya 1,5-6 mm.

Page 17: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Draft and core elimination

Shrinkage, hot spot

Product Design Consideration

Page 18: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranProduct Design Consideration

Karakteristik toleransi produk coran berdasarkan jenis pengecoran dan material coran

Page 19: Perencanaan Pengecoran logam

19

Perencanaan Pengecoran

Desain Cetakan Gating system Part orientation Parting line location Pattern/mold design Process simulation

Page 20: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Gating system merupakan sistem saluran pada

cetakan. Fungsi gating system antara lain: Gating berfungsi untuk pengisian logam cair kedalam cetakan. Menghantarkan cairan logam kedalam ronga cetakan. Mengeliminasi aliran turbulen Mengatur aliran logam cair kedalam cetakan Memudahkan pengeluaran benda cor dari cetakan Mempertahankan gradien suhu yang tepat

Page 21: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Komponen gating system: Pouring basin Sprue Runner Gates Risers

Page 22: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Pouring basinPada pouring basin terdapat dua

bagian, yaitu "Crucible -Mold Interface“ dan pouting cup yang dibatasi oleh dross dam yang berfungsi menciptakan aliran laminar molten sebelum masuk ke sprue.

Pouring cup

Page 23: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Sprue Terdapat dua pilihan bentuk penampang sprue, bentuk

penampang lingkaran dan rectangular. Sprue berfungsi untuk mereduksi aliran turbulen molten

dari pouring basin. Berbentuk kerucut terbalik, bagian tirus dengan diameter

yang kecil dimaksudkan untuk membatasi aliran molten dan memberikan efek gravitasi pada cairan sehingga memiliki tekanan yang cukup untuk mendorong molten masuk kedalam cetakan.

Rectangular cross-section sprues lebih baik daripada bentuk penampang yang melingkar, karena kecepatan kritis untuk turbulensi jauh lebih sedikit.

Page 24: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Runner Berfungsi menjaga aliran tetap laminar Mempertahankan volume aliran yang

konstan Menyerap energi kinetik aliran Penampang rongga runner pada bagian

sudutnya diberikan fillet/radius untuk meminimalkan gesekan molten terhadap dinding runner dan ukuran rongganya dibuat proporsional untuk meminimalkan kehilangan tekanan sehingga molten memiliki tenan yang cukup untuk masuk kedalam rongga cetakan.

Gate Adalah pintu masuk bagi molten

menuju rongga cetakan. Geometri rongga penampang gate

juga di seperti penampang runner.

r

Page 25: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain CetakanGating system Riser Riser adalah area yang berfungsi

reservoir molten untuk mensuplai molten saat solidifikasi.

Tujuannya adalah mengantisipasi terjadinya penyusutan.

Riser ditempatkan pada bagian atas cetakan dekat dengan area cor yang tebal.

Desain volume riser mengacu pada tipikal logam yang dicor, biasanya 4-6% dari volume coran.

Chvorinov Rule terkait desain riser:

Page 26: Perencanaan Pengecoran logam

Ken Youssefi Mechanical Engineering Dept., SJSU 26

Perencanaan Pengecoran

Desain Cetakan Part orientation

Part orientation mengacu pada rongga didalam cetakan.

Part orientation harus dilakukan untuk memudahkan proses pengecoran.

Minimalkan ketinggian casting.Tempatkan ruang terbuka yang akan menampung

yang berat dari coran dibagian bawah.

Page 27: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan PengecoranDesain Cetakan Parting line/perting joint

Pembuatan pola pada hampir semua benda cor, pada umumnya dibagi dalam dua bagian atau lebih, terutama untuk bentuk yang rumit. Benda yang bentuknya sederhana, memungkinkan untuk dibuat tanpa belahan yang biasa disebut pola tunggal.

Pola yang mempunyai konstruksi belahan, bagian atas biasa disebut “cope” dan bagian bawah disebut “drag”.

Dalam menentukan kup dan drag tidak ada ketentuan yang pasti, hanya diperlukan suatu wawasan yang berhubungan dengan nilai dan atau faktor ekonomis dalam proses pembuatan pola. Pada prinsipnya, penentuan kup dan drag merupakan kebebasan dan keleluasaan bagi perancang, persyaratannya harus tidak menyulitkan proses selanjutnya, misalnya tidak banyak memakan waktu pengerjaan, tidak menyulitkan dalam pembuatan cetakan dan tidak memakan biaya besar dalam penyelesaian akhir

Page 28: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Desain Cetakan Pattern/mold design

Dalam pengecoran, pattern/pola merupakan replika dari objek yang akan dicor, digunakan untuk menyiapkan rongga dimana molten akan dituangkan selama proses pengecoran.

Pola yang digunakan dalam pengecoran dapat terbuat dari kayu, logam, plastik atau bahan lainnya.

Pola dibuat untuk mendapatkan bentuk dari konstruksi coran sesuai dengan kualitas yang diinginkan atau mampu memberikan dimensi coran yang dapat diterima.

Page 29: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran Process Simulation

Perkembangan teknologi komputer memungkinkan bagi casting designer untuk melakukan simulasi desain pengecoran untuk melihat kemungkinan-kemungkinan kegagalan dari desain pengecoran yang telah disusun. Sehingga dapat dilakukan perbaikan dan optimasi terhadap desain pengecoran sebelum dieksekusi. Beberapa piranti lunak yang umum digunakan untuk mesimulasikan desain proses pengecoran antara lain Magmasoft, Flow 3DCAST, AutoCAST, ProCAST, SolidCAST, dan lain sebagainya.

Page 30: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Process Simulation

Page 31: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Process Simulation

Page 32: Perencanaan Pengecoran logam

Perencanaan Pengecoran

Process Simulation