iii. deep drawing
TRANSCRIPT
• • •
III. DEEP DRAWING
1. METAL FORMING
Metal forming adalah suatu proses pembentukan metal berbentuk suatu
benda padat menjadi sebuah benda dengan bentuk lainnya yang dikehendaki dcngan
tidak merusak keuluhan ikatan materi maupun massa benda tersebut. Agar proses
metal forming dapat berlangsung maka benda yang dikerjakan harus mempunyai
sifat-sifat/pcrsyaratan yang diperlukan, yaitu:
- Bahan yang diproses haruslah dapat memberikan perubahan plastis tanpa
berakibat terlepasnya ikatan materi bahan tersebut (rusak/pecah) apabila
mendapat gaya/tekanan dari luar.
- Kemampuan perubahan bentuk plastis dari bahan merupakan suatu
karakteristik yang sangat mencntukan (hal ini telah dijclaskan pada bab II ).
24
Metal forming terbagi menjadi :
- Compressive forming
Proses perubahan bentuk sebuah logam (raw material) ke bentuk benda jadi
dimana gaya-gaya yang bekerja dalam daerah pembentukannya merupakan gaya
tekan.
- Combined tensile and compressive forming
Proses pembentukan dimana gaya-gaya yang bekerja pada daerah
pembentukannya adalah gaya tarik dan gaya tekan dan bekerja pada benda pada
waktu yang bersamaan.
- Tensile forming
Proses perubahan bentuk dimana gaya-gaya yang bekerja pada daerah
pembentukannya merupakan gaya tarik.
- Forming by bending
Proses pada teknik pembentukan dimana perubahan logam pada daerah
pembentukannya disebabkan olch beban tckuk (bending load).
- Forming by shearing
Proses pembentukan sebuah benda dimana gaya-gaya yang bekerja pada daerah
pembentukan berupa gaya gunting/puntir (shearing load).
Masing-masing bagian proses metal forming tersebut terbagi lagi menjadi beberapa
proses yang lebih terperinci, dapat dilihat pada diagram 3.1.
25
Compressive
forming
LJL±JL
Metal forming
Combined tensile and comprcisive
forming
LJL I I
Tensile forming
4 Forming
by bending
S I! it
Forming
bv shoring
7x
DIAGRAM 3.1
KLASIFIKASI METAL FORMING
2. DEEP DRAWING
Proses deep drawing adalah suatu proses pengerjaan plat yang penting,
merupakan bagian dari proses combined (ensile and compressive forming. Proses
deep drawing banyak dipakai untuk mcnghasilkan produk yang berupa produksi
massa seperti komponen kendaraan bermotor.
Proses deep drawing dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan
lembaran plat (blank) menjadi sebuah komponen berongga (kup); adapun cara yang
digunakan yaitu blank ditekan ke dalam cetakan dengan menggunakan
penekan/stempel (punch). Pada proses ini ketebalan sebelum dan setelah dibentuk
26
adalah kurang lebih sama atau tidak banyak berubah. Untuk pembagian deep
drawing dapat dilihat pada diagram 3.2.
Proses deep drawing terbagi menjadi 3 kelompok besar pengerjaan, yaitu:
Oaap drawing
with tooh
IE Dtcp
drawing wWi
rigid tool*
1 D«*p
drawing
wittt • la*Ik punch
I Daap
drawing
with alalti
D
HM.ll
•P drawing
with • i ait it; pad
Deap drawing
with pratiura madium
Dean drawing
lorna-acttvatad madium
anaigy-attivalad madium
Dtap drawing
tiHca»itiv»trr1 liquid madhim
Ilaafi
drawing with
torca trtlvarad •olid
gr anular madium'
Daap drawing
yith eneigy activation
D a * .
torca-activaiad jar • l>u« madium
with anargy-ac I iva tad
lolirf granular madium
D«ep drawing
with anargy-act Iva tad liquid madium
drawing
with anargy-act iva tad
tdfum
DIAGRAM 3.2
KLASIFIKASI PROSES DEEP DRAWING
I I Hi mi El
lal
GAMBAR3.;
DEEP DRAWING DENGAN STEMPEL PADAT
27
1. Deep drawing dengan dies/matres.
Dies yang digunakan pada proses ini dapat berupa tools yang padat/rigid
(bahannya dari metal), dapat dilihat pada gambar 3.1 ataupun tools yang
sebagian bahannya dari bahan elastis (misalnya karet), dapat dilihat pada gambar
3.2.
Proses deep drawing dengan dies ini terbagi atas tahap:
la) (b)
GAMBAR 3.2
DEEP DRAWING DENGAN STEMPEL ELASTIS
- first draw
- redraw
Pada first draw terjadi pembentukan sebuah benda berongga (cup) dari sebuah
potongan plat, sedangkan pada redraw sebuah benda berongga tadi dibuat
menjadi benda berongga lainnya dengan pengurangan diameter cup serta
pcrtambahan tinggi dinding cup.
2. Deep drawing dengan perantara media kerja.
Medium tekanan yang digunakan dalam deep drawing jenis ini dapat berupa
partikel-partikel padat dengan bentuk yang tidak teratur, gas ataupun cairan.
28
Dalam praktek jenis cairan adalah jenis yang paling banyak digunakan. Medium
ini dapat meneruskan gaya-gaya statis seperti pada deep drawing dengan water
bag, membran, dan lainnya (gambar 3.3). Gelombang tekanan tercipta oleh
pelepasan energi secara tiba-tiba yang dihasilkan dari ledakan campuran gas,
percikan bunga api listrik atau pelepasan gas tekanan tinggi secara tiba-tiba.
D M P drawing with • praitur • medium
Dynamic action
n| Deep, drawing
uiing und, HBBl »hOt, tlC.
D n p drawing by txploatvt detonation with und §i the
trantmitting medium
Deep drawing uiing Deep drawing using a water beg a membrane
Expf olive charge
Deep drawing by ipark diicharoe
Deep drawing uiing exploit vet
Diep drawing uiing Dtap drawing uiing one-tided liquid preiturt two-tided liquid preuure
Deep drawing by •perk discharge
Deep drjwing uiing explosives
GAMBAR 3.3
DEEP DRAWING DENGAN MEDIA KERJA
2()
3. Deep drawing dengan energi aktif.
Pada umumnya deep drawing jenis ini memanfaatkan reaksi dari medan
elektromagnet (gambar 3.4).
Coil
Coil support
Workplace
Die
GAMBAR 3.4
DEEP DRAWING DENGAN ENERGI AKTIF
Tegangan normal rata-rata am= (a,+a2+a3)/3 (,) adalah tegangan tarik
selama proses deep drawing, hal ini merupakan kekurangan dalam menghasilkan
regangan maksimum yang memungkinkan jika dibandingkan dengan proses untuk
material bulk (misalnya proses extrusion), dimana regangan yang besar
dimungkinkan. Regangan yang dapat diterima dalam proses deep drawing dibatasi
dengan tegangan-tegangan tarik maksimum yang memungkinkan pada material.
Bagaimanapun juga, batas tegangan tarik dari single draw tidak mempengaruhi
kemampuan material untuk dapat dibentuk (material formability limit). Dewasa ini
telah dikembangkan proses yang dapat menaikkan formability limit dari material
dengan menaikkan tegangan normal rata-rata am.
L-angc, Kurt, Handbook of Metal Forming. McGraw-Hill, p. 20.3.
30
Blankholder^
Blank •
KSZZ2I
'/.' First draw
) Punch
kl Redraw
GAMBAR3.5
TAHAPAN DEEP DRAWING
Pada gambar 3.5 dapat dilihat dua tahap deep drawing , first draw dan
redraw. First draw menghasilkan sebuah cup dari lembaran plat. Setiap kali
dilakukan redraw, diameter dari cup akan mengecil dan tingginya bertambah.
Gaya-gaya yang penting untuk menghasilkan deformasi tidak diterapkan
langsung pada daerah deformasi, tetapi ke penekan (punch) yang meneruskan ke
dasar cup dan diteruskan oleh dinding-dinding cup ke daerah deformasi. Ini
pcnyebab tingginya tegangan tarik di dalam dinding cup.
2.1 Jalannya Ptoses Deep Drawing
Demikian benda kerja/plat ditekan dengan draw stempel (punch) maka
tcrjadilah perubahan plat di daerah antara matres (die) dengan stempel.
Perubahan ini dilanjutkan sampai ke dasar cup, dimana besarnya
perubahan ini ada batasnya yang apabila terlampaui akan menyebabkan
kerusakan pada plat. Dengan bertambah dalamnya draw stempel masuk
31
maka daerah ini mengalami proses penarikan (stretch formed), selain gaya
bending.
Pada proses deep drawing ini lembaran mengalami 3 jenis deformasi yang
berbeda, tergantung pada posisinya:
1. Bagian yang terletak di bawah penekan akan mengikuti bentuk penekan,
sedangkan gaya yang bekerja pada bagian ini adalah gaya tarik biaksial
akibat kerja penekan.
2. Bagian yang terletak di tepi blank akan mengalami penarikan secara
radial ke arah matres dan mengalami pengurangan diameter. Bagian ini
mengalami gaya tarik pada arah radial dan gaya tekan pada arah keliling
yang akan menyebabkan lembaran bertambah tebal dan mungkin
membcntuk kerut (wrinkling). Tetapi saat material melalui radius
cctakan, terjadi pelengkungan (bending) dan pelurusan kembali yang
akan memberi efek penipisan yang mengkompensasikan peningkatan
ketebalan tersebut.
3. Di antara kedua bagian tersebut yaitu bagian dinding cup, tidak terjadi
bending dan gaya yang bekerja semata-mata hanya gaya tarik saja.
32
GAMBAR 3.6
FIRST DRAW
2.2 Tcgangnn pada proses first draw
Pada gambar 3.6 menunjukkan gambar skema dari susunan untuk first
draw. Pusat dari lembaran plat/blank (diameter d,) bersama dengan
diameter luar d0 hanya tertarik sedikit dalam pembentukan dasar cup.
Dengan mengandaikan bahwa ketebalan dinding tetap konstan selama
proses deformasi, ketinggian cup dapat diperhitungkan dengan rumus.
hc = (l+d0/d,)(d0-d,)/4(2> . [ 3 JJ
Penjelasan berikut mengacu pada gambar 3.7. Posisi I adalah bagian dari
elemcn volume yang terletak pada blank sebelum proses drawing dimulai,
bergerak ke posisi II saat punch mulai menekan, dan akhirnya mencapai
posisi III di dalam dinding cup. Selama pergerakan ini elemen menunjukkan
gaya tarik dalam arah radial dan gaya tekan dalam arah keliling. Bersamaan
dengan itu elemcn mengalami tarikan pada arah radial dan tekanan pada
33
arah tangensial. Sedangkan bending terjadi saat elemen bergerak dari flange
melewati bagian tekukan die masuk ke dalam dinding cup.
- d 0
M
or + dor K3& - " da Streiiei in the element
11 2 *Q
l - C B f
at \ °t~ °- Without blank-hoWtr
't Ibl
GAMBAR3.7
TEGANGAN PADA DEEP DRAWING
2.3 Rcgnngnn
Regangan dievaluasi tanpa memperhitungkan bending pada jari-jari atau
lengkungan die. Arah daripada tegangan-tegangan dasar berhubungan
dengan regangan dalam arah radial dan normal. Pada cup yang telah
34
diselesaikan menunjukkan regangan-regangan sebagai berikut, dimana s,
adalah tebal dinding cup mula-mula dan d' adalah diameter asal dari elemen
cincin yang dianalisa:
<P, - ^ (d/d')
<PZ = l n (s./so)
(pr = In (s0dys,d,) ('.)
.[3.2]
[3-3]
[3-4]
Dan untuk memenuhi persyaratan volume tetap maka (pr+9,+{pz=0 harus
terpenuhi. Sifat-sifat deformasi dari benda yang dideepdrawing biasanya
ditentukan oleh karakter drawing ratio (13) yaitu perbandingan diameter
blank do dengan diameter dalam cup yang telah selesai, d, :
[3.5] 0=do/d, (•i)
1.00
0.75
0.60
0.26
w 0.26
•0.25
•0.50
•0.75
• 1.00
in <p 100 mm (3.94 in)
Tl • 'v
GAMBAR3.8
GRAFIK DISTRIBUSI REGANGAN SETEMPAT
35
Dengan terjadinya kontak stempel dengan blank, deformasi terbatas pada
dacrah di bawah stempel. Dengan semakin ditekannya benda kerja oleh
stempel, maka terjadilah perubahan pada plat di daerah antara matres
dengan stempel. Perubahan ini dilanjutkan sampai ke dasar cup.
Dengan bertambah dalamnya draw stempel masuk, maka pada daerah ini
mengalami proses tarikan (stretch formed). Selain juga proses bending
yang terjadi pada sckeliling lengkungan stempel dengan matres(5). Hal ini
menjelaskan bahwa regangan pada dasar cup tidak semuanya nol, seperti
yang ditunjukkan pada gambar 3.8 dimana cpt bertambah terus antara AC
sementara cpt bcrkurang. Sementara itu cpmax dihitung sebagai :
9 n « x = l < P , l (6) P-6]
Regangan normal (pz dalam arah tebal selalu negatif pada dasar cup, maka
dari itu lembaran plat Iebih tipis pada daerah ini. Di dalam dinding cup,
regangan normal meningkat terus yang mengakibatkan ketebalan dinding
pada tepi atas pada umumnya lebih besar daripada ketebalan plat
mula-mula, s0. Distribusi ketebalan dinding pada seluruh cup bergantung
juga pada parameter lainnya, seperti : drawing ratio, bentuk geometri tool,
tekanan penjepit plat dan sifat anisotropi material. Pada eksperimen,
deformasi lokal Iebih sering diukur dengan menggunakan penandaan skala
dan etsa foto kimia(7) pada blank sebelum dideformasi.
5 Ronianowski. W., 1967, Tlic Initial Stage in Peep Drawing, p. 611-613.
I-angc, Kurt, Handbook of Metal Forming, McGraw-Hill, p. 20.8. MOsclicnboni, W., 1969, Iiivcsligalioii of The Deformation of Two Drawing Halves with Pliolocliciiiicallv Applied Orids. p.
109-115.
36
2.4 Keretakan dan Limiting Drawing Ratio (LDR)
Dengan semakin besarnya drawing ratio (B) yang dipilih, semakin besar
pula beban drawing maksimum dengan kondisi-kondisi Iain yang konstan.
Beban ini harus diteruskan oleh dinding komponen yang didrawing. Untuk
itu perbandingan drawing (drawing ratio) tidak boleh mencapai harga
maksimum yaitu LDR (I3max), untuk menghindari terjadinya retakan pada
dasar cup.
Bentuk kerusakan pertama disebut retak prematur dan bentuk yang lain
disebut retak yang sesungguhnya. Retakan sesungguhnya selalu terjadi
pada daerah tekukan/lengkungan dasar cup, juga pada daerah transisi dari
tckukan dasar ke dinding cup. Bentuk retakan ini sering disebut retakan
optimal karena dalam hal ini beban paling besar yang dimungkinkan
dipindahkan pada daerah transformasi. Beban retak dapat ditentukan (8)
dengan rumus :
Fcr=Su7ldms0acr ....[3.7]
dimana : Su = tegangan tarik ultimate
dm- harga rata-rata diameter dinding cup
= d,+s0
s0 = tebal plat mula-mula
a = faktor retakan
Docgc , E., 1963, Invcsligalion of Maxinnini Transniillablc Load in Deep Drawing of Circular Cylindrical Coinponenis. DR. Ing. thesis, Berlin.
37
Faktor retakan untuk beberapa jenis material dapat dilihat pada tabel di
bawah ini :
Material act
Deep-drawing steel sheet, RSt 14 (SAE 1006) 1.05-1.55 Austenitic steel sheet, X 5 Cr Ni 18 9 (AISI 304) 0.95-1.30 Brass, Cu Zn 37 (UNS C27000) 0.92-1.27 Pure aluminum, Al 99.7 w (AA 1050-O) 0.99-1.22
TABEL 3.1
TABEL FAKTOR RETAKAN
Sebagai batas perbandingan drawing (Limiting Drawing Ratio = LDR)
adalah I3max yang dapat dicari dengan (dt/d,)^. Harga I3max di atas
seharusnya hanya digunakan sebagai pertimbangan pertama dimana harga
ini masih dipengaruhi oleh beberapa parameter lainnya. Perkiraan harga Rma
untuk beberapa material dengan perbandingan diameter terhadap ketebalan
do/so=50 diberikan pada tabel di bawah ini :
38
Material 0m„
Steel sheet, depending on quality 1.8-2.2 Aluminum, copper, Al Cu Mg sheets 2.1 Brass sheet, depending on prestrain 1.7-2.2
TABEL3.2
TABEL BMAX BEBERAPA MATERIAL
Menurut Panknin dan Grosch(9), jika material isotropik dan alat (tools) yang
digunakan mempunyai ukuran tetap, maka I3miix bergantung terutama pada
kondisi gesekan stempel dan matres (die). Semakin kecil gesekan pada die
dan penjcpit plat dan semakin besar koefisien gesek p pada stempel, maka
semakin besar LDR yang dapat diterima.
Material: Si 1403 (AISI 10061 •0 - 0.5 mm (0.02 In)
so IOO iso 200 no 300 no 100 Relative punch diameter dp/S0
GAMBAR3.9
LDR SEBAGAIFUNGSI Dp/S0
Ketebalan lembaran plat dan diameter stempel juga mempengaruhi Bmax.
Kotthaus(l0) telah menentukan bahwa Bmax menurun dengan menuainnya
Panknin, W., Grosch, J., 1969, The Effect of Workpicce Material on Cracks in Peep Drawing of Unkillcd Steels, p. 339-348.
KolUiaus, II., 1955, An Investigation of The Transpolahilitv of Test Results from Models to Full Scale Tooling for Deep Drawing of Round Cylindrical Components. DR. Ins, thesis, Tcchnische llochschulc, Stutgart.
39
ketebalan relatif daripada lembar plat (s0/do) atau naiknya diameter stempel
relatif (dp/s0), hal ini dapat dilihat pada gambar 3.9. Penjelasan untuk
hubungan di atas dapat ditemukan dalam kondisi gesekan. Semakin kecil
ketebalan relatif, semakin besar kerugian gesekan dan LDR semakin
rendah. Gesekan blank tidak hanya bergantung pada pelumasan tapi juga
pada tegangan penjepit plat. Perbandingan tegangan luluh Sy/Su
menunjukkan pengaruh yang kecil pada LDR. Koelzer(ll) menemukan
bahwa komponen berbentuk silindris dapat dideepdrawing lebih baik jika
S/Su rendah.
Pengaruh dari kecepatan drawing pada LDR diteliti oleh Panknin(l2),
ditemukan sebab utama dari pengaruh kecepatan adalah pada gesekan,
yang sccara umum tergantung pada medium pelumasan, yang lebih rendah
pada kecepatan yang lebih tinggi. Pelumasan yang baik akan meningkatkan
nilai LDR, tcrutama pada daerah penjepit blank (blankholder) dan radius
dies.
Nilai LDR juga dipengaruhi oleh harga anistropi plastis pada arah normal
(r). Secara umum dapat dikatakan bahwa kenaikan harga r akan menaikkan
nilai LDR. Meskipun demikian, hubungan kuantitatif antara r dan LDR
belum pasti. Pada tabel 3.3 menunjukkan daftar lembaran material untuk
proses deep drawing yang paling penting bersama dengan drawing ratio
yang digunakan di dalam industri untuk first draw dan redraw. Harga-harga
Koclzcr, II., 1949, The Behavior of Deep Drawing Sheets as a Function of Tcsline Method. Dr .Ing. thesis, Tcchnische 1 Iochschulc, Braunschweig. 12
I'anknin, W., 1959. Effect of The Drawing Rale in Deep Drawing, p. 391-396.
w r > H W -
1 H z c c 2 H 0 --—
a >
-. > — -—
Des ignat ion
DIN"
MiW «l«-f
LSI 14*
USI13
HRSH4
Stafll/ciS ttfV*/
Prrritic XSCH7 Aoctaiiiie X5Ci,NilK.9
Hral-rcnstanl sln-l
Frrritic XIIH>A||3 Auifrntttc X 15l>N<252<>
t'S
A LSI IO0S
ALSI 11X)H
SAE 1006
AISI *10
A LSI 304
ASTM lvpe-405
AISI 311
Minimum
•vy.o> N/mm2(ksi!
S 2 S 0 (40.6)
s n F»25) 2S220 (31.8)
270(39.151
185 (26 K)
295 (42 H)
295 (42.8)
Minimum S» N/mm 1
(hi )
270-411) (39.15-54.45) 170-370 (39 15-53.65) 270-350 (59.15-50.75)
450-600 (65 25-671 500-700 (72 5-101.5)
50O-S50 (72.5-94 25) 54(0-740 (9555-1073)
Minimum fracture strain. »$. nj (Specimen:
4> « SO mm. ho - 20 mm)*
«0 £ 5 mm*
23
32
36
20 J. 15 p c
SO I. 37 p '
15
40
Achievable drawing ratia 3
First draw
l.S
1.9
2.0
1.55
2 0
1 7
2.0
Pint redraw without
annealing
1 2
125
1.3
— 1.2
1.2
12
First redraw with
annealing
1.5
165
1.7
125
18
1.6
1.1
Lubrication
Water-based oil emulsion with increasing soap content as the severity of service increases
Waittr-graphtte paste or a thick mixture of linseed oil and white lead oxide; sodium palmitatc
Water-graphite paste or a thick mixture of linseed oil and while lead oxide; sodium palrmUle
Remarks
Steel quality suited for: drawing deep drawing extra deep drawing
Ferrilic sheets have low ductility at room temperature and are drawn often at elevated temperatures of 67-177°C (153-350=F)
Strong increase in brrftleness during deformation
C:
42
ini lebih kecil dari harga-harga yang telah dibahas di atas, yang ditentukan
di bawah kondisi laboratoris. Dalam industri, keamanan adalah yang paling
pcnting. Daripada resiko retak karena drawing ratio yang terlalu besar
maka proses redraw tambahan digunakan. Untuk tujuan tertentu, LDR
tinggi lebih diinginkan. Penelitian telah menunjukkan bagaimana I3max
dapat dinaikkan di atas nilai yang telah diketahui. Pada prinsipnya, LDR
dapat dinaikkan jika kita dapat mengurangi tegangan alir di dalam flange
atau menaikkan kekuatan lembar material pada daerah transisi dari dasar
cup dinding. Beberapa usaha telah dicoba, seperti pemanasan setempat
pada flange, penggunaan stempel yang didinginkan pada blank yang
dipanaskan. Karena memerlukan lebih banyak usaha/kerja, maka hampir
tidak ada proses-proses terscbut di atas yang digunakan secara meluas pada
industri.
Schingga dapat disimpulkan, pada umumnya batasan drawing ratio
dipengaruhi oleh :
- Kondisi dari gesekan pada stempel dan matres. Makin kecil gesekan pada
matres dan penjepit plat dan makin besar koeflsien gesek u pada stempel
maka harga drawing ratio dapat lebih besar.
- Tebal plat. Makin kecil harga s0/d0 makin kecil pula harga Bmax.
- Diameter stempel. Makin besar harga dsl/d0 makin kecil harga Bmax.
- Anisotropi material. Nilai-r besar maka I3max juga besar.
43
Pengaruli dari yield strength ratio (Sy/SuJ- Semakin kecil Sy/Su semakin
besar Bm„.
Kecepatan laju stempel drawing. Semakin tinggi kecepatan maka 8m(lx
semakin berkurang.
2.5 Pengaruli Sifat Anisotropi pada Deep Drawing
Deep drawing adalah proses pembentukan yang paling jelas menunjukkan
sifat anisotropi material dan dimana pengaruli anisotropi telah diketahui
untuk waktu yang lama. Telah dibahas di atas bahwa LDR bertambah
dengan naiknya nilai-r seperti yang ditunjukkan gambar 3.10.
/ kConfidence interval
Materiel: Unkillcd deep-drawing neel iheet
050 0.75 tX» U 5 ISO 175 r value In rolling direction
GAMBAR 3.10
PENGARUH NILAI-R LDR
44
Kegunaan dari lembaran plat dengan nilai-r yang besar tidak hanya
menghasilkan lebih sedikit penipisan dinding pada daerah transisi dari dasar
cup ke dinding tetapi juga mengurangi beban drawing.
Material: Killed
0° 15° 30' 45' 60* 75" 90° Angle with rolling direction
GAMBAR3.il
DISTRIBUSI NILAI-R DARI NORMAL ANISOTROPI SEBAGAI
FUNGSI ARAH PENGEROLAN
Secara umum nilai-r tidak konstan pada permukaan plat tetapi
menunjukkan suatu distribusi seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.11.
Banyak material plat dibagi atas 4 bagian untuk perputaran sebesar 360°
ketika nilai-r diplotkan sebagai fungsi sudut dari arah pengerolan.
Bagian-bagian ini dibagi sama dengan sudut 90°, tapi tidak perlu
ditempatkan tepat pada 0°, 90°, 180° dan 270° pada plat. Terlebih dari itu
orientasi ini lebih bergantung pada mikrostaiktur, proses produksi, dan
45
perlakukan panas. Sifat material ini disebut anisotopi planar Ar dan
didefinisikan secara umum sebagai :
Ar = r -r (13)
max mm
Anisotropi planar menyebabkan ketidaksamaan pada tepi dari komponen
yang dideepdrawing, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.12. Pengaruh
Eors
GAMBAR 3.12
KUPINGAN KARENA ANISOTROPI PLANAR
ini dikenal sebagai kupingan (earing). Hal ini tidak diinginkan karena akan
memerlukan proses tambahan dan menyebabkan ketebalan dinding yang
tidak sama.
Ketinggian kupingan akan naik dengan naiknya anisotropi planar Ar dimana
tingginya (puncak ke lembah) dapat mencapai 15-20% tinggi cup. Untuk
mcmperkirakan sifat deep drawing dari plat, pada umumnya digunakan nilai
rata-rata r (r), yang dihitung dari harga r pada pengukuran 0°, 45°, dan
90° terhadap arah pengerolan :
I.angc, Kurt. Handbook of Melal Forming. Mc-Gravv Hill, p. 20.18.
46
r-0.25 (ro+2r45+r90) (,4) [3.8]
Perkiraan yang lebih tepat mengenai sifat-sifat drawing dapat dihasilkan
jika harga minimum rmjn digunakan menggantikan nilai r karena kerusakan
sebenarnya sudah mulai terjadi jika rmlnberada di bawah batas bawah.
Suatu hal yang diinginkan bahwa r seharusnya sebesar mungkin di dalam
deep drawing dan konstan pada penampang plat (Ar=0), atau jika tidak
kupingan akan terjadi. Untuk komponen dengan bentuk tidak silindris,
proses drawing yang terjadi bukan murni proses drawing tapi kombinasi
dari drawing dan stretching. Plat untuk bagian ini seharusnya memiliki nilai
r rata-rata yang besar dan harga r terbesar (rmax ) ditempatkan pada
rcgangan terbesar.
Jakovlev dan Sevelev(15) mengusulkan bahwa kupingan dapat dikurangi
dengan menggunakan blank yang telah dideformasi awal, yaitu
menggunakan blank yang tidak bulat (non-circular) untuk bagian yang
circular, jika distribusi nilai-r dalam penampang plat diketahui. Cup tidak
lagi akan menunjukkan kupingan yang berlebihan, tetapi variasi ketebalan
dinding yang bergantung pada variasi nilai-r tetap akan terjadi.
2.6 Kertiliin Sclnmn Proses Deep Drawing
Pada kenyataannya, flange mempunyai kecenderungan untuk melipat
karena pengaruh gaya tekan tangensial. Lipatan yang terjadi ini dinamakan
14 Ibid, p. 20.21.
Jakovlev, P., Scvelcv, V., 1969, On the Possibility lo Eliminate Faring in Deep Drawing of Anisotropic Malerials , p. 43-47.
47
kcrutan (wrinkle). Kerutan dapat dicegah dengan menggunakan penjepit
plat yang ditekan secukupnya (PBH) terhadap benda kerja. Selama blank
dijepit dengan kekuatan yang memadai antara penjepit plat dengan matres,
lipatan tidak akan terjadi. Selama deformasi kctebalan tidak konstan tetapi
bertambah sepanjang sisi luar dari flange sementara bagian pusat yang
dekat dengan lengkungan matres menjadi lebih tipis dibandingkan ketebalan
so pada saat pertama drawing. Karena jarak antara penjepit plat dengan
matres ditentukan oleh ketebalan plat yang paling besar, maka akan
terdapat celah kecil antara penjepit plat dengan plat pada ketebalan yang
lebih kecil. Celah ini memberi kesempatan untuk terjadinya kerutan.
Penelitian Siebel dan Beisswanger(16) telah menunjukkan bahwa variasi
ketebalan dapat mencapai lebih dari 10% dari ketebalan plat mula-mula
untuk drawing ratio (B)=2.0. Lembaran plat yang tipis (do/so>25-40) sangat
pcka terhadap terjadinya kerutan karena momen inersia terhadap terjadinya
lipatan cukup kecil. Plat jenis ini memerlukan tekanan penjepit plat yang
lebih besar dari plat tebal. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.13 yang
menunjukkan hubungan tekanan penjepit plat sebagai fungsi ketebalan plat
rclatif. Plat tebal (do/s0<25) pada umumnya tidak menunjukkan
kecenderungan untuk mengerut karena mempunyai momen inertia yang
besar dan ketahanan yang cukup untuk melawan terjadinya lipatan. Plat
Siebel E.., Beisswanger, II., 1955. Dcen Drawingl Mucnchcn, Carl Ilanscr.
48
jenis ini dapat didrawing tanpa penjepit plat.Selain itu pengaruh anisotropi
juga memberi pengaruh terhadap terjadinya kerutan.
Material dengan nilai-r yang kecil memerlukan tekanan yang besar,
sehingga PBII perlu untuk ditingkatkan dengan naiknya anisotropi planar
(Ar).
2.7 Tekanan Penjepit Plat
Di dalam flange terdapat gaya tekan dalam arah tangensial. Gaya ini dapat
menyebabkan kerutan. Kerutan dapat dihindarkan dengan menggunakan
sebuah penjepit plat (gambar 3.6) yang ditekan dengan tekanan PBH
terhadap flange pada komponen yang dibentuk.
Jika daerah kontak adalah ADI1, maka beban yang diberikan oleh penjepit
plat adalah :
F = A P (l7) T3 91
Tekanan yang diperlukan untuk menghindari terjadinya kerutan bergantung
pada material plat, ketebalan relatif plat (so/d0) dan drawing ratio.
Penyelidikan menunjukkan tekanan penjepit plat yang dibutuhkan dapat
ditentukan dari:
PBH = C 1 0 - 3 [ ( p - i ) 3 + 2 ^ a ] s u (,8) [3.10]
dimana faktor c adalah 2+3 yang telah ditentukan secara empiris melalui
percobaan. Gambar 3.13 menunjukkan tekanan dihitung dari persamaan
49
[3.10]. Untuk p=2.0 dan material dengan Su = 100, 200, 400 dan 600
N/mm2, diplotkan sebagai fungsi dari ketebalan plat relatif so/d0.
Required blenkholder Reletive iheet thiekneu l0W, prtlluri pN , N/mm2
1_J I U _ l 1 I 0 280 5ft(] 8 / 0
M5 436 725 Required blenkrtotder
GAMBAR3.13
TEKANAN PENJEPIT PLAT UNTUK FIRST DRAW
2.8 Anaiisa Regangan dengan Proses Etsa Elektrokimia
Pembentukan komponen dengan bentuk yang tidak teratur, seperti yang
banyak ditemukan pada bagian-bagian body mobil, selain berhubungan
dengan proses deep drawing juga mengandung elemen tarikan (stretch
forming) dan bending. Kondisi bahwa beban drawing harus lebih kecil dari
beban rctak harus selalu dipenuhi, tapi hal ini cukup sulit untuk diterapkan
pada praktek karena masalah geometri benda kerja yang cukup kompleks.
Penelitian regangan dilakukan dengan bantuan jaringan bulatan-bulatan
kecil (grids) dengan diameter 5 mm yang dibuat dengan proses etsa
elektrokimia. Hal ini menunjukkan suatu bagian besar material yang
diperlukan untuk membentuk cekungan dan komponen ditentukan melalui
50
pengurangan ketebalan plat sementara hanya sedikit material mengalir dari
flange. Tegangan setempat dapat berada dalam daerah tarik-tekan
(tension-compression) atau tarik biaksial (biaxial tension) atau dapat
berharga nol. Salah satu cara yang paling baik untuk nlenganalisa tegangan
dan regangan untuk komponen dengan bentuk tidak teratur adalah metode
jaringan bulatan kecil (grids) yang telah disinggung di atas. Cara ini
memungkinkan seseorang untuk mempelajari aliran material ke dalam
matres dan mengevaluasi kemajuan serta hubungan tools dengan pemilihan
material.
GAMBAR3.14
POLA GRIDS PADA PLAT YANG DIDEEPDRAWING
51
shape
Deformed shape
T b
GAMBAR 3.15
PENGUKURAN REGANGAN DENGAN LINGKARAN GRIDS
Gambar 3.14 menunjukkan suatu bagian mobil yang dideepdrawing dengan
suatu pola grids yang telah dibuat terlebih dahulu. Evaluasi dari grids yang
telah terdeformasi ditunjukkan pada gambar 3.15. Tiga regangan dasar (p, ,
(p2 , cp3 dapat dihitung dari diameter (d) lingkaran grids yang belum
terdeformasi dan dari sumbu mayor dan minor (a dan b) dari elips yang
dihasilkan dari lembaran yang dideformasi. Gambar 3.16 menunjukkan 3
bagian pada daerah yang terdeformasi dimana regangan-regangan dihitung.
GAMBAR 3.16
TIGA DAERAH PENGUKURAN REGANGAN
UriQinai
52
Gambar 3.17 merupakan fingkasan hasil-hasil perhitungan dari tiga regangan
dasar dan regangan ekuivalen ((f)) yang dihitung dengan kriteria von Mises :
[3.H] <p = - W < p ? + <pi(p2 + q>2 (,9)
JS
• 0 2
0
-0.2 [ :^nr \
• • «
-M—t-a h
- 0 2
I
- 0 «
GAMBAR 3.17
GRAFIK REGANGAN DASAR
Ibid, p. 20.30.
53
Sementara itu cp3 dapat dihilung juga dengan prinsip volume tetap, yaitu :
<P, + <P2 + % = ° t 3 1 2 ]
Distribusi regangan pada bagian A-A lebih konstan antara titik d dan e dan
terdapat hanya sedikit harga tinggi pada titik b dan g. Regangan yang lebih
besar ditemukan pada bagian B-B dan C-C yang disebabkan oleh tarikan
setempat pada sudut komponen. Regangan dalam flange dan bagian pusat
yang datar sangat kecil.
Ketika menggunakan metode grids untuk menghitung regangan pada plat,
dua hal hams diingat. Pertama karena daerah grids adalah terbatas, hanya
harga regangan rata-rata yang dapat ditentukan. Regangan sesungguhnya
dapat lebih tinggi dari nilai terhitung. Untuk itu diameter bulatan harus
ditentukan secara hati-hati dalam hal hubungan antara ketepatan dan upaya
yang dilakukan. Kedua, hanya regangan pada akhir proses yang dapat
diteliti dengan pengukuran grids. Jika komponen sangat tidak teratur,
memungkinkan bentuk tegangan akan berubah selama proses, misalnya,
bentuk tarik-tekan menjadi tarik biaksial. Perubahan ini akan menyebabkan
kesimpulan yang salah mengenai kemampuan bentuk dari plat.
Metode analisa regangan seperti yang dijelaskan di atas digunakan terutama
untuk menentukan batas keamanan terhadap keretakan dalam deep
drawing. Grids hanya diterapkan pada daerah kritis dari komponen yang
didrawing, yaitu, dimana necking atau retak dapat terjadi atau yang
diperkirakan berdasarkan pengalaman akan terjadi.
54
2.9 Pclumasnn
Pemilihan pelumas yang baik/tepat tergantung pada material benda kerja,
permukaannya dan juga material dari tool dan permukaannya. Pelumas
yang utama untuk deep drawing diberikan pada tabel 3.4.
Oils'
Greases
Animal
Whale oil
Stearin Wool grease
Vegetable
Rape oil Linseed oil Castor oil
Mineral
Cylinder oil Kerosene Carbide oil
Lubrication grease Vaseline
'Used either straight or In water-based emulsions.
TABEL 3.4
PELUMAS UNTUK DEEP DRAWING
Penambah (additive) seperti grafit (graphite), zinc sulfide, lime, chalk,
halogen and phosphorus compounds atau white lead oxide sering
ditambahkan pada minyak mineral untuk meningkatkan kestabilan pada
tekanan yang tinggi. Beberapa dari kandungan ini bersifat racun.
Pelumas padat seperti, metal soaps, molybdenum disulfide dan coloidal
graphite, juga sering dipakai dalam deep drawing. Bahan-bahan ini
mampu mencegah hubungan langsung antara matres dan blank.
Penyelidikan oleh Wiegand dan Kloos(20) dan Kramer(21) menunjukkan
bahwa metal soaps memberikan pelumasan yang lebih baik daripada
minyak pelumas. Kramer menemukan terjadi penurunan sebesar 8% beban
55
drawing ketika sebuah plat deep drawing st 1302 (AISI 1008) dibentuk
dengan matres baja perkakas dengan menggunakan pelumas cadnium
stearale dibandingkan dengan menggunakan minyak mesin. Pengukuran
penyclesaian permukaan membuktikan bahwa tekstur mikro pada
permukaan cup yang dibentuk dengan pelumasan cadnium stearate sama
dengan tekstur dari blank, menunjukkan tidak ada kontak langsung antara
blank dan matres.
Kerugian dari pelumas padat terletak pada kesulitan dalam pemakaian dan
menghilangkannya setelah proses. Tabel 3.3 menunjukkan beberapa
pelumas yang cocok untuk material deep drawing yang paling penting.
Daftar ini tidak lengkap dikarenakan banyaknya produk yang ada.
Ketika membentuk material yang sulit untuk dibentuk, mungkin
diperlukan (untuk bentuk persegi atau silindris yang dalam) lapisan
tambahan {phosphate coating) untuk mencegah kerusakan pada
permukaan benda kerja. Lapisan tambahan ini lebih melekatkan pelumas
ke bcnda kerja, schingga selama proses pembentukan lapisan film pelumas
tidak mudah pecah. Untuk komponen dengan radius dasar yang besar
memerlukan pemakaian pelumas dengan ketebalan yang rata. Jika tidak
maka benda kerja mungkin akan terbcntuk secara tidak merata. LDR
yang besar dapat dicapai jika koefisien gesekan antara stempel dan blank
tinggi (stempel yang kasar dan tidak ada pelumasan pada daerah ini) dan
gesekan antara blank dan matres serendah mungkin.
56
2.10 Cacat pada Deep Drawing
Hornauer^ mengelompokkan cacat yang sering terjadi sebagai berikut :
1. Kcsalahan ukuran dan bentuk.
2. Cacat dalam benda kerja atau permukannya.
3. Sifat-sifat yang tidak diinginkan (misalnya kupingan).
Sedangkan penyebab cacat dapat berupa :
1. Material blank yang cacat.
2. Kesalahan desain.
3. Cacat/kesalahan dalam proses (termasuk tools, mesin fan fixture).
Jika cacat berupa robekan pada plat maka penyebabnya adalah :
- P terlalu besar.
- Radius terlalu besar.
- Stempel dan matres tidak simetri.
- Jarak antara stempcl dan matres terlalu dekat sehingga tidak terjadi
drawing murni melainkan stretch forming.
- Tebal plat tidak merata.
- Posisi plat tidak tepat.
Tabcl di bawah ini menunjukkan cacat drawing yang paling penting,
tampak luar, penyebab dan cara pencegahan.
o > n > H
>
—
z Q • <
> Z O — > r z Q — w z H Z
o
- ; > 03
r
Exterior appearance and failure
#
C2>
Q
Bottom cracks a After forming a shallow cup with a
height less than -40% of the punch diameter, the bottom tears off and is attached to the wall by only a small web
b Very shallow cup; flange very wide on one side and narrow on the opposing side
c Very shallow cup; flange wider on two opposing sides than elsewhere
d Almost completed draw with heavy wrinkles in flange
e Very shallow cup; heavy pressure marks on inside of wall in the region of the crack
Bottom is torn off all around the punch; no cup is formed
Uneven cup edge with vertical wrinkles in otherwise completed cup
Failure cause
Drawing ratio too large with respect to workpiece material and tool geometry
Eccentric loading of blank
Uneven sheet thickness
a Biankholder pressure too low b Die clearance too small c Die radius too large
Punch not centered in die
Drawing tool acts like stamping tool because:
a Die radius too small b Die clearance too small c Punch velocity too high d Biankholder pressure too high
• Die clearance too wide b Die radius too large c BUnlcholder pranire too low
Methods to eliminate failure
Reduce drawing ratio
Install locating pins or centering rings
Reduce sheet thickness tolerance
a Increase biankholder pressure b Increase die clearance c Reduce die radius
Change tool adjustment; use guided die sets
Select proper die and punch radii, die clearance, punch velocity, biankholder pressure, and drawing increments
0
> z 1 -> z
TA
B
r !̂ > Wl
a b c
Ears formed at cup edge or in flange (for incomplete draws)
Cup wall bulges out and lips are formed at edge of cup (shown highly exaggerated)
Puckers are formed in wall of conical, spherical, or parabolic drawn components
In rectangular shapes: a Cracks in middle of the wall b Vertical crack in a corner initiated
at edge c Almost horizontal crack in a comer
Slip bands (Lilders" lines) appear mostly after mild deformation at high stresses, as found in the bottom but seldom in the wall of a cup; they are objectionable, in particular in shallow parts of large areas, such as automobile body parts which will be painted
Unavoidable In all sheers with planar anisotropy
Die clearance too wide
Tangential compressive stresses in "free" area between punch and die
For rectangular or other parts without rotational symmetry repeated failures can result from improper shapes of the blank
For b, insufficient material; for c, too much material; less common causes for b and c:
1 Eccentric blank positioning 2 Uneven sheet thickness 3 Unsuitable lubrication 4 Wear of punch and die radii
at corners 5 Die clearance too small
Crystal texture; slip lines appear mainly in age-sensitive materials with well-defined yield points at low plastic strains and disappears at higher strains
If possible, use sheet with lower planar anisotropy
Replace punch or die to reduce die clearance
Improve state of stress by increasing radial tensile stresses by:
a Increasing blankholder pressure b Increasing blank diameter c Using draw beads d Using special drawing process
Increase die clearance at corners of rectangular draws; punch must be cleaned here of all leftover lubrication media
For c, change blank geometry at corners
If possible increase strain in the "critical" zone; store material at low temperatures and use quickly to reduce aging