ffitutrilffiffi, ll1ffi - UNIB Scholar Repository
Transcription
ffitutrilffiffi, ll1ffi - UNIB Scholar Repository
rssN 2087-1880 ir*".H'"d Et' I ''ffi ffitutrilffiffi, ll1ffi Jurnal lknfiah Teknik Mesin krmnfaatan Pirtike{ Gmpuung Kerniri Sebagai Bar e n Pe rguat lbita Kompcit Resin Poliester 1-5 Flarnovro Supiadi lGji Ferygunaan lVhttranol Sebagpi Refrigeran Urtuk tv'lminghtkan Efsierri Tennal Sistenr Pend rgin Kmveksi Derpn lkrlxgrcxtnd ,l TtcrrmlStorqeTa* M DOnStsih,lrdra lvL Ganddi E 6- 15 Karahri$ik FolaAiran Pemisahan !,erosne-Wster Paca Fipa T-Jurrtiu Srdutgf hn Radiw25 nm Dengan Baha;i PlekS$as L6-72 Krrs. Ridhuan NhkimumTegangan lhemrd Parh koses Pecelupan €emmicStalk d Low fursstre tle @stingMoehint l'hndra -31 Fergar*r Pr*trci n Bertingkat "ieriudap Kekerasrn Dan KelsJa'.an ?arr k j I i 23 Baja Karbon Sedang ,t rl ilt ,r tultBnif 3:1-39 StudiAual lnteraisi Mor>fvlochire Pada NIesin Cetak @rtet€ Sistem Bantiig furyadiwansa Fhruq Achmad Yahya, danAri;ul l-kmni ......".. 4O-M rik Kr:mposit Serat TKK$fu| iester ShirlEr Savetlana, An*eas Andriyanto 45 Sfat-sifat tvleka * 50 FergarrhJarak Pemasangan hconfury Cobin Rmf (SCR)Tertndap Temperatur Kabin Mobil A Yudi Eka Risano, Ahmad Su'ud 51-60 hrgujian Karakteristik Perpirdahan Panas Ban Faktor Gesekan hda Penukar Kalor Pipa Korsentrik Dengan Sisipari Pita Terpilin Berlubang 6L-71 Tri lstanto, Wibaua En&aJunarana Kaji Eksperimental Perfonrursi ttrhsin Pendirgin l{ompresi Uap dengan h/b rggu naka n Refr igeran Hi d rokarbon ( HcrO ) Sebagai Aft er nati f Refrigeran Pergganti Rl2 dergan Sistem Perggantian Largsung (bop lnSubtitute) Aftlhal Kumiauan Jurnal llmiah No. Te[mik Mesin II I I Mainil Hal. n f,t l-79 72 - 79 Bandar lannpung IS,5rV llilad2012 2087-r*ffi) I , Jurnal Ltecfuinicel, I/olume 3, Nomcr l, Maret 2012 DAFTAR ISI Pernanfaatan Partikel Tenrpurung Kemiri Sebagai Bahan penguat Pada Konrposit Resin Poliester Hanrorvo Supriadi I -5 Kaji Penggunaan Methanol Sebagai Refrigeran Unfuk Meningkatkan Efisiensi Tennal Sistem Pendingin Ko,veksi Dengan flnderground Thermal Storage Tank 6* L5 Karaktristik Pola AIiran Pemisahan Kerosene-Water PadaPipa T-Jmcrror Sudut 90" Dan Radius 25 rnm Dengan Bahan pleksiglass J Kms. Ridhuan l6 * Maksimum Tegangan Thermal pada proses pencelupan Ceramic stalk di Low Pressure Die Casting Macliiie Hendra 23--3i 2?" Pengaruh Prestrain Bertingkat Terhadap Kekerasan Dan Kekuatan Tarik Baja Karbon Sedang Zulhanif 32*39 Studi Awal Interaksi Man-Machine PadaMesin Cetak Genteng Sistem Banting Suryadiwansa Harun, Achmad yahya, dan Arinal Hamrri S i fat-sifat Mekanik Kompos rt Serat'I'KKS -po I i es'ter Shirley Savetlana, Andreas Andriyanto Pengaruh Jarak Pemasangan secondary Cabin Roof (scR) Terhadap . Temperatur Kabin Mobil A. Yudi Eka Risano, Ahmad Su'udi -J 40-44 45-50 51* 60 Pengujian Karakteristik Perpindahan panas Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Sisipan Pita Teqpilin Berlubang Tri Istanto, Wibawa Endra Juwana. 6l *7n Kaji Eksperimental Performansi Mesin pendingin Kompresi uap dengan Menggunakan Refrigeran Hi&okarbon (Hcrl 2) Sebagai alternatif Refrigeran Pengganti R12 dengan sistem penggantian Langsung (Drop In Substitute) Aftlhal Kurniawan Mainil 72 -"ti) llr , Jurna! L{echenicol, l,olume J, Nomor !, l{aret 2012 7 PENGANTAR REDAKSI Pada terbitan volume ketiga edisi pertama ini, di bulan Maret tahun ZAt2,Jurnal Ilmiah Teknik Mesin MECHANICAL mempersem6u** jumlah arrikel lebih banyak daripada edisi sebelumnya- Sebagian besar artikel difokuskan aaam bidang proses produksi, rnaterial, konversi energi dan mekanika struktur serta konstruksi-peanlangan. Edisi ini memuat sepuluh artikel, yang disumbSskan oleh para penulis yang beiasal daripada institusi Universitas Lampung, Univesitas Muhamadiyah Metro, Universitas Sebelas Maret Surakarta dan Universit^s Bengkulu- Dewan red3kli menyampaikan terima kasih yang tiada terhingga kepada semua penulis yangtelah berkontribusi penuh mpmajukan ju-uf ini. Selanjutnya?""** redaksi juga menyampaikan penghargaan yang setinggi-tin-gginya kepada mitra bestari atas kesediannya memberikan masqkan untuk rneningkailu" t*tiias jurnal ini. Tidak terlupa juga kami menyalnpaikan ucapan terima kasih kepada seluruh p"nibu", yang telah menjadikan artikel di jurnal ini sebagai bahan rujukan t"hi-rrggu akan memberikan kontribusi lurrrng terhadap publikasi jurnal ini. Selanjutnya kami mengajak para peneliti, pengajar dan praktisi di semua kalangan di bidang Teknik lr'{esin untuk membeiikan,rr-bungu*,yu berupa artikel yang akan dimuat di Jurnal llmiah Teknik Mesin "MECHANICAL" yaig ait".bitkin dua tcatioatim setahun yaitu bulan Maret dan September- Jurnal ini telah dipuulii<asi semenjak tahun 2010 secara berkala, sehingga penyebaran masih djlakukan ke-seluruh daerah cli !4donesia- pad4 tahun i.i, kami akan mempublikasikan jurnal mechanical secara oniine ..rrirge, ii;;d;r-ilth il;r;; pembaca' Harapan kami, dewan redaksi bersama dengan institusi yang menaunginya (LTNIVERSITAS LAl4PtlNG) agar jurnal ini tetap berkembang dan selalu ada improvisasi untuk meningkatkan kualitasnya. Sernua artikel yang telah dan akan diterbitkan bermalfaat bagi semua pembaca dan memberikan inspirasi unt,it pengembangan ilmu dal teknologi di bidang teknik mesin. Dervan Redaksi iv Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 MAKSIMUM TEGANGAN THERMAL PADA PROSES PENCELUPAN CERAMIC STALK DI LOW PRESSURE DIE CASTING MACHINE Hendra Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu Email : [email protected] Abstract Low pressure die casting is process to make the axi-simmetric product such as cylinder head, piston, brake drum and etc. The process is injected the molten metal with high speeds and pressure into a metallic die. The low pressure die casting process has some advantages as a low-cost and high-efficiency precision forming technique. The low pressure die casting having the permanent die and filling systems are placed over the furnace containing the molten alloy. The filling of the cavity is obtained by forcing using the pressurized gas to order a rise the molten metal into a tube, which connects the die to the furnace. The tube called stalk made from ceramics because ceramics has high temperature resistance and high corrosion resistance. However, care should be taken for the thermal stress when the tube is dipped into the molten metal. To reduce the risk of fracture it is important because fracture may happen due to the thermal stresses. In this paper, thermo-fluid analysis is performed to calculate surface heat transfer coefficient. Then, the finite element method is applied to consider the thermal stresses when the stalk is dipped into the crucible with varying the dipping speeds. It is found that the stalk with slowly dipping is better than fast dipping to reduce the thermal stress. Keywords: Thermal Stress, Stalk, Low Pressure Die Casting Machine, Finite element method pembentukan yang tinggi. Gambar 1 menunjukkan skema dari mesin LPDC. Mesin LPDC mempunyai cetakan permanen, tungku pemanasan dan pipa penyalur metal dari tungku pembakaran yang berisi molten metal. Pipa penyaluran berfungsi meneruskan molten metal dengan memanfaatkan gaya tekan dari gas yang dimampatkan dari tungku pembakaran ke cetakan. Pipa penyaluran molten metal disebut dengan stalk. 1. INTRODUCTION Low pressure die casting (LPDC) merupakan suatu proses untuk menghasilkan produk axi-symmetric seperti cylinder head, piston, brake drum dan light automotive wheels [1,2]. LPDC didefinisikan sebagai satu bentuk teknik pembentukan dengan cetakan yang mana prinsip kerjanya yaitu molten metal di injeksikan dengan tekanan dan kecepatan tinggi ke cetakan metal. Proses LPDC memiliki peranan yang besar pada industri pengecoran karena memiliki ongkos yang rendah dan efisiensi ketepatan teknik 23 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 z Moving platen z o Stalk Die u=2mm/s 1300mm r Metal fill Pressuring gases Crucible Fill stalk Molten Aluminum 750° 70mm 15mm z 85mm o u=25mm/s Gambar. 2 Elemen mesh dari stalk (dengan radius sudut =5) 112.2 0.17 0.967 1.1 2.2 0.26 0.6 z Cylinder model (Molten Al T=750oC) 1300mm Thermal conductivity , W/m K Roll diameter D, m Kinematics viscosity , mm2/s Isobaric specific heat C p , kJ/kg K Viscosity , mPa s Constants in Eq. (1) when Re 1103 2 105 (C1 ) Constants in Eq. (1) when Re 1103 2 105 (n) Tabel 3 Harga surface heat transfer coefficient W/m2.K Model 650mm Tabel 1 The physical properties dari molten aluminum at 750oC (1023K) [4] Physical property (dimension) o Gambar.1 Skema dari mesin low pressure die casting (LPDC) ro 85mm ri 70 mm r Level pencelupan hingga pertengahan stalk: 1.5 103 W/m 2 K u 2mm/s Step 16 1.5 103 W/m 2 K given Step 8 Table 2 Mechanical properties dari ceramics Mechanical properties of ceramics (dimension) Thermal conductivity, W/m K Specific heat, J/kg K Coefficient of linear expansion, 1/K Young’s modulus, GPa(kgf/mm2) Specific weight Poisson’s ratio 4 Point bending strength, MPa (kgf/mm2) Fracture toughness, MN/m3/2 Step 2 (1) t 0 - 60s Bagian dalam dan luar permukaan Sialon 17 650 3.0×10-6 294 (29979) 3.26 0.27 1050 (107) 7.5 Material pipa penyaluran terbuat dari ceramic karena ceramic memiliki daya tahan terhadap temperatur tinggi dan korosi. Sebelumnya material stalk atau pipa dibuat dari ri 70 mm ro 85mm z : 0 - 650mm (0.831-19.51) 103 W/m 2 K Bagian bawah permukaan z 0mm 16.1103 W/m 2 K u 25mm/s (0.831-19.51) 103 W/m 2 K (2.53-19.1) 103 W/m2 K 16.1103 W/m 2 K (2) t 60s - 600s Untuk keseluruhan permukaan pencelupan sampai pertengahan stalk: 0.831103 W/m 2 K 0.831103 W/m 2 K besi cor yang mana membuat kualitas produk rendah karena adanya bagian permukaan dari molten metal yang meleleh menempel pada permukaan pipa. Akibatnya kualitas produk 24 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 Surface heat transfer (W/m2・K) rendah dan umur stalk pendek. Oleh karena itu ceramic digunakan untuk meningkatkan umur pemakaian. Tetapi ceramic memiliki kelemahan yaitu memiliki fracture toughness rendah. Gambar.1, menunjukkan ceramic stalk yang memiliki peranan penting pada mesin LPDC karena stalk menerima molten metal dari tabung pemanas yang dikenal dengan nama crucible. Permasalahan muncul ketika ceramic stalk dicelupkan kedalam molten metal karena adanya tegangan thermal yang muncul ketika ceramic stalk dicelupkan. Tegangan thermal ini akan mempengaruhi kekuatan material ceramic sehingga mengakibatkan kerusakan akibat rendahnya fracture toughness dari material ceramic. Paper ini menggunakan metode elemen hingga untuk menghitung tegangan thermal yang muncul ketika stalk dicelup kedalam crucible dengan variasi level pencelupan dan kecepatan pencelupan. 2. METODOLOGI DAN SIFAT PHISIK MATERIAL Ceramic stalk pada mesin low pressure die casting memiliki dimensi panjang 1300mm dan diameter 170mm. Temperatur molten aluminum diasumsikan adalah 750oC. dan temperatur ceramic 20oC. Tabel 1 menunjukkan sifat phisik dari molten aluminum pada temperature 750oC [4]. Tabel 2 menunjukkan sifat mekanik dari material ceramik Ceramik yang digunakan adalah Sialon [3]. Axi-symmetric model digunakan untuk ceramic stalk dengan jumlah elemen 19500 dan nodal 20816. 22000 22000 20000 20000 B D 18000 16000 15000 14000 A x 12000 o 10000 10000 C x o 8000 A 6000 B 5000 4000 C,D 2000 00 00 0.1 100 0.2 200 0.3 0.4 300 400 x (mm) 0.5 500 0.6 600 650 Heat transfer coefficient for 2-D and axi-symmetry model Gambar 3 Surface heat transfer coefficient dari stalk (u=25mm/s) 25 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 400 400 300 300 Maximum stress z max 128MPa (MPa) max 1max 200 200 100 z max rz max r max 100 0 0 rz min -100 -100 r min -200 -200 -400 -400 min 3max z min -300 -300 00 100 100 200 200 300 400 300 400 Time (s) 500 500 600 600 a. 200 200 Maximum stress σzmax =128MPa σ1max σzmax σ(MPa) 100 100 rzmax σθmax σrmax 00 rzmin -100 -100 -200 -200 σzmin σrmin σθmin σ3max -300 -300 0 0 5 10 10 20 20 15 25 30 30 Time (s) b. Perbesaran gambar (a) Gambar 4 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan lambat ( u 2mm/s ) Koefisien heat transfer α ketika stalk dicelup kedalam molten metal diperlukan dalam analisa tegangan thermal. Paper ini menggunakan volume beda hingga 2 dimensi (2D) and axi-simetri model untuk menghitung koefisien heat transfer. Hasil 2D dibandingkan dengan hasil axi-simetri model. Gambar 3 menunjukkan nilai koefisien heat transfer 2D 26 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 z z Detail of A Detail of B 39MPa -19MPa 68MPa -79MPa -108MPa 98MPa 950C -138MPa B 1700C z max 128MPa 2460C 3220C -49MPa 3970C A 4720C 5480C 9.6MPa -19MPa r r 6230C z Temperature Stress z Temperature Gambar 5 Distribusi displacement 50 temperatur dan tegangan dan axi-simetri model dengan kecepatan celup cepat u = 25mm/s . Axi-simetri model menunjukkan nilai koefisien heat transfer α bagian dalam berbeda dengan bagian luar seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. Jika diameter axi-simetri model tak hingga maka nilai α akan mendekati nilai α pada hasil 2D. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien heat transfer α untuk ceramic stalk dengan kecepatan celup lambat u = 2mm/s and kecepatan celup cepat u = 25mm/s . Apabila kecepatan celupnya lebih lambat daripada u = 2mm/s ini sangat lambat pada proses pencelupan dan jika melebihi u = 25mm/s sangat berbahaya. Sehingga dipilih range pencelupan yaitu dan u = 2mm/s u = 25mm/s . 3. TEGANGAN THERMAL CERAMIC STALK ( u = 2mm/s pada saat t = 20.5s ), Pada kecepatan celup lambat , nilai koefisien perpindahan u = 2mm/s αm = 1.5×103 W/m 2 K digunakan panas untuk tiap level pencelupan pada bagian dalam dan luar ceramic stalk sampai mencapai titik tengah ceramic stalk. Level pencelupan bervariasi antara 8 level, 16 level dan 32 level. Hasil yang diperoleh ditunjukkan oleh Gambar 4. Gambar 4 menunjukkan nilai maksimum tegangan tarik 1 , maksimum tegangan tekan 3 , komponen maksimum tegangan r , , z dan maksimum regangan geser rz dengan 16 level pencelupan. Gambar 4 menunjukkan maksimum tegangan z max hampir sama dengan maksimum tegangan tarik 1 pada waktu t = 20.5s Oleh sebab itu hanya maksimum tegangan komponen z max yang akan dibahas dalam tulisan ini karena nilai komponen z max sama dengan nilai PADA 3.1. Hasil Pengujian Pencelupan Lambat 27 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 maksimum tegangan tarik 1 . Maksimum tegangan z max memiliki nilai 1. puncak Saat waktu pencelupan t = 0- 60s , nilai koefisien heat transfer α = (0.831-19.51)×103 W/m2 K 128MPa pada waktu t = 20.5s untuk level pencelupan 16 level. Pada level 8 dan 32 nilainya sama tetapi waktu mencapai nilai puncaknya berbeda. Hal ini disebabkan oleh level pencelupan menimbulkan efek getaran akibat adanya perbedaan panas yang terjadi pada daerah dibawah dan diatas level pencelupan. Maksimum tegangan z max = 128MPa 2. terjadi pada saat waktu t = 20.5s dan tidak mengalami penurunan nilai sampai level pencelupan mencapai pertengahan ceramic stalk. Setelah mencapai pertengahan ceramic stalk tegangan akan mengalami penurunan. Dengan adanya level pencelupan 16 menunjukkan terjadinya fluktuasi nilai tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 5 menunjukkan distribusi temperatur dan tegangan z pada ceramic stalk dengan kecepatan pencelupan lambat u = 2mm/s dan waktu t = 20.5s . Gambar 5 menunjukkan tegangan maksimum terjadi pada bagian dalam dari ceramic stalk 128MPa yang mana tegangan maksimum z max = 296MPa terdapat pada bagian diameter dalam dan bawah ceramic stalk. digunakan untuk bagian dalam dan luar permukaan ceramic stalk. Maksimum nilai koefisien heat transfer pada α = 16.1×103 W/m2 K digunakan permukaan bagian bawah ceramic stalk ( z 0mm ) seperti ditunjukkan oleh Tabel 3. Saat waktu pencelupan t > 60s , nilai minimal koefisien perpindahan panas digunakan α = 0.831×103 W/m2 K pada seluruh permukaan ceramic stalk yang dicelup sampai pertengahan ceramic stalk. Gambar 6 menunjukkan distribusi temperatur dan tegangan z pada ceramic stalk dengan pencelupan cepat ( u = 25mm/s pada saat t =1.1s ). Gambar 6 menunjukkan nilai tegangan maksimum terdapat pada bagian bawah dari ceramic tube. Hal ini disebabkan oleh perbedaan temperatur yang besar terjadi pada bagian dalam dan luar ceramic stalk. Gambar 7 menunjukkan tegangan maksimum 1 , r , , z dan rz . Seperti ditunjukkan pada Gambar 7, tegangan tarik maksimum 1 = meningkat dalam waktu singkat. Setelah mencapai nilai puncak max = 246MPa pada waktu t =1.1s , nilai tegangan tarik akan menurun. 3.2 Hasil Pengujian Pencelupan Cepat Tegangan thermal dengan pencelupan cepat u = 25mm/s ditunjukkan pada Gambar 1. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien perpindahan panas yang digunakan pada pencelupan cepat u = 25mm/s . Tabel 3 menjelaskan nilai koefisien perpindahan panas yang digunakan pada permukaan ceramic stalk dan dibagi menjadi dua proses: 28 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 300 Maximum stress σθmax =246MPa σ1max σzmax σθmax σrmax σ(MPa) 200 200 100 rzmax 00 rzmin σrmin -100 -200 -200 σzmin -300 σθmin -400 -400 u=25mm/s -500 σ3max -600 -600 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 Time (s) (a) u=25mm/s 300 u=25mm/s Maximum stress σθmax =246MPa σ σ1max θmax σzmax rzmax σrmax 200 200 σ(MPa) u=25mm/s 100 00 rzmin -100 σrmin -200 -200 -300 σzmin -400 -400 -500 σ3max σθmin -600 -600 00 11 2 2 33 4 4 55 Time (s) (b). Pembesaran gambar (a) Gambar 6 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan cepat ( u = 25mm/s ) 29 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 z z Detail of C Detail of D 177MPa 108MPa 900C 39MPa 1600C -98MPa 2990C 7190C -167MPa 4390C 3690C 5090C -235MPa 5790C -373MPa σθmax=246MPa 6490C D C r r σθ Temperature Stress Temperature Gambar 7 Distribusi temperatur dan tegangan ( u = 25mm/s pada saat t =1.1s ), displacement 50 30 Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012 and Economical Benchmark. Allumino E Leghe, 2005. [3] Nogami S. Large Sialon Ceramics Product for Structural Use. Hitachi Metal Report, vol.15; 1999.pp.115-120 [in Japanese]. [4] Editorial committee of JSME. Data of heat transfer. Tokyo: JSME; 1986. p.323 [in Japanese]. Tabel 4 Nilai maksimum tegangan tarik pada ceramic stalk Ceramic Stalk Model u=2mm/s u=25mm/s Saat t=20.5s (maksimum tegangan) 1 128MPa (A) z 128MPa (A) 105MPa (B) r 4MPa (A) rz 21MPa (C) Saat t=1.1s (maksimum tegangan) 1 246MPa (A) 246MPa (A) z 209MPa (A) r 89MPa (A) rz 98MPa (B) A B C A B 3.3 Perbandingan Tegangan Maksimal Antara Pencelupan Cepat Dan Lambat Perbandingan tegangan maksimum antara pencelupan cepat u = 25mm/s dan lambat u = 2mm/s dapat dilihat pada Gambar 4 sampai dengan 7. Gambar 6 menunjukkan maksimum tegangan untuk pencelupan cepat u = 25mm/s yaitu max = 246MPa , 2 kali lebih tinggi dibanding dengan pencelupan lambat u = 2mm/s yaitu z max = 128MPa (lihat gambar 4). Tabel 4 menunjukkan posisi maksimum tegangan dan perbandingan tegangan maksimum pencelupan cepat u = 25mm/s dan pencelupan lambat. u = 2mm/s . DAFTAR PUSTAKA [1] “The A to Z of Materials” Aluminum Casting Techniques-Sand Casting and Die Casting Processes. (Online), available from <http://www.azom.com/details.asp? Articled=1392>, (accessed 2008-4-23). [2] F. Bonollo, J. Urban, B. Bonatto, M. Botter. Gravity and Low Pressure Die Casting of Aluminium Alloys: a Technical 31