## ANALISIS SIMULASI PENGARUH SUDUT CETAKAN TERHADAP GAYA DAN TEGANGAN PADA PROSES PENARIKAN KAWAT TEMBAGA MENGGUNAKAN PROGRAM ANSYS 8.0
I Komang Astana Widi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional Malang Kampus 2 Jl. Karanglo Km.2 Malang aswidi@yahoo.com

## ABSTRAKSI
Selama ini proses pembuatan kawat menggunakan proses wire drawing hanya dilakukan oleh perusahaan-perusahaan, sehingga proses pembuataannya dan data perhitungan untuk mendapatkan  cetakan  yang  sesuai,  berapa  besar  gaya  penarikan  merupakan  rahasia perusahaan.  Oleh  karena  itu  penulis  mencoba  untuk  menganalisa  pembuatan  kawat menggunakan sistem wire drawing sehingga dapat digunakan sebagai pertimbangan semisal usaha kecil. Dan dalam analisa ini penulis menggunakan simulasi dengan bantuan software Ansys 8.0 untuk lebih menghemat biaya.
Analisis  simulasi  pengaruh  sudut  cetakan  terhadap  gaya  dan  tegangan  pada  proses penarikan  kawat  tembaga  menggunakan  program  ansys  8.0  telah  dilakukan  pengamatan. Hasil  pengamatan menunjukan  bahwa  Cetakan  yang  terbaik  untuk  mendapatkan  kawat tembaga dari diameter 2 mm menjadi diameter 1 mm adalah menggunakan cetakan dengan sudut  cetakan  (θ)  sebesar  15 0 ,  karena  menghasilkan  gaya  tarikan  dan  tegangan  terkecil yaitu  0,739.10 8 Pa dengan  gaya  penarikan  sebesar  557  N, sedangkan  tegangan  masimal terjadi pada sudut cetakan (θ) sebesar 5 0 yaitu sebesar 0,116.10 9 Pa, namun hasil ini masih di  bawah  tegangan  ijin  kawat  tembaga yaitu sebesar  0,38.10 9 Pa  sehingga kegagalan penarikan kawat dengan sudut tersebut tidak akan terbentuk.
Kata Kunci : wire drawing, tegangan, gaya, sudut cetakan.

## PENDAHULUAN
Kawat
dalam dunia industri keberadaannya  sangatlah  penting,  karena kawat  banyak  digunakan  diberbagai bidang,  seperti  :  bidang  permesinan, konstruksi  bangunan,  jaringan  listrik, telekomunikasi, elektronika dan lain-lain. Karena  itu  kawat  tidak  dapat  dipisahkan keberadaannya dari dunia industri.
Teknologi  yang  digunakan  dalam proses  pembuatan  kawat  menggunakan Teknologi  Metal  Forming  dengan  proses Wire  Drawing .  Proses  wire  drawing merupakan  proses  pembentukan  logam dimana suatu logam direduksi penampangnya  dengan  cara  menarik logam  disalah  satu  ujungnya  dengan menggunakan peralatan tarik.
Dalam  proses  pembuatan  kawat pertama-tama  dilakukan  pengerolan terhadap  batang  kawat  sehingga  ujung batang  kawat  tersebut  bisa  masuk kedalam  lubang  cetakan,  dan  dalam proses  penarikan  kawat  akan  melalui beberapa  celah  cetakan  (die)    sehingga batang kawat akan mengalami penurunan dimensi/ukuran sehingga bisa didapatkan ukuran diameter kawat yang diinginkan. Pada  prinsipnya  proses wire  drawing adalah  batang  kawat  ditarik  melalui beberapa dies guna  didapat  ukuran  yang diinginkan.  Pada  proses  penarikan kontinyu  kawat  ditarik  melalui  beberapa dies ,  dengan  demikian  kawat mengalami deformasi
maksimal sebelum memerlukan anil.
Prinsip  penarikan  batang  kawat  pada dasarnya  sama,  walaupun  peralatan  yang digunakan  berbeda  untuk  ukuran  produk yang  berlainan.  Batang  dan  tabung  yang tidak  dapat  digulung  diproduksi  pada mesin  tarik. Batang  ditusuk  dengan penusuk  dimasukkan  kecetakan  dan dijepitkan pada kepala tarik. Kepala tarik digerakkan oleh mekanisme hidroliks.
Penarikan  kawat  dimulai  dengan pengerolan  panas  batang  kawat.  Mula- mula batang dibersihkan
untuk menghilangkan  kerak  yang
dapat mengakibatkan  cacat  permukaan  dan keausan  cetakan  yang  berlebihan.  Tahap berikutnya  adalah  persiapan  batang  agar pelumasan  efektif.  Untuk  menghasilkan kekuatan  kawat  yang  tinggi,  diperlukan persiapan  yang  lunak  dengan  kapur  atau lapisan  tipis  tembaga  atau  timah  putih. Selain itu sering pula digunakan lapisasn konversi seperti sulfat atau aksalat. Bahan ini  dipergunakan  disamping  pelumas, seperti sabun pada penarikan kering. Pada penarikan  basah  cetakan  dan  batang seluruhnya  tercelup  dalam  minyak pelumas.
Bila  diameter  batang  cukup  kecil sehingga  dapat  digulung,  maka  dapat digunakan  blok  penggulung  sehingga ruang  yang  digunakan  tidak  terlalu  luas. Karena pada umumnya reduksi penampang  setiap  pas  tarik  tidak  lebih dari  30-40  persen,  maka  diperlukan reduksi  ganda  untuk  mencapai  reduksi keseluruhan.  Mesin  blok  ganda  dengan satu  cetakan  dan  satu  blok  tarik  untuk setiap  reduksi  adalah  umum.  Karena diameter kawat berkurang setelah melalui pas tertentu, kecepatan dan panjang kawat bertambah.  Jadi  kecepatan  setiap  blok tarik  harus  bertambah  besar  agar  tidak
terjadi slip antara kawat dan blok. Hal ini dapat  dicapai  bila  kecepatan  setiap  blok tarik  dikendalikan  oleh  motor  sendiri. Akan  tetapi  untuk  menghemat  energi digunakan  satu  motor  listrik  untuk menjalankan kerucut bertingkat. Diameter setiap kerucut dirancang sedemikian rupa sehingga kecepatannya sebanding dengan reduksi penampang tertentu.
Bila  kecepatan  kawat  dan  kecepatan blok  gulung  tidak  sesuai,  kawat menggeser  pada  blok  sewaktu  berputar dan  menyebabkan  terjadinya  gesekan. Kecepatan  tarik  pada  mesin  cetakan ganda dapat mencapai 600 m/menit untuk penarikan  kawat  besi/baja  dan  2000 m/menit untuk kawat bukan besi.
Operasi penarikan menurut temperatur kerjanya dapat dibagi menjadi dua  macam  yaitu  :  penarikan  panas  dan penarikan  dingin.  Pada  penarikan  panas benda  kerja  dipanaskan  terlebih  dahulu sampai  mencapai  temperatur  diatas temperatur  rekristalisasi  dari  logam. Besarnya  temperatur  rekristalisasi  dari masing-masing logam tidak sama dimana besarnya  dipengaruhi  oleh  jenis  logam maupun paduannya. Sedangkan penarikan dingin  merupakan  penarikan  yang dilakukan  pada  temperatur  dibawah temperatur  rekristalisasi.  Karena  sifat tembaga  murni  adalah  ulet  maka  operasi penarikan  kawat  tembaga  dilakukan dengan penarikan dingin.
Proses  wire  drawing  menggunakan dies  yang  berbentuk  kerucut.  Selama malalui dies, kawat mengalami deformasi plastis dan terjadi penyusutan diameter. Hal-hal  yang  perlu  diperhatikan  dalam proses wire drawing adalah :
1. Gaya  luar  dan  tegangan  yang diperlukan untuk mengerjakan drawing.
2. Reduksi maksimum yang mungkin  dilakukan  bila  gaya  luar maksimum diterapkan. 3. Kondisi  optimal  dari  proses  yaitu sudut dies optimal.
Teknik  penarikan  kawat  dibagi  menjadi dua kelompok utama, yaitu :
1. Penarikan logam besi. 2. Penarikan logam bukan besi. Kelompok  kedua  dapat  dibagi  lagi menjadi  penarikan  logam  bukan  besi yang berat seperti tembaga dan penarikan logam  bukan  besi  yang  ringan  seperti alumunium.
Ansys  8.0  adalah  perangkat  lunak atau  juga  dapat  dikatakan  software  yang dapat digunakan  untuk  menyelesaikan berbagai  kasus  dibidang  struktur,  termal dan fluida. Perangkat lunak (software) ini berbasis  pada  metode  elemen.  Perangkat lunak (software) ini sangat berguna untuk diterapkan pada bidang konstruksi.
Perangkat  lunak  ( software )  ANSYS 8.0  yang  menggunakan  dasar  prinsip metode  elemen  hingga,  disini  akan dijelaskan  sedikit  mengenai  metode elemen  hingga  tetapi  dalam  analisis tegangan  ini  tidak  dibahas  mengenai metode elemen hingga.
Bila  suatu  kontinum  dibagi-bagi menjadi beberapa bagian yang lebih kecil. Bagian-bagian ini disebut elemen hingga. Proses  pembagian  suatu  kontinum menjadi elemen hingga ini sering dikenal sebagai  proses  diskritisasi  (pembagian). Dinamakan elemen hingga karena ukuran elemen  kecil  ini  berhingga  (bukannya kecil  tidak  berhingga)  dan  umumnya memiliki  bentuk  geometri  yang  lebih sederhana dibandingkan dengan kontinumnya.  Dengan  menggunakan metode  elemen  hingga  dapat  dirubah
masalah  yang  memiliki  jumlah  derajat kebebasan tidak berhingga menjadi suatu masalah  dengan  derajat  lebih  sederhana. Derajat  kebebasan  dapat  didefinisikan sebagai  suatu  perpindahan  bebas  (tidak diketahui)  yang  dapat  terjadi  di  suatu titik.
Perpotongan antar elemen dinamakan  simpul  atau  titik  simpul  dan permukaan  antar  elemen-elemen  disebut garis simpul dan bidang simpul .

## METODOLOGI PENELITIAN
Diagram Alir Software  Ansys  8.0  mempunyai cara-cara  sistematik  dalam  menganalisis suatu persoalan. Adapun diagram alurnya sebagai berikut :
Gambar 3.1. Alur Program Ansys 8.0
Data Material Pada  proses  pembuatan  kawat dengan wire  drawing ,  menggunakan  dua jenis  bahan  yaitu  untuk  cetakan  dan kawat dengan spesifikasi sebagai berikut :
Cetakan
Start Pemilihan Jenis Analisis Pembuatan Model Penentuan Tipe Elemen dan Material Meshing Solusi Tidak Hasil End ya
 Bahan = Baja ST 37  Massa jenis = 7850 kg/m 3  Angka poisson = 0,3
 Modulus elastisitas = 1,99 x 10 11 Pa
 Tegangan ijin = 9,99.10 8 Pa Kawat  Diameter awal = 2 mm  Diameter akhir = 1 mm  Bahan = Tembaga (C22000)  Massa jenis = 8880 kg/m 3  Angka poisson = 0,285
 Modulus elastisitas = 1,31 x 10 11 Pa
 Tegangan ijin = 9,65.10 8 Pa
 Koefisien gesek = 0,22 (Sumber; Oberg, Erik, 2000, Machinery’s  Handbook,  New  York, Industrial Press Inc) Dimensi awal cetakan
Gambar 3.2 Dimensi awal cetakan
Gambar 3.3 Sudut cetakan
Dimensi Awal kawat Gambar 3.4 Dimensi awal kawat HASIL DAN DISKUSI
Pemodelan Simulasi
(a)
(b) ( c) Gambar 3.5. sudut cetakan (θ) 5 0 a) Model
Simulasi wire drawing b).
Model cetakan c). Model kawat (a) (b) (c) (d)
(e)
Gambar 3.6. Model Simulasi wire drawing dengan sudut cetakan a). 10 0 b). 15 0 c). 20 0 d). 25 0 e).30 0
Penentuan Tipe Elemen dan Spesifikasi Bahan ANSYS  8.0  menyediakan  133  jenis elemen  yang  bisa  digunakan  untuk berbagai  macam  jenis  analisis.  Untuk penentuan  dari  tipe  elemen  dari  suatu benda  yang  dianalisis  tergantung  dari bentuk  benda,  model  analisis  yang  akan di lakukan dan bentuk elemen yang akan digunakan. Untuk  analisis wire  drawing , elemen  yang  digunakan  adalah  Solid  92. Dimana  Solid  92  adalah  berbentuk elemen  segi  tiga  yang  mempunyai sepuluh node dan setiap node mempunyai enam DOF.
Deskritisasi atau Pembagian Elemen Deskritisasi  atau  pembagian  elemen dilakukan dengan proses yang dinamakan meshing .  Dengan  menggunakan  dasar metode  elemen  hingga,  bentuk  elemen adalah  elemen  segi  tiga  ( 10-node tetrahedral structural solid ) didapatkan :
Gambar 4.1. Pembagian Elemen ( meshing )

## Penyelesaian atau solusi
Langkah  solusi  meliputi  pemberian tumpuan
( displacement ).
Untuk pemberian  tumpuan  di  berikan  tumpuan
untuk  semua  arah  ( All  Dof )  p ada cetakan karena  pada  waktu  melakukan  kerja, cetakannya tidak bergerak. Sedangkan  untuk  kawat  diberikan tumpuan  arah  sumbu  Z  karena  kawat ditarik ke arah sumbu Z sebesar 0,005 m
Gambar 4.2. Free body diagram pembebanan pada wire drawing
Hasil Simulasi Ansys 8.0

## Hasil analisa tegangan
Untuk  pemodelan  simulasi  dengan sudut cetakan (θ) 5 0
Gambar 4.3. Kontur tegangan yang terjadi pada simulasi wire drawing
Dari  hasil  analisis  yang  dikerjakan pada simulasi wire drawing menggunakan  program  Ansys  8.0
didapatkan  hasil  tegangan  yang  berupa kontur  seperti  terlihat  pada  gambar  4.11 di  atas.  Dimana  tegangan  maksimum terdapat  pada  daerah  yang  ditunjukkan dengan  warna  merah  yaitu  di  sekitar ujung  kawat  yang  ditarik  yaitu  sebesar 0,116.10 9 Pa,  sedangkan  daerah  yang  di tunjukkan dengan warna biru merupakan daerah  yang  mengalami  tegangan minimum  sebesar  567  Pa,  akan  tetapi pada  kenyataannya  daerah  tersebut memiliki nilai yang berbeda .
Hasil analisa defleksi Untuk  pemodelan  simulasi  dengan  sudut cetakan (θ) 5 0
Gambar 4.4. Kontur defleksi yang terjadi pada simulasi wire drawing
Dari  hasil  analisis  yang  dikerjakan pada simulasi wire drawing menggunakan  program  Ansys  8.0 didapatkan  hasil  defleksi  yang  berupa kontur  seperti  terlihat  pada  gambar  4.12 di  atas.  Dimana  defleksi  maksimum
terdapat  pada  daerah  yang  di  tunjukkan dengan warna merah yaitu di ujung kawat yaitu  sebesar  0,005003  m,  sedangkan daerah  yang  di  tunjukkan  dengan  warna biru  merupakan  daerah  yang  mengalami defleksi  minimum  sebesar  0,508.10 -3 m, akan  tetapi  pada  kenyataannya  daerah tersebut memiliki nilai yang berbeda.
Hasil analisa gaya Untuk  pemodelan  simulasi  dengan  sudut cetakan (θ) 5 0
Gambar 4.5. Kontur gaya yang terjadi simulasi wire drawing
Dari  hasil  analisis  yang  dikerjakan pada simulasi wire drawing
menggunakan  program  Ansys  8.0 didapatkan hasil gaya yang berupa kontur seperti terlihat pada gambar 4.13 di atas. Dimana  gaya  maksimum  terdapat  pada daerah  yang  di  tunjukkan  dengan  warna merah, yang pada penggambaran ini tidak
tampak  atau  tidak  memenuhi  syarat warna  merah,  dimana  gaya  maksimal yang terjadi sebesar 669 N.

## PEMBAHASAN Perhitungan Manual
Pada perhitungan  manual  untuk mendapatkan  kawat  tembaga  dengan diameter  2  mm  menjadi  1  mm, didapatkan perhitungan sebagai berikut : Reduksi (r )
r = b a b A A A  ...(Dieter, 1996 ; 250)
dimana : A a = Diameter akhir kawat = 1 mm A b = Diameter awal kawat = 2 mm Maka :
r = 2 1 2  = 0,5 Regangan bidang (  )
 = r 1 1 ln  = 5 , 0 1 1 ln  = 0,69
Tegangan alir (  )
 = 1 n K.ε n  .(Dieter, 1996 ; 250)
Dimana K =  Koefisien  kekuatan  pada  bahan tembaga (319,92 MPa) n =  eksponen  pengerasan  regangan pada bahan tembaga (0,54) maka :
 = 1 54 , 0 0,69 x 319,92 0,54  = 170,02 MPa
Tegangan tarik (  a )
 a =                       B b a A A 1 B B 1 σ (Dieter, 1996 ; 250)

## Dimana :
B =  cotg  =   tan
Dengan  = koefisien gesek = 0,22 dan  = sudut cetakan Dan gaya tarik (F) F =  a . A Maka : Untuk sudut cetakan (  ) 5 0 B = 5 tan 22 , 0 = 2,51  a =
   
                  2,51 2 1 1 2,51 51 , 2 1 02 , 170 = 196,02 MPa F = 2 0,001 . 3,14 x 196,02
= 615,5 N
Pembahasan  diambil dari  hasil simulasi  menggunakan  Ansys  8.0  dan perhitungan manual, dan dapat ditabelkan sebagai berikut : Tabel hasil tegangan
No. Sudut Cetakan (θ) Tegangan Hasil Simulasi (Pa) Tegangan Hasil Perhitungan (Pa) 1. 5 0,116.10 9 0, 19602.10 9 2. 10 0,767.10 8 0, 177364.10 9 3. 15 0,739.10 8 0, 163608.10 9 4. 20 0,774.10 8 0, 154263.10 9 5. 25 0,755.10 8 0, 147849.10 9 6. 30 0,881.10 8 0, 143144.10 9 Tabel hasil gaya No. Sudut Cetakan (θ) Gaya Hasil Simulasi (N) Gaya Hasil Perhitungan (N) 1. 5 669 615,5 2. 10 620 556,92 3. 15 557 513,73 4. 20 625 484,86 5. 25 579 464,24 6. 30 641 449,47

## Grafik hasil tegangan dan gaya
Grafik Perbandingan Tegangan
Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Manual Pada Analisa Wire Drawing 0.00E+00 5.00E+07 1.00E+08 1.50E+08 2.00E+08 2.50E+08 5 10 15 20 25 30 Sudut Cetakan ( ) Te ga ng an (P a) simulasi manual Grafik Perbandingan Gaya Tarik Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Manual Pada Analisa Wire Drawing 0.00E+00 1.00E+02 2.00E+02 3.00E+02 4.00E+02 5.00E+02 6.00E+02 7.00E+02 8.00E+02 5 10 15 20 25 30 Sudut Cetakan ( ) G ay a (N ) simulasi manual
Sebagai pembanding  hasil  simulasi dilakukan  perhitungan  manual,  dari diameter awal 2 mm dan diameter akhir 1 mm, reduksi sebesar 0,5 dan regangan bidang sebesar  0,69  didapatkan  masing-masing  nilai untuk  tegangan  yang  terjadi  dan  gaya  yang dibutuhkan  untuk tiap  masing-masing  sudut cetakan.
Sudut  cetakan  ditentukan  dari  sudut terkecil  sebesar  5 0 sampai  dengan  sudut terbesar sebesar 30 0 dengan lebar cetakan yang tetap. Variabel sudut yang bervariasi dipilih  karena  dengan  berubahnya  sudut cetakan maka lebar cetakan untuk bidang persinggungan  antara  kawat  dan  cetakan juga berubah.
Dengan sudut cetakan yang bervariasi didapatkan tegangan tarik dan  gaya tarik minimal  yang  dibutuhkan  untuk  dapat membentuk  kawat  dari  diameter  2  mm menjadi diameter 1 mm.
Dari  perbandingan  tegangan  hasil simulasi  dan  perhitungan  manual  dapat dilihat semakin besar sudut cetakan maka
tegangan  yang  terjadi  cenderung menurun.  Pada  perhitungan  manual penurunan  tegangan  pada  variasi  sudut cetakan  diakibatkan  semakin  turunnya ketebalan  kawat  yang  diakibatkan kenaikan  sudut  cetakan.  Sedangkan dalam  perhitungan  secara  simulasi tegangan  yang  terjadi  dan  dihasilkan cenderung  bervariasi  tetapi  tetap cenderung  turun.  Hal  ini  disebabkan karna didalam simulasi terjadi ketidaksamaan  bidang  kontak  antara kawat tembaga  dengan  cetakan  yang diakibatkan  ukuran  pembagian  elemen (meshing) yang berbeda, begitu juga yang terjadi  pada  hasil  gaya  (F)  yang dibutuhkan untuk membentuk kawat dari diameter 2mm menjadi 1mm.
Sedangkan  selisih  nilai  yang  terjadi antara  perhitungan  manual  dan  simulasi, karena  tegangan  yang  terjadi  pada perhitungan  manual  berdasarkan  dari gaya  tarik  minimal  yang  dibutuhkan untuk  membentuk  kawat.  Sedangkan didalam  simulasi  tegangan  yang  terjadi merupakan  tegangan  konstan  setelah terjadi penarikan  oleh  gaya  pada pergeseran selang jarak tertentu.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Dari  hasil  analisa wire  drawing pada pembuatan  kawat  menggunakan  simulasi dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Cetakan
yang tebaik untuk mendapatkan  kawat tembaga  dari diameter  2  mm  menjadi  diameter  1 mm  adalah  menggunakan  cetakan dengan sudut cetakan (θ) sebesar 15 0 ,
karena menghasilkan gaya tarikan dan tegangan terkecil.
2. Tegangan  terkecil  pada  simulasi sebesar 0,739.10 8 Pa yang terjadi pada sudut cetakan (θ) sebesar 15 0 , dimana merupakan  tegangan  terkecil  yang terjadi  untuk  mendapatkan  kawat tembaga  dari  diameter  2  mm  menjadi 1 mm.
3. Gaya  penarikan  kawat  tembaga  pada sudut  cetakan  (θ)  sebesar  15 0 adalah sebesar  557  N,  dimana  merupakan gaya tarikan terkecil untuk mendapatkan  kawat  tembaga  dari diameter 2 mm menjadi 1 mm. 4. Tegangan  masimal  yang  terjadi  pada pembuatan  kawat  pada  sudut  cetakan (θ)  sebesar  5 0 adalah  sebesar 0,116.10 9 Pa,  masih  di  bawah tegangan  ijin  kawat  tembaga  sebesar
0,38.10 9 Pa  sehingga  tidak  terjadi patah pada saat penarikan.
Saran Dari hasil simulasi wire drawing untuk pembuatan  kawat  tembaga  diharapkan dapat  dijadikan  acuan  untuk  pembuatan kawat tembaga dengan cara wire drawing yang  sebenarnya,  serta  dapat  dilakukan simulasi selanjutnya dengan memasukkan komponen-komponen  lainnya  seperti pelumasan, perlakuan panas dan lain-lain.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Sriati  Djaprie,  Metalurgi  mekanik, penerbit  Erlangga,  Jakarta  1988, hal.274.
2. Gere  dan  Timoshenko,  Mekanika Bahan, Penerbit Erlangga, hal. 10