Pengaruh Sudut Die Penarikan Kawat Baja AISI 1006 dengan Menggunakan Finite Element Method
Destri Muliastri * , Prayoga Lesmana , Devi Eka Septiyani Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung Jalan Gegerkalong Hilir, Ciwaruga, Parongpong, Kabupaten Bandung Barat, Jawa Barat 40559 *E-mail: destri.muliastri@polban.ac.id
Diajukan: 15-02-2022; Diterima: 19-08-2022; Diterbitkan: 22-08-2022

## Abstrak
Pembuatan  kawat  umumnya  termasuk  dalam  pengerjaan  dingin  atau coldworking yang  berarti  proses  pengerjaan dilakukan  dibawah  suhu  rekristalisasi  dari  logam  tersebut,  pengerjaan  dingin  akan  mempengaruhi  sifat  mekanik diantaranya kekerasan, kekuatan dan keuletan. Wire drawing mampu menunjukan perubahan sifat mekanik tersebut dan  parameter  yang  mempengaruhi  ialah  sudut  cetakan  atau die ,  temperatur,  pelumas  dan  juga  persentase  reduksi. Metode  dari  penelitian  ini  ialah  membandingkan  hasil  simulasi  pada software  Ansys  Workbench  19.0 dan  hasil perhitungan dengan teori  yang sudah ada, dengan tujuan  mengetahui pengaruh dari  variasi sudut die terhadap nilai tegangan  alir  dan  gaya  penarikan.  Dalam  penelitian  ini  material wire yang  digunakan  ialah  baja  AISI  1006  ditarik melalui  beberapa  variasi  sudut  die  12º,  14º  dan  16º,  dengan  koefisien  gesek  0,03  untuk  persentase  reduksi  kawat 17,36%. Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah rata-rata tegangan alir dan gaya penarikan. Persentase perbedaan hasil simulasi dan teoritis dari rata-rata tegangan alir dan gaya penarikan memiliki rata-rata sebesar secara berurutan 0,95% dan 5,31 %, dengan nilai tegangan alir terbesar 141,81 Mpa dan gaya penarikan terbesar 502,63 N .
Kata kunci: Baja AISI 1006; Finite Element Method; Sudut die; Wire Drawing

## Abstract
Wire making is generally included in cold working or cold working which means the working process is carried out below  the  recrystallization  temperature  of  the  metal,  cold  working  will  affect  the  mechanical  properties  including hardness, strength, and ductility. Wire drawing can show the changes in the mechanical properties and the influencing parameters are the angle of the mold or die, temperature, lubricant, and also the percentage of reduction. The method of this research is to compare the simulation results on the Ansys Workbench 19.0 software and the calculation results with existing theories, to know the effect of variations in die angle on the value of flow stress and withdrawal force. In this study, the wire material used was AISI 1006 steel pulled through several variations of 12º, 14º, and 16º die angles, with a coefficient of friction of 0.03 for each wire reduction percentage of 17.36%. The results obtained from this study are the average flow stress and withdrawal force. The percentage difference between the simulation and theoretical results from the average flow stress and draw force has an average of 0.95% and 5,31%, respectively, with the largest flow stress value of 141,81 Mpa and the largest tensile force of 502.63 N.

## Keywords: Steel AISI 1006; Finite Element Method, Die angle, Wire Drawing

## 1. Pendahuluan
Seiring  semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dan permintaan pasar terhadap suatu produk yang memiliki nilai kualitas  tinggi  mendorong  khususnya  industri  manufaktur  untuk  dapat  menciptakan  produk  yang  berkualitas  dan mempunyai cost  of  production yang  seminimal  mungkin.  Pembentukan  logam (metal  forming) masuk  dalamkategori kelompok  besar  dalam  proses  manufaktur  tak  terkecuali  kawat  yang  sering  digunakan  dalambidang  pemesinan, konstruksi dan berbagai bidang yang  lainnya. Wire drawing termasuk dalam proses  pembentukan logam dibawah suhu rekristalisasi  untuk  mengurangi  luas  penampang    tanpa  mengurangi  massa  dan  volume.  Terdapat  banyak  faktor  yang mempengaruhi hasil akhir dari penarikan kawat diantaranya ialah persentase reduksi dan sudut approach die , hal tersebut akan berdampak pada kualitas kawat  yang berhubungan dengan sifat  mekanik  [1]. Sifat mekanik suatu  material dapat diketahui berdasarkan nilai rata-rata tengangan alir dan gaya penarikan, besarnya tergangan berkaitan dengan besarnya luas permukaan yang bersentuhan antara kawat dan die [2] .
Penelitian yang  telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya  yaitu menganalisa Pengaruh Persentase Reduksi Terhadap Tegangan Alir, Regangan dan Gaya Penarikan Kawat Baja AISI 1006 dengan Finite Element Method, dalam penelitian yang telah dilakukan yaitu mengulas tentang  pengaruh persentase reduksi terhadap sifat mekanis kawat setelah proses wire drawing  yang dilakukan secara simulasi menggunakan software ANSYS WORKBENCH 19.0 dan dibandingkan dengan perhitungan secara teoritis. Material dies yang digunakan adalah PCD ( Polycrystalline Diamond ) dan material kawat AISI 1006, Hasil penelitian yang diperoleh adalah semakin besar persentase selisih reduksi penarikan kawat maka gaya yang dibutuhkan semakin besar, persentase perbedaan hasil perhitungan secara teoritis & simulasi adalah 2,34% [3].
Penelitian yang  telah dilakukan [4], melakukan analisis pengaruh pelumas terhadap tegangan alir dan Gaya Penarikan, hasil  penelitian  yang  diperoleh  adalah  semakin  kecil  koefisien  gesek  pada  pelumas  maka  rata-rata  tegangan  alir  akan semakin besar, persentasi perhitungan secara teoritis dan simulasi sebesar 2,45%, untuk pengaruh pelumasan terhadap gaya penarikan kawat diperoleh persentase sebesar 23,25%.
Pada Penelitian ini, dilakukan proses penarikan kawat dengan menggunakan parameter sudut dies yang berberda dari penelitian sebelumnya yang hanya menggunakan sudut 12 º . Sudut dies yang digunakan dalampenelitian ini yaitu 12 º, 14º dan 16 º. Tujuan dari peneliian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh sudut dies terhadap penarikan kawat AISI 1006 dengan  menggunakan  Finite  Element  Method,  sehingga  dalam  proses  manufaktur  kawat  dapat  mengurangi  terjadinya cacat.

## 2. Material dan Metodologi

## 2.1 BAJA AISI 1006
Baja  AISI  1006  termasuk  klasifikasi  baja  karbon  rendah  ( hypoeutectoid )  sesuai  dengan  kandungan  karbon    yang menunjukan nilai 0,06% [5]. Berikut merupakan tabel komposisi unsur dan sifat mekanis  AISI 1006 :
Tabel 1 . Komposisi AISI 1006
No. Unsur Komposisi 1. Karbon (C) 0,06 % 2. Silisium (Si) 0,05 % 3. Mangan (Mn) 0,49 % 4. Posfor (P) 0,01 % 5. 6. Belerang (S) 0,016 % C eq 0,15 % Tabel 2 . Sifat mekanis AISI 1006 [6] No. Sifat Mekanik Metric 1. Density 7,872 g/cc 2. Hardness Vickers 98 VHN 3. Kekuatan Tarik Maksimum 330 MPa 4. Kekuatan Luluh 285 MPa 5. 6. Elongation 20 % Reduction Area 45 %

## 2.2 Wire Drawing
Pada  saat  proses  wire  drawing  berlangsung  batang  rod  akan  terdeformasi  plastis  sesuai  bentukan  die,  hal  ini disebabkan  adanya  gaya  reaksi  yang  ditimbulkan  oleh  permukaan  die  yang  bersentuhan  dengan  batang  rod  dan  juga karakteristik material dari batang rod maupun die [7]

## Gambar 1 . Ilustrasi proses wire drawing
Terdapat beberapa faktor utama yang mempengaruhi kerja pada proses penarikan kawat sehingga berdampak pada hasil keluaran kawat, faktor tersebut diantaranya adalah presentase reduksi, sudut die, dan pelumas [4]

## 2.3 Persentase Reduksi
Persentase reduksi merupakan besarnya rasio pengurangan dimensi initial wire dan output wire. Faktor ini berdampak pada  sifat  mekanik  kawat  semakin  besar  persentase  reduksi  maka  akan  menyebabkan  nilai  kekerasan  kawat  semakin tinggi, berikut persamaan yang dapat digunakan:
%𝑅 = 1 − ( 𝑑1 𝑑2 ) 2 𝑥 100 % (1)
%R yaitu Persentase Rasio reduksi, d1Diameter akhir dan d2 diameter awal dalam satuan mm [7]

## 2.4 Sudut Die
Sudut die memiliki fungsi untuk menentukan zona deformasi yang akan berdampak terhadap tegangan Tarik regangan kawat, Dalam perhitungan teoritis  wire drawing sudut die diindikasikan sebagai  varial B bersanding dengan koefisien gesek yang terjadi untuk proses wire drawing, dapat dilihat pada persamaan dibawah ini  [8]:
𝐵 = µ tan 𝛼 (2)
µ menyatakan  Koefisien gesek dan α  yaitu semi-angle die
Salah satu indikasi die optimum dapat dilihat dari nilai delta factor yaitu rasio membentang sepanjang titik tengah dari die terhadap panjang kontak antara kawat dan die, dapat dilihat pada persamaan berikut :
∆ = α r [ 1 + ( 1 − 𝑟) 0.5 ] 2 (3)
φ = ∆ 6 + 1 (4)
∆  yaitu delta faktor, r  Rasio reduksi , φ  y a i t u Redundant  factor [8]

## 2.5 Tegangan Alir
Tegangan alir merupakan sifat sebuah material untuk mempertahankan kondisi bentuknya. Nilai rata-rata tegangan alir dapat diketahui dengan persamaan berikut :
σ0 = 𝐾.𝐶 𝑛 𝑛+1 (5)
𝜎 0 yaitu Rata-rata tegangan alir , K yaitu Koefisien Kekuatan (N/mm 2 )      dan  n merupakan  Eksponen pengerasan  regang dan  , ɛ adalah Regangan Aktual, ..
Deformasi yang  terjadi pada wire drawing adalah deformasi tak seragam, sehingga persamaan   tegangan penarikan kawat dengan adanya gaya gesek dan redundant work dapat menggunakan persamaan berikut [4] :
σa  =  σ0 ln  ( A1 A0 ) (1  +  B)φ
(6)
𝜎 a  = Effective Stress, A1  = Luas Penampang Akhir (mm), A0  = Luas Penampang Awal (mm) . Φ  = Redundant work factor

## 2.6 Gaya Penarikan
Persamaan yang  dapat digunakan dalam perhitungan                          gaya penarikan adalah sebagai berikut :
𝐹 = 𝐴1σ0  (1 + µ tanα ) φ. ln A0 A1 (7)
(7)

## 2.7 Metode Penelitian
Metode  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  ada  metode  analisis  teoritis  dan  simulasi  menggunakan  Finite  Element Methode (FEM) 2D Axisymetric pada Ansys Workbench 19.0.

## 3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Pembuatan Geometri
Pembuatan die dan kawat dilakukan dengan skema 2D pada design modeler, dan karena penggunaan sudut die dan initial kawat yang berbeda maka digunakan metode parametric sehingga cukup dengan input data parameter yang  berubah untuk simulasi berikutnya.

## 3.2 Penentuan Kondisi Batas
Kontak  antara  kawat  dengan  die  adalah  kontak  gesek  dengan  salah  satu  geometri  bergerak,  dalam  hal  ini  target ditunjukan untuk bagian yang bergerak yaitu kawat, dan kontak untuk dies. Die diharapkan tidak mengalami deformasi dan tidak mengalami perpindahan maupun pergeseran, sehingga seluruh bagian die diberi kondisi fixed support, untuk kondisi kawat diberi displacement ke arah sumbu Y sampai melewati die. Dalam penentuan kondisi batas juga ditentukan nilai koefisien gesek sebesar 0,03 [9]

## 3.3 Hasil Simulasi FEM
Gambar 3 menunjukkan hasil simulasi  pada sudut dies 12° , dapat dilihat nilai tegangan maksimum dan tegangan minimum yang terjadi selama proses wire drawing,  tegangan maksimum yang diterima oleh kawat sebesar 455,34 MPa. Berdasarkan hasil simulasi dapat dilihat bahwa kawat mengalami deformasi elastis hingga ke deformasi plastis, dies  tetap pada bentuknya, tidak mengalami perubahan.
Gambar 3 . Equivalent Stress Sudut 12 °
Gambar  4  merupakan  hasil equivalent  Stress pada  sudut  dies  14°,equivalent  stress  atau  biasa  disebut  dengan Von misses [10] . Tegangan maksimum yang diperoleh dari hasi simulasi proses penarikan kawat dengan sudut dies 14° yaitu 473,58  Mpa.  Ketika  Kawat  mengalami  penarikan  secara  terus  menerus,  maka  kawat  akan  mengalami  deformasi  dan seiring dengan  hal tersebut  maka  kawat akan mencapai nilai tegangan alir yang maksimum [11]
Gambar 5. Equivalent Stress Sudut 16 °
Pada gambar diatas, merepresentasikan equivalent stress  yang terjadi  pada kawat saat proses  wire drawing dengan persentase  reduksi    17,36  %    pada  sudut  die  16º.  Dalam  Gambar  5    juga  dapat  dilihat  nilai  tegangan  maksimum  dan tegangan  minimum  yang  terjadi  selama  proses  wire  drawing,  tegangan  maksimum  yang  diterima  oleh  kawat  sebesar 514,43  Mpa.
Simulasi dilakukan 3 kali untuk setiap rasio reduksi dengan variasi sudut dies 12°, 14° dan 16°. Hasil simulasi nilai tegangan yang ditampilkan ialah 𝜎 a dan untuk gaya penarikan dilambangkan dengan F, hasil simulasi dan perhitungan teoritis dapat dilihat pada tabel dan grafik berikut :
Tabel 3 . Hasil Rata – Rata Tegangan Alir  dan Gaya Penarikan
Sudut Approach Rata-Rata Tegangan Alir (MPa) Gaya Penarikan (N) Simulasi Teoritis Simulasi Teoritis 12° 14° 16° 135,62 134,62 411,65 422,701 137,55 136,14 451,45 427,474 141,81 138,43 502,63 434,689
Gambar 7 . Grafik perbandingan pengaruh sudut die terhadap gaya penarikan secara simulasi dan teoritis
Gambar  6  dan  7  merupakan  grafik  perbandingan  pengaruh  sudut  die  terhadap  Tegangan  Alir  dan  Gaya  Penarikan yang di analisa secara simulasi dan teoritis. Dari hasil diatas persentase perbedaan simulasi dan perhitungan teoritis untuk nilai tegangan alir sebesar 0,95 dan nilai gaya penarikan sebesar 5,31%. Hal tersebut dikarenakan pada software Ansys Workbench 19.0 tidak ada pendefinisian Koefisien Kekuatan (K) dan nilai eksponen regangan (n) dari material itu sendiri dalam hal ini  yaitu  AISI 1006 yang  mempunyai  sifat non-linear untuk di  masukan dalam  simulasi pada software  [12] Semakin besar sudut die dan persentase reduksi semakin besar pula perbedaan. Hal itu disebabkan karena semakin besar sudut die deformasi yang terjadi lebih tidak seragam atau non-uniform deformation.[13]
Kawat  yang  melewati  die  akan  terdeformasi  ketika  mulai  kontak  dengan  sudut  approach  die  atau  bagian  bell.  Kawat mengalami pertambahan panjang sebanding dengan nilai tegangan dan regangan sehingga penggunaan material dalam simulasi yaitu non – linear. Non-uniform deformation terjadi karena ada perubahan arah tegangan secara signifikan secara terus-menerus sampai melewati batas Ultimate Tensile Strength dari material.[14]
Pada proses pengecilan kawat dengan beberapa tahapan, kawat baja akan mengalami fenomena strain hardening  atau pengerasan regang yang diakibatkan oleh gaya yang diterima oleh permukaan kawat secara berulang,. Strain hardening akan terjadi pada tahap pengecilan pertama sampai seterusnya, yang akan mengakibatkan kekerasan dan kekuatan kawat bertambah  tetapi  keuletan  menurun  yang  diakibatkan  dislokasi  dari  atom.  [6].  Ketika  gaya  yang  diterima  kawat  lebih besar dari pada tegangan luluhnya maka atom yang sudah bergeser akan sulit untuk kembali ke posisi semula, sehingga akan menyebabkan deformasi permanen. Struktur atom pada fenomena strain hardening akan mengalami dislokasi dan pertambahan panjang seiring terjadinya regangan plastis yang semakin bertambah. Dislokasi pada atom berarti terjadinya suatu pergeseran atom ke posisi yang baru, atom tersebut juga tidak jarang akan berpindah pada jalur atom lain dan akan saling    menutupi.  Dalam  posisi  seperti  ini  berarti  suatu  dislokasi  atom  akan  menghambat  dislokasi  lanjutan,  sehingga akan dibutuhkan energi yang relatif lebih besar untuk melakukan dislokasi lanjutan [15]

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  simulasi  menggunakan  software  Ansys  W.B  19.0  dan  perhitungan  secara  teoritis  penelilitian  ini  dapat disimpulkan bahwa Pengaruh sudut die penarikan kawat terhadap rata-rata tegangan alir ialah semakin besar sudut die semakin  besar  juga  nilai  tegangan  alir  yang  terjadi.  Pengaruh  sudut  die  penarikan  kawat  terhadap  gaya  penarikan
menunjukan  semakin  besar  sudut  die  maka  nilai  gaya  penarikan  semakin  besar,  dengan  total  rata-rata  persentase perbedaan simulasi dan perhitungan teoritis untuk pengaruh persentase pengaruh sudut die sebesar 3,13%.

## Daftar Pustaka
[1] Alfian  Wijaya,  Sheila  Tobing  dan  Hadi  Sutanto,  “Optimasi  Sudut  Die,  Rasio  Reduksi,  dan  Panjang  Bearing terhadap Tegangan Penarikan Kawat Aluminium dengan Finite Element Method” : Fakultas Teknik, Universitas Katolik Indonesia Atma Jaya..
[2] S. Sutjipto, J. T. Mesin, and P. N. Bandung, “Bahan Ajar Material – Teknik Standar- Pembelajaran Minimal,” 2015.
[3] F. Fauziyah, Tugas Akhir “Pengaruh Persentase Reduksi Terhadap Tegangan Alir, Regangan dan Gaya Penarikan Kawat Baja AISI 1006 dengan Finite Element Method” : Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung , 2020
[4] D. Muliastri, D. Eka Septyani, and P. Lesmana, “Pengaruh Pelumas Terhadap Tegangan Alir Dan Gaya Penarikan Kawat Aisi 1006 Menggunakan Metode Fem,” Manutech    J.  Teknol.  Manufaktur ,  vol.  13,  no.  02, pp. 51–59, 2021, doi: 10.33504/manutech.v13i02.158.
[5] W. D. Callister and J. Wiley, Materials science , vol. 79, no. SUPPL. 2002.
[6] C.J. Luis, et al. “Comparison between Finite Element Method and Analytical methods for Studying Wire Drawing Processes.” Journal of Material Processing Technology, 2005.
[7] D. Muliastri, S. Sutjipto, and F. Fauziah, “Percentage reduction analysis of flow stress of steel AISI 1006 by finite element method,” 4Th Int. Conf. Mater. Metall. Eng. Technol. 2020 , vol. 2384, no. December, p. 060003, 2021, doi: 10.1063/5.0071545.
[8] M. C. Ruiz, J. Verde, A. Andrés, J. Viguri, and A. Irabien, “Environmental assessment of lubricants before and after  wire  drawing  process,” J.  Hazard.  Mater. ,  vol.  85,  no.  3,  pp.  181–191,  2001,  doi:  10.1016/S0304- 3894(01)00227-8.
[9] M. Firman, M. Darsin, and H. Arbiantara B., “Analisis Kekuatan Tarik Dan Kekasaran Kawat Tembaga Hasil Drawing Akibat Variasi Persentase Reduksi,” Rotor , vol. 6, no. 1, pp. 50-55–55, 2013.
[10] W.  D.  Callister  and  D.  G.  Rethwisch, Fundamentals  of  materials  science  and  engineering :  an  integrated approach LK  - https://tudelft.on.worldcat.org/oclc/798982985 . 2012.
[11] Roger N. Wright. Wire Technology: Process Engineering and Metallurgy, Elsevier Inc, 2011
[12] S. M. Byon, S. J. Lee, D. W. Lee, Y. H. Lee, and Y. Lee, “Effect of coating material and lubricant on forming force and surface defects in wire drawing process,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed. , vol. 21, no. SUPPL. 1, pp. s104–s110, 2011, doi: 10.1016/S1003-6326(11)61071-6.
[13] P. Tornar, R. K. Pandey, and Y. Nath, “Numerical simulation of friction stress in wire drawing produced by direct extrusion  process  in  presence  of  lubricant  starvation,” Procedia  Eng. ,  vol.  64,  pp.  1320–1328,  2013,  doi: 10.1016/j.proeng.2013.09.213.
[14] M. T. Hillery and V. J. Mccabe, “precessh g Materials Wire drawing at elevated temperatures using different die materials and lubricants IAVOmeter I Pyrometer l ~ ] k , k . a .. ~ N ,” J. Mater. Process. Technol. , vol. 55, pp. 53–57, 1995.
[15] O. R. Adetunji, D. Ph, S. I. Kuye, D. Ph, M. J. Alao, and B. Eng, “Microstructures of Mild Steel Spring after Heat Treatment . Microstructures of Mild Steel Spring after Heat Treatment .,” vol. 14, no. February, pp. 11–15, 2015.