## Manutech :
Jurnal Teknologi Manufaktur
Vol. 13, No. 02, (2021) p-ISSN : 2089-5550 e-ISSN : 2621-3397
Pengaruh Pelumas Terhadap Tegangan Alir Dan Gaya Penarikan Kawat AISI 1006 Menggunakan Metode FEM (Destri Muliastri)

## Pengaruh Pelumas Terhadap Tegangan Alir Dan Gaya Penarikan Kawat Aisi 1006 Menggunakan Metode FEM
Destri Muliastri 1 , Devi Eka Septyani 2 , Prayoga Lesmana 3
1,3 Proses Manufaktur, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung. Jawa Barat – Bandung
2 Teknik Perancangan dan Konstruksi Mesin, Politeknik Negeri Bandung. Jawa Barat – Bandung Email : destri.muliastri@polban.ac.id
Received : 30 April 2021; Received in revised form : 18 Juni 2021; Accepted : 8 Desember 2021

## Abstract
The wire drawing process is a metal forming technique. The factor affecting the final result of the draw is Lubricants. The value of the friction coefficient will have an impact on the surface quality of the wire, the use of lubricants is needed to reduce the load and surface defects of the wire. The purpose of this study was to determine the effect of lubrication  on the flow stress and pulling force of AISI 1006. The lubricants used in this study have different friction coefficient values, including 0.03; 0.02 and 0.01. In this research, the method used Finite Element Method and Ansys workbench 19.0. Finite element method is done by simulating wire drawing with a die angle of 12 degrees. The results obtained will  be calculated theoretically and simulated, for lubricants with different coefficient of friction have different values of flow stress and pulling force which can affect mechanical properties. The smaller the friction coefficient, the greater of the average flow stress, the percentage of theoretical calculations and simulations is 2.45%, for the effect of lubrication on the wire pulling force, the percentage is 23.25%.
Keywords: Wire, Wire Drawing, Lubricant, Friction Coefficient, Finite Element Method

## Abstrak
Proses  penarikan  kawat  merupakan  salah  satu  teknik  pembentukan  logam.  Faktor  yang mempengaruhi hasil akhir dari  penarikan adalah Pelumas. Nilai koefisien gesek akan berdampak  pada kualitas  permukaan  dari  wire,  penggunaan  pelumas  dibutuhkan  untuk  mengurangi  beban  dan  cacat permukaan  dari  wire.  Tujuan  dalam  penelitian  ini  adalah  mengetahui  pengaruh  pelumasan  terhadap tegangan alir dan gaya penarikan kawat AISI 1006. Pelumas yang digunakan dalam penelitian ini memiliki nilai koefisien gesek yang berbeda, diantaranya 0,03 ;0,02 dan 0,01. Dalam penelitian ini metode yang digunakan  adalah  Finite  Element  Method  dan  Ansys  workbench  19.0.  Metode  Finite  element  method dilakukan  dengan  simulasi  penarikan  kawat  dengan  sudut  dies  12  derajat.  Hasil  yang  diperoleh  akan dihitung secara teoritis dan simulasi, untuk Pelumas dengan koefisien gesek yang berbeda-beda memiliki nilai tegangan alir dan gaya penarikan yang berbeda yang dapat mempengaruhi sifat mekanik. Semakin kecil  koefisien  gesek  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%.
Kata kunci: Wire, Penarikan Kawat, Pelumas, Koefisien Gesek, Finite Element Method.

## 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 dalam kategori kelompok besar dalam proses manufaktur, tak terkecuali kawat yang sangat sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari terutama dibidang mesin dan konstruksi bangunan [1]. Hal tersebut mendorong persaingan pelaku industri pembuatan kawat untuk menciptakan  produk  kawat  yang  berkualitas  dan  dapat  memenuhi  kebutuhan  pasar.  Terdapat  banyak faktor yang mempengaruhi hasil akhir dari penarikan salah satunya ialah pelumas, gesekan antara wire dan  die  akan  berdampak  pada  kualitas  permukaan  dari  wire  itu  sendiri,  hal  tersebut  membuktikan bahwasannya  dalam  proses  dibutuhkan  penggunaan  pelumas  untuk  mengurangi  beban  dan  cacat permukaan  dari  wire.  Proses    penarikan  kawat  (wire  drawing)  merupakan  suatu  proses  pembentukan logam dengan cara menarik kawat batangan melalui cetakan oleh gaya tarik yang bekerja padabagian luar dan ditarik ke arah luar cetakan [2].
Terjadinya aliran plastis pada pembentukan ini disebabkan oleh adanya gaya tekan yang timbul sebagai reaksi logam terhadap cetakan. Tujuan dari penarikan kawat adalah untuk mengecilkan diameter batang  kawat.  Batang  kawat  berdiameter  D1  direduksi  dengan  memberi  gaya  tarik  melalui  cetakan menjadi kawat berdiameter D2. Sehingga terjadi reduksi area atau pengurangan  luas penampang pada kawat tersebut [3]. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses wire drawing adalah Persentase dan rasio reduksi, sudut dan approach die serta Pelumas atau lubrikasi ([4] Daniel Son et al 2018 pernah melakukan kaji eksperimental mengenai pelumasan terhadap kekuatan tarik kawat aluminium hasil wire drawing. Dalam  percobaan  tersebut  membandingkan  rata-rata  tegangan  maksimal  antara  kawat  yang menggunakan pelumas dan tidak dalam proses wire drawing. Hasil dari percobaan tersebut menunjukan bahwa  Tegangan  maksimal  relatih  lebih  besar  dibandingkan  dengan  penarikan  kawat  yang  tidak menggunakan  pelumas,  regangana  rata-rata  yang  terjadi  pada  keduanya  memiliki  nilai  yang  sama. Sehingga  dalam  kaji  eksperimental  dapat  disimpulkan  bahwa  wire  drawing  mampu  meningkatkan kekuatan material namun material menjadi lebih getas.
Alfian  Wijaya  dkk  (2017),  mahasiswa  fakultas  teknik  Universitas  Katolik  Indonesia  Atma  Jaya, pernah melakukan  penelitian terkait  wire drawing. Penelitian yang dilakukan yaitu  optimasi sudut die, rasio reduksi dan panjang bearing terhadap tegangan penarikan kawat aluminium dengan Finite Element Method  (FEM).  Bahan  yang  digunakan  adalah  Aluminium  3003.  Metode  dalam  penelitian  ini  adalah membandingkan hasil penelitian dengan 2 metode Finite Element Method dan analisa secara teoritik. Dari penelitian  tersebut  dapat  diketahui  bahwa  semakin  besar  sudut  die  yang  digunakan  semakin  besar tegangan maksimal yang terjadi ketika proses deformasi, dan semakin kecil sudut die semakin besar area kontak yang terjadi saat proses deformasi. Semakin besar rasio reduksi pada proses penarikan kawat akan memperbesar peningkatan nilai kekuatan tarik  dan pada rasio  reduksi rendah  dapat terjadi  deformasi yang  tidak  seragam  sehingga  tejadi  perbedaan  tegangan  pada  tiap  titik,  dan  jika  perbedaan  tegangan terlalu besar maka dapat terjadi patah pada bagian dalam.
Ujicoba efek pelumas pada proses wire  drawing pernah dilakukan, Dalam percobaan tersebut pelumas yang digunakan campuran oli tipe HP140 dengan 2,5; 5 ; 7,5; 10 dan 12,5%graphite weight ratio. Hasil dari ujicoba tersebut menyimpulkan bahwa campuran dari graphite dan oli mengurangi beban kerja proses wire drawing berbanding lurus dengan persentase graphite ratio [5]
Dalam penelitian ini menggunakan metode Finite element method, untuk mensimulasikan gaya penarikan  kawat  yang  terjadi  dengan  3  pelumas  yang  memiliki  nilai  koefisien  gesek  yang  berbeda. Pemilihan pelumas dengan koefisien gesek 0,01 ; 0,02 dan 0,03 dikarenakan nilai tersebut sesuai dengan sudut dies yang ditentukan yakni 12 derajat.

## 2.   METODE PENELITIAN
Pengolahan data dengan simulasi FEM ini diawali dengan pembuatan skema 2D  die dan kawat dengan menggunakan design modeler.  Tujuan pembuatan skema 2D ini adalah untuk memperlihatkan ukuran diameter dies dan sudut dies  yang akan dilakukan analisa dengan lengkap. Ukuran standar die yang digunakan mengikuti standar JIS B 4111.
2.1.  Project Schematic
Project schematic yang digunakan adalah static structural, pemilihan static structural disebabkan karena  dalam  hasil  simulasi  dilakukan  analisis  struktur  dari  kawat  akibat  adanya  pengecilan  diameter kawat.
Gambar 1. Penarikan kawat melalui sebuah die
2.2.  Pembuatan Geometri
Pembuatan model pada penelitian menggunakan design modeler pada Gambar 2 yang sudah ada dalam fitur Ansys Workbench 19.0.
Gambar 2. Skema 2D Die dan Kawat
2.3.  Pemilihan Material
Jenis Material yang dipilih adalah Polycrystaline  Diamond (PCD) untuk die dan baja AISI 1006 untuk material kawat [6].
2.4.  Meshing
Dalam  meshing  die  yang  digunakan  ialah  refinement  dengan  tujuan  agar  proses  meshing mengikuti geometri die yang cukup kompleks sedangkan untuk kawat menggunakan automatic method karena lebih sederhana [7].
Meshing pada penelitian ini memiliki nodes 7256 ; element 2275 pada wire dan nodes 1828 ; element 581 pada dies.

## 2.5.  Penentuan Contact
Kontak antara kawat dengan die adalah frictional atau kontak gesek dengan salah satu geomerti bergerak,  dalam  hal  ini  yang  merupakan  bagian  kaku  atau  fixed  adalah  die  sedangkan  contact  yang ditujukan untuk bagian yang mengalami deformasi adalah kawat[8].
Gambar 4. Skema Penentuan Contact
2.6.  Perhitungan Teoritis
2.6.1.  Tegangan Alir
Dengan K adalah koefisien kekuatan (N/mm 2 ), 𝜎 0 adalah Rata-rata tegangan Alir (Mpa), n adalah Eksponen pengerasan regang dan ɛ regangan actual [9].
2.6.2.  Gaya Penarikan Kawat
Dengan Fdr adalah Gaya Penarikan Kawat (N), Kstrm adalah tegangan alir (N/mm 2 ), A1 adalah Luas penampang wire setelah melewati die (mm 2 ), φp Principal strain,dan  μ Koefisien Gesek [10].

## 3.   HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1.   Data Hasil Simulasi
Data hasil simulasi menggunakan software Ansys Workbench 19.0. Data yang ditampilkan yaitu equivalent stress, equivalent total strain dan nilai gaya penarikan kawat yang dibutuhkan.
𝜎 0 = 𝐾 ∙ 𝜀 𝑛 𝑛 + 1 (1)
𝜀 =  ln 1 1−𝑟 (2)
𝐹 𝑑𝑟 = 𝐴 1 ∙ 𝐾 𝑠𝑡𝑟𝑚 ∙ 𝜑 𝑝 ∙ ( 𝜇 𝛼 + 2∙𝛼 3∙𝜑 𝑝 + 1) (3)

## 3.1.1. Pelumas A dengan Koefisien Gesek 0,03
Gambar 5. Equivalent Stress Koefisien gesek 0,03
Gambar 5 merupakan equivalent stress yang terjadi pada kawat saat proses wire drawing dengan nilai koefisien gesek permukaan kawat dan die sebesar 0,03. Dari hasil simulasi dapat dilihat bahwa kawat mengalami  deformasi  plastis  sementara  die  tetap  pada  bentuk  sebagaimana  semestinya.  Tegangan maksimum yang diterima oleh kawat sebesar 458,72 Mpa dan nilai rata-rata tegangan alir 411,8 MPa pada penggunaan pelumas A.
Arah  Gaya  penarikan  kawat  bekerja  sesuai  dengan  keadaan  sebenarna  dalam  proses  wire drawing yang melewati die. Total Gaya yang diperlukan untuk mereduksi kawat 2,2 mm menjadi 2mm sebesar 465,7 N.
Gambar 6. Kurva Stress-Strain dengan koefisien gesek 0,03
Gambar  6  merupakan  kurva  stress-strain  dari  hasil  simulai  penggunaan  pelumas  dengan koesfisien  gesek  0,03.  Dari  kurva  tersebut  dapat  dilihat  bahwa  nilai  tegangan  regangan  akan  semakin
bertambah seiring dengan bertambahnya beban, penambahan panjang akan selalu terjadi selama beban ditambahkan  secara  bertahap  hingga  yield  strength  kawat  tercapai.  Tegangan  luluh  kawat  yang ditampilkan dalam gambar 6 memiliki nilai sebesar 292,84MPa.
3.1.2.  Pelumas B dengan Koefisien Gesek 0,02
Gambar 7. Equivalent Stress Koefisien Gesek 0,02
Berdasarkan hasil simulasi terlihat bahwa kawat mengalami deformasi plastis dan die tetap pada bentuknya. Gambar 7 diperoleh nilai tegangan maksimum dan tegangan minimum yang terjadi selama proses wire drawing. Tegangan maksimum yang diterima oleh kawat sebesar 457,94 MPa dan nilai rata- rata tegangan alir 408,84 MPa pada penggunaan pelumas B.
Gambar 8. Kurva Stress – Strain dengan koefisien Gesek 0,02
Gambar  8  merupakan  kurva  stress-strain  dari  hasil  simulasi  penggunaan  pelumas  B,  nilai tegangan-regangan  akan  semakin  bertambah  seiring  dengan  bertambahnya  beban  dan  pertambahan panjang akan terjadi selama beban ditambahkan secara bertahap hingga yield strength kawat tercapai. Tegangan luluh kawat yang diperoleh sebesar 290,18 MPa.
3.1.3.   Pelumas C dengan Koefisien Gesek 0,01
Gambar 9. Equivalent Stress Koefisien Gesek 0,01
Pada Gambar 9, merepresentasikan equivalent stress yang terjadi pada kawat saat proses wire drawing dengan nilai koefisien gesek permukaan kawat dan die sebesar 0,01. Berdasarkan hasil simulasi diperoleh nilai tegangan maksimum dan tegangan minimum yang terjadi selama  proses wire drawing, tegangan  maksimum  yang  diterima  oleh  kawat  sebesar  456,91  MPa  dan  nilai  rata-rata  tegangan  alir sebesar 405,98 MPa pada penggunaan pelumas C. Total gaya yang diperlukan untuk mereduksi kawat dari 2,2 mm menjadi 2 mm dengan koefisien gesek 0,01 sebesar 414,61N.
3.2.   Pengaruh Pelumas terhadap Tegangan Alir dan Gaya penarikan Kawat
Gambar 10. Grafik pengaruh pelumas terhadap Tegangan Alir 400 402 404 406 408 410 412 414 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035
Teg an gan , 𝜎 (MP a) µ, Koefisien Gesek PERBANDINGAN PENGARUH PELUMAS

## TERHADAP TEGANGAN ALIR
Simulasi Teoritis
Persentase  perbedaan  rata-rata  tegangan  alir  secara  teoritis  dan  simulasi  paling  besar  ialah 2,45%, untuk perbedaan rata-rata regangan secara teoritis dan simulasi paling besar ialah ialah sebesar 13,63%,  Hal tersebut dikarenakan pada software Ansys Workbench 19.0 tidak ada parameter Kekuatan (K) dan nilai eksponen regangan (n) dari material itu sendiri dalam hal ini yaitu AISI 1006 yang mempunyai sifat  non-linear  untuk  dimasukan  dalam  simulasi  pada  software.  Kawat  yang  melewati  die  akan terdeformasi terhadap diameter kawat dan juga mengalami pertambahan panjang sebanding dengan nilai tegangan dan regangan sehingga penggunaan material dalam simulasi yaitu non-linear.
Deformasi pada kawat saat proses penarikan terjadi karena gaya tekan yang dihasilkan oleh die yang merupakan gaya reaksi terhadap gaya tarik yang menarik kawat melewati die. Pada daerah elastis nilai tegangan akan berbanding lurus dengan nilai regangan dan akan terjadi pertambahan panjang yang sesuai dengan gaya yang diberikan saat proses penarikan[11]. Apabila tegangan yang terjadi melewati batas luluh atau yield strength dari kawat maka kawat akan mengalami proses deformasi plastis. Tegangan yang dibutuhkan untuk deformasi plastis akan berbanding lurus dengan regangan plastis jika diberikan secara  kontinyu.[12]  Untuk  perbedaan  gaya  penarikan  secara  teoritis  dan  simulasi  paling  besar  ialah 23,25%,  Hal    tersebut  terjadi  karena  dalam  rumus  secara  teoritis  tidak  terdapat  faktor  nilai  koefisien gesek, sehingga hasil yang didapatkan untuk masing-masing pelumas yaitu sama mengingat penelitian ini hanya 1 kali tahap reduksi yaitu dari kawat diameter 2,2mm menjadi 2mm.

## Gambar 11. Grafik pengaruh pelumas terhadap gaya penarikan

## 4.   SIMPULAN
Dalam  proses  wire  drawing  semakin  kasar  permukaannya  semakin  besar  sudut  gesek  dan koefisien geseknya, sehingga gaya tarik yang dibutuhkan semakin besar, hal tersebut juga berlaku ketika koefisien gesek semakin kecil maka gaya penarikan yang dibutuhkan semakin kecil. Pengaruh pelumas pada penarikan kawat terhadap tegangan alir adalah dengan semakin kecilnya koefisien gesek 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%. Pengaruh  pelumas  dengan  variasi  koefisien  gesek  yang  berbeda  –  beda  sangat  mempengaruhi  nilai tegangan alir dan gaya penarikan dari kawat AISI 1006. Semakin tinggi nilai koefisien gesek dari suatu pelumas maka semakin  besar nilai tegangan alir  dan gaya tarik kawat yang dibutuhkan semakin  besar pula.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  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.
[2].  W. D. Callister and J. Wiley, Materials science, vol. 79, no. SUPPL. 2002.
[3].  I.  M.  Sas-Boca,  M.  Tintelecan,  M.  Pop,  D.  A.  Iluţiu-Varvara,  and  A.  M.  Mihu,  “The  Wire  Drawing Process Simulation and the Optimization of Geometry Dies,” Procedia Eng., vol. 181, pp. 187–192, 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.02.368.
[4].  S.  Sutjipto,  J.  T.  Mesin,  and  P.  N.  Bandung,  “BAHAN  AJAR  MATERIAL  –  TEKNIK  STANDAR- PEMBELAJARAN MINIMAL Disusun oleh,” 2015.
[5].  M.  B.  Fitrianto,  Darmanto,  and  S.  Imam,  “Pada  specimen  halus  dalam  kondisi  dengan  pelumas, semakin kental viskositasnya sudut geseknya semakin besar. Pada spesimen kasar dengan kondisi pelumas, semakin tinggi viskositas pelumasnya sudut geseknya semakin kecil,” Gaya gesek, vol. 11, no. 1, pp. 13–18, 2015.
[6].  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.
[7].  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.
[8].  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.
[9].  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.
[10]. P.  Kawat  and  B.  Aisi,  “TEGANGAN  ALIR  ,  REGANGAN  DAN  GAYA  Diajukan  Oleh :  Febby  Fauziah TERHADAP TEGANGAN ALIR , REGANGAN DAN DENGAN METODE FEM,” 2020.
[11]. 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.
[12]. C. Moon and N. Kim, “Analysis of wire-drawing process with friction and thermal conditions obtained by  inverse  engineering,”  J.  Mech.  Sci.  Technol.,  vol.  26,  no.  9,  pp.  2903–2911,  2012,  doi: 10.1007/s12206-012-0711-1.