## ANALISIS KEKUATAN DIES FRAME LINK PADA MESIN ROLL PIPA 2 IN PENGGERAK HIDROLIK DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

## Sodiq Kuntoro
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muria Kudus Email: 201554145@std.umk.ac.id
Masruki Kabib Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muria Kudus Email: masruki.kabib@umk.ac.id

## ABSTRAK
Mesin  roll  pipa  yang  ada  di  bengkel  umum  kebanyakan  masih  manual  menggunakan  ulir  sebagai media penekan pipa. Sistem ini memiliki kekurangan yaitu memerlukan tenaga yang besar dari operator. Dengan memanfaatkan sistem hidrolik akan memperingan dalam pengoperasian mesin roll pipa. Mesin rol pipa  dengan penggerak  hidrolik  ini  menggunakan dua dies yang disatukan dengan  frame dan ujungnya dihubungkan dengan aktuator hidrolik. Tujuan dari penelitian adalah menganalisa kekuatan dies frame link terhadap gaya pembengkokan pipa sebesar 220 kN, menggunakan  metode elemen hingga. Metode yang digunakan  adalah  mendesain  dies  dan  frame,  menentukan  dimensi  dies  dan  frame,  menggambar  pada inventor, menganalisa dengan metode lemen hingga. Hasil yang diperoleh setelah di analisa dengan metode elemen  hingga  menggunakan  software  adalah  aman,  bagian  dies  yang  memperoleh  pembebanan  paling tinggi pada daerah yang bersinggungan dengan pipa. Nilai Tegangan principal, displacement dan tegangan von mises lebih kecil dari hasil analisa perhitungan.
Kata kunci: roll pipa; dies frame link ; analisa kekuatan; metode elemen hingga.

## ABSTRACT
Pipe roll machines in the general workshop are mostly still manual using a thread as a press of the pipe. This system has a deficiency that requires a large power from the operator. By utilizing hydraulic system will be lightening in the operation of pipe roll machine. Pipe roll machine with hidraulic system is uses two dies that are joined to the frame and the ends are connected to a hydraulic actuator. The purpose of study is to analyze the strength of dies frame link to bending force style of 220 KN, using finite element method. The method used is designing dies and frames, determining dimensions of dies and frames, drawing on inventors, analyzing with finite element method. The results obtained after being analized with the finite element method uses software are safe, the part of the dies that obtains the highest load on the area in contact with the pipe. The value of principal stress, displacement and von mises stress less than calculation analysis.
Keywords:  pipe roll; dies frame link; strengh analysis; finite element method

## 1. PENDAHULUAN
Pengerolan  pipa  merupakan  proses  pembentukan  pipa  yang  banyak  dilakukan  untuk  membuat komponen-komponen industri maupun rumah tangga misalnya membuat kontrruksi, kanopi, pagar, kursi dan komponen lainnya yang menggunakan bahan pipa. Proses pembentukan ini dilakukan dengan memberi beban melampaui kekuatan elastisnya yaitu pada daerah plastis. Studi tentang analisa tegangan di luar batas elastis untuk berbagai material  telah banyak dilakukan,   baik secara  teoritis maupun melalui eksperimen. Proses  pembuatan  komponen  mesin  diperlukan  perancangan  dan  analisa  terhadap  proses  pembentukan. Salah satunya mesin roll pipa, bagian utamamya adalah dies . Komponen ini menerima gaya paling besar dibanding  komponen  lain  serta  bersinggungan  langsung  dengan  benda  kerja  (pipa).  Dengan  kondisi  ini perlu perancangan yang baik agar  mesin roll pipa tidak mengalami kegagalan seperti dies retak ataupun frame patah atau bengkok.
Proses bending adalah    proses  perubahan  bentuk  logam  secara  plastis  lewat  roll,  penjepit  dan pembentuk ( die )  dimana bentuk yang tadinya lurus menjadi lengkungan. Proses bending dilakukan dengan menekuk benda kerja hingga  mengalami  perubahan  bentuk  yang  menimbulkan peregangan pada sisi luar  benda kerja pada sekitar daerah garis lurus. Proses bending ini tidak hanya berfungsi untuk membentuk
benda kerja tetapi juga berguna untuk meningkatkan sifat mekanik berupa kekakuan dari suatu benda yang telah mengalami proses bending dengan cara menambah momen inersia bending [1].

## Gambar 1. Pembengkokan Pipa [1]
Pada  gambar  1  menunjukkan  bahwa  pada  proses  bending  tegangan  tarik  terjadi  pada  sisi  luar  dari benda kerja dan tegangan tekan pada sisi dalamnya yang dipisahkan oleh sumbu netral yang diasumsikan berada  ditengah-tengah  ketebalan  pipa  atau  bentuk  plat..  Tegangan  tarik  yang  terlalu  besar  dapat menyebabkan  retak  pada  sisi  luar,  dan  sebaliknya  jika    tegangan  tarik  terlalu  terlalu  kecil  akan menyebabkan  kerutan  pada  bagian  dalam  benda  kerja. Radius  bending  juga  berpengaruh  dalam  proses bending dimana jika radius  terlalu kecil akan dapat menimbulkan regangan tarik yang cukup besar pada sisi luar yang akhirnya dapat menimbulkan retak sedangkan pada bagian dalam akan terjadi kerutan akibat regangan akibat tekanan [1].
Metode  pengerolan  pipa  bervariasi  tergantung  radius    dan  material  pipa  ada  metode rotary  draw bending, mandrel bending, three roll bending, bending springs, and heat induction. Masalah yang dapat timbul  saat  pengerolan  antara  lain:  terdapat  kerutan  pada  hasil  pembengkokan  pipa,  oval,    penipisan ketebalan pipa akibat deformasi dan spring back [2] . Diatasi dengan mendesain diameter dies besar 5 kali diameter  pipa  dan diameter  dies  kecil  3  kali  diameter  pipa  [3]. Proses  pengerolan  pipa pada pengerjaan dingin  juga dapat dilakukan optimasi dengan berbagai metode, salah satunya dengan metode taguchi dan metode elemen hingga [4].
Selama proses pembengkokan pipa berpotensi mengalami keovalan seperti di tunjukkan pada gambar 2, maka perlu adanya penahan. Pipa yang akan dibengkokan ditahan oleh penahan dan dies, anak panah menunjukkan  gaya  reaksi  dari  pipa  terhadap  dies  dan  penahan  seperti  ditunjukkan  pada  gambar  3.  Saat proses banding titik A dan B berpindah mendekat titik tengah diameter sehingga pipa berbentuk oval. Untuk mengatasinya diperlukan penahan pada titik C dan D [5].

## Gambar 2. Perubahan Bentuk Pipa Akibat Pembengkokan [3]

## Gambar 3. Pembengkokan Pipa [3]
Pada proses pembenkokan pipa, semakin besar sudut pembengkokan θ yang digunakan, semakin besar nilai prosentase ovalisasinya. Semakin besar radius dies (R) yang digunakan, semakin kecil nilai prosentase
ovalisasinya.  Pemberian  internal  pressure  mempengaruhi  ovalisasi  dari  pipa,  sehingga  diameter  besar maupun kecil masuk toleransi yang diizinkan yaitu ±10 % untuk pipa kursi lipat [6].
Analisa  pembebanan  pada frame dilakukan  dengan  metode  elemen    hingga  mengunakan  sofware. Dasar  dari  metode  elemen  hingga  adalah  membagi  benda  kerja  menjadi  elemen-elemen  kecil  yang jumlahnya berhingga sehingga dapat menghitung reaksi akibat  beban pada kondisi batas yang diberikan [7]

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah mendesain dies dan frame , menentukan dimensi dies dan frame ,  menggambar  pada inventor ,  menganalisa  dengan inventor sebagaimana  ditunjukkan gambar 4.
Gambar 4. Flowchart Penelitian p

## 2.1 Mendesain Dies Dan Frame
Diameter pipa = 2 in, out diameter OD = 2 3/8 in, wall thickness 0.218-0.344 in. Dies berjumlah dua yaitu dies utama dan dies sekunder keduanya dihubungkan dengan frame atas dan frame bawah, pada ujung frame dekat dies sekunder  dihubungkan  dengan  aktuator  hidrolik  sebagai  sumber  gaya  penekan    pipa. Perhitungan tegangan menggunakan hukum hooke seperti ditunjukkan pada persamaan 1.
𝜎 = 𝜀. 𝐸
(1)
Dimana : σ adalah tegangan, ɛ adalah regangan dan  E = modulus elastisitas. Persamaan tegangan bengkok ditunjukkan pada persamaan 2.
𝜎 𝑏 = 𝑀𝑏 𝑊𝑏 (2)
Dimana ; Mb adalah momen bengkok, Wb  adalah momen tahanan bengkok. Momen tahanan bengkok poros berlubang/pipa (W b ) dapat dihitung dengan persamaan 3.
𝑊 𝑏 = 𝜋 32 ( 𝑑0 4−𝑑14 𝑑0 ) (3)
Dimana; do adalah diameter luar, di adalah diameter dalam
Diperoleh  hasil  dari  perhitungan  dengan  persamaan  3  besarnya  tegangan  bengkok  pada frame adalah  2130,525 N/mm 2
Gaya pembengkokan pipa (Fb) dapat dihitung dengan persamaan 4.
𝐹𝑏 = 𝑓𝑡. 𝜋. 𝑑. 𝑡 (4)
Dimana ; ft adalah tegangan Tarik, d adalah diameter dalam pipa (mm), t adalah tebal pipa (mm) Persamaan gerak dinamis aktuator hidrolik pada saat proses pengerolan ditunjukkan oleh persamaan 5 [8].
𝑀. 𝑎 = −𝑃 1 𝐴 1 + 𝑃 2 𝐴 2 − 𝑀. 𝑔 + 𝐹 𝑓 +  𝐹 𝑏 −  𝐵. 𝑋̇ − 𝑘. 𝑋
̇ (5)
Dimana : M adalah massa beban, a adalah percepatan, P adalah tekanan fluida, A adalah luas torak, g adalah gravitasi, F f adalah gaya gesek pada aktuator  dan F b adalah gaya pembengkokan pipa.

## 2.2 Menentukan Dimensi Dies Dan Frame
Diameter dies utama = diameter luar pipa x 5, tebal dies = 80 mm, R dies = 25 mm, material = iron cast Diameter dies sekunder = diameter luar pipa x 3, tebal dies = 80 mm, R dies = 25 mm, material = iron cast Panjang frame = 475 mm, lebar frame = 50 mm, tebal frame = 15 mm, material = iron cast , lubang pada frame 30 mm. Momen inersia batang segi empat dapat dihitung dengan persamaan 6 dan 7.
𝑰 𝒙 = 𝟏 𝟏𝟐 . 𝒃. 𝒉 𝟑
(6)
𝑰 𝒚 = 𝟏 𝟏𝟐 . 𝒉. 𝒃 𝟑
(7)
Momen inersia lingkaran dapat dihitung berdasarkan persamaan 8.
𝑰 𝒐 = 𝝅 𝟑𝟐 . 𝒅 𝟒 (8)
Dimana; b adalah lebar, h adalah tinggi, dan d adalah diamater Diperoleh hasil dari perhitungan dengan rumus besarnya momen inersia pada frame adalah 451.258.831,1 mm 4
Defleksi pada frame dapat dihitung berdasarkan persamaan 9.
𝜹 = 𝑷.𝑳 𝟑 𝟑.𝑬.𝑰 (9)
Diperoleh hasil dari perhitungan dengan rumus besarnya defleksi pada frame adalah 0,0435 mm
Tegangan Von misses dapat dihitung dengan persamaan 10 dan 11.
𝝉𝒈 = 𝑽 𝑨
(10)
𝝈 max = 𝝈𝒙−𝝈𝒚 𝟐 +√( 𝝈𝒙−𝝈𝒚 𝟐 ) 𝟐 + (𝝉𝒙𝒚) 𝟐 (11)
Diperoleh hasil dari perhitungan dengan rumus besarnya Von mises pada frame adalah 2130,528 N/mm 2

## 2.3 Menggambar Pada Inventor
Desain dies mesin rol pipa ditunjukkan pada gambar 5.

## Gambar 5. Dies Mesin Roll Pipa
Desain dari dies mesin roll pipa terdiri dari dies utama yaitu dies yang besar, dies sekunder yaitu dies yang kecil dan frame sebagai penghubung kedua dies dengan aktuator hidrolik sebagai sumber gaya membengkokkan pipa. Dimensi dies mesin roll pipa, diameter dies utama = 300 mm, diameter dies sekunder = 150 mm, Tebal dies = 80 mm, R dies = 25 mm, material = iron cast, panjang frame = 475 mm, lebar frame = 50 mm, tebal frame = 15 mm

## 2.4 Menganalisa dengan Metode Elemen Hingga
Frame diberi beban 220 kN pada bagian yang dekat dengan kontak pipa, pada bagian ini mengalami pembebanan yang paling besar. Bagian dies utama dan dies sekunder yang mengalami kontak dengan pipa juga mendapat gaya yang besar.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  pembebanan  pada  rancangan dies mesin  roll  pipa  dilakukan  pada  komponen frame saat membengkokkan pipa 2 in dengan gaya 220 kN. Bagian dies yang bersentuhan dengan pipa memperoleh pembebanan paling besar ditandai pada area yang berwarna merah.

## Gambar 6. Von Mises Stress
Pada gambar 6 ditunjukkan hasil analisis dengan metode elemen hingga untuk tegangan von mises . Hasil analisis menunjukkan bahwa tegangan terdistribusi ke semua bagian komponen frame . Tegangan von mises maksimum pada daerah dies yang bersentuhan dengan pipa yang dirol dengan tegangan maksimum 147,5 MPa dan minimum 0 Mpa. Nilai tegangan von mises maksimum ini lebih kecil dari hasil perhitungan 2130,528 MPa
Pada  gambar  7  ditunjukkan  analisa  tegangan principal dengan  metode  elemen  hingga.  Tegangan principal maksimum  sebesar  145,5  MPa  dan  tegangan  minimum  -27,1  MPa.  Tegangan  principal maksimum lebih kecl dari hasil perhitungan sebesar 2130,525 N/mm 2 = 2130,525 MPa.

## Gambar 8. Displacement
Pada  gambar  8  ditunjukkan  nilai displacement yang  terjadi  pada  rol  pipa.  Nilai  d isplacement maksimum sebesar 0,008829 mm dan minimum 0 mm. Nilai displacement pada frame lebih kecil dari hasil perhitungan 0,045 mm  dari hasil analisis dengan metode elemen hingga. Dengan nilai displacement yang kecil tidak mempengaruhi pergerakan frame dan dies saat proses pengerolan pipa.

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  perhitungan,  pemodelan  dan  simulasi  dengan  metode  elemen  hingga  untuk  pengujian kekuatan dies frame link dengan software inventor pada proses pembengkok pipa 2 in diperoleh  tegangan principal 145,5  MPa  lebih  kecil  dari  perhitungan  tegangan  bengkok  pada frame adalah  2130,525  MPa. Nilai displacement 0,008829 mm lebih kecil dari perhitungan defleksi pada frame adalah 0,0435 mm., dan nilai tegangan von mises 147,5 MPa. Lebih kecil dari perhitungan besarnya Von mises pada frame adalah 2130,528 MPa.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  T.  A.  Wibowo,  W.  P.  Raharjo,  and  B.  Kusharjanta,  “MESIN  TEKUK  PLAT  HIDROLIK  Keywords : Abstract :,” vol. 12, pp. 63–70, 2014.
[2]  A. M. P. Divyesh D. Panchal, “Experimental Investigations in Pipe Bending Methods: A Literature Review,” Int. J. Adv. Res., vol. 4, no. 4, pp. 144–149, 2016.
[3]  T. V Rohit, P. S. Ashutosh, K. V Shriraj, P. P. Akash, and P. G. Shivam, “Design and Fabrication of Pipe Bending and Pipe Rolling Machine,” Int. J. Adv. Res. Ideas Innov. Technol., vol. 3, no. 2, pp. 561–565, 2017.
[4]  A. Basti, A. K. Rad, and S. R. Motallebi, “Optimized Design of Cold Roll Forming Process for Production of Rectangular Pipe based on the Taguchi and Finite Element Method,” pp. 3–8, 2011.
[5]  A. V Kale and H. T. Thorat, “Control of Ovality in Pipe Bending : a New Approach,” no. Aimtdr, pp. 1–5, 2014.
[6]  Y.  Hermawan  and  S.  Purwadi,  “Peningkatan  Kualitas  Produk  UKM  Kursi  Lipat  Dengan  Metode  Internal Pressure dan Rancang Bangun Mesin Bending Konvensional,” vol. penelitian, pp. 1–12, 2013.
[7]  Badriyana, “Analisis tegangan pada bengkokan pipa dalam sistem pemipaan fasilitas nuklir dengan metode elemen hingga,” pp. 111–118, 2005.
[8]  M. Kabib, I. M. L. Batan, B. Pramujati, and A. S. Pramono, “Analisa Pemodelan dan Simulasi Gerak Aktuator Punch pada Mesin Pres untuk proses Deep Drawing,” no. Snttm Xiv, pp. 7–8, 2015.