Penempaan

Open die forging, tempa cetak terbuka, dengan tangan.

Mesin forging tempa.

Mesin forging tempa press dengan daya tekan ribuan ton. Close die forging, tempa cetak tertutup.

Bahan baku billet pada tahap pemanasan awal (preheating treatment) sebelum ditempa dan dibentuk. Preheating bisa saja menggunakan gas burner, oxy-gas flame, electric blancket, pemanasan induksi, atau pemanasan di furnace.

Penempaan (bahasa Inggris: forging) adalah proses deformasi di mana benda kerja ditekan di antara dua die (cetakan). Penekanan dapat dilakukan dengan tekanan kejut atau tekanan berangsur-angsur (perlahan). Proses penekanan tersebut akan menghasilkan bentuk benda kerja yang sesuai dengan apa yang diinginkan.

Proses penempaan merupakan salah satu dari beberapa jenis pengerjaan logam yang paling tua. Proses penempaan sudah dikenal dan dilakukan sekitar 4000 SM. Ketika itu penempaan dilakukan untuk membuat koin dan perhiasan.

Kerja tempa

Produksi poros engkol. dari casting forging cetakan tempaan logam hingga produk akhir

Kerja tempa adalah suatu proses pengerjaan logam yang paling tua. Prosesnya terdiri dari atas pemukulan atau penekanan logam menjadi bentuk yang dikehendaki. Hal ini dapat dikerjakan baik dalam keadaan panas maupun dingin, tetapi istilah “tempa” umumnya menggunakan panas. Jadi yang dimaksud menempa adalah suatu proses pengerjaan logam dalam keadaan panas dengan cara memukul dengan palu diatas landasan.

Penempaan dapat dilakukan dengan tangan maupun dengan mesin. Untuk benda-benda kerja yang ringan dapat dilakukan dengan penempaan tangan. Penempaan dengan mesin biasanya dilakukan untuk pekerjaan-pekerjaan berat, dapat menggunakan matres ataupun tidak menggunakan matres.

Dalam melaksanakan pekerjaan menempa diperlukan alat dan peralatan, seperti dapur tempa, alat pemotong, alat pelubang, alat peregang, alat pembentuk, alat ukur, dan alat bantu lainnya.

Jenis penempaan

Penempaan (forging) di bagi menjadi 6 yaitu

• Penempaan palu
• Penempaan timpa
• Penempaan upset
• Penempaan tekan / penempaan pres
• Penempaan rol
• Penempaan dingin

Penempaan palu

Pada proses penempaan logam yang dipanaskan ditimpa dengan mesin tempa uap diantara perkakas tangan atau die datar. Penempaan tangan yang dilakukan oleh pandai besi merupakan cara penempaan tertua yang dikenal. Pada proses ii tidak dapat diperoleh ketelitian yang tinggi dan tidak dapat pula dikerjakan pada benda kerja yang rumit. Berat benda tempa berkisar antara beberapa kilogram sampai 90 Mg

Penempaan timpa

Perbedaan penempaan palu dan penempaan timpa terletak pada jenis die yang digunakan. Penempaan timpa menggunakan die tertutup, dan benda kerja terbentuk akibat impak atau tekanan, memaksa logam panas yang plastis, dan mengisi bentuk die. Prinsip kerjanya dapat dilihat pada gambar 5. Pada operasi ini ada aliran logam dalam die yang disebabkan oleh timpaan yang bertubi-tubi. Untuk mengatur aliran logam selama timpaan, operasi ini dibagi atas beberapa langkah. Setiap langkah mengubah bentuk kerja secara bertahap, dengan demikian aliran logam dapat diatur sampai terbentuk benda kerja.

Dikenal dua jenis mesin penempaan timpa yaitu: palu uap dan palu gravitasi. Pada palu uap pembenturan tekanan impak terjadi akibat gaya palu dan die ketika mengenai die bawah tetap. Pada gambar 6. terlihat palu piston. Untuk mengangkat palu digunakan udara atau uap. Dapat diatur tinggi jatuhnya dengan program, oleh karena itu dapat dihasilkan benda kerja yang lebih uniform. Palu piston dibuat dengan kapasitas mulai dari berat palu 225 Kg sampai 4500 kg. Palu piston banyak digunakan di industri perkakas tangan, gunting, sendok, garpu, suku cadang, dan bagian pesawat terbang.

Palu tempa impak seperti gambar 7 terdiri dari dua silinder yang berhadapan dalam bidang horisontal, yang menekan impeler dan die. Bahan diletakkan pada bidang impak dimana kedua bagian die bertemu. Deformasi dalam bahan menyerap energi. Pada proses ini bahan mengalami deformasi yang sama pada kedua sisinya; waktu kontak antara bahan dan die lebih singkat, energi yang dibutuhkan lebih sedikit dibandingkan dengan proses tempa lainnya dan benda dipegang secara mekanik. Setelah selesai, semua benda tempa rata-rata tertutup oleh kerak harus dibersihkan. Hal ini dapat dilakukan dengan mencelupkannya dalam asam, penumbuhan peluru atau tumbling, tergantung pada ukuran dan komposisi benda tempa Bila selama penempaan terjadi distrosi, operasi pelurusan atau menempatkan ukuran dapat dilakukan

Keuntungan dari operasi penempaan ialah struktur kristal yang halus dari logam, tertutup lubang-lubang, waktu pemesinan yang meningkatnya sifat-sifat fisis. Baja karbon, baja paduan besi tempa, tembaga paduan aluminium dan paduan magnesium dapat ditempa. Kerugian ialah timbulnya inklusi kerak dan mahalnya die sehingga tidak ekonomis untuk membentuk benda dalam jumlah yang kecil.

Penempaan dengan die tertutup mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan penempaan dengan die terbuka, antara lain penggunaan bahan yang lebih ketat, kapasitas produksi yang lebih tinggi dan tidak diperlukannya keahlian khusus.

Penempaan tekan

Pada penempaan tekan, deformasi plastik logam melalui penekanan berlangsung dengan lambat, yang berbeda dengan impak palu yang berlangsung dengan cepat. Mesin tekan vertikal dapat digerakkan secara mekanik atau hidraulis. Pres mekanik yang agak lebih cepat dapat menghasilkan antara 4 dan 90 MN (Mega Newton). Tekanan yang diperlukan untuk membentuk baja suhu tempa bervariasi antara 20-190 MPa (Mega Pascal). Tekanan dihitung terhadap penampang benda tempa pada garis pemisah die.

Pada penempaan tekan pada sebagian besar energi dapat diserap oleh benda kerja sedang pada tempa palu sebagian energi diteruskan ke mesin dan pondasi. Reduksi dan benda kerja jauh lebih cepat, oleh karena itu biaya operasi lebih rendah. Banyak bagian dengan bentuk yang tak teratur dan rumit dapat ditempa secara lebih ekonomis dengan proses temap timpa.

Penempaan upset

Pada penempaan upset batang berpenampaan rata dijepit dalam die dan ujung yang dipanaskan ditekan sehingga mengalami perubahan bentuk seperti terlihat pada gambar 8. Panjang benda upset 2 atau 3 kali diameter batang, bila tidak benda kerja akan bengkok. Pelubangan progresif sering dilakukan pada penempaan upset seperti untuk membuat selongsong peluru artileri atau silinder mesin radial.

Penempaan rol

Batang bulat yang pendek dikecilkan penempangannya atau dibentuk tirus dengan mesin tempat rol. Bentuk mesin rol terlihat pada gambar 10 dimana rol tidak bulat sepenuhnya, akan tetapi dipotong 25-75°% untuk memungkinkan bahan tebuk masuk diantara rol. Bagian yang bulat diberi alur sesuai dengan bentuk yang dihendakinya. Bila rol dalam berada dalam posisi terbuka, operator menempatkan batang yang dipanaskan di antara rol. Ketika rol berputar, batang dijepit oleh alur rol dan didorong ke arah operator. Bila rol terbuka, batang didorong kembali dan digiling lagi, atau dipindahkan keluar berikutnya untuk lengkap pembentukan selanjutnya.

Untuk mengerol roda, ban logam dan benda-benda serupa lainnya diperlukan mesin rol yang agak berbeda. Pada gambar 11 terlihat proses untuk mengerol roda. Bila roda berputar diameter berangsur-angsur bertambah sedang pelat dan rim makin tipis. Roda dirol sampai mencapai diameter sesuai dengan ukuran kemudian dipindahkan ke mesin pres lainnya untuk proses pembentukan akhir.

Dapur tempa

Dapur tempa tetap umumnya dipakai di bengkel-bengkel dan diletakkan secara permanen di atas suatu fondasi yang kuat. Suatu dapur tempa memerlukan udara penghembus. Udara penghembus dapat diperoleh melalui berbagai cara, baik cara tradisional, seperti dapur tempa tekan yang masih banyak digunakan di daerah pedalaman maupun menggunakan ventilator listrik atau tangan.

Pada dapur tempa, udara penghembus dialirkan melalui suatu saluran ke tungku api. Dengan berputarnya ventilator, udara dapat dihembuskan ke tungku api yang sedang membara melalui pipa penghubung yang dilengkapi dengan katup-katup pengatur. Dengan demikian panas bahan bakar akan bertambah dan mempercepat naiknya suhu benda kerja yang dibakar.

Dapur tempa lapangan adalah suatu dapur yang dapat dipindah-pindah sehingga dapat digunakan dimana saja bila diperlukan. Pada dapur ini hanya dapat dibuat api yang kecil karena udara penghembus yang diperoleh ventilator digerakkan dengan tangan atau kaki. Dengan terjadinya api yang kecil pada dapur ini penggunaannya pun untuk benda-benda yang kecil pula.

Ada tiga macam bahan bakar yang dipergunakan pada dapur tempa, yaitu; bahan bakar padat, bahan bakar cair, dan bahan bakar gas.

Temperatur dan warna untuk benda kerja yang ideal adalah pada temperatur pada suhu 800-930 °C atau pada warna yaitu berwarna merah kekuning-kuningan. Baja tidak boleh ditempa dibawah 400 °C, maka baja akan rapuh berwarna biru. Jika baja dipanaskan diatas 1200 °C maka baja akan terbakar dan tidak dapat diperbaiki lagi. Benda kerja yang biasa digunakan yaitu st.37 dengan kandungan karbon kuang lebih 0.3 g.

Proses dasar menempa

Yang dimaksud proses dasar menempa ialah suatu proses pengerjaan yang merupakan dasar ketrampilan menempa yang harus dikuasai oleh pekerja tempa. Proses-proses dasar menempa terdiri dari

• Meratakan benda kerja (flattening).
• Membuat tajam benja kerja (sharpening).
• Membuat runcing benda kerja (pointing).
• Membuat benda kerja dengan cara memukul bagian atasnya (up setting).
• Memperpanjang atau menarik suatu benda kerja (drawing)
• Membengkokkan benda kerja bending).

Penempaan panas dan dingin ("hot forging" dan "cold forging")

Hot metal ingot being loaded into a hammer forge

Bubut bahan logam hasil dari forging tempa. Ada banyak jenis proses setelah forging tempa.

Berdasarkan temperatur kerjanya, penempaan dibagi menjadi hot forging (warm forging) dan cold forging.

Hot forging (tempa panas)

Hot forging atau penempaan panas merupakan proses penempaan yang dilakukan pada logam bersuhu tinggi (panas). Proses hot forging dilakukan bila logam yang ingin ditempa perlu dikurangi kekuatannya dan ditingkatkan sifat mampu bentuknya. Karena logam yang akan ditempa kekuatannya berkurang dan mampu bentuknya meningkat, hot forging relatif memerlukan gaya yang lebih kecil dibanding cold forging. Tingginya sifat mampu bentuk membuat produk hasil hot forging memiliki akurasi ukuran dan kualitas permukaan yang lebih buruk dibandingkan dengan cold forging.

Cold forging (tempa dingin)

Cold forging atau penempaan dingin merupakan proses penempaan yang dilakukan pada logam bersuhu ruang. Proses penempaan ini memerlukan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan hot forging. Hal tersebut dikarenakan logam yang dingin memiliki kekuatan yang lebih besar daripada logam yang panas. Syarat dari logam atau material yang dapat dikerjakan dengan cold forging yakni harus memiliki sifat mampu bentuk yang tinggi pada suhu ruang. Syarat tersebut harus dipenuhi supaya perubahan bentuk dapat terjadi tanpa timbulnya retak atau patah. Dibandingkan dengan hot forging, cold forging memiliki akurasi ukuran dan kualitas permukaan yang lebih baik.

Die forging (tempa cetak)

Open-die forging, tempa cetak terbuka

Open-die forging adalah jenis penempaan (forging) yang paling sederhana. Proses penempaan jenis ini dioperasikan dengan menekan benda kerja menggunakan dua buah die (cetakan) berbentuk rata. Secara umum, open-die forging mampu mengerjakan benda-benda mulai dari yang kecil hingga yang besar.

Proses open-die forging mirip dengan proses pengujian tekan pada uji material. Proses ini dikenal dengan sebutan upsetting atau penempaan upset atau flat-die forging. Upsetting adalah pengurangan tinggi suatu benda kerja yang berakibat pada meningkatnya dimensi penampang benda kerja tersebut.

Pada beberapa aplikasi, permukaan die yang digunakan memiliki kontur yang tipis. Kontur tersebut berfungsi untuk membantu pembentukan benda kerja. Bila perlu, benda kerja dapat diputar atau diposisikan ke berbagai macam posisi supaya perubahan bentuk yang diinginkan bisa tercapai. Keterampilan dari seorang operator menjadi salah satu faktor penentu kesuksesan dalam penempaan ini.

Open-die forging menghasilkan bentuk-bentuk yang masih kasar. Oleh karena itu, open-die forging memerlukan proses lanjutan supaya bisa mencapai bentuk dan ukuran akhir yang mendekati toleransi. Walaupun menghasilkan bentuk yang kasar, proses open-die forging tetap dibutuhkan karena dapat menciptakan aliran butir dan struktur metalurgi yang baik pada logam.

Ada tiga jenis pengoperasian yang diklasifikasikan sebagai open-die forging. Ketiga jenis pengoperasian tersebut antara lain:

• Fullering merupakan jenis pengoperasian untuk mengurangi dimensi penampang benda kerja. Fullering menggunakan die dengan permukaan yang cembung. Die yang cembung menyebabkan material terdistribusi menjauh dan membentuk cekungan.
• Edging merupakan jenis pengoperasian yang mirip dengan fullering. Hal yang membedakan edging dengan fullering adalah bentuk permukaan die-nya. Edging memiliki permukaan die yang cekung. Die yang cekung menyebabkan material berkumpul pada suatu area tertentu dan membentuk cembungan.
• Cogging merupakan jenis pengoperasian yang terdiri dari sebuah rangkaian penekanan tempa di seluruh panjang benda kerja untuk mengurangi dimensi penampang dan meningkatkan panjang benda kerja tersebut. Cogging terkadang disebut sebagai incremental forging. Dalam dunia industri, cogging digunakan untuk membuat bloom dan slab.

Berikut beberapa kelebihan dari open-die forging:

• Die (cetakan) sederhana dan murah.
• Kisaran dimensi benda yang dapat dibuat, tergolong luas.
• Benda hasil tempaan memiliki tingkat kekuatan yang baik.
• Secara umum digunakan untuk mengerjakan benda-benda dengan jumlah sedikit.

Berikut beberapa kelemahan dari open-die forging:

• Hasil terbatas pada bentuk yang sederhana.
• Sulit untuk mencapai ukuran yang mendekati toleransi.
• Memerlukan proses permesinan supaya dapat mencapai bentuk akhir yang sesuai.
• Produktivitas rendah.
• Butuh operator yang memiliki keterampilan tinggi.

Open-die forging dapat digunakan untuk membuat benda yang berukuran kecil hingga besar. Benda-benda yang dapat dibuat dengan open-die forging seperti: paku, pin, baut, poros, cakram, dan cincin.

Closed die forging (tempa cetak tertutup)

Closed die forging atau impression die forging adalah proses penempaan dengan cetakan tertutup yang langsung bisa menghasilkan bentuk benda kerja sesuai yang diinginkan (sesuai gambar kerja). Proses penempaan ini bisa digambarkan dalam tiga tahap. Pertama benda kerja dan die saling bersentuhan lalu diberi tekanan. Tahap selanjutnya benda kerja berubah bentuk akibat tekanan. Kedua proses ini mirip dengan open die forging. Tahap terakhir kedua buah die sudah sangat dekat dan mencapai posisi akhir. Pada tahap ini benda kerja sudah menyerupai bentuk cetakan. Selain itu pada tahap terakhir juga terjadi pembentukan flash. Flash terbentuk dari celah yang berada di antara kedua die. Nantinya, flash tersebut harus dihilangkan.

Dibandingkan dengan open die forging, closed die forging membutuhkan gaya yang lebih besar. Hal ini karena closed die forging menghasilkan flash. Ketika menekan benda kerja, flash akan terbentuk. Flash yang terbentuk akan bergesekan dengan permukaan die. Gesekan pada flash bisa membatasi perubahan bentuk benda kerja. Pada kasus penempaan panas, flash di celah die akan cepat dingin. Flash yang dingin juga membatasi benda kerja untuk berubah bentuk. Agar perubahan bentuk benda kerja yang terhalang oleh fenomena pada flash tetap terjadi, diperlukan gaya yang lebih besar. Selain karena flash, bentuk yang kompleks pada closed die forging juga menyebabkan proses ini memerlukan gaya yang lebih besar.

Closed die forging kerap kali diikuti dengan proses permesinan (machining) atau cutting. Proses permesinan dibutuhkan agar dimensi benda kerja bisa lebih mendekati toleransi yang ditentukan. Selain untuk finishing, proses permesinan juga digunakan untuk membuat lubang, ulir, dan kebutuhan lain sesuai bentuk yang diinginkan.

Closed die forging digunakan untuk membuat benda-benda kompleks seperti connecting rod, wrench, kepala palu, dll.

Jenis-jenis mesin tempa

Penekanan pada proses penempaan dapat dilakukan secara kejut maupun perlahan. Penekanan yang berbeda tersebut memerlukan mesin tempa yang berbeda pula. Mesin tempa untuk penekanan secara kejut disebut forging hammer, sedangkan untuk penekanan perlahan disebut forging press.

Aplikasi penempaan

Penempaan biasanya digunakan untuk membuat komponen-komponen berkekuatan tinggi. Komponen tersebut meliputi: poros engkol (crankshaft), connecting rod, gear, die, hand tool, baut, rivet, struktur pesawat terbang, kereta, mesin, dan masih banyak lagi. Material yang dapat ditempa biasanya adalah logam.

Referensi

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (edisi ke-9th). Wiley. ISBN 0-471-65653-4 
• Doege, E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen (in German), 2nd Edition, Springer Verlag, 2010, ISBN 978-3-642-04248-5
• Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium (in German), 3rd Edition, Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0

• Hot Forging vs. Cold Forging Diarsipkan 2014-05-03 di Wayback Machine.
• Glossary of Forging Terms and Definitions
• Video of Ring Rolling with Impression Die Forging