Kuliah 3 Gating System

Metallurgy and Materials Engineering DepartmentUniversity of IndonesiaSemester Genap 2012-2013

Sistem Tuang (Gating System)

Prof. Dr.-Ing. Bambang Suharno

Kuliah Pembentukan Logam

University of Indonesia

Metallurgy and Materials Engineering Department UI

Gating System

Gating systems : jaringan pipa /saluran logam cair untuk memasuki cetakan (pasir, logam, dll) untuk mengisi seluruh rongga cetakan yang diikuti oleh pembekuan logam cair untuk menghasilkan bentuk benda casting.

Hukum-hukum aliran fluida yang umum digunakan untuk menghasilkan gating system yang optimal antara lain : Bernoulli’s Theorem, Law of Continuity, dan Momentum Effects (Reynold’s Number).



Sistem Saluran (Gating System)



Tujuan Utama Pembuatan Gating System

1. Logam cair dapat masuk ke cetakan melalui gating systems tanpa turbulensi dan penyerapan gas-gas yang minimum.

2. Logam cair dapat mengisi penuh rongga cetakan dalam waktu yang sesingkat-singkatnya.

3. Mencegah/meminimalisasi premature solidification4. Mengatur kecepatan alir logam cair yang akan

masuk ke mold cavity5. Logam cair dapat masuk ke dalam cetakan dengan

gradient temperatur yang tercipta di mold surface dan di dalam logam cair yang selanjutnya akan menghasilkan directional solidification menuju riser.



Sand Casting (Cetakan Pasir)



Definisi

Sprue : saluran vertikal yang melewati (passing through) bagian cope dan menghubungkan pouring basin dengan runner.

Choke : suatu penghalang (restriction) yang dipasang di dasar sprue / pada runner untuk mengontrol laju aliran logam cair yang akan masuk ke dalam mold cavity. Choke umumnya digunakan jika gating system tidak menggunakan tapered sprue (sprue berbentuk tirus).

Gate : bagian dari runner di dalam cetakan yang merupakan jalan bagi logam cair untuk memasuki rongga cetakan.



Definisi

Runner : saluran dalam gating system yang menghubungkan antara sprue dengan gate(s).

Ingates : Cabang-cabang dari runner yang mengubungkan runner dengan rongga-rongga cetakan.

Open Riser : riser yang permukaan atasnya kontak langsung dengan atmosfer, biasanya diletakkan di atas benda casting atau di parting plane. Open riser jarang memanjang ke bawah sampai ke bagian drag (di bawah parting line)

Blind Riser : Riser yang tidak terhubung dengan lingkungan/atmosfer. Riser ini dikelilingi oleh pasir cetak di semua sisi, bisa diletakkan di atas /samping benda casting baik pada bagian cope maupun bagian drag.



Pouring Basin

Pouring basin ialah semacam corong yang ditempatkan di atas sprue pada bagian cope.

Design yang baik dari pouring basin akan mengatur laju masuknya logam cair ke dalam sprue, menghasilkan aliran logam cair yang lembut di dalam sprue dan mencegah turbulensi.

Pouring basin harus diletakkan dekat dengan tepi flask agar cetakan bisa terisi penuh dengan cepat dengan menjaga mould tetap terisi penuh dengan logam cair selama proses pouring berlangsung


Metallurgy and Materials Engineering Department UI9

Definisi

Pouring basin bagian atas sprue yang besar



Sprue Design dari sprue sangat krusial untuk

mencegah inisiasi aliran turbulent dalam gating systems.

Aliran turbulent menyebabkan peningkatan daerah yang terekspos terhadap udara luar yang selanjutnya akan meningkatkan proses oksidasi logam cair dan menyebabkan erosi pada cetakan pasir.



Sprue

[a] Natural flow of a free falling liquid metal [b] Air aspiration induced by a liquid metal flow in a

straight- sided sprue. [c] Liquid flow in a tapered sprue.



Ingate Ingates ialah jalan / saluran yang

menghubungkan antara runner dan rongga cetakan

Ingate harus dibuat menuju daerah yang tebal dari benda casting.

Gates berbentuk persegi panjang adalah yang paling sering digunakan.

Lokasi ingates harus dibuat sedemikian rupa meminimalisasi agitasi dan mencegah erosi cetakan mengorientasikan ingates pada arah natural dari logam cair.



Ingate



Riser Riser adalah reservoir logam cair yang dihubungkan

ke benda casting to menyediakan/mensupply logam cair tambahan yang dibutuhkan oleh benda casting selama proses solidifikasi.

Shrinkage yang terjadi selama solidifikasi menyebabkan terjadinya voids kecuali ada sejumlah logam cair tambahan yang diumpnkan (fed) ke tempat-tempat yang berpotensial munculnya shrinkage.

Riser didesign untuk membeku paling akhir dan menarik shrinkage voids keluar dari benda casting.

Riser juga berfungsi sebagai pintu keluar bagi gas-gas dan dross yang terperangkap di dalam logam cair.



Riser

Ketika logam cair membeku dan mendingin membentuk benda casting, logam cair mengalami 3 tahapan volume contraction / shrinkage.

1. Liquid shrinkage : volume logam cair menyusut seiring dengan pelepasan superheat dan mendingin sampai pada liquidus temperature.

2. Solidification Shrinkage : logam cair membeku, berubah dari liquid menjadi higher-density solid. Untuk pure metal, kontraksi berlangsung pada single temperature, untuk alloy berlangsung pada interval temperature tertentu

3. Solid shrinkage : solid casting mendingin dari solidus temperature sampai room temperature.



Example of schematic of shrinkage of low carbon steel



Riser

Di samping ini merupakan sebuah contoh steel casting, diperoleh dengan system CAD.digunakan untuk melihat laju pendinginan,hal ini dapat membantu kita dalam penempatan gates dan riser.



Schematic of sequence of solidification shrinkage in an iron cube.

[a] initial liquid metal. [b] solid skin and formation of shrinkage void. [c] internal shrinkage. [d] internal shrinkage + dishing. [e] surface puncture.



Feeding Distance

Ialah jarak yang bisa dicapai riser untuk mengkompensasi shrinkage dari benda casting.

Dirumuskan sebagai berikut :

nR = L (mm) / [dR(mm) + fD x D(mm)] dimana :

nR = jumlah Riser

L = daerah jangkauan casting yang harus diumpankan

dR = Diamater Riser

fD = Feeding Distance Factor

D = Tebal tuangan paling tipis



Feeding Distance Relationship in Steel Plate

Section width greater than 3T, where T = thickness



Feeding Distance Relationship in Steel Bars

Section width equal to thickness, T



Procedure for determining a minimum riser size using shape factor method



Chill

In [a], with no riser, shrinkage develops in 2 heavy sections

In [b] , when an adequate riser is applied to one side, shrinkage remains unfed in the other heavy section or hot spot because the connecting section freezes first.

In [c], two feed paths are thus established, running from the center section outward to the 2 risers.



Chill

In [d], a chill is applied to the isolated section to reduce its solidification time below of that the connection.

In [e]. The solidification time of the connection is extended by applying an insulating or exothermic pad to the casting walls.



Ceramic Filter In Gating Design Digunakan untuk meningkatkan kebersihan benda casting

dan menurunkan biaya produksi / manufaktur. Menghilangkan slag, dross dan partikel non-metallic dari

aliran logam sebelum masuk ke dalam mold cavity. Umumnya casting alloy mengandung partikel2 yang bisa

merusak physical properties dan appearance. (dari kiri-kanan : strainer core, extruded ceramic filter,

ceramic foam filter, mica screen dan woven fabric screen)



Ceramic Filter In Gating Design

Partikel pengotor/inklusi dalam aliran logam meliputi

1. Oxides yang terbentuk selama melting, metal transfer dan pouring.

2. Refractory Particles dari Furnace dan ladle.

3. Refractory Particless yang ada dalam gating system atau yang terlepas dari cetakan/inti selama pouring

4. Hasil reaksi-reaksi metalurgi

5. Metallic/non-metallic particles yang tidak larut yang ditambahkan ke dalam logam cair untuk metallurgical modification.



Ceramic Filter In Gating Design

Partikel/inklusi discontinuities di dalam matrix logam casting hal-hal yang merugikan yaitu :

1. Inklusi yang besar mengurangi mecahnical properties seperti tensile strength dan elongation.

2. Mengurangi fatigue life.

3. Mempersulit proses machining

4. Meningkatkan laju aus peralatan finishing

5. Surface finishing bisa memperburuk apperance.

6. Surface treatment (anodizing / ceramic coating) tidak memberikan hasil yang optimal.



Densities of metals and metal oxides commonly used in casting alloys

Casting alloy Density, g/cm3

Aluminum alloys

Al 2.41

Al2O3 3.96

3Al2O3 · 2SiO2 3.15

Magnesium alloys

Mg 1.57

MgO 3.58

Copper alloys

Cu 8.00

CuO 6.00

ZnO 5.61

SnO 6.45

BeO 3.01



Densities of metals and metal oxides commonly used in casting alloys

I ron alloys

Cast iron 6.97

Low-carbon steel 7.81

2% C steel 6.93

FeO 5.70

Fe2O3 5.24

Fe3O4 5.18

FeSiO4 4.34

MnO 5.45

Cr2O3 5.21

SiO2 2.65



Ceramic Filter Advantages

1. inclusion-related scrap

2. ukuran gating system dan casting yield

3. casting machinability

4. machine tool life

5. machine stock allowance

6. casting physical properties

7. casting surface finish

8. reliability dari proses casting.



Types of Gating System1. The pressurized gating system

AG<AS

Where AG : total gate cross-sectional area of all gates

AS : total sprue base cross-sectional area

which, if the flow rate is constant, implies:

VG>VS

where V : the velocity of fluid2. The unpressurized gating system

AS<AG , VS>VG

Most metals generally have unpressurized gating systems.



Pressurize Gating System

Keuntungan :1. ukuran dan berat benda casting mold yield.2. Gating system selalu terisi penuh oleh logam cair3. Ketika memakai multiple gates, laju aliran logam cair di tiap gate

(dengan luas permukaan gates yang sama) ialah sama.4. Jumlah logam cair yang tersisa di dalam gating system casting

yield .

Kerugian:1. Turbulensi sering terjadi pada junctions dan corners2. Kecepatan logam cair saat masuk ke mold cavity umumnya

diikuti oleh gas entrapment, dross formation dan mold erosion.



Unpressurize Gating System

Keuntungan :1. kecepatan logam cair di dalam gating system saat memasuki

mold cavity aliran laminar gas entrapment, dross formation dan mold erosion.

2. Luas permukaan runner dan ingate kecepatan alir logam cair turbulensi dalam gating system dan semburan logam cair ke dalam mold cavity.

Kerugian :1. Luas permukaan runner dan ingates casting yield.2. Sulit memperoleh kecepatan alir logam cair yang sama di dalam

tiap ingate jika menggunakan multiple gates3. Persyaratan design yang lebih ketat dan teliti diperlukan untuk

menjamin seluruh sistem tetap terisi logam cair selama proses pouring.



Desain Benda



Desain Benda + Riser



Perhitungan



Perhitungan

Riser dengan volume = 465 in3



Perhitungan

Dengan :nR = Jumlah RiserL = daerah jangkauan casting yang harus diumpankandR = Diameter RiserfD = Feeding distance factorD = Tebal tuangan paling tipis



Data

L = 1270 mm 50 in

dR = 228.6 mm 9 in

fD = 5

D = 76.2 mm 3 in



Desain 3 Dimensi Produk Casting

Nama Benda:

Barbel



Our Casting Design

Keterangan:•Ingate menuju cetakan dari panah.•Penempatan riser seperti pada gambar tabung di gambar tersebut. Riser yang digunakan bertipe open riser.



Produk Casting

20

5

120

20



Bentuk Produk Casting Berikut adalah

desain produk casting yang hendak dibuat

Produk berbentuk prisma segienam

Diameter lingkaran dalam = 150 mm

Lebar prisma = 100 mm

Luas area prisma = 90932.67 mm2

Volume prisma = 1948557.16 mm3

Kuliah 3 Gating System

Documents

Transcript of Kuliah 3 Gating System