Analisis Numerik Residual Stress pada Proses Forging Roda Kereta Cepat

Proyek canggih kereta api cepat sedang dikerjakan oleh Pemerintah Indonesia sebagai pertimbangan dalam pemenuhan akan moda transportasi cepat dan sebagai penunjang keberhasilan pembangunan Negara Indonesia sebagai negara yang memiliki cita-cita menjadi negara maju. Kereta cepat yang saat ini dibangun di Indonesia merupakan kerja sama dengan Tiongkok dan memiliki kecepatan operasional mencapai 300 km/jam. Sistem roda dan lintasan dari kereta cepat ini berbeda dengan kereta kecepatan rendah dan kecepatan menengah. Proses manufaktur yang ada di Indonesia untuk memproduksi roda kereta masih menggunakan metode produksi dengan cara casting atau pengecoran. Penggunaan metode casting dalam memproduksi roda kereta ini memiliki beberapa kekurangan apabila dibandingkan dengan metode forging. Kekuatan material yang dihasilkan melalui proses forging lebih tinggi daripada yang dihasilkan melalui proses casting. Suatu produk yang dibentuk melalui proses forging akan memiliki kekuatan tensile, dan kekuatan fatigue yang lebih tinggi apabila dibandingkan dengan produk yang dibuat dengan cara casting. Kekuatan fatigue tersebut terjadi karena adanya compressive residual stress yang yang ada pada produk hasil dari proses forging. Sebelum merancang proses produksi roda kereta dengan proses forging, perlu untuk menganalisa terlebih dahulu bagaimana rancangan proses yang tepat untuk menghasilkan roda kereta dengan karakteristik yang sesuai, dan dapat menghemat dalam segi ekonomi. Salah satu faktor yang harus dipertimbangkan adalah residual stress yang ada pada roda kereta hasil proses forging. Residual stress yang berupa circumferential/hoop compressive stress yang ada pada roda kereta ini akan meningkatkan fatigue life, karena dapat mencegah terjadinya inisiasi crack pada roda kereta akibat pembebanan pada saat operasional, dan pembebanan pada saat pengereman. Oleh karena itu, perlu adanya analisa terkait residual stress tersebut untuk membantu dalam menganalisa rancangan proses forging roda kereta yang tepat. Material roda kereta cepat yang digunakan dalam penelitian ini adalah material D1 medium carbon steel yang digunakan pada China Railway Highspeed (CHR), dan dimensi mengacu pada standard S1002CN yang digunakan sebagi standart kereta cepat di Iran. Proses forging yang digunakan dalam penelitian ini adalah cold forging dengan analisa metode elemen hingga. Tahapan pada penelitian ini adalah proses pemodelan 3D mesin forging dan billet, simulasi menggunakan explicit dynamic pada software elemen hingga, meshing, set up, dan analisa hasil. Hasil yang akan dianalisa pada penelitian ini adalah residual stress, dan juga akurasi dari geometri roda kerata yang dihasilkan dengan proses cold forging. Untuk mendapatkan analisa hasil tersebut, maka perlu untuk menetapkan beberapa variabel yang divariasikan. Pada penelitian ini memvariasikan ketebalan billet dengan tebal 70mm, 72mm, 74mm, 76mm, dan 78mm. Selain itu, pada penelitian ini juga memvariasikan besar gaya forging sebesar 200MN, 230MN, 260MN, 290MN, 320MN. Tujuan dari variasi ini adalah untuk mengamati bagaimana pengaruh ketebalan billet, dan gaya forging yang digunakan terhadap residual stress yang dihasilkan pada geometri roda kereta. Dari penelitian ini didapatkan hasil bahwa nilai maksimum tegangan residual yang bersifat kompresi pada arah aksial memiliki peningkatan seiring dengan penambahan besar gaya forging yang diberikan. Peningkatan nilai maksimum tegangan residual yang bersifat kompresi pada arah aksial ini dapat diamati pada semua lokasi pengamatan, yaitu pada lokasi R/5 hingga R pada arah radial billet roda kereta. Selain itu, nilai maksimum tegangan sisa yang bersifat kompresi pada arah aksial ini memiliki kecendurungan semakin menurun, seiring dengan penggunaan billet awal yang semakin tebal, dengan diameter billet yang sama, dan juga menggunakan besar gaya forging yang sama. Selanjutnya, Nilai maksimum tegangan sisa yang bersifat kompresi pada arah radial memiliki penurunan seiring dengan penambahan besar gaya forging yang diberikan. Namun, nilai maksimum tegangan sisa yang bersifat kompresi pada arah radial ini memiliki kecenderungan untuk semakin naik seiring dengan penggunaan billet awal yang semakin tebal. Pada arah circumferential, nilai maksimum tegangan sisa yang bersifat kompresi memiliki penurunan, terutama pada bagian rim, seiring dengan penambahan besar gaya forging yang diberikan, dan juga penggunaan billet awal yang semakin tebal. Pada penelitian ini juga dapat diamati bahwa perencanaan proses forging roda kereta cepat, dengan ketepatan geometri yang bagus, dihasilkan dengan menggunakan ketebalan billet awal sebesar 74mm hingga 78mm, dengan diameter billet 430mm, dan gaya forging sebesar 260MN hingga 320MN. Kata Kunci: Forging, Residual Stress, Roda Kereta Cepat, Elemen Hingga =========================================================================================================== Highspeed railroad project is being undertaken as a consideration in fulfilling the mode of rapid transportation and as a support for the successful development of the State of Indonesia as a country that has aspirations to become a developed country. The fast train currently being built in Indonesia is a collaboration with China and has an operational speed of up to 300 km / hour. The wheel and track system of this fast train is different from the low speed and medium speed trains. The manufacturing process in Indonesia to produce train wheels still uses the production method by casting or casting. The use of casting methods in producing this train wheel has several disadvantages when compared to the forging method. The strength of the material produced through the forging process is higher than that produced through the casting process. Before designing the train wheel production process with the forging process, it is necessary to first analyze how to design the right process to produce a wheeled carriage with the appropriate characteristics and can save economically. One of the factors that must be considered is the residual stress on the wheels of the forging process. Residual stress in the form of circumferential / hoop compressive stress that exists on the wheels of this train will increase fatigue life, because it can prevent the initiation of cracks on the train wheels due to loading during operations, and loading during braking. Therefore, it is necessary to have an analysis related to the residual stress to help in analyzing the design of the right wheel forging process. The fast train wheel material used in this study is D1 medium carbon steel material used in China Railway Highspeed (CHR), and the dimensions refer to the S1002CN standard which is used as a standard fast train in Iran. The forging process used in this study is cold forging with the finite element analysis method. The stages in this research are the 3D modeling process forging and billet machines, simulations using explicit dynamic on finite element software, meshing, set up, and analyzing the results. The results to be analyzed in this study are residual stress, and also the accuracy of the geometry of the wheel axle produced by the cold forging process. To get an analysis of these results, it is necessary to set a number of variables that are varied. In this study, varying the thickness of billets with a thickness of 70mm, 72mm, 74mm, 76mm, and 78mm. In addition, this study also varied the forging force of 200MN, 230MN, 260MN, 290MN, 320MN. The purpose of this variation is to observe how the influence of the thickness of the billet, and the forging force used on the residual stress generated in the geometry of the train wheels. From this research, the results show that the maximum value of the residual stress that is compression in the axial direction has an increase along with the addition of a large force forging applied. An increase in the maximum value of the compressive residual stress in the axial direction can be observed at all observation locations, namely at locations R/5 to R in the radial direction of the train wheel billet. In addition, the maximum value of the residual stress that is compression in the axial direction has a tendency to decrease, along with the use of the initial billet that is getting thicker, with the same billet diameter, and also uses the same forging force. Furthermore, the maximum value of compressive residual stress in the radial direction has decreased along with the large addition of the forging force applied. However, the maximum value of the residual stress that is compression in the radial direction has a tendency to increase along with the use of the initial billet which is getting thicker. In the circumferential direction, the maximum value of the compressed residual stress has a decrease, especially in the rim, along with the large addition of the forging force applied, and also the use of the initial billet which is getting thicker. In this study it can also be observed that the planning of the fast train wheel forging process, with good geometrical accuracy, is produced using an initial billet thickness of 74mm to 78mm, a billet diameter of 430mm, and a forging force of 260MN to 320MN. Keywords: Forging, Residual Stress, Highspeed Train Wheel, Finite Elemen