Rekabentuk Bagi Sambungan dan Permesinan

1. Rekabentuk Bagi Sambungan dan Permesinan EBB 224 Rekabentuk Bahan Kejuruteraan Dr. Zuhailawati Hussain

2. Rekabentuk Melibatkan Proses Sambungan • Sambungan: kaedah pemasangan, iaitu komponen2 yang dihasilkan oleh proses lain digabungkan untuk menghasilkan bentuk yang lebih kompleks atau struktur yang lebih besar. • Sambungan melanjutkan keupayaan proses2 tuangan, tempaan, dan kerja kepingan logam • Ini kerana ia membolehkan pembuatan produk seperti rangka mesin, struktur keluli, badan kereta, tin makanan & minuman, tangki simpanan dan sistem paip. • Sesetengah sambungan bersifat sementara & boleh ditanggalkan dengan mudah, cth: sambungan berpasak (bolted joint)

3. Sambungan kekal seperti paku (rivet) dan kimpalan (weldments.) • Fungsi sambungan yang utama ialah memindahkan tegasan dari satu komponen ke komponen lain. Olh itu sambungan mesti cukup kuat untuk menampung beban khidmat yang dijangkakan. • Kekemasan (tightness) sambungan juga perlu untuk mengelak kebocoran. • Sambungan bererti tidak berterusan (discontinuities), maka ia perlu berada di kaw. Yang menerima tegasan rendah terutamanya bagi struktur yang dibeban secara dinamik.

4. Kimpalan • Kimpalan telah menggantikan perivetan (riveting) dlm kebanyakan aplikasi-struktur keluli, dandang, tangki, casis kenderaan krn rivet: • kurang versatile dan memerlukan sambungan tindih (lap joint). • Hanya blh mencapai 85% kekuatan sedangkan kawasan terkimpal blh mencapai kekuatan sama dgn logam dasar. • Kimpalan lebih mudah diperiksa dan blh dibuat kedap gas @ cecair-sukar dilakukan dgn rivet

5. Struktur terkimpal seperti monolit dan sifatnya umpama satu kepingan: • Blh memberi kesan negatif kpd struktur. • Retak dlm satu komponen yang terdiri drpd pelbagai struktur yang dirivet tidak membahayakan krn ia jarang merambat dlm komponen tersebuut tanpa dikesan. • Retak dlm struktur terkimpal bermula dalam satu kepingan dan merambat untuk jarak yang jauh dan menyebabkan kegagalan sepenuhnya.

6. Pertimbangan lain: kesan saiz struktur terkimpal ke atas keupayaan menyerap tenaga keluli. • Semasa ujian hentaman Charpy, struktur kimpalan yg kecil blh mempamerkan suhu peralihan rapuh-mulur yg lebih rendah berbanding struktur kimpalan yang besar. • Kapal sms Perang Dunia ke II, contoh struktur monolit, kebanyakkannya gagal setelah satu retak merambat di seluruh struktur. • Olh itu, kemuluran takuk keluli dlm struktur terkimpal yg besar perlu diambilkira.

7. Panduan untuk Rekabentuk Struktur Terkimpal • Struktur dan sambungan terkimpal perlu mempunyai kebolehlenturan yg cukup. Struktur yang terlalu kaku: • tidak membenarkan pengecutan logam kimpal, • mempunyai keupayaan terhad untuk mengagihkan tegsan, dan • terdedah kpd herotan dan kegagalan. • Kebolehcapaian (accessibility) sambungan untuk kimpalan, kedudukan kimpalan, danpadanan komponen merupakan element penting dlm rekabentuk.

8. Keratan nipis lebih mudah dikimpal • Tebal keratan terkimpal perlulah bersaiz sama utk mengelakkan herotan haba yg berbeza. • Meletakkan sambungan terkimpal secara simetri di paksi satu assembly utk mengurangkan herotan. • Jika blh, sambungan terkimpal diletakkan jauh dari permukaan yang hendak dimesin. Titik keras dalam kimpalan blh merosakkan alat pemotong.

9. Jenis Sambungan Kimpalan • Plat logam blh disambung melalui kimpalan secara 5 jenis samb. utama, Rajah 7.5.

10. Rjh 7.6: Sambungan lap (tindih), tee dan penjuru (corner) yang menggunakan kimpalan jenis kambi (fillet).

11. Kimpalan plat tebal memerlukan penyediaan tepi utk mempastikan penusukan yang lengkap. • Satu atau kedua2 tepi yg akan dikimpal di potong serong (chamfer) utk mengurangkan jumlah logam terkimpal yg diendap. • Kos per unit berat endapan logam terkimpal kira-kira 25-50 kali lebih berbanding struktur keluli. • Jumlah pengecutan dan herotan meningkat apabila jum. logam endapan meningkat

12. Kekuatan Sambungan Terkimpal • Kimpal temu (butt) yang ditusuk sepenuhnya lazimnya dianggap mempunyai kekuatan yg sama spt logam dasar. • Maka tidak perlu mengira kekuatan kimpalan jika endapan logam sama spt logam dasar. • Kekuatan kimpalan kambi (fillet) rendah vs kimpalan temu yg ditusuk sepenuhnya.

13. Apabila beban dikenakan selari dengan garis kimpalan, satah pecah ialah pada 45°-leher kimpalan. • Kod AWS memberikan daya yg dibenarkan per unit panjang kimpalan ialah 30% daripada kekuatan tegangan elektrod kimpalan, S.

14. Keupayaan menanggung beban bagi 2 kimpalan kambi (fillet), P ialah P=2 x 0.30S x 0.707t x L L= panjang kimpalan, S= kekuatan tegangan ektrod kimpalan, t=kaki kimpalan (bersamaan dengan tebal plat) Rajah 7.7

15. Contoh An AISI 1020 steel angle of dimensions 150 x 150 x 12 mm is to be welded to a steel plate by fillet welds along the edges of the 150 mm leg. The angle should support a load of 270 kN acting along its length. Determine the lentghs of the welds to be specified. The welding electrode used is AWS-AISI E6012 with a tensile strength of 414 MPa.

16. P=2 x 0.30S x 0.707t x L 270 000 =2 x 0.30 (414) x 0.707 (12) x L L = 128 mm

17. Ikatan Rekatan (Adhesive Bonding) • Kaedah yg menarik utk sambungan dan penggunaanya semakin meningkat dalam pelbagai aplikasi. • Kelebihan: • Kepingan nipis dan komponen berbeza tebal blh disambung dgn mudah • Plg sesuai utk menyambung komposit matrik polimer • Rekatan adalah penebat elektrik & blh menghalang tindakan galvanic dlm sambungan logam yg berbeza

18. Sesuai utk bahan berbeza atau tidak serasi • Rekatan bersifat blh lentur-menyebarkan tegasan dlm kaw.yg luas dan blh menampung pengembangan terma yg berbeza • Rekatan bersifat blh lentur-menyerap getaran & hentakan, maka meningkatkan hayat lesu • Juga bersifat kedap • Tiada kepala skru, kepala paku atau kumai kimpalan – bagus utk aplikasi yg tidak membenarkan gangguan aliran cecair atau mementingkan apppearance

19. Kekurangan: • Sambungan lemah di bawah belahan (cleavage), juga beban pengupasan (peel loading) vs keadaan tegangan atau ricihan • Kebanyakan tidak blh digunakan pada T>300C • Pelarut, cahaya ultra ungu, air & ozon blh menyerang sambungan rekatan • Perlu mengambil kira rintangan rekatan terhadap hentaman dan rayapan serta aliran sejuk dan kekuatan

20. Rekabentuk Sambungan Rekatan • Kekuatan sambungan rekatan bergantung pada geometri samb., arah beban , bahan rekatan, penyediaan perm., teknik pengenaan & awet (curing). • Kekuatan sambungan rekatan dihadkan olh luas sambungan: • samb. tindih (lap) dan ikatan berganda (double strap) lebih diutamakan berbanding ikatan temu (butt). • Jika geometri samb.tidak membenarkan samb. lap & double strap maka samb.skaf atau skaf berganda (scarf) blh dibuat.

22. Jika samb.tindih mengikat keratan nipis, tegasan ricih mengakibatkan lenturan yg menghasilkan tumpuan tegasan pada hujung tindihan. • Penirusan (tapering) hujung samb. dilakukan utk memberikan pembebanan yg lebih seragam. • Samb.rekatan lemah dlm keadaan daya kupasan, maka elakkan beban jenis ini utk rekabentuk samb.

23. Rekabentuk Melibatkan Proses Pemesinan • Pemesinan: • penghasilan komponen spt aci & bolt (pasak) drpd stok bar • Proses penyudahan spt dlm kes komponen tempa atau tuangan • Rekabentuk pastikan komponen mestilah blh dimesin dengan mudah dan ekonomi • 3 jenis pemesinan: pemotongan logam, pencanaian, dan kesan elektrik atau bukan konvensional.

24. Jenis konvensional blh dipecahkan kpd 3: • Kebolehmesinan bahan kerja dikatakan baik • Kadar haus pemotong rendah • Daya pemotongan rendah, • Serpihan pecah menjadi kecil & bukan berbentuk lingkaran panjang • Permukaan siap yg blh diterima Pemotong beralih (tool translate), pemotong berputar & bahan kerja berputar.

25. Panduan rekabentuk • Bahan kerja mestilah mempunyai permukaan rujukan yang sesuai dipegang pada mesin-permukaan rata atau silinder. • Jika tidak, kaki penyokong blh ditambah pada komponen tempa atau tuangan utk tujuan sokongan, dan dikeluarkan slps pemesinan. • Jika blh, rekabentuk perlu membenarkan operasi pemesinan disiapkan tanpa set semula atau pengapitan (clamping) semula.

26. Lenturan di bawah daya pemotongan perlu diambilkira. • Utk daya pemotongan yg sama, lebih banyak lenturan bagi komponen yg nipis dan modulus young yg rendah. • Penyokong diperlukan utk mempastikan ketepatan bahagian yg dimesin.

27. Penebuk berputar mestilah masuk dan keluar pada sudut yg sesuai dengan permukaan yg ditebuk • Tebukan secara bersudut dgn permukaan menyebabkan penebuk melentur dan pecah. • Semasa penebuk sedang memotong, ia mesti menerima rintangan yang sama dari semua arah-hanya jika ia melalui permukaan masuk & keluar berserenjang dgn paksinya.

28. Lubang tidak blh terlalu hampir dgn pinggir bahan kerja • Bahan kerja lemah & rapuh spt keluli tuang-boleh pecah • Keluli-melentur pada keratan nipis dan membidas (spring back) dan menghasilkan lubang yg tidak bulat • Elakkan lubang tebukan dasar rata krn memerlukan operasi tambahan dan perkakasan khas utk membentuk dasar.

29. Utk kurangkan kos, minimumkan kawasan yg perlu dimesin. Hasilkan permukaan bermesin hanya bagi mempastikan komponen berfungsi. • 2 cth utk mengurangkan kaw.pemesinan: