Nghiên cứu cải thiện chất lượng cho tạo hình chi tiết body 3-1 xe máy Yamaha

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 13
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG
CHO TẠO HÌNH CHI TIẾT BODY 3-1 XE MÁY YAMAHA
Luyện Thế Thạnh1, Nguyễn Anh Tuấn1, Nguyễn Đức Toàn1,2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 05/10/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 06/11/2017
Ngày bài báo được chấp nhận đăng: 23/11/2017
Tóm tắt:
Nghiên cứu này nhằm cải thiện chất lượng tạo hình cho chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA từ vật 
liệu SUS316L. Ứng dụng phần mềm SIMULIA ABAQUS mô phỏng số trong quá trình biến dạng tạo hình 
kim loại tấm, đưa ra dự báo về khả năng tạo hình, tìm được các phương án tối ưu và hướng khắc phục 
những sai hỏng có thể xảy ra trong quá trình gia công. Thông qua quá trình mô phỏng gia công biến dạng 
tạo hình kết hợp với thực nghiệm tính toán theo mảng trực giao Taguchi và phân tích phương sai ANOVA. 
Nghiên cứu đã phân tích được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thành phần đến biến dạng tạo hình tấm 
của kim loại và lựa chọn được bộ thông số công nghệ phù hợp.
Từ khóa: BODY 3-1; SUS316L; SIMULIA ABAQUS; Taguchi; dập tấm.
Ký hiệu Ý nghĩa
FLC Forming Limit Curve
FLD Forming Limit Diagram
FEM Finite Element Method
R
c
Bán kính góc lượn của cối
F Lực kẹp
A Khe hở giữa chày và cối
1. Đặt vấn đề
Khi nghiên cứu sự sai hỏng sản phẩm dập 
tấm [1] có thể dễ dàng nhận thấy các dạng phế phẩm 
sau đây:
- Sản phẩm dập bị nhăn trên vành
- Sản phẩm bị rách.
- Chiều cao sản phẩm không đồng đều.
- Bề mặt bị cào xước.
- Sản phẩm không đặt được kích thước 
chính xác do độ đàn hồi lại. 
Để dự đoán các hiện tượng phá hủy dẻo dựa 
trên tiêu chuẩn đường cong giới hạn tạo hình FLC. 
Các dữ liệu thực nghiệm được đưa vào phần mềm 
ABAQUS trong quá trình mô phỏng hiện tượng dập 
vuốt chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA Hình 1. 
Như được chỉ ra trong Hình 2, 3 nếu các điều kiện 
tạo hình như lực kẹp, bán kính góc lượn, khe hở của 
chày và cối không phù hợp thì hiện tượng như chi 
tiết bị nhăn và rách sẽ xảy ra.
Do đó để cải thiện chất lượng quá trình 
tạo hình, mô phỏng số FEM sẽ được kết hợp với 
phương pháp mảng trực giao Taguchi để tìm ra các 
thông số công nghệ tối ưu [2].
Hình 1. Kích thước và mô hình 3D của sản phẩm 
BODY 3-1 Xe máy YAMAHA
Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm:
- Chi tiết sau khi dập xong không xuất hiện 
các khuyết tật như: nhăn, rách và cong vênh.
- Bề mặt chi tiết nhẵn bóng, không bị trầy 
xước, đảm bảo mỹ quan tổng thể.
- Độ dày chi tiết danh nghĩa đạt 1.2 mm.
- Độ không đồng đều về chiều dày sản phẩm 
sau khi dập không vượt qua 0.3 mm.
 - Sai lệch các góc lượn của sản phẩm không 
vượt quá 10
- Độ nhám bề mặt Ra ≤ 2.5
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology14 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
Hình 2. Hình ảnh mô phỏng trong nguyên công dập 
vuốt chi tiết bị nhăn vành
Hình 3. Hình ảnh mô phỏng trong nguyên công dập 
vuốt chi tiết bị rách
2. Vật liệu và giới hạn tạo hình
Trong nghiên cứu này, để dự đoán sự phá 
hủy vật liệu sau đó cải thiện chất lượng quá trình 
dập vuốt chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA vật 
liệu SUS316L, mô phỏng FEM là kết hợp dữ liệu 
thực nghiệm. Quá trình thí nghiệm xác định khả 
năng tạo hình của vật liệu, chỉ số đường cong giới 
hạn hình thành (FLC) cho thấy các dự đoán tốt tại 
cả bên phải và bên trái của FLD (Hình 6). Vì vậy, 
dữ liệu FLD đã được áp dụng cho phân tích số để 
dự đoán sự phá hủy dẻo khá thích hợp. Trong mô 
phỏng FME, các thông số thay đổi của quá trình dập 
vuốt đã được sử dụng để xác minh ảnh hưởng của 
chúng đối với sự biến dạng dẻo của kim loại. Mô 
phỏng số có thể cho biết thông số công nghệ phù 
hợp nhất để cải thiện về chất lượng của chi tiết. Kết 
quả của quá trình mô phỏng FME sẽ được sử dụng 
trong quá trình thực nghiệm.
Bảng 1. Thuộc tính của vật liệu SUS316L [3]
Vật liệu SUS316L
Khối lượng riêng 7.8e-06
Mô đun đàn hồi (E, kN/mm2 ) 210
Hệ số Possion’s 0.3
0f 0.000177
K (MPa) 864.2
n-value 0.195
Hình 4. Đường cong ứng suất chảy dựa trên (a) dữ liệu thực nghiệm và (b) định luật của Swift
Mô hình thử nghiệm kéo bằng vật liệu 
SUS316L độ dày 0.1 mm được thực hiện cho độ 
bền vật mẫu được kéo theo hướng song song với 
hướng cán mà có các đặc tính được đưa ra trong 
Bảng 1. Hình 4 (a) cho thấy đường cong ứng suất 
chảy của vật liệu được thí nghiệm. Để phù hợp với 
dữ liệu ứng suất chảy, phương trình của Swift [4] 
(Phương trình 1) được sử dụng với giá trị biến dạng 
nhỏ, phù hợp để xác định các tham số của phương 
trình. Được liệt kê trong bảng 1 và được miêu tả 
trong Hình 4 (b).
K n0v f f f= +_ _i i (1)
trong đó K : hệ số dẻo,
n : số mũ độ cứng phôi, 
σ: giá trị ứng suất, 
ε : giá trị biến dạng,
ε
0
: độ lệch biến dạng.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 15
Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm FLD
Hình 6. Dữ liệu thực nghiệm của FLD
3. Mô phỏng theo mảng trực giao Taguchi
Trong nghiên cứu này, phần mềm ABAQUS 
6.13 [5] được sử dụng để mô phỏng quá trình dập vuốt 
chi tiết BODY 3-1 từ vật liệu tấm SUS316L. Hình 7 
là mô hình CAD 3D cho quá trình dập vuốt. Trong đó 
cối được giữ cố định và chày có thể di chuyển theo 
phương thẳng đứng. Hệ số ma sát giữa vật mẫu với 
chày, cối và tấm chặn được giả định là 0.15.
Hình 7. Mô phỏng quá trình dập chi tiết BODY 3-1
Để dự đoán các hiện tượng phá hủy dẻo dựa 
trên tiêu chuẩn đường cong giới hạn tạo hình FLC. 
Các dữ liệu thực nghiệm được đưa vào phần mềm 
ABAQUS trong quá trình mô phỏng hiện tượng dập 
vuốt chi tiết BODY 3-1. Các điều kiện tạo hình như 
lực kẹp, bán kính góc lượn, khe hở của chày và cối 
không phù hợp thì hiện tượng như chi tiết bị nhăn 
và rách sẽ xảy ra (Hình 2, 3). Do vậy nếu ta thay đổi 
các điều kiện tạo hình hoặc các thông số hình học 
của chày và cối thì độ lớn của ứng suất và biến dạng 
cũng sẽ thay đổi kéo theo các giá trị phá hủy dẻo 
(FLDCRT) cũng thay đổi. Đó chính là ý tưởng cho 
việc cải thiện khả năng tạo hình của quá trình dập 
vuốt. Các ảnh hưởng của lực kẹp (F), bán kính góc 
lượn của cối (R
c
), khe hở giữa chày và cối (A) đến 
khả năng tạo hình của sản phẩm sẽ được thẩm định. 
Bảng 2 liệt kê các cấp độ lựa chọn của các tham số.
Bảng 2. Các hệ số và cấp độ của chúng trong mô 
phỏng
Các hệ số Cấp độ
1 2 3
A (R
c
 (mm)) 3 4.5 6
B (F (KN)) 50 60 70
C (A (mm)) 1.2 1.25 1.3
Trong quá trình mô phỏng có 3 cấp độ của 
từng hệ số được lựa chọn nên mảng trực giao L
9
 sẽ 
được dùng để thiết kế quy hoạch thực nghiệm. Khi 
đó tối thiểu 9 thí nghiệm là cần thiết cho việc kiểm 
tra ảnh hưởng của các tham số thay đổi trong quá 
trình mô phỏng. Việc sử dụng thuật toán trực giao 
Taguchi sẽ giảm số lượng thiết kế thực nghiệm từ 
27 xuống còn 9 thí nghiệm. Các kết quả mô phỏng 
để chỉ ra giá trị phá hủy dẻo (FLDCRT) cho các 
trường hợp lựa chọn từ phương pháp Taguchi được 
liệt kê trong Bảng 3.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology16 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
Bảng 3. Mảng trực giao Taguchi L9
Case
Các hệ số
A (R
c
) 
(mm)
B (F)
(KN)
C (A)
 (mm)
1 1(3) 1(50) 1(1,2)
2 1(3) 2(60) 2(1.25)
3 1(3) 3(70) 3(1.3)
4 2(4.5) 1(50) 2(1.25)
5 2(4.5) 2(60) 3(1.3)
6 2(4.5) 3(70) 1(1.2)
7 3(6) 1(50) 3(1.3)
8 3(6) 2(60) 1(1.2)
9 3(6) 3(70) 2(1.25)
4. Kết quả và thảo luận
Từ mảng trực giao Taguchi, tiến hành thực 
hiện mô phỏng cho từng trường hợp trong Bảng 3 
với các điều kiện đầu vào được lấy từ Hình 4 và 6 
nhằm dự báo được giới hạn tạo hình của sản phẩm. 
Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Bảng 4 sẽ 
cho biết giá trị phá hủy của vật liệu FLD tại những 
vị trí nguy hiểm nhất, khi FLD >1 thì sản phẩm sẽ 
xuất hiện các vết rách. Theo phương pháp Taguchi 
thì các giá trị (FLD) càng nhỏ, độ dày nhỏ nhất 
của chi tiết sau khi gia công càng lớn thì khả năng 
tạo hình của sản phẩm càng tốt.Theo phương pháp 
Taguchi thì các giá trị (FLDCRT) càng nhỏ thì khả 
năng tạo hình của sản phẩm càng tốt. Tỷ lệ S/N 
(signal-to-noise) được xác định theo công thức:
logdB FLDCRT10i 10 2h =-_ _i i (2)
Khi tỉ lệ S/N là lớn nhất thì giá trị phá hủy 
dẻo là nhỏ nhất. Hiện tượng phá hủy dẻo trong quá 
trình mô phỏng đã xảy ra cho các trường hợp 1, 2, 
3, 5, 6 và 8 khi đó các giá trị tiêu chuẩn phá hủy dẻo 
(FLDCRT) là lớn hơn 1.
Theo như phương pháp Taguchi [6], phân 
tích phương sai (ANOVA) được sử dụng để miêu tả 
các quan hệ giữa các tham số và giá trị quan sát được 
của phá hủy dẻo. Bảng 5 tổng hợp các kết quả tính 
toán với công thức tính tổng bình phương như sau:
3(m
j1
 – m)2 + 3(m
j2
 – m)2 + 3(m
j3
 – m)2 (3)
Trong đó m = (1/9) i
i 1
9
h
=
/ = -1.172 và 
 m
ij
 = /1 3 j i
i 1
3
h
=
_ _i i/ (4)
Kết quả của các phân tích (ANOVA) cho các 
giá trị phá hủy dẻo (FLDCRT) trong Bảng 5 chứng 
tỏ rằng bán kính góc lượn của cối R
ch
 ảnh hưởng 
nhiều nhất đến khả năng tạo hình với 36,3%, trong 
khi đó ảnh hưởng của lực kẹp (F) và khoảng cách 
khe hở của chày và cối là ít hơn 29,4% và 34,3%. 
Do vậy bán kính góc lượn của cối là tham số ảnh 
hưởng quan trọng nhất đến khả năng tạo hình của 
vật liệu trong quá trình mô phỏng.
Bảng 4. Kết quả mô phỏng theo mảng trực giao Taguchi
Case
Các hệ số FLDCRT
A (R
c
) 
(mm)
B (F) 
(KN)
C (A) 
(mm)
Value ih 
(dB)
1 1(3) 1(50) 1(1.2) 1.533 -3.711
2 1(3) 2(60) 2(1.25) 1.037 -0.316
3 1(3) 3(70) 3(1.3) 1.921 -5.671
4 2(4.5) 1(50) 2(1.25) 0.8109 1.821
5 2(4.5) 2(60) 3(1.3) 1.216 -1.699
6 2(4.5) 3(70) 1(1.2) 1.330 -2.477
7 3(6) 1(50) 3(1.3) 0.6268 4.057
8 3(6) 2(60) 1(1.2) 1.405 -2.954
9 3(6) 3(70) 2(1.25) 0.9552 0.398
Bảng 5. Kết quả thu được sau tính toán
Hệ số Giá trị trung bình h của 
từng cấp độ
Tổng 
bình 
phương
Tỷ 
lệ 
%1 2 3
A (R
c
) 
(mm)
-3.233 -0.785 -0.500* 21.577 36.3
B (F) 
(KN)
0.722* -1.656 -2.583 17.444 29.4
C (A) 
(mm)
-3.047 -0.634* -1.104 20.354 34.3
Tất cả 59.376
* Cấp độ tối ưu
Như vậy thông qua quá trình mô phỏng quá 
trình gia công kết hợp với tính toán có được từ 
mảng trực giao Taguchi. Ta phân tích được mức độ 
ảnh hưởng của các yếu tố thành phần đến biến dạng 
tạo hình tấm của kim loại, từ đó ta chọn được các 
thông số phù hợp sau: Bán kính góc lượn của cối 
R
c
 = 6mm, lực chặn phôi F = 50KN, khe hở giữa 
chày và cối A = 1,25mm. Do trường hợp này không 
trùng với 1 trong 9 trường hợp đã mô phỏng ở trong 
Bảng 4, để kiểm chứng nghiên cứu đã mô phỏng lại 
trường hợp tối ưu và biểu diễn kết quả như Hình 8. 
Kết quả FLD lớn nhất = 0.5651 < 1 chứng tỏ không 
xuất hiện vùng rách nguy hiểm trên sản phẩm khi sử 
dụng các giá trị tối ưu.
5. Kết luận
Giá trị kết quả nhận được từ mô phỏng cho 
trường hợp tối ưu: Bán kính góc lượn của cối R
c
 =6 
mm, lực chặn phôi F = 50KN, khe hở giữa chày và 
cối A = 1.25mm thỏa mãn yêu cầu của bài toán đưa 
ra là sản phẩm không bị nhăn rách với giá trị lớn 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 17
nhất của giới hạn tạo hình FLD là 0.5651. Nghiên 
cứu đã chọn được thông số tối ưu để chế tạo chi 
tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA có chất lượng 
bề mặt tốt nhất không bị biến dạng cong vênh nhờ 
phần mềm ABAQUS theo phương pháp Taguchi và 
phân tích phương sai ANOVA để từ đó có thể thiết 
kế được bộ khuôn dập vuốt chế tạo chi tiết BODY 
3-1 có chất lượng là tốt nhất.
Hình 8. Kết quả mô phỏng cho trường hợp tối ưu
Hình 9. Kết quả thực nghiệm với thông số mô phỏng 
tối ưu
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đề tài mã số 
UTEHY.T018.P1718.02.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Mậu Đằng, Công nghệ tạo hình kim loại tấm, NXB khoa học và kĩ thuật, 2006.
[2]. Nguyen Duc-Toan, Kim Young-Suk, Jung Dong-Won, Coupled Thermo-Mechanical FE Study 
to Improve Press Formability of a Camera Shape for Magnesium Alloy Sheet AZ31B, Metals and 
Materials International, 18(4) (2012), 583–595.
[3]. J.L. Chaboche, Time Independent Constitutive Theories for Cyclic Plasticity, Int. J.Plast.,Vol. 
2, pp. 149-188, 1986
[4]. H.W. Swift, Plastic Instability under Plane Stress, J. Mech. Phys. Solids., Vol. 1, pp.1–18, 1952.
[5]. D. Hibbit, B. Karlsson and P. Sorensen. ABAQUS User’s Manual, Ver. 6.10.1. ABAQUS Inc. 
(2008).
[6]. G. Taguchi, Japan Standard Association, Tokyo (1981).
A STUDY ON IMPROVING THE FORMABILITY
OF DETAILS BODY 3-1 YAMAHA MOTORBIKE
Abstract:
This Study is aim to improve the form ability of details BODY 3-1 YAMAHA motorbike from 
material SUS316L. SIMULIA ABAQUS software is applied to simulate sheet-metal forming process for 
predicting shaping capability and finding optimal options as well as direction of overcoming defects in the 
manufacturing process. The simulation of the machining process and calculations obtained from the Taguchi 
orthogonal array are combined in this study. Therefore, effect level of the parameters to deformation of 
sheet-metal forming is analyzed. From this result, we can select a mould with appropriate parameters.
Keywords: BODY 3-1; SUS316L; SIMULIA ABAQUS; Taguchi; Sheet-metal stamping.