Mục tiêu nghiên cứu của bài viết 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.
ISSN 2354-0575 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 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày tòa soạn nhận báo: 05/10/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 06/11/2017 Ngày báo chấp nhận đăng: 23/11/2017 Tóm tắt: Nghiên cứu 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 mơ số q trình biến dạng tạo hình kim loại tấm, đưa dự báo khả tạo hình, tìm phương án tối ưu hướng khắc phục sai hỏng xảy q trình gia cơng Thơng qua q trình mơ gia cơng biến dạng tạo hình kết hợp với thực nghiệm tính tốn theo mảng trực giao Taguchi phân tích phương sai ANOVA Nghiên cứu phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố thành phần đến biến dạng tạo hình kim loại lựa chọn thông số công nghệ phù hợp Từ khóa: BODY 3-1; SUS316L; SIMULIA ABAQUS; Taguchi; dập Ký hiệu Ý nghĩa FLC Forming Limit Curve FLD Forming Limit Diagram FEM Finite Element Method Rc Bán kính góc lượn cối F Lực kẹp A Khe hở chày cối Đặt vấn đề Khi nghiên cứu sai hỏng sản phẩm dập [1] dễ dàng nhận thấy dạng phế phẩm sau đây: - Sản phẩm dập bị nhăn vành - Sản phẩm bị rách - Chiều cao sản phẩm không đồng - Bề mặt bị cào xước - Sản phẩm khơng đặt kích thước xác độ đàn hồi lại Để dự đoán tượng phá hủy dẻo dựa tiêu chuẩn đường cong giới hạn tạo hình FLC Các liệu thực nghiệm đưa vào phần mềm ABAQUS q trình mơ tượng dập vuốt chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA Hình Như Hình 2, điều kiện tạo lực kẹp, bán kính góc lượn, khe hở chày cối khơng phù hợp tượng chi tiết bị nhăn rách xảy Do để cải thiện chất lượng q trình tạo hình, mơ số FEM kết hợp với phương pháp mảng trực giao Taguchi để tìm thơng số cơng nghệ tối ưu [2] Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Hình Kích thước mơ hình 3D sản phẩm BODY 3-1 Xe máy YAMAHA Yêu cầu kỹ thuật sản phẩm: - Chi tiết sau dập xong không xuất khuyết tật như: nhăn, rách cong vênh - Bề mặt chi tiết nhẵn bóng, khơng bị trầy xước, đảm bảo mỹ quan tổng thể - Độ dày chi tiết danh nghĩa đạt 1.2 mm - Độ không đồng chiều dày sản phẩm sau dập không vượt qua 0.3 mm - Sai lệch góc lượn sản phẩm khơng vượt 10 - Độ nhám bề mặt Ra ≤ 2.5 Journal of Science and Technology 13 ISSN 2354-0575 Hình Hình ảnh mơ ngun cơng dập vuốt chi tiết bị nhăn vành Hình Hình ảnh mơ nguyên công dập vuốt chi tiết bị rách Vật liệu giới hạn tạo hình Trong nghiên cứu này, để dự đoán phá hủy vật liệu sau cải thiện chất lượng q trình dập vuốt chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA vật liệu SUS316L, mô FEM kết hợp liệu thực nghiệm Q trình thí nghiệm xác định khả tạo hình vật liệu, số đường cong giới hạn hình thành (FLC) cho thấy dự đoán tốt bên phải bên trái FLD (Hình 6) Vì vậy, liệu FLD áp dụng cho phân tích số để dự đốn phá hủy dẻo thích hợp Trong mơ FME, thơng số thay đổi trình dập vuốt sử dụng để xác minh ảnh hưởng chúng biến dạng dẻo kim loại Mơ số cho biết thông số công nghệ phù hợp để cải thiện chất lượng chi tiết Kết q trình mơ FME sử dụng q trình thực nghiệm Bảng Thuộc tính vật liệu SUS316L [3] Vật liệu Khối lượng riêng Mô đun đàn hồi (E, kN/mm2 ) Hệ số Possion’s f0 K (MPa) n-value SUS316L 7.8e-06 210 0.3 0.000177 864.2 0.195 Hình Đường cong ứng suất chảy dựa (a) liệu thực nghiệm (b) định luật Swift Mơ hình thử nghiệm kéo vật liệu SUS316L độ dày 0.1 mm thực cho độ bền vật mẫu kéo theo hướng song song với hướng cán mà có đặc tính đưa Bảng Hình (a) cho thấy đường cong ứng suất chảy vật liệu thí nghiệm Để phù hợp với liệu ứng suất chảy, phương trình Swift [4] (Phương trình 1) sử dụng với giá trị biến dạng nhỏ, phù hợp để xác định tham số phương 14 trình Được liệt kê bảng miêu tả Hình (b) v _f i = K _f + f i n (1) K : hệ số dẻo, n : số mũ độ cứng phôi, σ: giá trị ứng suất, ε : giá trị biến dạng, ε0: độ lệch biến dạng Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Sơ đồ thí nghiệm FLD Hình Dữ liệu thực nghiệm FLD Mô theo mảng trực giao Taguchi Trong nghiên cứu này, phần mềm ABAQUS 6.13 [5] sử dụng để mơ q trình dập vuốt chi tiết BODY 3-1 từ vật liệu SUS316L Hình mơ hình CAD 3D cho q trình dập vuốt Trong cối giữ cố định chày di chuyển theo phương thẳng đứng Hệ số ma sát vật mẫu với chày, cối chặn giả định 0.15 Để dự đoán tượng phá hủy dẻo dựa tiêu chuẩn đường cong giới hạn tạo hình FLC Các liệu thực nghiệm đưa vào phần mềm ABAQUS q trình mơ tượng dập vuốt chi tiết BODY 3-1 Các điều kiện tạo lực kẹp, bán kính góc lượn, khe hở chày cối khơng phù hợp tượng chi tiết bị nhăn rách xảy (Hình 2, 3) Do ta thay đổi điều kiện tạo hình thơng số hình học chày cối độ lớn ứng suất biến dạng thay đổi kéo theo giá trị phá hủy dẻo (FLDCRT) thay đổi Đó ý tưởng cho việc cải thiện khả tạo hình trình dập vuốt Các ảnh hưởng lực kẹp (F), bán kính góc lượn cối (Rc), khe hở chày cối (A) đến khả tạo hình sản phẩm thẩm định Bảng liệt kê cấp độ lựa chọn tham số Bảng Các hệ số cấp độ chúng mô Các hệ số Cấp độ A (Rc (mm)) 4.5 B (F (KN)) 50 60 70 C (A (mm)) 1.2 1.25 1.3 Trong trình mơ có cấp độ hệ số lựa chọn nên mảng trực giao L9 dùng để thiết kế quy hoạch thực nghiệm Khi tối thiểu thí nghiệm cần thiết cho việc kiểm tra ảnh hưởng tham số thay đổi q trình mơ Việc sử dụng thuật toán trực giao Taguchi giảm số lượng thiết kế thực nghiệm từ 27 xuống cịn thí nghiệm Các kết mô để giá trị phá hủy dẻo (FLDCRT) cho trường hợp lựa chọn từ phương pháp Taguchi liệt kê Bảng Hình Mơ q trình dập chi tiết BODY 3-1 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 15 ISSN 2354-0575 Bảng Mảng trực giao Taguchi L9 Case Do bán kính góc lượn cối tham số ảnh hưởng quan trọng đến khả tạo hình vật liệu q trình mơ Bảng Kết mô theo mảng trực giao Taguchi Các hệ số A (Rc) (mm) 1(3) B (F) (KN) 1(50) C (A) (mm) 1(1,2) 1(3) 1(3) 2(4.5) 2(4.5) 2(4.5) 3(6) 3(6) 3(6) 2(60) 3(70) 1(50) 2(60) 3(70) 1(50) 2(60) 3(70) 2(1.25) 3(1.3) 2(1.25) 3(1.3) 1(1.2) 3(1.3) 1(1.2) 2(1.25) Kết thảo luận Từ mảng trực giao Taguchi, tiến hành thực mô cho trường hợp Bảng với điều kiện đầu vào lấy từ Hình nhằm dự báo giới hạn tạo hình sản phẩm Kết mô thể Bảng cho biết giá trị phá hủy vật liệu FLD vị trí nguy hiểm nhất, FLD >1 sản phẩm xuất vết rách Theo phương pháp Taguchi giá trị (FLD) nhỏ, độ dày nhỏ chi tiết sau gia cơng lớn khả tạo hình sản phẩm tốt.Theo phương pháp Taguchi giá trị (FLDCRT) nhỏ khả tạo hình sản phẩm tốt Tỷ lệ S/N (signal-to-noise) xác định theo công thức: h i _ dB i =- 10 log10 _ FLDCRT2 i (2) Khi tỉ lệ S/N lớn giá trị phá hủy dẻo nhỏ Hiện tượng phá hủy dẻo q trình mơ xảy cho trường hợp 1, 2, 3, 5, giá trị tiêu chuẩn phá hủy dẻo (FLDCRT) lớn Theo phương pháp Taguchi [6], phân tích phương sai (ANOVA) sử dụng để miêu tả quan hệ tham số giá trị quan sát phá hủy dẻo Bảng tổng hợp kết tính tốn với cơng thức tính tổng bình phương sau: 3(mj1 – m)2 + 3(mj2 – m)2 + 3(mj3 – m)2 (3) Trong m = (1/9) / h i = -1.172 i=1 mij = _1/3 i / _h j ii i=1 (4) Kết phân tích (ANOVA) cho giá trị phá hủy dẻo (FLDCRT) Bảng chứng tỏ bán kính góc lượn cối Rch ảnh hưởng nhiều đến khả tạo hình với 36,3%, ảnh hưởng lực kẹp (F) khoảng cách khe hở chày cối 29,4% 34,3% 16 Case A (Rc) (mm) 1(3) 1(3) 1(3) 2(4.5) 2(4.5) 2(4.5) 3(6) 3(6) 3(6) Các hệ số FLDCRT B (F) C (A) Value hi (KN) (mm) (dB) 1(50) 1(1.2) 1.533 -3.711 2(60) 2(1.25) 1.037 -0.316 3(70) 3(1.3) 1.921 -5.671 1(50) 2(1.25) 0.8109 1.821 2(60) 3(1.3) 1.216 -1.699 3(70) 1(1.2) 1.330 -2.477 1(50) 3(1.3) 0.6268 4.057 2(60) 1(1.2) 1.405 -2.954 3(70) 2(1.25) 0.9552 0.398 Bảng Kết thu sau tính tốn Hệ số Giá trị trung bình h cấp độ A (Rc) (mm) -3.233 -0.785 B (F) (KN) 0.722* C (A) (mm) -3.047 Tổng bình phương Tỷ lệ % -0.500* 21.577 36.3 -1.656 -2.583 17.444 29.4 -0.634* -1.104 20.354 34.3 Tất 59.376 * Cấp độ tối ưu Như thơng qua q trình mơ q trình gia cơng kết hợp với tính tốn có từ mảng trực giao Taguchi Ta phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố thành phần đến biến dạng tạo hình kim loại, từ ta chọn thơng số phù hợp sau: Bán kính góc lượn cối Rc = 6mm, lực chặn phôi F = 50KN, khe hở chày cối A = 1,25mm Do trường hợp không trùng với trường hợp mô Bảng 4, để kiểm chứng nghiên cứu mô lại trường hợp tối ưu biểu diễn kết Hình Kết FLD lớn = 0.5651 < chứng tỏ không xuất vùng rách nguy hiểm sản phẩm sử dụng giá trị tối ưu Kết luận Giá trị kết nhận từ mô cho trường hợp tối ưu: Bán kính góc lượn cối Rc =6 mm, lực chặn phôi F = 50KN, khe hở chày cối A = 1.25mm thỏa mãn yêu cầu toán đưa sản phẩm không bị nhăn rách với giá trị lớn Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 giới hạn tạo hình FLD 0.5651 Nghiên cứu chọn thông số tối ưu để chế tạo chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA có chất lượng bề mặt tốt không bị biến dạng cong vênh nhờ phần mềm ABAQUS theo phương pháp Taguchi phân tích phương sai ANOVA để từ thiết kế khuôn dập vuốt chế tạo chi tiết BODY 3-1 có chất lượng tốt Hình Kết thực nghiệm với thông số mô tối ưu Hình Kết mơ cho trường hợp tối ưu Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Đề tài mã số UTEHY.T018.P1718.02 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Mậu Đằng, Cơng nghệ tạo hình kim loại tấm, NXB khoa học 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 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 17 ... tạo hình FLD 0.5651 Nghiên cứu chọn thông số tối ưu để chế tạo chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA có chất lượng bề mặt tốt không bị biến dạng cong vênh nhờ phần mềm ABAQUS theo phương pháp Taguchi... phá hủy vật liệu sau cải thiện chất lượng trình dập vuốt chi tiết BODY 3-1 Xe máy YAMAHA vật liệu SUS316L, mô FEM kết hợp liệu thực nghiệm Q trình thí nghiệm xác định khả tạo hình vật liệu, số đường...ISSN 2354-0575 Hình Hình ảnh mơ ngun cơng dập vuốt chi tiết bị nhăn vành Hình Hình ảnh mơ ngun cơng dập vuốt chi tiết bị rách Vật liệu giới hạn tạo hình Trong nghiên cứu này, để dự đốn phá