Využití plánovaného experimentu pro komplexní analýzu jakosti povrchu a rychlosti řezání hadfieldovy oceli obrobené WEDM

Using a Design of Experiment for a Comprehensive Analysis of the Surface Quality and Cutting Speed in WED-Machined Hadfield Steel

journal article in Web of Science

en

Wire Electrical Discharge Machining (WEDM) is an unconventional machining method used to manufacture complex-shaped, precise components. Considering the high-energy intensity of the wire erosion process, its effective implementation requires a maximum cutting speed while still ensuring the best possible quality of the machined surface. For this latter purpose, we conducted a design of experiment (DoE) comprising 33 cycles and five input factors, or machine setting parameters: gap voltage, pulse on time, pulse off time, discharge current, and wire feed. In this context, the present paper statistically evaluates the cutting speed in Hadfield steel, as related to machine setting parameters, and it also analyzes the machined surfaces of the applied samples. The actual experiment involved examining in detail the topography of the surfaces, using one contact and three non-contact profilers. The surface morphologies were observed via electron microscopy, and a lamella was prepared to facilitate the chemical composition analysis (EDX) with a transmission electron microscope (TEM). To study the subsurface layer and its defects, we produced metallographic specimens of all the samples; the observation of the items was performed by means of light and electron microscopes. With a maximum cutting speed the highest quality of the machined surface was achieved; however, the burned cavities can affect the life expectancy of the machined parts. The TEM lamella revealed that the individual alloying elements had segregated into regions, exhibiting high volumes of both manganese and the recast layer and, due to the use of WEDM, a manganese separation layer had formed at the boundary of the recast layer and the base material.

Elektroerozivní drátové řezání (WEDM) je nekonvenční technologie obrábění, která je využívána k výrobě tvarově složitých a přesných součástí. Vzhledem k její zvýšené energetické náročnosti je pro efektivní obrábění nezbytné, aby řezná rychlost byla maximalizována, nicméně s přihlédnutím na co nejvyšší jakost obrobeného povrchu. Za tímto účelem byl proveden plánovaný experiment (DoE) obsahující 33 kol s pěti vstupními faktory, kterými byly parametry nastavení stroje gap voltage, pulse on time, pulse off time, discharge current a wire feed. Tato studie se zabývá statistickým vyhodnocením řezné rychlosti hadfieldovy oceli v závislosti na nastavení parametrů stroje a následnou analýzou obrobených povrchů jednotlivých vzorků. Detailně byla studována topografie povrchů užitím tří bezkontaktních profilometrů a jednoho kontaktního. Následně byla dále pozorována morfologie povrchu užitím elektronové mikroskopie a připravena lamela určená k analýze chemického složení (EDX) v transmisním elektronovém mikroskopu (TEM). Pro studium podpovrchové vrstvy a jejich defektů byly připraveny metalografické preparáty všech vzorků, které byly pozorovány užitím světelné i elektronové mikroskopie. Při maximální řezné rychlosti byla dosažena nejvyšší kvalita obráběného povrchu; spálené kavity však mohou ovlivnit očekávanou životnost opracovaných částí. Lamely TEM odhalily, že jednotlivé legující prvky se oddělily na oblasti, které vykazovaly velké objemy jak manganu, tak přepracované vrstvy a v důsledku použití WEDM se na hranici přepracované vrstvy a základního materiálu vytvořila separační vrstva manganu .

Wire Electrical Discharge Machining (WEDM) is an unconventional machining method used to manufacture complex-shaped, precise components. Considering the high-energy intensity of the wire erosion process, its effective implementation requires a maximum cutting speed while still ensuring the best possible quality of the machined surface. For this latter purpose, we conducted a design of experiment (DoE) comprising 33 cycles and five input factors, or machine setting parameters: gap voltage, pulse on time, pulse off time, discharge current, and wire feed. In this context, the present paper statistically evaluates the cutting speed in Hadfield steel, as related to machine setting parameters, and it also analyzes the machined surfaces of the applied samples. The actual experiment involved examining in detail the topography of the surfaces, using one contact and three non-contact profilers. The surface morphologies were observed via electron microscopy, and a lamella was prepared to facilitate the chemical composition analysis (EDX) with a transmission electron microscope (TEM). To study the subsurface layer and its defects, we produced metallographic specimens of all the samples; the observation of the items was performed by means of light and electron microscopes. With a maximum cutting speed the highest quality of the machined surface was achieved; however, the burned cavities can affect the life expectancy of the machined parts. The TEM lamella revealed that the individual alloying elements had segregated into regions, exhibiting high volumes of both manganese and the recast layer and, due to the use of WEDM, a manganese separation layer had formed at the boundary of the recast layer and the base material.

WEDM; elektroerozivní drátové řezání; Hadfieldova ocel; morfologie; topografie; TEM lamela; plánovaný experiment

WEDM; electrical discharge machining; Hadfield steel; morphology; topography; TEM lamella; design of experiment

30.04.2019

Springer

Korejská republika

1976-3824

33

5

2371–2386

16