Optimization of the surface roughness in ball end ... - Science Direct

25 downloads 0 Views 732KB Size Report
Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000. Many researchers have used the Taguchi method to optimize the machining parameters. In fact, Avinash (2013).
Available online at www.sciencedirect.com Available online at www.sciencedirect.com Available online at www.sciencedirect.com

ScienceDirect ScienceDirect Available online ScienceDirect Available onlineatatwww.sciencedirect.com www.sciencedirect.com Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000  Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000  Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000 

ScienceDirect ScienceDirect 

www.elsevier.com/locate/procedia  www.elsevier.com/locate/procedia  www.elsevier.com/locate/procedia 

Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000 www.elsevier.com/locate/procedia

2nd International Conference on Materials Manufacturing and Design Engineering  2nd International Conference on Materials Manufacturing and Design Engineering  2nd International Conference on Materials Manufacturing and Design Engineering 

Optimization of the surface roughness in ball end milling                 Optimization of the surface roughness in ball end milling                    Optimization of the surface roughness in ball end milling                    of titanium alloy Ti-6Al-4V using the Taguchi Method  of titanium alloy Ti-6Al-4V using the Taguchi Method  Manufacturing Engineering Society International Conference 2017, MESIC 2017, 28-30 June of titanium alloy Ti-6Al-4V using the Taguchi Method  a,b* 2017, Vigo (Pontevedra), Spain a, A-S. Alghamdib   W. Mersnia, M. Boujelbene , S. Ben Salem a b W. Mersniaa, M. Boujelbenea,b* , S. Ben Salem a,b* a, A-S. Alghamdib   W. Mersni , M. Boujelbene , A-S. Alghamdi   University of Tunis El Manar, ENIT,, S. Ben Salem Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis, Tunisia.

University ofcapacity Tunis El ENIT, Ecole NationaleHail, d’Ingénieurs de Costing models forUniversity optimization in Industry of Manar, Hail, College of Engineering, Kingdom of Tunis, Saudi Tunisia. Arabia.4.0: Trade-off University of Tunis El Manar, Ecole Nationale de Tunis, Tunisia. University of Hail, CollegeENIT, of Engineering, Hail, d’Ingénieurs Kingdom of Saudi Arabia. College of Engineering, Hail, Kingdom of Saudi efficiency Arabia. betweenUniversity usedof Hail, capacity and operational a

a a

b

b b

Abstract Abstract A. Santanaa, P. Afonsoa,*, A. Zaninb, R. Wernkeb Abstract The aim of this work is to study the influence of some milling parameters (the cutting speed Vc, the radial depth of cut ae and the  The aim of this work is to study the influence of some milling parameters (the cutting speed Vc, the radial depth of cut a e and the  a feed per tooth fz) on the 3D average surface roughness Sa. The Taguchi method was applied to find optimum process parameters  University of Minho, 4800-058 Guimarães, Portugal The aim of this work is to study the influence of some milling parameters (the cutting speed Vc, the radial depth of cut a e and the  ) on the 3D average surface roughness Sa. The Taguchi method was applied to find optimum process parameters  feed per tooth f b z in ball end milling of the titanium alloy Ti-6Al-4V with an inclined workpiece angle of 25°. An orthogonal array L9 and a signal  Unochapecó, 89809-000 Chapecó, SC, Brazil ) on the 3D average surface roughness Sa. The Taguchi method was applied to find optimum process parameters  feed per tooth f z in ball end milling of the titanium alloy Ti-6Al-4V with an inclined workpiece angle of 25°. An orthogonal array 9 and a signal  to  noise  ratio  S/N  were  used  to  analyze  the  impact  of  each  cutting  parameter  on  the  surface  roughness  Sa L to  select  the  in ball end milling of the titanium alloy Ti-6Al-4V with an inclined workpiece angle of 25°. An orthogonal array L9and   and a signal  to  noise  ratio  S/N  were  used  to  analyze  the  impact  of  each  cutting  parameter  on  the  surface  roughness  Sa  and  to  select  the  optimum levels of the machining parameters.  to  noise  ratio  S/N  were  used  to  analyze  the  impact  of  each  cutting  parameter  on  the  surface  roughness  Sa  and  to  select  the  optimum levels of the machining parameters.    optimum levels of the machining parameters.    © 2017The Authors. Published by Elsevier B.V.  Abstract   The Authors. Published by Elsevier B.V. © 2017   Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials  © 2018 The Authors. Published by Elsevier B.V. The Authors. Published by Elsevier B.V. © 2017   Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials  Under the concept of "Industry 4.0", production processes will be pushed to on be Materials increasingly interconnected, Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference Manufacturing and Manufacturing and Design Engineering.  Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials  Manufacturing and Design Engineering.   Design Engineering. information based on a real time basis and, necessarily, much more efficient. In this context, capacity optimization Manufacturing and Design Engineering. 

goesKeywords: beyond Ball end milling, 3D Surface roughness; Taguchi method;  Signal to noise ratio S/N; Cutting speed  the traditional aim of capacity maximization, contributing also for organization’s profitability and value. Keywords: Ball end milling, 3D Surface roughness; Taguchi method;  Signal to noise ratio S/N; Cutting speed  Indeed, lean management and continuous improvement approaches suggest capacity optimization instead of Keywords: Ball end milling, 3D Surface roughness; Taguchi method;  Signal to noise ratio S/N; Cutting speed  maximization. The study of capacity optimization and costing models is an important research topic that deserves 1. Introduction contributions from both the practical and theoretical perspectives. This paper presents and discusses a mathematical 1. Introduction model for capacity management based on different costing models (ABC and TDABC). A generic model has been 1. Introduction High  end  of  shaped  parts  become more  and more  common  activities in aeronautic  developed andspeed  itball  wasball  used to milling  analyze idlecomplex  capacity andparts  to design strategies towards thecommon  maximization of organization’s High  speed  end  milling  of  complex  shaped  become more  and more  activities in aeronautic  industries where the Titanium alloy Ti-6Al-4V has been used thanks to its high corrosion resistance, its low density  value. The trade-off capacity maximization vs operational efficiency is highlighted and it is shown that capacity High  speed  ball  end  milling  of  complex  shaped  parts  become more  and more  common  activities in aeronautic  industries where the Titanium alloy Ti-6Al-4V has been used thanks to its high corrosion resistance, its low density  and  its  high  mechanical  resistance  [1]  but  it  is  very  difficult  to  cut  because  of  its  poor  machinability.  Also  the  optimization might hide operational inefficiency. industries where the Titanium alloy Ti-6Al-4V has been used thanks to its high corrosion resistance, its low density  and chemical reactivity of the Titanium leads to the early wear of the cutting tools and damages consequently the finish  its  high  mechanical  resistance  [1]  but  it  is  very  difficult  to  cut  because  of  its  poor  machinability.  Also  the  © 2017 Authors. Published by Elsevier and  its The high  mechanical  resistance  [1] B.V. but  it  is  very  difficult  to  cut  because  of  its  poor  machinability.  Also  the  chemical reactivity of the Titanium leads to the early wear of the cutting tools and damages consequently the finish  surface under [2].  Hence,  it’s  compulsory  to committee optimize  of continuously  the  cutting  parameters  to  select  the  adequate  Peer-review responsibility of the scientific the Manufacturing Engineering Society and  International Conference chemical reactivity of the Titanium leads to the early wear of the cutting tools and damages consequently the finish  surface  [2].  Hence,  it’s  compulsory  to  optimize  continuously  the  cutting  parameters  and  to  select  the  adequate  machining strategy in high speed milling of Ti-6Al-4V in order to satisfy the surface integrity requirements and to  2017. surface  [2].  Hence,  it’s  compulsory  to  optimize  continuously  the  cutting  parameters  and  to  select  the  adequate  machining strategy in high speed milling of Ti-6Al-4V in order to satisfy the surface integrity requirements and to  increase the tool life.  machining strategy in high speed milling of Ti-6Al-4V in order to satisfy the surface integrity requirements and to  increase the tool life.  Keywords:   Cost Models; ABC; TDABC; Capacity Management; Idle Capacity; Operational Efficiency increase the tool life.         * Corresponding author. M. Boujelbene    1. * Corresponding author. M. Boujelbene  Introduction E-mail address:[email protected]  * Corresponding author. M. Boujelbene  address:[email protected]   E-mail E-mail address:[email protected] 

  The cost of idle capacity is a fundamental information for companies and their management of extreme importance   in modern production systems. In general, it is defined as unused capacity or production potential and can be measured 2351-9789© 2017 The Authors. Published by Elsevier B.V.  2351-9789© 2017 The Authors. Published by Elsevier B.V.  Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials Manufacturing and  in several ways: tons of production, available hours of manufacturing, etc. The management of the idle capacity 2351-9789© 2017 The Authors. Published by Elsevier B.V.  Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials Manufacturing and    253 510 761; fax: +351 253 604 741 Design Engineering. * Paulo Afonso. Tel.: +351 Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials Manufacturing and  Design Engineering.  E-mail address: [email protected] Design Engineering. 

2351-9789 © 2017 The Authors. Published by Elsevier B.V. Peer-review under of the scientificbycommittee the Manufacturing Engineering Society International Conference 2017. 2351-9789 © 2018responsibility The Authors. Published Elsevier of B.V. Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 2nd International Conference on Materials Manufacturing and Design Engineering. 10.1016/j.promfg.2018.02.040

W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000 

272 2

Many researchers have used the Taguchi method to optimize the machining parameters. In fact, Avinash (2013)  [3]  optimized  the  surface roughness  while milling  AISI 1040  MS material  and he  found  that the most influencing  parameter  on  surface  roughness  is  the  coolant  flow.  Hamdan  et  al.  (2011)  [4]  applied  the  Taguchi  method  to  optimize the high speed milling parameters of stainless steel using coated carbide tools and they found that the feed  is the most influencing parameter on the surface roughness. Amal et al. (2015) [5] studied the machining parameters  in end milling of Ti-6Al-4V and found that the feed rate is the most influencing parameter on surface roughness and  on the cutting forces. Ashok Raj et al. (2013) [6] optimized the milling parameters of EN8 steel using the orthogonal  array L9  of  Taguchi  and  found  the  cutting  speed  is  the  most  influencing  parameter  on  the  surface  roughness.  Boujelbene et al. [7] and Choubey et al. [8] optimized the milling parameters of mild steel and they found that the  spindle  speed  has  the  biggest  influence  on  the  surface  roughness  and  that  the  feed  rate  is  the  most  influencing  parameter  on  the  material removal  rate  MRR.  Bouzid,  et  al.  [9-10]  used  the  L25  orthogonal  array  to  optimize  the  surface roughness in high speed milling of duplex steel and carbon steel.  2. Problem definition The aim of this work is to analyze the 3D average surface roughness Sa in ball end milling of Ti-6Al-4V with an  inclined workpiece angle of 25° in relation with the cutting parameters using the Taguchi method. In this paper, three  milling  parameters were  studied and  optimized,  which are  the  cutting  speed  Vc, the radial  depth of cut ae and the feed per tooth fz. Each factor took 3 levels as shown in table 1. The levels of the cutting speed  and  the  feed  per  tooth  were  selected  based  on  the  recommendations  given  by  the  tool  manufacturer’s  recommendation.   Table 1. Factors and levels.  Factors 

Level 1 

Level 2 

Level 3 

Vc (m/min) 

50 

100 

150 

fz (mm/tooth) 

0.1 

0.15 

0.2 

ae (mm) 

0.3 

0.5 

0.7 

3. Method of analysis 3.1. Experimental procedure The nine experiments were conducted under dry conditions on a Deckel Maho DMU 50 evolution 5-axis CNC  milling  machine  with  Siemens  control  840D,  a  maximum  spindle  speed  of  18000  rpm  and  a  maximum  power  of  16kW (Fig. 1). The tool holder reference is R216F-16A16S-063 and the ball end mill is composed by two uncoated  cemented tungsten  carbide inserts  (z=2)  which are manufactured  by  Sandvik  with the reference  R216F-16  40 E-L  P20A. The diameter of the tool is 16 mm and the axial depth of cut was 0.4 mm.   

  Fig. 1. Five-axis CNC milling machine 



W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing00 (2017) 000–000

273 3

The  workpiece  material  used  is  the  titanium  alloy  alpha-beta  Ti-6Al-4V.  The  chemical  composition  and  the  physical proprieties of Ti-6Al-4V are shown in table 2 and 3.                  Table 2. Chemical composition of Ti-6Al-4V.  Element 

 Ti 

Al 



Fe 

 O 

  C 



  H 



balance 

 6 



0.3 

0.2 

0.08 

 0.05 

0.01 

                Table 3. Physical proprieties of Ti-6Al-4V.  Hardness    (HRC) 

Density     (g/cm³) 

Modulus E   (MPa) 

Elongation   (%) 

Tensile strength  (MPa) 

Thermal conductivity   (W/m.K) 

36 

 4.43 

910 

0.7 

 1000 

7.3 

  The  workpiece  inclination  angle  was  25°  and  the  cutter  orientation  was  in  a  single  direction  vertical  upward  orientation as shown in fig. 2.  

 

Fig. 2. Vertical upward tool orientation 

  The average surface roughness Sa was measured using a 3D measurement station STIL Micromeasure 2 which is    optimized for surface roughness measurement in the feed and pick feed directions. For each specimen, the surface  roughness was measured 3 times and then the average was calculated.  3.2. Method of optimization The  optimization  method  applied  in  this  paper  is  the  Taguchi  method  which  is  developed  by  Dr.  Genichi  Taguchi. It uses two major tools which are the orthogonal arrays OA and the signal to noise ratio S/N [11].  3.2.1. Identification of the orthogonal Array OA   The minimum number of experiments to be conducted was calculated as:       [ L  1 F 1      3  1 3]  1    7  L9                                                     (1)   L is the number of levels for each factor and F is the number of factors.  9 experiments were conducted instead of 3³ = 27 experiments.  3.2.2. Signal to noise ratio S/N The  signal  to  noise  ratio  is  used  by  Taguchi  as  the  quality  characteristic  of  choice  to  analyze  the  data.  The  methods of calculation of S/N ratio are divided into three categories depending on the desired quality characteristics:   Larger is the best characteristic: 

1 n  S/ N  10 log    yi 2                                                                    (2)  n i 1  

W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000 

274 4

 Nominal and smaller are the best characteristics:  

1 n  S/ N  10 log    yi 2                                                               (3)   n i 1  In this  work,  the  equation  (3)  was applied  to  calculate S/N ratio  of  the  3D  average roughness  Sa  based  on the  desired quality characteristic smaller is better.  4. Results and discussion In this work, the nine experimental results with their transformation into signal to noise ratios S/N for the average  surface  roughness  Sa  are  represented  in  table  4.  All  the  analysis  based  on  the  Taguchi  method,  was  done  with  MINITAB 18 software.          Table 4. Orthogonal Array L9 with the experimental results for surface roughness Sa.  Experiments 

Vc (m/min) 

fz  (mm/tooth) 

ae (mm) 

Sa (μm) 

S/N (Sa) 



50

0.1

0.3

1.45

-3.23



50

0.15

0.5

2.04

-6.19



50

0.2

0.7

2.56

-8.16



100

0.1

0.5

1.85

-5.34



100

0.15

0.7

2.35

-7.42



100

0.2

0.3

1.46

-3.29



150

0.1

0.7

2.19

-6.81



150

0.15

0.3

1.38

-2.80



150

0.2

0.5

1.92

-5.67

 

The Figure 3 shows the 3D Maps of the surface topography which give more details compared to the 2D surface  roughness profiles. The figure 3.a presents the lowest anisotropy and the best arranged surface topography with the  least roughness amplitude for a feed per tooth equal to 0.1 mm/tooth. From the Figure 3.b, we can conclude that a  large value of feed (fz = 0.2 mm/tooth) produces higher surface roughness values which requires more polishing time  and consequently higher machining costs.    

 

 

(a)                                                                                                                    (b)  Fig. 3. 3D surface topography feed per tooth; (a)  fz = 0.10 mm/tooth and Sa = 1.48 µm, (b)  fz = 0.20 mm/tooth and Sa = 1.64 µm.  

The results of S/N ratio analysis and the means main effects of Sa in relation with the levels are represented in  the table 5 and table 6.   



W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing00 (2017) 000–000

275 5

Table 5. Response for Signal to Noise Ratios (smaller is better)  Level 

S/N (Vc) 

S/N (fz) 

S/N (ae) 



-17.58

-15.38

-9.32



-16.05

-16.41

-17.2



-15.28

-17.12

-22.39

Delta 

2.3

1.74

13.07

Rank 







Level 

Sa (Vc) 

Sa (fz) 

Sa (ae) 



2.02

1.83

1.43



1.89

1.92

1.94



1.83

1.98

2.37

Delta 

0.19

0.15

0.94

Rank 







Table 6. Response for Means Main Effects 

  It can be seen from the figure 4 that an increase in the feed per tooth or in the radial depth is accompanied with  an increase in the average surface roughness Sa. However, when the cutting speed increases, the surface roughness  decreases. The most influencing factor on surface roughness Sa is the radial depth ae followed by the cutting speed  Vc and then the feed per tooth fz. 

Fig 4. Main effects Plot for means Sa. 

 

  The desired quality characteristic called “smaller is better” means that the lowest value of surface roughness Sa  is the best result required. Hence, the largest S/N ratio response would reflect the best response which results in the  lowest  noise.  From  the  figure  5, the  optimum  levels  of  Factors selected to  obtain the  lowest  value  of  the  average  surface roughness Sa are: Vc =150 m/min; fz = 0.1 mm/tooth; ae = 0.3 mm.    

Fig 5. Signal to noise Ratios for surface roughness Sa. 

 

276 6

W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 20 (2018) 271–276 W. Mersni et al. / Procedia Manufacturing 00 (2017) 000–000 

The equation of the average surface roughness in relation with the three cutting parameters was obtained by the  multiple linear regression method using Minitab 16 software (Eq. (4)).   �� = 0.702 − 0.00187 �� + 1.50 �� + 2.34 �                                                 (4)  The calculation of surface roughness using the equation (4) with the optimum levels found below gives a value  of roughness Sa = 1.27 μm which is lower than all the experimental results found in table 4.  5. Confirmation test A last  experiment  was  conducted using  the  optimum levels  for  the  surface  roughness  Sa  selected by  S/N ratio  analysis to confirm the efficiency of the results found by the Taguchi method.  The  surface  roughness  measurement  gave  a  value  of  1.24  μm  which  is  very  close  to  the  result  obtained  by  the  equation (4). This result shows an improvement of 10.15% of surface roughness compared with the lowest value of  Sa  and  an  improvement  of  51.56%  compared  with  the  highest  value  of  roughness  found  during  the  nine  experiments.  6. Conclusion The  Taguchi  method  is  an  efficient  method  for  optimizing  the  surface  roughness  with  a  small  number  of  experiments. In this paper, the milling parameters were optimized using the Taguchi method for better surface finish  in ball end milling of a Ti-6Al-4V inclined workpiece. A L9 orthogonal array is used with a total nine experiments,  three  factors  with  three  different  levels.  The  results  were  analyzed  by  the  signal  to  noise  analysis  S/N.  The  most  influencing factor on the surface roughness is the radial depth ae followed by the cutting speed Vc and then the feed  per tooth fz .  7. References [1]

A. Daymi, M. Boujelbene, A. Ben Amara, E. Bayraktar, D. Katundi, Surface integrity in high speed end milling of titanium alloy Ti-6Al4V, Materials Science and Technology, 27 (2011) 387-394.  [2] M.  B.  Mhamdi,  M.  Boujelbene,  E.  Bayraktar,  A.  Zghal,  Surface  integrity  of  Titanium  alloy  Ti-6Al-4V  in  ball  end  milling,  Physics  Procedia, 25 (2012) 355-362.  [3] A.  Thakre,  Optimization  of  milling  parameters  for  minimizing  surface  roughness  using  Taguchi’s  Approach,  International  Journal  of  Emerging Technology and Advanced Engineering, 3/1 (2013) 226-230.  [4] A.  Hamdan,  A.  D.  Sarhan,  M.  Hamdi,  An  optimization  method  of  the  machining  parameters  in  high-speed  machining  of  stainless  steel  using coated carbide tool for best surface finish, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 58 (2011)  81-91.   [5] S. T.  Amal,  V.  Vidya,  V.  Abraham,  Machining  parameters  optimization in  end  milling  if Ti6Al4V using Taguchi  method, International  Journal of Research in Engineering and technology, 3 (2015) 31-40.  [6] R.  Ashok  Raj,  T.  Parun,  K.  Sivaraj,  T.  T.  M.  Kannan,  Optimization  of  milling  parameters  of  EN8  using  Taguchi  methodology,  International Journal of mechanical Engineering and Robotics Research, 2 (2013) 202-208.  [7] M.  Boujelbene,  P.  Abellard,  E.  Bayraktar,  S.  Torbaty,  Study  of  the  milling  strategy  on  the  tool  life  and  the  surface  quality  for  knee  prostheses. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 31/2 (2008) 610-615.  [8] A. Choubey, V. Chaturvedi, J. Vimal, Optimization of process parameters of CNC milling machine for mild steel using Taguchi design and  Single to Noise ratio Analysis, International Journal of Engineering Research and Technology, 1 (2012) 1-12.  [9] W. Bouzid,  A. Zghal, L. Sai, Taguchi Method  for  design  optimization  of  milled Surface Roughness, Materials Technology, 19:3 (2004)  159-162.  [10] W. Bouzid Sai, M. Boujelbene,  M.  Ben Amar,  M. Ncib,  Influence of 3 and 5 axis  finishing  milling  on  surface  characteristics,  Materials  Technology, 21/3 (2006) 169-173.  [11] C.C.  Tsao,  Grey-Taguchi  method  to  optimize  the  milling  parameters  of  aluminum  alloy,  The International  Journal  of  Advanced  Manufacturing Technology, 40 (2009) 41-48.