Regular Article

Experimental investigation, modelling and optimization in hard turning of high strength low alloy steel (AISI 4340)

Éude expérimentale, modélisation et optimisation du tournage dur d’acier faiblement allié à haute résistance (AISI 4340)

Department of Production Engineering, Veer Surendra Sai University of Technology, Burla 768018, Odisha, India

^* e-mail: das.sudhansu83@gmail.com

Received: 9 August 2018
Accepted: 3 October 2018

Abstract

The present study addresses the machinability investigation of high strength low alloy grade AISI 4340 steel with coated ceramic tools on surface roughness, tool wear, and economic analysis by considering the hard turning process parameters such as cutting speed, feed and depth of cut. Twenty seven set of trials according to full factorial design of experiments are conducted. Analysis of variance, multiple regression method, Taguchi method, desirability function approach and Gilbert’s technique are employed for parametric influence study, predictive modelling, response optimization, tool life estimation followed by cost analysis. Results indicated that feed and cutting speed are the most significant and crucial factors for hard turning operation in order to achieve minimum surface roughness of machined component as well as flank wear of cutting tool. Abrasions, adhesion followed by plastic deformation are the key wear mechanisms of coated ceramic insert, resulted 47 min of tool life under optimum cutting conditions and ensued lower total machining cost per part ($ 0.29 only) due to higher tool life, and reduced downtime that justifies cost effectiveness of hard turning. Novelty aspects, the current research work demonstrates the substitution of conventional, expensive and slow cylindrical grinding process, and proposes the most expensive CBN tool alternative using coated ceramic tools in hard turning process from techno-economical and ecological point of views in line with the industrial requirements.

Résumé

La présente étude porte sur l’étude de l’usinabilité de l’acier AISI 4340 à faible alliage à haute résistance avec des outils céramiques revêtus sur la rugosité de surface, l’usure des outils et l’analyse économique. Vingt-sept séries d’essais selon le plan factoriel complet des expériences sont menées. L’analyse de la variance, la méthode de régression multiple, la méthode de Taguchi, l’approche de la fonction de désirabilité et la technique de Gilbert sont utilisées pour l’étude d’influence paramétrique, la modélisation prédictive, l’optimisation de la réponse. Les résultats indiquent que la vitesse d’alimentation et de coupe est le facteur le plus important et le plus crucial pour une opération de tournage difficile afin d’obtenir une rugosité de surface minimale du composant usiné ainsi qu’une usure de flanc de l’outil de coupe. Les éraflures, l’adhérence suivie de la déformation plastique sont les principaux mécanismes d’usure de l’insert en céramique revêtue, ont permis une durée de vie de 47 min dans des conditions de coupe optimales et un coût d’usinage total inférieur à 0,29 $, rentabilité du tournage difficile. Aspects de nouveauté, les travaux de recherche actuels démontrent la substitution du procédé de rectification cylindrique classique, onéreux et lent, et proposent la solution d’outils CBN la plus onéreuse utilisant des outils céramiques revêtus dans les processus de tournage dur exigences.