Optimization of Cutting Conditions for the Metallic Surfaces of 50CrNi3Mn Alloy Steel Using Box-Behnken Design, ANOVA, and Desirability Function (Box-ANOVA-DF)

Abstract

Робота спрямована на моделювання коефіцієнта ефективності металевих поверхонь (шорсткість поверхні Ra) та оптимізацію умов різання (швидкість обертання N, швидкість подачі f і тип змащення) під час розточування отворів у легованій сталі (50CrNi3Mn) за допомогою твердосплавної розгортки. Поєднання дизайну Box-Behnken і ANOVA було застосовано з 15 експериментами на основі ортогонального плану L15 з використанням таких факторів: швидкість обертання (22 (м/хв) і 43 (м/хв)), швидкість подачі f (1,67, 3,33 і 5 мм/с) і тип змащення (сухе, повітря та масло). Статистичний аналіз результатів був проведений на основі дисперсійного аналізу для визначення найбільш значущих параметрів, що впливають на експериментальні результати. Для пошуку оптимальних факторів для мінімізації Ra було встановлено підхід функції бажаності. Оптимальні умови, отримані відповідно до трьох вибраних критеріїв, такі: Vc = 22.261, f = 1.796 (мм/с) при масляному змащуванні. Оптимізована шорсткість поверхні становить Ra = 3.463 мкм.

This work aims to model the performance factor of metallic surfaces (surface roughness Ra) and optimize cutting conditions (rotation speed N, feed rate f, and lubrication type) during the boring of holes in an alloy steel (50CrNi3Mn) using a carbide reamer. The combination of the Box-Behnken Design and ANOVA was applied with 15 experiments based on the L15 orthogonal design, using the following factors: rotation speed (22 (m/min) and 43 (m/min)), feed rate f (1.67, 3.33, and 5 mm/sec), and lubrication type (dry, air, and oil). A statistical analysis of the results was performed based on ANOVA to identify the most significant parameters affecting the experimental responses. A desirability function approach was established to find the optimal factors to minimize Ra. The optimal conditions obtained according to the three chosen criteria are as follows: Vc = 22.261, f = 1.796 (mm/sec) with oil lubrication. The optimized surface roughness is Ra = 3.463 µm.