Multi–criteria optimization of cutting parameters during dry computer numerical controlled milling of martensitic stainless steels 410 and 420 using grey relational analysis Multikriterielle Optimierung der Schneidparameter beim computergesteuerten Trockenfräsen der martensitischen rostfreien Stähle 410 und 420 unter Verwendung der Grauwertanalyse

Abstract

This study optimized cutting parameters for dry computer numerical control milling of martensitic stainless steels (410/420) using grey relational analysis and identified the optimal parameters as a spindle speed of 1500 min⁻¹, a depth of cut of 0.3 mm, and feed rate of 30 mm/min, achieving a balanced reduction in R_a (0.62 μm– 0.66 μm) and F_c 164 – 200 N) and with a balanced temperature of 44 – 48 °C. Analysis of variance revealed that the depth of cut was the dominant factor, contributing 57 % (martensitic stainless steel 410) and 62 % (martensitic stainless steel 420) to the grey relational grade variance. This was followed by the feed rate (27 % and 25 %, respectively) and the spindle speed (12 % and 10 %, respectively). The intermediate spindle speed of 1500 rpm softened the cutting zone, reducing F_c and R_a. Normal probability plots confirmed residual normality, validating the reliability of the experiment. Surface plots revealed peak grey relational grade values at a medium spindle speed and a low depth of cut/feed. Scanning electron microscope is employed for tool wear analysis. This study shows that parameter synergy, rather than individual adjustments, is essential for multi-objective optimization in hard-to-machine steels.

Diese Studie optimierte die Schnittparameter für das Trockenfräsen von martensitischen Edelstahl (410/420) mit computerunterstützter numerischer Steuerung unter Verwendung der Grey-Relational-Analyse und identifizierte die optimalen Parameter als eine Spindeldrehzahl von 1500 U/min, eine Schnittiefe von 0,3 mm und eine Vorschubgeschwindigkeit von 30 mm/min, wodurch eine ausgeglichene Reduzierung von Ra (0,62 μm– 0,66 μm) und Fc (164 N – 200 N) erreicht wurde und eine ausgeglichen kontrollierte Temperatur von 44 °C– 48 °C beibehalten wurde. Die Varianzanalyse ergab, dass die Schnitttiefe der dominierende Faktor war und 57 % (martensitischer Edelstahl 410) bzw. 62 % (martensitischer Edelstahl 420) zur Varianz des grauen Relativgrades beitrug. Darauf folgten die Vorschubgeschwindigkeit (jeweils 27 % und 25 %) und die Spindeldrehzahl (jeweils 12 % und 10 %). Die mittlere Spindeldrehzahl von 1500 min⁻¹ erwärmte die Schnittzone, wodurch Fc und Ra reduziert wurden. Normalwahrscheinlichkeitsdiagramme bestätigten die Normalität der Residuen und validierten die Zuverlässigkeit des Experiments. Flächenplots zeigten Spitzenwerte des grauen Relativgrades bei mittlerer Spindeldrehzahl und geringer Schnitttiefe/Vorschub. Ein Rasterelektronenmikroskop wird für die Werkzeugverschleißanalyse eingesetzt. Diese Studie zeigt, dass die Parametriersynergie anstelle einzelner Anpassungen für die Multi-Objektiv-Optimierung bei schwer zu bearbeitenden Stählen entscheidend ist.