parametric study and optimization of wedm parameters for ck45 steel

14
www.seipub.org/ijepr International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 156 Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel Taha A. ElTaweel *1 , Ahmed M. Hewidy 2 Production Engineering and Mechanical Design Department Faculty of Engineering, Menoufia University, Shebin ElKom, Egypt *1 [email protected] Abstract CK45 steel is a material that has a wide range of applications in military and automotive industry. It can be classified as a difficulttocut material, not suitable for traditional machining. The present paper presents a study of the optimum selection of wire electric discharge machining (WEDM) conditions for CK45 steel. Feeding speed, duty factor, water pressure, wire tension and wire speed have been considered the main factors affecting WEDM performance criteria. The process performances such as; material removal rate (MRR), tool wear rate (TWR), and surface roughness (SR) were evaluated. Response surface methodology (RSM) was employed to develop experimental models. The surface composition of the machined surface was examined through Xray diffraction technique. The results reveal that the feeding speed and duty factor are the most vital factors controlling the MRR. Water pressure has been found a sensible effect of MRR especially at a higher feeding speed. Further, the minimum tool wear rate has been obtained at the parametric combination of low feeding speed and low duty factor. It has also been clarified that the increase of wire tension and wire speed lead to a relatively insignificant change in surface quality. Keywords WEDM, Material Removal Rate; Tool Wear Rate; Surface Roughness; Response Surface Methodology; Optimization Introduction Electrical discharge machining (EDM) is one of the nontraditional machining processes which has been widely used to produce dies and molds, as well to finish parts for aerospace and automotive industry (Snoeys et al., 1986). This technique was developed in the late 1940s of which the process is based on removing material from a part by means of a series of repeated electrical discharges between a tool called the electrode and the workpiece in the presence of a dielectric fluid [(Ho and Newman, 2003), (Bojorquez et al., 2002)]. Wire electrodischarge machining (WEDM) uses the same principles of material removal as EDM, but using a traveling, smalldiameter wire as the electrode. The wire travels from a supply spool, through the workpiece, and onto a takeup spool. Hasçalýk et al. (2004) presented an experimental investigation of the machining characteristics of AISI D5 tool steel using WEDM process. During their experiments, parameters such as open circuit voltage, pulse duration, wire speed and dielectric pressure were changed to explore their effect on the surface roughness and metallurgical structure, then using optical and scanning electron microscopy, surface roughness and microhardness tests to study the characteristics of the machined specimens. They found that the intensity of the process energy does affect the amount of recast layer and surface roughness as well as microcracking. Wire electrodischarge machining induced a new phase in Ti–46Al–2Cr intermetallic alloy which has been identified using Xray diffraction technique by Qin et al, (2003). It was observed that a new phase was found to be neither TiO2 nor Al2O3, but well consistent with titanium hydride with the lattice parameter of 4.49–4.50 A˚. Further, the new phase exists in the WEDM cut alloy surface layer limited to about 70 μm thickness, much deeper than the WEDM induced recast layer thickness of 2–3 μm. On processing, vacuum annealled at 400–600˚C, has been proposed to remove this hydride induced by WEDM. In addition, it was shown that the WEDM induced microcracks extensively happened on the EDMcut surface and penetrated into a matrix of up to 10–30 μm. Modeling in WEDM helps get a better understanding of the complex process (Abbas, 2007, Puertas and Luis, 2003, Ho et al, 2004). Semi empirical models of surface finish, MRR and wire wear [(Tsai and Wang, 2001), (Poroś and Zaborski, 2009)] of the WEDM process for various materials have been established by employing dimensional analysis. Using the design of the experiment method, the process parameter viz. peak current, pulse duration, electric polarity and material

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

224 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

http://www.seipub.org/ijepr/paperInfo.aspx?ID=3108 CK45 steel is a material that has a wide range of applications in military and automotive industry. It can be classified as a difficult-to-cut material, not suitable for traditional machining. The present paper presents a study of the optimum selection of wire electric discharge machining (WEDM) conditions for CK45 steel. Feeding speed, duty factor, water pressure, wire tension and wire speed have been considered the main factors affecting WEDM performance criteria. The process performances such as; material removal rate (MRR), tool wear rate (TWR), and surface roughness (SR) were evaluated. Response surface methodology (RSM) was employed to develop experimental models. The surface composition of the machined surface was examined through X-ray diffraction technique. The results reveal that the feeding speed and duty factor are the most vital factors controlling the MRR. Water pressure has been found a sensible effect of MRR espe

TRANSCRIPT

Page 1: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

156  

Parametric Study and Optimization of WEDM 

Parameters for CK45 Steel  Taha A. El‐Taweel*1, Ahmed M. Hewidy2 

Production Engineering and Mechanical Design Department 

Faculty of Engineering, Menoufia University, Shebin El‐Kom, Egypt

*1 [email protected]

 

Abstract 

CK45 steel is a material that has a wide range of applications 

in military and automotive industry. It can be classified as a 

difficult‐to‐cut  material,  not  suitable  for  traditional 

machining.  The  present  paper  presents  a  study  of  the 

optimum  selection  of  wire  electric  discharge  machining 

(WEDM)  conditions  for  CK45  steel.  Feeding  speed,  duty 

factor, water  pressure, wire  tension  and wire  speed  have 

been  considered  the  main  factors  affecting  WEDM 

performance  criteria.  The  process  performances  such  as; 

material  removal  rate  (MRR),  tool  wear  rate  (TWR),  and 

surface  roughness  (SR)  were  evaluated.  Response  surface 

methodology (RSM) was employed to develop experimental 

models.  The  surface  composition  of  the machined  surface 

was  examined  through  X‐ray  diffraction  technique.  The 

results reveal that the feeding speed and duty factor are the 

most vital  factors  controlling  the MRR. Water pressure has 

been  found  a  sensible  effect of MRR  especially  at  a higher 

feeding  speed.  Further,  the  minimum  tool  wear  rate  has 

been obtained at the parametric combination of low feeding 

speed and low duty factor. It has also been clarified that the 

increase of wire  tension and wire speed  lead  to a relatively 

insignificant change in surface quality. 

Keywords 

WEDM,  Material  Removal  Rate;  Tool  Wear  Rate;  Surface 

Roughness; Response Surface Methodology; Optimization 

Introduction

Electrical  discharge  machining  (EDM)  is  one  of  the 

nontraditional  machining  processes  which  has  been 

widely  used  to  produce  dies  and molds,  as well  to 

finish  parts  for  aerospace  and  automotive  industry 

(Snoeys et al., 1986). This technique was developed in 

the  late  1940s  of  which  the  process  is  based  on 

removing material from a part by means of a series of 

repeated electrical discharges between a tool called the 

electrode  and  the  workpiece  in  the  presence  of  a 

dielectric fluid [(Ho and Newman, 2003), (Bojorquez et 

al., 2002)]. Wire electro‐discharge machining (WEDM) 

uses the same principles of material removal as EDM, 

but  using  a  traveling,  small‐diameter  wire  as  the 

electrode.  The  wire  travels  from  a  supply  spool, 

through the workpiece, and onto a take‐up spool. 

Hasçalýk  et  al.  (2004)  presented  an  experimental 

investigation of  the machining  characteristics of AISI 

D5  tool  steel  using  WEDM  process.  During  their 

experiments, parameters such as open circuit voltage, 

pulse  duration,  wire  speed  and  dielectric  pressure 

were  changed  to  explore  their  effect  on  the  surface 

roughness  and  metallurgical  structure,  then  using 

optical  and  scanning  electron  microscopy,  surface 

roughness  and  microhardness  tests  to  study  the 

characteristics of the machined specimens. They found 

that the intensity of the process energy does affect the 

amount of recast  layer and surface roughness as well 

as microcracking. 

Wire  electro‐discharge  machining  induced  a  new 

phase  in  Ti–46Al–2Cr  intermetallic  alloy  which  has 

been  identified  using  X‐ray  diffraction  technique  by 

Qin et al, (2003). It was observed that a new phase was 

found to be neither TiO2 nor Al2O3, but well consistent 

with  titanium  hydride with  the  lattice  parameter  of 

4.49–4.50  A˚.  Further,  the  new  phase  exists  in  the 

WEDM cut alloy surface layer limited to about 70 μm 

thickness,  much  deeper  than  the  WEDM  induced 

recast  layer  thickness  of  2–3  μm.  On  processing, 

vacuum annealled at 400–600˚C, has been proposed to 

remove  this hydride  induced by WEDM.  In addition, 

it  was  shown  that  the WEDM  induced microcracks 

extensively  happened  on  the  EDM‐cut  surface  and 

penetrated into a matrix of up to 10–30 μm. 

Modeling  in WEDM helps get a better understanding 

of the complex process (Abbas, 2007, Puertas and Luis, 

2003, Ho et al, 2004). Semi empirical models of surface 

finish, MRR  and wire wear  [(Tsai  and Wang,  2001), 

(Poroś and Zaborski, 2009)] of the WEDM process for 

various materials have been established by employing 

dimensional  analysis.  Using  the  design  of  the 

experiment method,  the  process  parameter  viz.  peak 

current, pulse duration, electric polarity and material 

Page 2: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    157

properties are identified. The final results showed that 

the  average  error  between  the  experiment  and 

prediction was  less than 10% for surface finish model 

and less than 20% for MRR.  

The modeling was  first  introduced by  Jeswani  (1979) 

using  dimensional  analysis  to  predict  the  tool wear. 

After  that,  various  methods  were  introduced  to 

predict  the  output  of  EDM  process.  In  addition,  the 

modeling  of  the  WEDM  process  by  means  of 

mathematical  techniques  has  also  been  applied  to 

effectively relate the large number of process variables 

to  the  different  performance  of  the  process  (Yahya, 

2004).  Sharif  and  Noordin  (2006)  established  an 

empirical  relation  of machining  responses  using  the 

RSM technique while machining Ti‐6246 workpiece by 

adding SiC powder in the dielectric. The results show 

that MRR,  tool wear,  and  surface  quality  are  greatly 

influenced by the current, voltage, and pulse on‐time, 

and the surface roughness  is highly  influenced by the 

presence of SiC additives.  

Chiang  et  al.  (2006)  presented  an  approach  for 

optimization  the WEDM  process  of  Al2O3  particle 

reinforced  material  (6061  alloy)  with  multiple 

performance  characteristics  based  on  the  grey 

relational  analysis  and  Taguchi  technique.  In  their 

study,  the machining parameters, namely  the  cutting 

radius of workpiece, on‐time, off‐time of discharging, 

arc on‐time, arc off‐time of discharging voltage, wire 

feed and water flow, are optimized with considerations 

of multiple performance, such as MRR and SR. 

El‐Taweel (2006) studied the effect and optimization of 

machining  parameters  on  the  MRR  and  SR  in  the 

WEDM process of some Al‐Cu‐TiC‐Si composite. The 

variation of MRR and SR with machining parameters 

was mathematically modeled  by  using  the  nonlinear 

regression  analysis  method.  The  optimal  search  for 

machining  parameters  for  the  objective  of maximum 

MRR and minimum SR was performed. Based on  the 

experimental  confirmation,  it was  observed  that  the 

material  removal  rate  increased  by  1.58  times  and 

surface roughness was decreased by 1.11 times.  

The objective of using  response  surface methodology 

(RSM) is to not only investigate the response over the 

entire factor space, but also locate the region of interest 

where  the  response  reaches  its  optimum  or  near 

optimal value. RSM technique has also been applied to 

optimize  the  input of WEDM parameters  for  Inconel 

601  by  Hewidy  el  al.  (2005)who  reported  that  the 

analysis of response parameters using RSM technique 

had  the  advantage  of  explaining  the  effect  of  each 

working parameter on the value of resultant response 

parameter. 

Derringer  and  Suich  (1980)  described  a  multiple 

response  method  called  desirability  that  is  an 

attractive  method  to  industry  for  optimization  of 

multiple  quality  characteristic  problems, making  use 

of an objective function, called the desirability function 

and  transforming  an  estimated  response  into  a  scale 

free value called desirability. The desirable ranges are 

from  zero  to  one;  of which  one  represents  the  ideal 

case; while zero  indicates  that one or more responses 

are  outside  their  acceptable  limits.  Composite 

desirability  is  the  weighted  geometric  mean  of  the 

individual  desirability  for  the  responses.  The  factor 

settings  with  maximum  total  desirability  are 

considered  to  be  the  optimal  parameter  conditions 

[(Castillo, 1996), El‐Taweel, 2009)].  

CK45  steel,  a  material  that  has  a  wide  range  of 

applications in military and automotive industries can 

be classified as a difficult‐to‐cut material, not suitable 

for traditional machining. The published literature has 

indicated  that  few studies have been reported  for  the 

optimization  of  process  parameters  in  WEDM  for 

CK45  steel.  El‐Taweel  (2009)  investigated  the 

correlation of process parameters  in die sinking EDM 

of CK45 steel with Al–Cu–Si–TiC composite electrode 

produced  using  powder metallurgy  (P/M)  technique 

and evaluated MRR and TWR. It has been found that 

such electrodes are more sensitive to peak current and 

on‐time  than  conventional  electrodes.  To  achieve 

maximum MRR, minimum TWR and SR,  the process 

parameters  are  optimized  and  experimental 

verification  were  found  to  be  in  good  agreement.  

However,  it has been  found  that  there  is no available 

data of the WEDM process of this material. Therefore, 

it  is  imperative  to  develop  a  suitable  technology 

guideline  for  optimum WEDM  of CK45  steel.  So  the 

aim  of  the  present  work  is  to  develop  models  to 

correlate  the  inter‐relationships  of  various  WEDM 

parameters  of CK45  steel  such  as  feeding  speed  (Fs), 

duty factor (D), wire tension (T), wire speed (Ws) and 

water pressure (P) on MRR, TWR and SR. 

Experimental Details

Experimental Procedure and Measurments 

In  the  present  study, MRR,  TWR  and  SR  have  been 

considered  to  evaluate  the  machining  performance. 

MRR,  TWR  and  SR  are  correlated  with  input 

machining parameters such as feeding speed (Fs), duty 

factor  (D),  wire  Tension  (T),  wire  Speed  (Ws)  and 

water Pressure  (P). The  experiments were  conducted 

Page 3: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

158  

on a W‐B30J.S CNC wire electrical discharge machine. 

Figure 1 shows the used experimental set up attached 

with WEDM machine. 

 

FIG. 1 THE USED EXPERIMENTAL SET UP 

The  wire  electrode  material  used  in  the  WEDM 

process was made  from Brass‐CuZn37 with diameter 

0.25  mm.  The  workpiece  material  used  in  these 

experiments was  CK45  steel  with  dimensions  8×8×8 

mm3. Table 1 shows the chemical composition of CK45 

steel. The selection of  this material was made,  taking 

into account its wide range of applications in military 

and automotive industries (El‐Taweel, 2009). It can be 

classified as a difficult‐to‐cut material, not suitable for 

traditional machining. During machining,  de‐ionized 

water  was  circulated  as  the  dielectric  fluid  around 

wire  (co‐axial) and with  side  flushing  technique. The 

machining time for each experiment was variable and 

related  to  the  machining  conditions  and  fixed 

parameters which  are  listed  in  Table  2.  These were 

chosen  through  reviews  of  experience,  literature 

surveys  [(Abbas, 2007),  (Puertas and Luis, 2003),  (Ho 

et  al,  2004),  (Tsai  and  Wang,  2001),  (Poroś  and 

Zaborski,  2009),  (Chiang  et  al.  2006)],  and  some 

preliminary investigations. 

TABLE 1 CHEMICAL COMPOSITION FOR CK45 STEEL (WT%) 

C  Si  Mn  P  S  Cr  Mo 

0.4771  0.2105  0.628  0.0109 0.0111  0.1079  0.0236

Al  Co  Cu  W  Sn  Fe  Ni 

0.0073  0.0073  0.1896  <0.005 0.0103  98.23  0.0788

TABLE 2 WEDM MACHINING CONDITIONS 

Working condition  Value 

Workpiece material  CK45 steel 

Tool  (+) Polarity 

Wire material  Brass CuZn37 

Feeding speed   1.7‐ 4.9 mm/min 

Pulse‐on time   1‐9 μs 

Pulse‐off time   9 μs 

Wire tension   800‐2400 gf 

Wire speed   5‐15 m/s 

Water pressure  1‐3 MPa 

Wire diameter   0.25 mm 

Peak current    Automatically selected 

Dielectric fluid  De‐ionized water 

The  specimen  and  wire  were  weighted  before  and 

after machining using a digital balance (Sartorius, type 

1712, 0.0001 g). 

The  metal  removal  rate  was  specified  using  the 

following equation: 

MRR = (Wb‐ Wa)/t   (g/min)                      (1) 

where Wb: specimen weight before machining (g); Wa: 

specimen  weight  after  machining  (g).;  t:  machining 

time (min). 

The tool wear rate was evaluated through wire weight 

for a  length of one meter before and after machining 

by using the following equation:  

TWR = 60 (Tb‐ Ta)Ws    (g/min)                    (2) 

Where Tb: wire weight for one meter before machining 

(g/m). Ta: wire weight  for one meter  after machining 

(g/m). Ws: wire speed (m/s). 

The  roughness  average  (Ra)  for  each  specimen  was 

measured  by  surface  tester  (Mitutoye,  Surftest‐402). 

Each  surface  roughness  value  was  obtained  by 

averaging  four  measurements.  The  instrument  is 

adjusted  to  the  following  conditions  during 

measurement;  measuring  length  (5mm),  measuring 

speed (0.5 mm/s) and sampling length (0.8 mm). 

The microscopic  investigations of  the WEDM  surface 

are  investigated  by  (JEOL  JSM‐5200LV)  scanning 

electron microscope  (SEM).  X  pert  pro‐panalytical‐X 

ray  diffract  meter  (XRD)  is  used  to  investigate  the 

surface component after WEDM. 

Experimental Design 

Response surface methodology (RSM) is an interaction 

of  mathematical  and  statistical  techniques  for 

modelling  and  optimizing  the  response  variable 

models  involving  quantitative  independent  variables 

[(Montgomery,  2001),  (Antony,  2003)].  In  the present 

work, the ranges of the feeding speed (Fs), duty factor 

(D),  wire  tension  (T),  wire  speed  (Ws)  and  water 

pressure  (P)  settings  have  been  selected. Actual  and 

coded  values  of  the  input  process  parameters  have 

been  listed  in Table 3. Experiments have been carried 

out  according  to  the  experimental  plan  based  on 

central composite half‐fraction  second‐order  rotatable 

design  (CCD)  as  shown  in  Table  4.  This  design 

consists  of  32  factorial  runs,  16  axial  runs  and  the 

number of star points is 10. The extra seven points are 

added at the center to give roughly equal precision for 

Yu within a circle of radius 1. Yu is  the uth response  in 

the  experimentation. One  important  disadvantage  of 

using second order polynomial in RSM is that the size 

Page 4: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    159

of  experiments  becomes  too  large  and  analysis 

becomes  too  complicated  with  more  than  three  X 

variables  or  with  more  than  three  levels.  Central 

composite  designs  (CCD)  are  one  of  those  means. 

Proceeding  a  step  ahead,  central  composite  rotatable 

designs  of  second  order  have  been  found  to  be  the 

most  efficient  tool  in  RSM  to  establish  the 

mathematical  relation  of  the  response  surface  using 

the  smallest possible number of  experiments without 

losing its accuracy. 

Mathematical Modelling

Through  utilizing  the  design  of  experiments  and 

applying  regression  analysis,  the  modelling  of  the 

desired response to several independent variables can 

be  obtained  [(Montgomery,  2001),  (Antony,  2003)].  If 

all  variables  are  assumed  to  be  measurable,  the 

quadratic response surface model of Yu can be written 

as follows:  

2

1 1

k k kY b b X b X X b Xu i i ij i ii io jj ii i

      (3) 

where Yu  is  the  corresponding  response  function  (or 

response surface), X1, X2, X3.....Xk are coded values of 

the machining process parameters and ε is  the  fitting 

error  of  the  uth  observation.  In  this  study,  for  five 

variables under  consideration  (Fs, D, T, Ws  and P),  a 

second  order  polynomial  regression  model,  called 

quadratic model, is proposed. 

TABLE 3 CODED AND ACTUAL VALUES OF INPUT PARAMETERS 

Input parameters  Symbol Levels 

‐2  ‐1  0  +1  +2 

Feeding speed (Fs), mm/min  X1  1.7  2.5  3.3  4.1  4.9 

Duty factor (D)  X2  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5 

Wire tension (T), gf  X3  800  1200  1600  2000  2400 

Wire speed (Ws), m/s  X4  5  7.5  10  12.5  15 

Water pressure (P), MPa  X5  1  1.5  2  2.5  3 

TABLE 4 EXPERIMENTAL DESIGN MATRIX AND RESULTS 

Exp. No. 

Input process parameters  Experimental results 

Fs,  D  T,  Ws,  P, MRR, g/min  TWR, g/min Ra, μm

Coded  Actual  Coded  Actual  Coded Actual Coded Actual Coded Actual

1  ‐1  2.5  ‐1  0.2  ‐1  7.5  ‐1  1200 1  2.5  0.0391  0.0260  2.3 

2  1  4.1  ‐1  0.2  ‐1  7.5  ‐1  1200 ‐1  1.5  0.0453  0.0440  2.4 

3  ‐1  2.5  1  0.4  ‐1  7.5  ‐1  1200 ‐1  .1.5  0.0685  0.0470  2.5 

4  1  4.1  1  0.4  ‐1  7.5  ‐1  1200 1  2.5  0.0735  0.0510  2.7 

5  ‐1  2.5  ‐1  0.2  1  12.5 ‐1  1200 ‐1  1.5  0.0371  0.0360  2.8 

6  1  4.1  ‐1  0.2  1  12.5 ‐1  1200 1  2.5  0.0426  0.0450  2 

7  ‐1  2.5  1  0.4  1  12.5 ‐1  1200 1  2.5  0.0698  0.0480  2.5 

8  1  4.1  1  0.4  1  12.5 ‐1  1200 ‐1  1.5  0.0739  0.0510  2.6 

9  ‐1  2.5  ‐1  0.2  ‐1  7.5  1  2000 ‐1  1.5  0.0347  0.0340  2.7 

10  1  4.1  ‐1  0.2  ‐1  7.5  1  2000 1  2.5  0.0650  0.0460  2.8 

11  ‐1  2.5  1  0.4  ‐1  7.5  1  2000 1  2.5  0.0601  0.0490  3.3 

12  1  4.1  1  0.4  ‐1  7.5  1  2000 ‐1  1.5  0.0755  0.0520  2.5 

13  ‐1  2.5  ‐1  0.2  1  12.5 1  2000 1  2.5  0.0374  0.0410  2.7 

14  1  4.1  ‐1  0.2  1  12.5 1  2000 ‐1  1.5  0.0569  0.0430  2.8 

15  ‐1  2.5  1  0.4  1  12.5 1  2000 ‐1  1.5  0.0474  0.0470  2.6 

16  1  4.1  1  0.4  1  12.5 1  2000 1  2.5  0.0943  0.0490  2.5 

17  ‐2  1.7  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0423  0.0270  1.9 

18  2  4.9  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0743  0.0460  4.9 

19  0  3.3  ‐2  0.1  0  10  0  1600 0  2  0.0284  0.0240  2.5 

20  0  3.3  2  0.5  0  10  0  1600 0  2  0.0943  0.0480  2.2 

21  0  3.3  0  0.3  ‐2  5  0  1600 0  2  0.0619  0.0410  3.2 

22  0  3.3  0  0.3  2  15  0  1600 0  2  0.0701  0.0280  2.2 

23  0  3.3  0  0.3  0  10  ‐2  800  0  2  0.0609  0.0310  3.5 

24  0  3.3  0  0.3  0  10  2  2400 0  2  0.0758  0.0380  2.1 

25  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 ‐2  1  0.0615  0.0460  3.4 

26  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 2  3  0.0705  0.0250  2.5 

27  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0659  0.0270  2.4 

28  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0653  0.0280  2.4 

29  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0655  0.0270  2.5 

30  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0639  0.0270  2.4 

31  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0645  0.0290  2.4 

32  0  3.3  0  0.3  0  10  0  1600 0  2  0.0652  0.0270  2.5 

Page 5: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

160  

The coefficient bo is the free term, the coefficients bi are 

the  linear terms, the coefficients bij are the  interaction 

terms  and  the  coefficients  bii  are  the quadratic  terms. 

Using the results presented in Table 4, the full form of 

the derived models can be presented. Based on Eq. (3), 

the  effect  of  input  parameters  on  values  of  metal 

removal rate, tool wear rate and surface roughness has 

been  evaluated  by  computing  the  values  of  various 

constants in Table 4. The mathematical models of MRR, 

TWR,  and  SR  can  be  expressed  in  coded  form  as 

follows: 

1 2 4

2 25 1 2

MRR 0.0662 0.0082 0.014 0.0025

0.002 0.003 0.0021

X X X

X X X

          (4) 

21 2 1

2 2 2 22 3 4 5

TWR 0.026 0.004 0.005 0.0035

0.0034 0.003 0.003 0.0033

X X X

X X X X

(5) 

1 2 3 5

1 2 1 3 1 5 2 3

2 2 22 5 1 4 5

SR 9.99 1.73 10.963 0.236 4.08

1.77 0.045 0.255 0.4

5.275 0.048 3.196 0.47

X X X X

X X X X X X X X

X X X X X

     (6) 

TABLE 5 ANOVA FOR MRR 

Source  SS  DF  MS  F value  P.value Prob>F

Model  0.007773  20  0.000389 14.3581  < 0.0001 

X1  0.001615  1  0.001615 59.6767  < 0.0001 

X2  0.004724  1  0.004724 174.501  < 0.0001 

X3  8.28E‐06  1  8.28E‐06 0.30602  0.5912 

X4  0.00011  1  0.00011 4.05087  0.0693 

X5  0.000153  1  0.000153 5.63409  0.0369 

X1X2  6.13E‐06  1  6.13E‐06 0.22629  0.6436 

X1X3  2.28E‐05  1  2.28E‐05 0.84231  0.3784 

X1X4  0.000521  1  0.000521 19.2462  0.0011 

X1X5  1.63E‐06  1  1.63E‐06 0.06005  0.8109 

X2X3  2E‐05  1  2E‐05  0.73979  0.4081 

X2X4  9.17E‐05  1  9.17E‐05 3.3869  0.0928 

X2X5  3.11E‐05  1  3.11E‐05 1.14819  0.3069 

X3X4  8.56E‐07  1  8.56E‐07 0.0316  0.8621 

X3X5  1.43E‐05  1  1.43E‐05 0.52645  0.4833 

X4X5  0.000111  1  0.000111 4.09231  0.0681 

X12  0.000231  1  0.000231 8.55102  0.0138 

X22  0.000123  1  0.000123 4.53887  0.0565 

X32  2.29E‐05  1  2.29E‐05 0.84699  0.3771 

X42  2.58E‐06  1  2.58E‐06 0.09532  0.7633 

X52  2.29E‐05  1  2.29E‐05 0.84699  0.3771 

Residual  0.000298  11  2.71E‐05    

Lack of fit  0.000295  6  4.92E‐05 12.43  < 0.0001 

Pure error  2.64E‐06  5  5.27E‐07    

Core Total  0.008071  31       

DF: Degree of freedom; SS: Sum of squares; MS: Mean of squares 

The  adequacy  of  the  models  is  checked  using  the 

analysis of variance  (ANOVA)  technique. As per  this 

technique,  if  the  calculated F  ratios of  the developed 

models do not exceed the standard tabulated values of 

F ratio for desired level of confidence, then the models 

are  considered  to  be  at  the  confidence  level 

(Montgomery,  2001).  The  ANOVA  tables  for  MRR, 

TWR  and  SR  are  presented  in  Tables  5,  6  and  7, 

respectively. It can be noted that there are some terms 

omitted  from  the  equations.  These  terms  are  non‐

significant  terms  according  to  the  ANOVA  of  the 

models. 

TABLE 6 ANOVA FOR TWR 

Source  SS  DF MS  F value  P.value Prob>F

Model  0.002449 20 0.00012  12.875  <0.0001 

X1  0.000345 1 0.00035  8.102  <0.0001 

X2  0.000672 1 0.00067  15.78  <0.0001 

X3  9.37E‐06 1 9.4E‐06  0.22  0.1281 

X4  3.04E‐05 1 3E‐05  0.713  0.0030 

X5  7E‐05  1 7E‐05  1.645  0.0091 

X1X2  5.26E‐05 1 5.3E‐05  1.234  0.0044 

X1X3  2.76E‐05 1 2.8E‐05  0.647  0.1495 

X1X4  1.41E‐05 1 1.4E‐05  0.33  0.1026 

X1X5  6.25E‐08 1 6.3E‐08  0.001  0.2307 

X2X3  2.26E‐05 1 2.3E‐05  0.53  0.1007 

X2X4  1.06E‐05 1 1.1E‐05  0.248  0.3279 

X2X5  6.25E‐08 1 6.2E‐08  0.001  0.6188 

X3X4  1.06E‐05 1 1.1E‐05  0.248  0.3279 

X3X5  7.56E‐06 1 7.6E‐06  0.178  0.6188 

X4X5  1.81E‐05 1 1.8E‐05  0.424  0.168 

X12  0.000362 1 0.00036  8.493  <0.0001 

X22  0.000336 1 0.00034  7.899  <0.0001 

X32  0.000266 1 0.00027  6.246  <0.0001 

X42  0.000266 1 0.00027  6.246  <0.0001 

X52  0.000312 1 0.00031  7.326  <0.0001 

Residual 0.000468 11 4.3E‐05     

Lack of fit 0.000465 6 7.7E‐05  10.7  0.0140 

Pure error 3.5E‐06 5 7E‐07     

Core Total 0.002918 31      

TABLE 7 ANOVA FOR SR 

Source  SS  DF MS  F value  P. value Prob>F

Model  6.08 20 0.3  18.68  <0.0001 

X1  6.08 20 0.3  18.68  <0.0001 

X2  0.47 1 0.47  28.9  0.0002 

X3  0.09 1 0.09  5.55  0.038 

X4  1.17 1 1.17  72.18  <0.0001 

X5  0.23 1 0.23  14.19  0.0031 

X1X2  0.85 1 0.85  52.44  <0.0001 

X1X3  0.32 1 0.32  19.67  0.001 

X1X4  0.13 1 0.13  8.06  0.0161 

X1X5  0.092 1 0.09  5.65  0.0367 

X2X3  0.177 1 0.17  10.22  0.0085 

X2X4  0.17 1 0.17  10.33  0.0082 

X2X5  0.12 1 0.12  7.31  0.0205 

X3X4  1.11 1 1.11  68.4  <0.0001 

X3X5  0.02 1 0.02  1.2  0.2959 

X4X5  0.022 1 0.022  1.38  0.2644 

X12  0.028 1 0.47  28.84  0.0002 

X22  0.03 1 0.028  1.75  0.2131 

X32  0.09 1 0.03  1.84  0.2021 

X42  0.1 1 0.09  5.56  0.038 

X52  0.41 1 0.1  6.33  0.0287 

Residual 0.18 11 0.41  25.1  0.0004 

Lack of fit 0.17 6 0.016     

Pure error 0.013 5 0.028  10.25  0.0107 

Core Total 6.26 31 2.667 E‐003     

Page 6: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    161

Results and Discussion

Effect of Machining Parameters on MRR 

Metal removal rate in the WEDM process is a vital and 

significant  factor  due  to  its  effect  on  the  industrial 

economy. Based on  the RSM model, Fig. 2 shows  the 

effect of feeding speed on MRR at various duty factors, 

while  keeping  the  other  parameters  at  centre  level. 

Figure  2  reflects  that MRR  increases  as  the  feeding 

speed  of  the  wire  increases.  This  result  has  been 

attributed  to  the  increase  of  the  consumed  applied 

current which  leads  to  the  increase  in  the  rate of  the 

heat  energy  and,  hence,  in  the  rate  of  melting  and 

evaporation  (El‐Taweel,  2006).  Furthermore,  Fig.  2 

shows that MRR also increases with the increase of the 

duty  factor.  This  trend  is  due  to  the  fact  that  the 

increase of the duty factor means the application of the 

same  heating  temp  erature  for  a  long  time  on  the 

machined surface. In addition to that, Fig. 2 shows that 

the effect of  the duty  factor  is more pronounced  than 

the  feeding  speed. This phenomenon  reflects  that  the 

increase  in peak current, as a  function  to  the  increase 

of the feeding speed,  leads to arcing, which relatively 

limits the discharge number and machining efficiency. 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

0.034

0.044

0.055

0.066

0.076

MR

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Wire speed, m/s

 

FIG. 2 EFFECT OF FEEDING SPEED ON MRR AT VARIOUS DUTY 

FACTORS(T=1600 gf, Ws=10 m/s, P=2 MPa, working cond. Table 2) 

Figure 3 shows the effect of feeding speed on MRR at 

various wire speeds, and it is reflected that wire speed 

generally has almost no effect on the MRR. However, 

if  the wire speed  is reduced  to a certain  limit (5 m/s), 

the cutting process becomes non‐uniform and the wire 

electrode  breaks  down  several  times  because  of  the 

increase of the number of discharge per unit length of 

wire. This  result has also been  reported by Kinoshita  

(1976) who deduced that the wire winding speed had 

almost no effect on the increase of the feeding rate. 

Figure 4 shows the effect of feeding speed on MRR at 

various wire tensions, and that the wire tension has a 

limited effect on the MRR value at the center values of 

feeding  speed  and  the  other machining  parameters. 

This figure also reveals that the combination of higher 

feeding speed and higher wire tension  leads to  larger 

MRR.  This  phenomenon  could  be  attributed  to  the 

reduction  of  the  wire  oscillation  which  usually 

decreases  the dynamic  conditions  and,  consequently, 

enhances the stability of the process. This explanation 

has also been  reported by Yan and Pin  (2004) during 

their  attempt  to  control  the wire  tension  in  the wire 

EDM process. 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

800

1200

1600

2000

2400

0.021

0.041

0.060

0.080

0.100

MR

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Wire tension, gf

 

FIG. 3 EFFECT OF FEEDING SPEED ON MRR AT VARIOUS WIRE 

SPEEDS(D= 0.3, T=1600 gf, P=2 MPa, working cond. Table 2) 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.005

0.027

0.049

0.072

0.094

MR

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Duty Factor

 

FIG. 4 EFFECT OF FEEDING SPEED ON MRR AT VARIOUS WIRE 

TENSIONS(D= 0.3, Ws=10 m/s, P=2 MPa, working cond. Table 2)

Figure 5 shows the effect of feeding speed on MRR at 

various water  pressures,as well  as  the  nature  of  the 

variation  of  the  MRR  value  at  different  water 

pressures  ranging  from  1  to  3 MPa. A  limited  effect 

has  been  observed  of  water  pressure  at  the  low 

feeding  speed.  However,  this  effect  was  significant 

and effective at the higher values of the higher feeding 

speeds. This result has been attributed to the fact that 

the  increase  in  feeding  speed  usually  leads  to  an 

increase  in  the  rate  of  heat  energy  and  the  rate  of 

melting and evaporation. So, it is very necessary of the 

increase of water pressure to decrease the tendency of 

arcing  and  also  to  overcome  the  problem  of  the 

Page 7: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

162  

increase  in  the number of gas bubbles and  the bigger 

volume of the molten metal (Luo, 1999). 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.039

0.050

0.061

0.072

0.083

MR

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Water pressure, MPa

 

FIG. 5 EFFECT OF FEEDING SPEED ON MRR AT VARIOUS 

WATER PRESSURES(D= 0.3, Ws= 10 m/s, T=1600 gf, working cond. 

Table 2) 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.019

0.030

0.040

0.051

0.062

TW

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Duty Factor   

FIG. 6 EFFECT OF FEEDING SPEED ON TWR AT VARIOUS DUTY 

FACTORS(T= 1600 gf, Ws= 10 m/s, P= 2 MPa, working cond. Table 2) 

Effect of Machining Parameters on TWR 

Tool wear  rate  in  the WEDM  process  is  a  vital  and 

significant  factor  due  to  its  effect  on  the  industrial 

economy  of  the machining  process.  It  has  also  been 

stated  that  it  is  impossible  to  achieve  a  higher MRR 

and  good  surface  phenomena  simultaneously  (Luo, 

1999). The decrease of TWR  is due  to  the drop of  the 

produced spark discharge energy at  these conditions. 

Figure  6  showing  the  effect  of  feeding  speed  on  the 

TWR  at  various  duty  factors  indicates  that  the 

minimum TWR has been obtained at the combination 

of  low  feeding  speed  and  low  duty  factor;  while 

Figure  7  showing  the  effect  of  feeding  speed  on  the 

TWR  at  various  wire  speeds  indicates  that  wire 

tension  around  2000  gf  and  feeding  speed  about  3 

mm/min  represent  the optimum TWR at certain wire 

speed, wire tension and water pressure. The trends of 

the above figure were nearly similar to the trend in Fig. 

8. Furthermore, the optimum conditions of each figure 

have been  clarified  through  the 3‐D graphs. Figure  6 

showing  the  effect  of  duty  factor  on  the  TWR  at 

various wire speeds, displays that min TWR has been 

obtained  at  the  combination  of  low Duty  factor  and 

moderate values of wire speed. The decrease of TWR 

is due to the drop of the length of the spark discharge 

energy at these conditions. 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

0.025

0.035

0.045

0.055

0.065

TW

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Wire speed, m/s  

FIG. 7 EFFECT OF FEEDING SPEED ON TWR AT VARIOUS WIRE 

SPEEDS(T=1600 gf, D= 0.3, P= 2 MPa, working cond. Table 2)

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

800

1200

1600

2000

2400

0.024

0.032

0.040

0.048

0.056

TW

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Wire tension, gf

  

FIG. 8 EFFECT OF FEEDING SPEED ON TWR AT VARIOUS WIRE 

TENSIONS(D= 0.3, Ws=10 m/s, P= 2 MPa, working cond. Table 2) 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.024

0.034

0.044

0.054

0.064

TW

R, g

/min

Feeding speed, mm/min Water pressure, MPa  

FIG. 9 EFFECT OF FEEDING SPEED ON TWR AT VARIOUS 

WATER PRESSURES (D= 0.3,T= 1600 gf, Ws= 10 m/s, working cond. 

Table 2) 

Figure 7 showing the effect of wire speed on the TWR 

at various wire  tensions  indicates  that  the min. TWR 

Page 8: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    163

has  been  achieved  at  wire  tension  of  1600  gf,  wire 

speed of 12.5 m/s and at water pressure of 2.5 MPa. In 

Figs.  (7‐9),  it has also been observed  that  the  increase 

of wire speed, wire  tension and water pressure  leads 

to  the reduction of  the TWR. This result  is due  to  the 

improvement  of  the  flushing  conditions  and  the 

stability of the process. After wire speed, wire tension 

and water pressure  exceeded  10 m/s, 2000 gf and 2.5 

MPa, respectively, it has been noticed that TWR starts 

to  increase, which consequently,  implies  the presence 

of  arcing.  Obviously,  these  conditions  may  lead  to 

vigorous  sparking  on  the  wire  surface  and  the 

propagation  of wear  at  the wire  surface.  It  has  also 

been reported that wire tension and spark pressure are 

the two major causes for wire rupture (Luo, 1999). 

Effect of Machining Parameters on SR 

Surface  finish  of  the  machined  surface  plays  an 

important  role  in  production,  and  it  becomes  more 

desirable  so  as  to  produce  a  better  surface  when 

hardened  materials  are  machined,  requiring  no 

subsequent polishing. Surface  finish  is also  important 

in  case  of  tools  and  dies  for  molding  as  well  as 

drawing  operations.  Surface  roughness  and 

dimensional accuracy of a spark eroded work material 

depend on pulse energy, water pressure, wire tension 

and wire speed. Furthermore,  it could be extended to 

include  wire  polarity,  wire  material,  work  piece 

material and work piece thickness. 

Figures  (10‐12)  show  the  relationship  between  duty 

factor  and  both  wire  speed  and  wire  tension.  The 

lowest value of  surface  roughness has been achieved 

at  low  duty  factor,  lowest  on‐time,  lowest  pulse 

energy, and the higher values of wire tension and wire 

speed. The value of surface roughness (Ra) has reached 

1.45 μm. It should be noted that wire vibration usually 

becomes more serious as wire  tension decreases. This 

result  infers  that  a  fine  surface  can  be  achieved  by 

using  stable  and  large wire  tension  and  higher wire 

speed  values. This  trend  is  consistent with  the  same 

trend which has been obtained by Liao et al. (1997). 

Figure 10 shows that the best parametric combination 

to get the optimum surface roughness (less than 2 μm) 

has been achieved at low duty factor and low feeding 

speed. It should be noted that the reduction of on‐time 

decreases  the  spark  energy.  It  is  spark  energy  that 

controls the depth of the discharge pits, which directly 

relates  to  the  surface  finish. However,  the off‐time  is 

the pause between discharge that allows the debris to 

solidify and be flushed away by the dielectric prior to 

the next discharge. So, it has been avoided to increase 

off‐time  that  can  dramatically  increase  the  cutting 

speed,  by  allowing  more  productive  discharges  per 

unit  of  time.  Furthermore,  reducing  off‐time  can 

overload the wire, causing wire breaks and instability 

of the cut by not allowing enough time to evacuate the 

debris before the next discharge. 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1.70

2.15

2.60

3.05

3.50

SR

, µ

m

Feeding speed, mm/min Duty Factor

FIG. 10 EFFECT OF FEEDING SPEED ON SR AT A VARIOUS 

DUTY FACTORS(T=1600 gf, Ws=10 m/s, P=2 MPa, working cond. 

Table 2) 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

2.20

2.63

3.05

3.48

3.90

SR

, µ

m

Feeding speed, mm/min Wire speed, m/s  

FIG. 11 EFFECT OF FEEDING SPEED ON SR AT VARIOUS WIRE 

SPEEDS(T= 1600 gf, D= 0.3, P=2 MPa, Working cond. Table 2) 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

800

1200

1600

2000

2400

2.20

2.55

2.90

3.25

3.60

SR

, µ

m

Feeding speed, mm/min Wire tension, gf  

FIG. 12 EFFECT OF DUTY FACTOR ON SR AT VARIOUS WIRE 

TENSIONS(D= 0.3, Ws= 10 m/s, P= 2 MPa, working cond. Table 2)

It  is  in  Figure  13  anticipated  that  the  optimum 

relationship between water pressure and feeding speed 

Page 9: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

164  

has been obtained  at  a water pressure of  2 MPa  and 

feeding  speed  about  2.5 mm/min  (low  pulse  energy 

and  moderate  water  pressure).  This  phenomenon 

reflects  the  stability  of  the  WEDM  action  at  these 

conditions.  The  results  obtained  in  the  present work 

about surface  roughness values are similar  to, or  less 

than, those reported by Gokler and Ozanogu (2000). 

1.7

2.5

3.3

4.1

4.9

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

2.20

2.68

3.15

3.63

4.10

SR

, µ

m

Feeding speed, mm/min Water pressure, MPa

 

FIG.13 EFFECT OF DUTY FACTOR ON SR AT VARIOUS WATER 

PRESSURES(D= 0.3, T=1600 gf, Ws= 10 m/s, working cond. Table 2) 

Investigation of Surface Modification 

In the present study, the effects of the EDM process on 

the  surface  generated  were  studied  using  SEM 

microscope. Figure 14a shows  that surfaces produced 

at  higher  feed  rates  have  a  characteristically  matte 

appearance comparing microscopic craters. The craters 

are partially  superimposed,  as pools of molten metal 

have been ejected from a series of overlapping craters 

as  shown  in  Fig.  14a.  Figure  14b  shows  a  SEM 

micrograph of EDMed surface at low feeding speed of 

1.7 mm/min. It can be observed that the actual eroding 

pattern  and  overlapping  of  craters  in  case  of  4.9 

mm/min  (Fig. 14‐b) are much wider and deeper  than 

that  in  the  case  of  1.7  mm/min.,  as  well  shows  an 

overlapping of the re‐solidified layerswhich have been 

attributed  to  the  effect of  the partially  superimposed 

adjacent  discharges  [30].  This  is  due  to  the  large 

amount of heat energy  liberated as  the  feeding speed 

increases. 

Figure 15  (a, b)  shows SEM micrographs  comparison 

of EDMed surface at  low duty cycle of 10% and high 

duty cycle of 50%. It can be observed that the surface 

is relatively irregular and also shows some turbulence 

at  a duty  cycle  of  50%. The  eroded  surface  is  nearly 

free of pock marks.  In  fact, bubbles of entrapped gas 

come  from  the gaseous phase which has  reached  the 

surface.  Furthermore,  due  to  the  effect  of  the  long 

pulse duration,  the gas bubbles grow  larger,  causing 

the  larger  bock  marks  at  the  surface  and  great 

turbulence beneath it. At higher magnification of X750, 

a  crack  has  been  observed  and  propagated  for  duty 

factor equal to 50%. It is also clear that spark crater is 

usually associated with fusion and plastic deformation. 

 a ‐ Fs= 4.9 mm/min 

 b‐ Fs= 1.7 mm/min 

FIG. 14 SEM MICROGRAPHS OF WEDM SURFACE (X750) 

(D= 0.3, T= 1600 gf, P= 2 MPa, Ws= 10 m/s, working cond. Table 2) 

 

a ‐ D = 0.1 

 

b ‐ D = 0.5 

FIG. 15 SEM MICROGRAPHS OF WEDM SURFACE (X750)(Fs = 3.3 

mm/min, T=1600 gf, P= 2 MPa, Ws=10 m/s, working cond. Table 2) 

Figure  16  (a,  b)  shows  SEM  micrographs  of  CK45 

EDMed surface at lower and upper wire speed. It has 

b

a

a

b

Page 10: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    165

been  observed  that  the  increase  of  the  wire  speed 

could  lead  to  the  increase of pock marks on  surfaces 

machined  at  15 m/s. On  the  other  hand,  the EDMed 

surface at 5 m/s produced shallow craters and less re‐

solidified material around the crater base. 

a ‐ Ws = 5 m/s 

b‐ Ws = 15 m/s 

FIG. 16 SEM MICROGRAPHS OF WEDM SURFACE (X150) 

(Fs= 3.3 mm/min, D= 0.3, P= 2 MPa, T=1600 gf,working cond. Table 2) 

Figure  17  shows  a  higher magnification  for  a  single 

spark crater on surface, to observe more details of the 

crater. Tosun et al. (2003) reported that  increasing the 

wire speed increases both the depth and the diameter 

of crater. They have estimated the contribution of this 

factor  by  4%.  It  is  believed  that  the  cause  of  this 

condition  is due  to  the poor  flushing condition of  the 

water  in  the  gap  at  the  higher  speed  of  the  wire. 

Furthermore,  it could be also related to the  instability 

of the process at these conditions. 

 

FIG. 17 SEM MICROGRAPH OF WEDM SURFACE (X350)  

(Ws=15 m/s, Fs= 3.3 mm/min, D= 0.3, T= 1600 gf, P= 2 MPa, working 

cond. Table 2) 

Figure  18  (a,  b)  shows  SEM  photomicrographs  of 

EDMed  surface  in order  to  assess  the  effect of water 

pressure  on  the  resultant  surface  appearance.  Fusion 

and plastic deformation, cracking, solidified deposits, 

and micro  droplets  were  seen  in  the  above  figures. 

However,  the  intensity  of  those  characteristics 

decreases as the water pressure increases. The surface 

characteristics show a significant improvement. These 

results are consistent with those obtained in MRR and 

SR sections. This result can be explained by the cooling 

effect of  increasing  the  flushing pressure on  the wire 

surface. The higher heat  transfer  rate  from  the  crater 

zone and the body results in smaller molten craters. 

a ‐ P=1 MPa 

b ‐ P= 3 MPa 

FIG. 18 SEM MICROGRAPHS OF WEDM SURFACE (X750) 

(Fs=3.3 mm/min, D=0.3, T=1600 gf, Ws=10 m/s, working cond. Table 2) 

Recast  layer  greatly  affects  fatigue  strength  and 

shortens  service  life  of  WEDM‐ed  component. 

Damaged surface often  removed  in a post machining 

process,  greatly  increases  fabricating  time  and  cost. 

The  occurrence  of  the  white  layer  depends  on  two 

main factors, namely, the  initial carbon content of the 

workpiece and the type of dielectric fluid used. If these 

two conditions are met, then the resulting thickness of 

the white layer will depend upon the magnitude of the 

pulse  energy. Also,  the  hardness  is  still  higher  than 

that  of    the  base material,  because  of  the  fine  grain 

structure  resulting  from  high  cooling  and  nucleation 

rates (Tsai et al., 2003). 

Optimization of the Process

In  the present  study,  three  responses  i.e. MRR, TWR 

a

b

b

a

Page 11: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

166  

and SR have been optimized simultaneously using the 

developed models,  i.e. Eqs.  (4‐6) based on  composite 

desirability  optimization  technique  [(Castillo  et  al., 

1996), (Derringer  and Suich, 1980), (El‐Taweel, 2009)]. 

In  response  to  optimization,  a  measure  of  how  the 

solution  has  satisfied  the  combined  goals  for  all 

responses  must  be  assured.  The  optimization  is 

accomplished by:  

Obtaining  the  individual  desirability  (d)  for 

each response. 

Combining  the  individual  desirabilities  to 

obtain the composite desirability (D).  

Maximizing  the  composite  desirability  and 

identifying the optimal input variable settings. 

If it is desirable to maximize a response, the individual 

desirability is calculated as: 

di = 0               i < Li 

di = (i ‐ Li)/( Ti ‐ Li)ri  Li < i <               (7) 

di = 1              i > Ti 

If it is desirable to minimize a response, the individual 

desirability is calculated as: 

di = 0                i > Hi 

di = (Hi ‐ i)/(Hi ‐ Ti)ri  Ti < i < Hi         (8) 

di = 1                i < Ti 

If  it  is  desirable  to  target  a  response,  the  individual 

desirability is calculated as: 

di = (i ‐ Li))/(Ti ‐ Li)ri  Li < i < Ti          (9) 

di = (Hi ‐ i)/(Hi ‐ Ti)ri  Ti < i < Hi       (10) 

di = 0               i < Li 

di = 0               i > Hi 

where;  i  =  predicted  value  of  ith  response, Ti =  target 

value  for  ith  response, Li =  lowest acceptable value  for 

ith  response,  Hi  =  highest  acceptable  value  for  ith 

response,  di  =  desirability  for  ith  response,  D  = 

composite  desirability,  ri  =  weight  of  desirability 

function of ith response, wi = importance of ith response 

and W = wi 

If  the  importance  is  the  same  for  each  response,  the 

composite desirability is: 

D = (d1d2…    dn)1/n =  (diwi)1/W        (11) where n = number of responses. To reflect the possible 

difference  in  the  importance  of  different  responses, 

where  the  weight  wi  satisfies  0<  wi  <1  and  w1+  w2+ 

w3+ ……+ wn = 1   

The  optimality  solution  is  to  evaluate  the  input 

parameters in experiment range for maximizing MRR, 

minimizing  TWR  and  SR  through  the  MINITAB‐15 

software.  Minitab  determines  optimal  settings  for 

input  variables  by  maximizing  the  composite 

desirability.  The  importance  and  the  weight  of 

desirability  function of    for each  response  is  taken as 

the same.  

The  numeric  values  of  the  optimum  conditions  are 

presented  in  Tables  8.  Figure  21  represents  the 

optimized graphs of  the  three  responses  (MRR, TWR 

and SR) and also the optimization results. The vertical 

lines  inside  the  cells  represent  current  optimal 

parametric  settings,  and  the  horizontal  dotted  lines 

represent  the  current  response  values.  The  value  of 

composite desirability (D) is taken as 0. 7466. 

FIG. 19 SEM MICROGRAPH OF THE RECAST LAYER (X750) 

(Ws=15 m/s, Fs= 3.3 mm/min, D= 0.3, T= 1600 gf, P= 2 MPa, working 

cond. Table 2) 

Position [? Theta] (Copper (Cu))

20 30 40 50 60 70 80 90

Counts

0

50

100

150

Sample No.18

a‐ P = 3 MPa  

a

Base metal

Recast layer

Page 12: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    167

b‐ P = 1 MPa 

FIG. 20 X‐RAY DIFFRACTION ANALYSIS OF THE RECAST LAYER SURFACE 

(Fs= 3.3 mm/min, D= 0.3 mm/min, T= 1600 gf, Ws= 10 m/s, working cond. Table 2) 

 

FIG. 21 MULTI‐RESPONSE OPTIMIZATION RESULTS FOR MAXIMUM MRR, MINIMUM TWR AND SR 

Confirmation Experiment

Conducting the experiment is a crucial final step of the 

optimization results with  the purpose  to confirm  that 

the optimum conditions suggested by the optimization 

process do indeed give the projected improvement, as 

well  to  validate  the  accuracy  of  the  proposed  RSM 

models.  Conducting  tests  with  the  optimal  levels 

combination  of  the  cutting  parameters  concluded 

previously  entails  the  confirmation  experiments. The 

predicted values  of  the  confirmation  tests using Eqs. 

4–6 and the experimental observations at the optimum 

levels of the process parameters are shown in Table 9. 

It  is  observed  that  the  predictions  based  on  the 

purposed  regression  models  are  quite  close  to  the 

experimental  observation.  The  error  between  the 

experimental  results with  the  optimum  settings  and 

the predicted values for MRR, TWR and SR lies within 

3%, 6.6%, and 2.6%, respectively. Clearly, this confirms 

the  excellent  reproducibility  of  the  experimental 

conclusions. 

TABLE 8 CONSTRAINTS OF PARAMETERS AND OPTIMUM VALUES 

Parameter  Constrains Optimum value

Feeding speed (Fs), mm/min  1.7 ‐ 4.9  3.43 

Duty factor (D)  0.1‐ 0.5  0.33 

Wire tension (T), gf  800 ‐ 2400  1646.39 

Wire speed (Ws), m/s  5 ‐15  11.28 

Water pressure (P), MPa  1‐3  2.19 

Hi 

Lo 0.7466 

Optimal 

Cur 

d = 0.77739 

Minimum 

SR 

d = 0.89123 

Minimum 

TWR 

d = 0.47759 

Maximum 

MRR 

y = 2.4452 

y = 0.0270 

y = 0.0656 

1

0.1

0.5

1.7 

4.9 D P Fs 

3.43  0.33 2.19

800

2400T

1646.3

5

15 

Ws

11.28 

b

Page 13: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

www.seipub.org/ijepr               International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013 

168  

TABLE 9 PREDICTED AND RESULTS OF THE CONFIRMATION EXPERIMENTS 

Response  Goal  Predicted Experimental Error %

MRR, g/min Maximize  0.072  0.0698  3 

TWR, g/min  Minimize  0.03  0.032  6.6 

SR, μm  Minimize  2.30  2.36  2.6 

Conclusions

The  results  concluded  from  the present work  can  be 

summarized as follows:  

1. The WEDM process has proved its adequacy to 

machine CK45  steel material under acceptable 

metal removal rate and  fine surface  finish  (Ra) 

less than 1.5 μm.   

2. The  metal  removal  rate  generally  increases 

with  the  increase of  feeding speed value, duty 

factor and water pressure. Further, the effect of 

wire tension and wire speed on metal removal 

rate is limited.  

3. Lower  tool wear rate has been obtained at  the 

parametric combination of lower feeding speed 

and  lower duty  factor.  It has  also been  found 

that  the  increase  of  water  pressure,  wire 

tension  and  wire  speed  decreases  tool  wear. 

This trend has been valid up to the generation 

of arcing.  

4. Fine surface quality has been obtained at lower 

feeding  speed,  lower  duty  factor  and  higher 

water pressure.  

5. Microscopic  investigations  of  the  specimens 

have revealed that the intensity of pulse energy 

is  an  efficient  factor  in  controlling  surface 

texture. Plastic deformation, deep  craters, and 

cracks have been observed at a higher  feeding 

speed and higher duty factor.  

6. X‐ray  diffraction  technique  has  explored  the 

presence of some deposited wire material on a 

workpiece  surface  under  certain  conditions. 

These conditions exist at  lower water pressure 

equals 1 MPa. 

7. An optimization study has also been submitted 

to  get maximum MRR  or minimum  TWR  or 

minimum  SR  under  the  different  working 

conditions. 

Finally,  the  present  work  facilitates  a  guideline  for 

optimum selection of the machining parameters to the 

production engineer in WEDM process of CK45 steel. 

REFERENCES 

Antony  J.  ʺDesign  of  experiments  for  engineers  and 

scientists.ʺ Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, 

2003. 

Bojorquez B, Marloth R.T, Es‐Said O.S. ʺFormation of a crater 

in  the  workpiece  on  an  electrical  discharge  machine.ʺ 

Engineering Failure Analysis, 9 (2002): 93‐97. 

Chiang K.T, Chang F.P, Tsai D.C. ʺModeling and analysis of 

the resolidified layer of SG cast iron in the EDM process 

through  response  surface  methodology.ʺ  J.  Mater. 

Process. Technol,182 (2007): 525‐533. 

Castillo  E,  Montgomery  D,  McCarville  D.  ʺModified 

desirability functions for multiple response optimization.ʺ J. 

of Quality Technl, 28 (1996): 337‐345. 

Derringer G, Suich R. ʺSimultaneous optimization of several 

response variables.ʺ J. of Quality Techanl, 12 (1980): 214‐

219.  

El‐Taweel T.A.  ʺParametric  study and optimization of wire 

electrical  discharge  machining  of  Al‐Cu‐TiC‐Si  P/M 

composite.ʺ  Int.  J.  Machining  and  Machinability  of 

Materials (IJMMM), Vol. 1, No. 4 (2006): 380‐395.  

El‐Taweel T. ʺMulti‐response optimization of EDM with Al–

Cu–Si–TiC  P/M  composite  electrode.ʺ  Int  J Adv Manuf 

Technol, 44 (2009): 100‐113. 

Gokler M.I, Ozanozgu A.M.  ʺExperimental  investigation of 

effects  of  cutting  parameters  on  surface  roughness  in 

WEDM  process.ʺ  Int.  J.  Machine  Tools  Manufac,  40 

(2000): 1831‐1848. 

Hasçalýk  A,  Caydas  V.  ʺExperimental  study  of  wire 

electrical discharge machining of AISI D5  tool  steel.ʺ    J. 

Mater. Process. Technol, 148 (2004): 362‐367. 

Hewidy M.S,  El‐Taweel  T.A,  El‐Safty M.F.  ʺModeling  the 

machining  parameters  of  wire  electrical  discharge 

machining of  Inconel  601 using RSM.ʺ  J Mater Process. 

Technol 169 (2005): 328‐336.  

Ho K.H., Newman S.T.  ʺState of  the art electrical discharge 

machining  (EDM).ʺ  Int.  J. Machine  Tools Manufac,  43 

(2003): 1287‐1300. 

Ho K.H, Newman S.T, Rahimifard S, Allen R.D. ʺState of the 

art in wire electrical discharge machining (WEDM)ʺ Int. J. 

Machine Tools Manufac, 44 (2004): 1247‐1259. 

Jeswani M.L. ʺDimensional analysis of tool wear in electrical 

discharge machining.ʺ Wear 55 (1979): 153‐161. 

Kanlayasiri K., Boonumung S. ʺAn investigation on effects of 

wire EDM machining parameters on  surface  roughness 

of newly developed DC 53 die steel.ʺ J. Mater. Processing 

Page 14: Parametric Study and Optimization of WEDM Parameters for CK45 Steel

International Journal of Engineering Practical Research (IJEPR) Volume 2 Issue 4, November 2013               www.seipub.org/ijepr         

    169

Technol, 187‐188 (2007): 26‐29. 

Kinoshita N, Fukui M, Shichida H, Gamo G. ʺStudy on EDM 

with wire  electrode; Gap  Phenomena.ʺ Annals  of CIRP 

25/1, (1976). 

Ko‐Ta Chiang, Fu‐Ping Chang, ʺOptimization of the WEDM 

process  of  particle‐reinforced  material  with  multiple 

performance  characteristics  using  grey  relational 

analysis.ʺ J. Mater. Processing Technol, Vol. 180, Issues 1‐

3, 2006, 96‐101. 

Liao Y.S,  , Huang  J.T,   Sv H.C.  ʺA  study on  the machining 

parameters  optimization  of  wire  electrical  discharge 

machining.ʺ J. Mater. Process. Technol, 71(1997): 487‐493. 

Luo  Y.F.  ʺRupture  failure  and mechanical  strength  of  the 

electrode  wire  used  in  wire  EDM.ʺ  J.  Mater.  Process. 

Technol, 94 (1999): 208‐215. 

Montgomery  D.C.  ʺDesign  and  analysis  of  experiments.ʺ 

Wiley, New York, 2001. 

Norliana M. A, Darius G. S, Fuad B.  ʺA  review on  current 

research  trends  in  electrical  discharge  machining 

(EDM).ʺ Int. J. Machine Tools Manufac,   47 (2007): 1214‐

1228.  

Puertas  C.J,  Luis.  ʺA  study  on  the machining  parameters 

optimization of electrical discharge machining.ʺ J. Mater. 

Process. Technol. 143 (2003): 521‐526. 

Puri A.B, Bhattacharyya B. ʺModeling and analysis of white 

layer depth in a wire‐cut EDM process through response 

surface  methodology.ʺ  Int  J  Adv  Manuf  Technol,  25 

(2005): 301‐307. 

Qin  G.W,  Oikawaa  K,  Smithb  G.D.W,  Hao  S.M.  ʺWire 

electric  discharge machining  induced  titanium  hydride 

in Ti–46Al–2Cr alloy.ʺ Intermetallics 11 (2003): 907‐910. 

Sharif S, Noordin R.M.  ʺMachinability modeling  in powder 

mixed  dielectric  EDM  of  titanium  alloy  Ti‐6246.ʺ 

Proceedings  of  the  First  International  Conference  and 

Seventh  AUN/SEED‐Net  Fieldwise  Seminar  on 

Manufacturing and Material Processing, Kuala Lumpur, 

(2006): 133‐138.  

Snoeys R, Staelens F,  , Dekeyser W. ʺCurrent trends in non‐

conventional  material  removal  processes.”  Annals  of 

CIRP, Vol. 35/2 (1986): 467‐480. 

Spedding T, Wang Z.  ʺParametric optimization and surface 

characterization  of wire  electrical  discharge machining 

process.ʺ Precision Engineering, 20 (1997): 5‐15. 

Tsai K.M, Wang P.J. ʺSemi‐empirical model of surface finish 

on electrical discharge machining.ʺ Int. J. Machine Tools 

Manufac, 41 (2001): 1455‐1477. 

Yahya A, Manning C.D. ʺDetermination of material removal 

rate of  an  electro‐discharge machine using dimensional 

analysis.ʺ Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004): 

1467‐1471. 

Yan M.T, Pin. ʺAccuracy improvement of wire‐EDM by real 

time  wire  tension  control.ʺ,  Int.  J.  Machine  Tools 

Manufac, (2004): 807‐814. 

 

Taha Ali El‐Taweel 

He  was  born  in  El‐Gharbia,  Egypt  in 

1956. He received his B.Sc. and the M. Sc. 

degrees  in  in  the  field of non‐traditional 

machining  from  Menoufiya  University, 

Egypt  in 1979 and 1985 respectively. He 

joined  the  department  of  production 

engineering  and  mechanical  design, 

faculty of engineering, Menoufiya University, Egypt in 1979 

to  1989  as  a  demonstrator  and  assistant  lecturer;  then  he 

received  his  Ph.D. degree  in  production  engineering,  from 

Gorgian  Technical  University  in  1992,  Gorgian  Republic, 

USSR.  From  1992,  he  joined  the department  of  production 

engineering  and mechanical design, Menoufiya University, 

as an Associate Professor in 1998. He  joined as an Professor 

in  2008  and  head  of  the  department  of  production 

engineering  and mechanical  design, Menoufiya University 

in  2011  till  now.  He  has  published  many  articles  in 

international journals and many books.  His current research 

interests  are  traditional,  non‐traditional  machining, 

optimization teqniques and tribology of composite materials.