From Composition to Cost_Modelling Material Variability in Grey Cast Iron Machining

Abstract (Swedish)

Materialvariation i gråjärn diskuteras vanligtvis utifrån metallurgi eller bearbetbarhet, medan dess konsekvenser för produktionsflödet och styckkostnaden är mindre systematiskt karaktäriserade. Detta examensarbete undersöker hur sammansättningsvariation i gråjärn propagerar genom bearbetningsrespons till produktionssystemets beteende, och kvantifierar de resulterande ekonomiska konsekvenserna per detalj som underlag för försörjningskedjebeslut.
Ett förenklat modelleringsramverk i fyra lager utvecklas. Det första lagret översätter representativa sammansättningsscenarier (referensfall S0, CE/matrisförskjutning S1, lokal heterogenitet S2, restelementshärdning S3 och kombinerat ogynnsamt fall S4) till materialresponsdeskriptorer. Det andra lagret översätter dessa deskriptorer till operationsspecifika bearbetningsmultiplikatorer för bearbetningstid, verktygsslitage och störningsintensitet. Det tredje lagret propagerar dessa multiplikatorer genom en diskret händelsesimulering implementerad i SimPy, som representerar en seriell bearbetningslinje bestående av OP10 planfräsning, OP20 borrning och OP30 tung svarvning, sammankopplade med ändliga buffertar. Det fjärde lagret aggregerar produktionsflödets utdata till en styckkostnadsindikator genom ett transparent kostnadslager som omfattar maskintidskostnad, verktygsbyteskostnad, råmaterialkostnad och probabilistisk kassationskostnad.
Tre simuleringskonfigurationer analyseras. Fall A karaktäriserar produktionsflödets respons vid nominella skärparametrar. Fall B introducerar skärhastigheten vid OP30 som beslutsvariabel genom ett normaliserat hastighetsförhållande kopplat till verktygslivslängd via Taylors ekvation, och identifierar den produktionsoptimala skärhastigheten för varje scenario. Fall C utvidgar skärhastighetssvepningen med kostnadslagret och identifierar den kostnadsoptimala skärhastigheten samt den oundvikliga kostnadsökningen för varje scenario, definierad som den styckkostnadsökning som kvarstår efter scenariospecifik omoptimering av skärhastigheten.
Det huvudsakliga resultatet är att materialvariation ger upphov till en scenariospecifik oundviklig styckkostnadsökning vars storlek skiljer sig markant mellan mekanismerna. Vid en grundkostnad på 80,76 € per detalj ger restelementshärdning en oundviklig ökning på +10,46 % (8,45 € per detalj), kombinerat ogynnsamt fall +11,98 % (9,68 € per detalj), CE/matrisförskjutning +5,27 % (4,26 € per detalj) och lokal heterogenitet +1,28 % (1,03 € per detalj). Det ungefär åttafaldiga förhållandet mellan den mest och minst allvarliga enskilda mekanismen är robust mot stor variation i kostnadsparameterantaganden, vilket bekräftas av en känslighetsanalys med 27 parameterkombinationer, där restelementshärdningens kostnadsökning genomgående hamnar i intervallet +9,05 % till +12,42 %. Styckkostnadsuppdelningen visar dessutom att maskintidskostnad och råmaterialkostnad tillsammans utgör mer än 90 % av styckkostnaden, vilket indikerar att materialvariation når den ekonomiska målfunktionen främst genom maskintidsförstärkning vid flaskhalsoperationen snarare än genom direkt verktygsförbrukning eller kvalitetsförlust. Dessa värden per detalj fastställer kvantitativa tak för den ekonomiska motiveringen av kvalitetsförbättringar för ingående material som riktar sig mot varje materialmekanism, och tillhandahåller ett strukturerat beslutsramverk för försörjningskedjan som kopplar materialmekanismer till rekommenderade process- och försörjningskedjeåtgärder.

Abstract

Material variability in grey cast iron is usually discussed in terms of metallurgy or machinability, while its consequences for production-flow behaviour and per-part economics are less systematically characterised. This thesis investigates how compositional variability in grey cast iron propagates through machining response into production-system behaviour, and quantifies the resulting per-part economic consequences as a basis for supply-chain decision-making.
A reduced-order modelling framework with four layers is developed. The first layer translates representative compositional scenarios (baseline S0, CE/matrix drift S1, local heterogeneity S2, residual hardening S3 and combined adverse S4) into material-response descriptors. The second layer translates these descriptors into operation-specific machining multipliers for processing time, tool-life consumption and incident intensity. The third layer propagates these multipliers through a SimPy-based discrete-event production-flow model representing a serial machining line of OP10 face milling, OP20 drilling and OP30 heavy turning, connected by finite buffers. The fourth layer aggregates the production-flow outputs into a per-part unit-cost indicator through a transparent cost layer covering machine-hour cost, tool-change cost, raw-material cost and probabilistic scrap cost.
Three simulation configurations are studied. Case A characterises the production-flow response under nominal cutting parameters. Case B introduces the OP30 cutting speed as a decision variable through a normalised speed ratio coupled to tool life via Taylor's equation, and identifies the production-optimal cutting speed for each scenario. Case C extends the cutting-speed sweep with the cost layer and identifies the cost-optimal cutting speed and the unavoidable cost penalty for each scenario, defined as the per-part cost increase that persists after per-scenario re-optimization of the cutting speed.
The principal finding is that material variability produces a scenario-dependent unavoidable unit-cost penalty whose magnitude differs substantially across mechanisms. At a baseline unit cost of €80.76 per part, residual hardening produces an unavoidable penalty of +10.46% (€8.45 per part), combined adverse conditions +11.98% (€9.68 per part), CE/matrix drift +5.27% (€4.26 per part) and local heterogeneity +1.28% (€1.03 per part). The approximately eight-fold ratio between the most and least severe single mechanisms is robust to wide variation in cost-parameter assumptions, as confirmed by a 27-combination sensitivity sweep that places the residual-hardening penalty consistently in the range +9.05% to +12.42%. The unit-cost decomposition further shows that machine-hour cost and raw-material cost together account for more than 90% of unit cost, indicating that material variability reaches the cost objective primarily through machine-time amplification at the bottleneck operation rather than through direct tool consumption or quality loss. These per-part values establish quantitative ceilings for the economic justification of incoming-material quality improvements targeting each material mechanism, and provide a structured supply-chain decision framework that links material mechanisms to recommended process-side and supply-chain responses.

Popular Abstract (Swedish)

Att sätta ett pris på den dolda kemin i återvunnet järn
De flesta bilmotorer och bromsskivor är tillverkade av gråjärn. För att spara resurser smälter gjuterier idag stora mängder återvunnet skrot — vilket sakta laddar järnet med spår av koppar, tenn, krom och nickel. Varje gjutdetalj klarar fortfarande kontrollen, men materialet har omärkligt glidit.
Detta examensarbete bygger en datormodell av en bearbetningslinje för att ställa en enkel fråga: när järn glider på detta sätt, hur mycket kostar det egentligen att bearbeta varje färdig detalj? Svaret är förvånansvärt tydligt. Järn laddat med restmetaller kostar omkring 10 % mer per detalj — ungefär 8 euro på en detalj värd 80 euro — en kostnad som inte kan undvikas i verkstaden. Järn med mindre föroreningar som svavel kostar bara omkring 1 euro mer. De ser ut som samma problem men skiljer sig åtta gånger, vilket ger gjuterier och inköpare ett sätt att avgöra var pengarna gör störst nytta.

Popular Abstract

Putting a price on the hidden chemistry of recycled iron
Most car engines and brake discs are made of grey cast iron. To save resources, foundries now melt large amounts of recycled scrap — which slowly loads the iron with traces of copper, tin, chromium and nickel. Each casting still passes inspection, but the material has quietly drifted.
This thesis builds a computer model of a machining line to ask a simple question: when iron drifts like this, how much does it actually cost to machine each finished part? The answer is surprisingly clear. Iron loaded with residual metals costs about 10% more per part — roughly 8 euros on an 80-euro part — a cost that cannot be avoided on the factory floor. Iron with minor impurities like sulphur costs only about 1 euro more. These look like the same problem but are eight times apart, giving foundries and buyers a way to decide where their money is best spent.

• author: Qian, Chenghan
• supervisor: Christina Windmark
• organization: Production and Materials Engineering
• course: MMTM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: grey cast iron, material variability, machining, tool life, Taylor cutting-speed optimization, discrete-event simulation, unit-cost analysis, supply-chain decision framework, production-flow modelling
• other publication id: LUTMDN/(TMMV-5389)/1-124/2026
• language: English
• id: 9231616
• date added to LUP: 2026-06-05 16:44:59
• date last changed: 2026-06-05 16:44:59