Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia i zdjęcia na okładce: Autorzy oraz Serik Akbarov/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Małgorzata Dąbkowska-Kowalik

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23403-4

https://doi.org/10.53271/2023.119

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Fragment

Od Autorów

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

Ważniejsze oznaczenia

Skróty

Rozdział 1. Ogólna charakterystyka kształtowania ubytkowego

1.1. Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

1.2. Rola obróbki ubytkowej we współczesnych procesach wytwórczych

1.3. Tworzenie jakości technologicznej w procesach obróbki ubytkowej

1.4. Przyszłościowa wizja obróbki ubytkowej

Literatura

Rozdział 2. Fizyczne aspekty procesu obróbki ubytkowej

2.1. Zjawiska fizyczne w strefie obróbki

2.2. Mechanizmy odkształcenia materiału

2.3. Charakterystyka oddziaływań termicznych

2.4. Drgania w procesie obróbki

2.5. Warunki usuwania materiału w obróbce hybrydowej

Literatura

Rozdział 3. Techniki modelowania procesu obróbki ubytkowej

3.1. Klasyfikacja technik modelowania procesu

3.2. Techniki modelowania procesu

3.2.1. Cele i zakres badań symulacyjnych

3.2.2. Symulacja metodą elementów skończonych (FEM)

3.2.3. Symulacja metodą różnic skończonych

3.2.4. Symulacja metodą modelowania wieloskalowego

3.3. Modele procesów obróbki niekonwencjonalnej

Literatura

Rozdział 4. Modele procesów obróbki ubytkowej

4.1. Klasyfikacja modeli procesu

4.2. Konstytutywne modele materiałowe

4.3. Modele empiryczne

4.4. Modele analityczne

4.5. Modele symulacyjne

4.6. Modele wykorzystujące sztuczną inteligencję

4.7. Modele wirtualne

Literatura

Rozdział 5. Techniki przetwarzania sygnałów pomiarowych

5.1. Zasada generowania sygnałów pomiarowych

5.2. Techniki filtracji sygnałów pomiarowych

5.3. Analiza składowych profilu i powierzchni

5.3.1. Funkcja autokorelacji

5.3.2. Funkcja widmowej gęstości mocy

5.3.3. Krótkookresowa transformata Fouriera

5.4. Przekształcenia falkowe

5.4.1. Ciągła transformata falkowa profilu

5.4.2. Dyskretna transformata falkowa

5.4.3. Analiza falkowa profilu powierzchni

5.4.3. Analiza falkowa danych przestrzennych powierzchni

5.5. Krzywa udziału materiału i przekształcenie fraktalne

5.5.1. Krzywa udziału materiału

5.6. Przekształcenia morfologiczne

5.7. Metody analizy powierzchni oparte o ich właściwości

5.7.1. Analiza częstotliwości przestrzennych chwilowych

5.7.2. Analiza PCA i składowe główne danych przestrzennych

Literatura

Normy:

Rozdział 6. Charakterystyka profilu i topografii powierzchni

6.1. Charakterystyka mikrogeometrii i mikrostereometrii powierzchni

6.2. Normalizacja charakterystyki profilu i topografii powierzchni

6.3. Standaryzowane parametry profilu powierzchni (2D)

6.4. Standaryzowane parametry topografii powierzchni (3D)

6.5. Niestandaryzowane parametry powierzchni

6.5.1. Parametry częstotliwościowe

6.5.2. Parametry fraktalne

6.5.3. Parametry falkowe

6.6. Inne charakterystyki powierzchni obrobionej

6.7. Prognozowanie charakterystyk powierzchni obrobionej

Literatura

Normy:

Rozdział 7. Pomiary profilu i topografii powierzchni obrobionej

7.1. Metody stykowe

7.2. Metody bezstykowe

7.3. Przegląd konstrukcji profilometrów i profilografometrów

7.4. Integracja pomiarów kształtu i powierzchni

7.5. Zastosowania pomiarów powierzchni w przemyśle

Literatura

Rozdział 8. Oprogramowanie pomiarowe

8.1. Rozwój oprogramowania pomiarowego

8.2. Pakiety oprogramowania pomiarowego

8.3. Charakterystyka programu Mountains Map

8.3.1. Struktura programu

8.3.2. Dostępne moduły pomiarowe

8.3.3. Zasady generowania topografii powierzchni

8.3.4. Zasady filtracji sygnałów pomiarowych

8.4. Praktyczne wskazówki użytkowania oprogramowania pomiarowego

Literatura

Rozdział 9. Modele powierzchni obrobionej w obróbce wiórowej i ściernej

9.1. Modele empiryczne

9.2. Modele stereometryczno-kinematyczne

9.3. Modele uwzględniające oddziaływania fizyczne i tribologiczne

9.4. Modele stosujące sieci neuronowe (ANNs) i analizę wariancji

9.5. Modele wirtualne

Literatura

Rozdział 10. Modele powierzchni obrobionej w procesach obróbki niekonwencjonalnej i hybrydowej

10.1. Obróbka EDM

10.2. Obróbka ECM

10.3. Obróbka hybrydowa wspomagana

10.4. Obróbka hybrydowa łączona

10.5. Obróbka z kontrolowanymi mechanizmami procesów składowych

Literatura

Rozdział 11. Modele powierzchni obrobionej w procesach mikro- i nanoobróbki

11.1. Mikroobróbka

11.2. Nanoobróbka

11.3. Wytwarzanie powierzchni o zadanej stereometrii

Literatura

Rozdział 12. Technologiczna warstwa wierzchnia

12.1. Strukturalne modele budowy warstwy wierzchniej

12.2. Mikrogeometria powierzchni

12.3. Fizyczne właściwości warstwy wierzchniej

12.4. Rola warstwy wierzchniej w funkcjonalności powierzchni

Literatura

Rozdział 13. Kształtowanie powierzchni o zadanych właściwościach funkcjonalnych

13.1. Związki charakterystyk topografii powierzchni z jej funkcjonalnością

13.2. Przykłady kształtowania powierzchni o zadanej funkcjonalności

13.2.1. Obróbka materiałów utwardzonych

13.2.2. Obróbka stopów lekkich

13.2.3. Obróbka trudnoskrawalnych stopów lotniczych

13.2.4. Obróbka materiałów kompozytowych

13.3. Kontrolowanie przebiegu procesu technologicznego obróbki

13.3.1. Systemy monitorujące proces skrawania

13.3.2. Zastosowanie analizy fraktalnej i falkowej

13.3.3. Pomiar sygnału AE i kontrola drgań samowzbudnych

13.4. Trendy rozwojowe w wytwarzaniu powierzchni o zdefiniowanej funkcjonalności

Literatura

Rozdział 14. Atlas wybranych powierzchni kształtowanych w obróbce ubytkowej

14.1. Powierzchnie toczone

14.2. Powierzchnie frezowane

14.3. Powierzchnie szlifowane

14.4. Powierzchnie po wykańczającej obróbce ściernej

14.5. Powierzchnie po obróbce elektroerozyjnej (EDM)

14.6. Powierzchnie po obróbce elektrochemicznej (ECM)

14.7. Powierzchnie po obróbce hybrydowej

Literatura

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Od Autorów

Obróbka ubytkowa (subtraktywna), która obejmuje liczną grupę konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesów obróbki, a obecnie także znaczącą grupę procesów hybrydowych, jest podstawową techniką wytwarzania w budowie maszyn i według prognoz jej udział w przyszłości będzie nadal znaczący, a nawet się zwiększy, jeśli uwzględni się szybki rozwój obróbki hybrydowej, mikro- i nanoobróbki. Od kilku dekad obserwuje się dynamiczny rozwój technologii i technik wytwarzania oparty na nowoczesnych badaniach doświadczalnych, zaawansowanych technikach modelowania i symulacji, cyfryzacji i wspomagania procesów wytwórczych technikami sztucznej inteligencji, do których zalicza się sztuczne sieci neuronowe i wirtualne odwzorowania procesów fizycznych za pomocą bliźniaka cyfrowego (DT). Cyfryzacja, wirtualizacja oraz biologizacja są obecnie traktowane jako ważne, a w pewnych przypadkach nawet nieodzowne elementy rozwoju strategii Produkcja 4.0 (nowy etap tych działań nazwany strategią Produkcja 5.0 sięga po nowe techniki w modelowaniu powierzchni wyrobów i prognozowania ich właściwości funkcjonalnych). Wiąże się to także z wdrażaniem strategii zrównoważonego wytwarzania, doskonalenia jakości i funkcjonalności wyrobów. Uporządkowane pod względem terminologicznym podejście do charakteryzacji powierzchni w ujęciu przestrzennym (3D), czyli topografii powierzchni, rozwijane jest od ponad 25 lat przez międzynarodowe instytucje normalizacyjne (ISO, EURO, DIN), firmy produkujące urządzenia pomiarowe, np. Taylor Hobson (opracowała w 1941 r. przemysłowy model profilometru o nazwie TalySurf 1) i tworzące programy do analizy i wizualizacji wyników pomiarów, np. firmę Digital Surf współpracującą ściśle z producentami sprzętu pomiarowego. W 1996 r. firma Taylor Hobson przystosowała po raz pierwszy program Mountains Map, służący do analizy topografii powierzchni (3D), do współpracy z modelem profilometru TalySurf PGI o dokładności pomiaru większej od nanometrycznej. Autorzy książki nie tylko obserwowali rozwój prac badawczych nad pomiarami powierzchni na przestrzeni kilku dekad i brali w nich udział, ale tak jak prof. W. Grzesik prowadzili od prawie 50 lat własne badania i brali udział w pracach wielu gremiów naukowych, np. międzynarodowej konferencji Surface Integrity. Politechnika Opolska i Koszalińska, uczelnie, z których wywodzą się autorzy książki, były zawsze w czołówce polskich uczelni technicznych zajmujących się badaniami nad generowaniem powierzchni w obróbce ubytkowej oraz oceną właściwości i rolą powierzchni w eksploatacji wyrobu. Na przykład pracownicy ówczesnego Zakładu Technologii Maszyn na Wydziale Mechanicznym WSI w Opolu (poprzedniczki Politechniki Opolskiej) już w latach 70. ubiegłego wieku mieli dostęp do mobilnego profilometru firmy Hommelwerke. Obecnie mają oni do dyspozycji nowoczesne stykowe i bezstykowe urządzenia pomiarowe i oprogramowanie (omówione w rozdz. 7 i 8) w Laboratorium Metrologii Powierzchni. W tym zakresie ściśle współpracowali z nieistniejącym już Instytutem Obróbki Skrawaniem (IOS), późniejszym Instytutem Zaawansowanych Technik Wytwarzania (IZTW) w Krakowie oraz ENISE Saint-Etienne/Lyon. W latach 2000–2020 prof. W. Grzesik wspólnie z dr. hab. K. Żakiem prowadzili w Politechnice Opolskiej badania nad oceną powierzchni tworzonych w obróbce wielu gatunków materiałów, takich jak stale, żeliwa i specjalne stopy lotnicze. Ich publikacje były i są nadal cytowane w światowej literaturze technicznej w zakresie metrologii i inżynierii powierzchni. Z kolei dr hab. A. Zawada-Tomkiewicz rozwija techniki analizy falkowej i fraktalnej oraz układy monitorowania powierzchni. Ważną misją autorów, którzy podjęli się opracowania unikatowej i pierwszej w języku polskim książki, Metody analizy i modelowania powierzchni wytwarzanych w obróbki ubytkowej, jest przekazanie nagromadzonej wiedzy teoretycznej i praktycznej zarówno studentom wydziałów mechanicznych politechnik, jak i – a może przede wszystkim – inżynierom-konstruktorom i technologom z przemysłu wytwórczego.

Fragmenty dotyczące zagadnień tworzenia warstwy wierzchniej (w tym powierzchni) zostały wcześniej wyodrębnione w książkach Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa, 2018 r. oraz Hybrydowe metody obróbki materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa, 2021 r. W nowej publikacji Czytelnik znajdzie wyczerpujące informacje o fizycznych podstawach procesów obróbki ubytkowej (rozdz. 1 i 2) oraz ich modelowaniu (rozdz. 3 i 4), przetwarzaniu sygnałów pomiarowych z użyciem różnych technik (rozdz. 5), standaryzowanych i niestandaryzowanych sposobach charakteryzowania profilu (2D) i topografii (3D) powierzchni (rozdz. 6), przeglądu nowoczesnych stykowych i bezstykowych urządzeń pomiarowych wraz z użytkowanymi obecnie na świecie programami do analizy i wizualizacji danych pomiarowych (rozdz. 7 i 8). Nowością jest przegląd (rozdz. 9, 10 i 11) modeli powierzchni w skali mezo, mikro i nano, co wiąże się ściśle z obserwowanymi trendami w przemyśle wytwórczym (prognoza Taniguchiego definiująca skalę oceny powierzchni). W obecnym wydaniu książka zawiera 14 rozdziałów z których 5 (rozdz. 1–5 ) dotyczy ogólnych informacji o procesach ubytkowego (subtraktywnego) kształtowania materiałów i zasad ich modelowania, następne 3 (rozdz. 6–8) omawiają stosowane sposoby parametrycznej charakterystyki profilu/topografii powierzchni w ujęciu hardwarowym i softwarowym, kolejne 3 (rozdz. 9–11) zawierają istotny dla treści książki przegląd modeli powierzchni tworzonych w obróbce konwencjonalnej, niekonwencjonalne i hybrydowej w różnej skali. Dwa rozdziały (rozdz. 12 i 13) poświęcono technologicznej warstwie wierzchniej, podejmując tematykę tworzenia powierzchni o wymaganej funkcjonalności w obróbce różnych gatunków materiałów oraz związanych z tym zadaniem technikach monitorowania procesu. Końcowy rozdział 14 jest użytecznym zbiorem obrazującym możliwości tworzenia powierzchni o różnych cechach geometrycznych i eksploatacyjnych w zależności od zastosowanych metod i sposobów obróbki.

Aktualność zmieszczonych informacji gwarantują liczne cytaty z książek, czasopism naukowych i technicznych, a w szczególności z prestiżowych czasopism CIRP Annals – Manufacturing Technology, International Journal of Advanced Manufacturing Technology oraz czasopisma Mechanik z licznym udziałem publikacji autorów książki.

Autorzy uznali, że taki układ treści będzie nie tylko lepiej dostosowany do programów specjalistycznych wykładów na Wydziałach Mechanicznych politechnik i wyższych szkół zawodowych (obecnie Akademii Nauk Stosowanych), ale bardziej przyswajalny i praktyczny dla inżynierów z przemysłu wytwórczego.

Książka jest w zasadzie monografią naukową, ale także podręcznikiem akademickim dla studentów mechaniki i budowy maszyn oraz inżynierii produkcji, zasadniczo na II i III stopniu studiów, oraz poradnikiem dla inżynierów technologów/mechaników specjalizujących się w obróbce materiałów i projektowaniu procesów technologicznych. Publikacja ta w dużej mierze stanowi bogate kompendium wiedzy naukowej o kształtowaniu powierzchni w konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesach obróbki materiałów, prowadzonych badaniach naukowych w tym zakresie oraz praktycznych metodach wytwarzania powierzchni funkcjonalnych w nowoczesnym przemyśle wytwórczym. Misją autorów jest przekazanie aktualnego stanu wiedzy o wytwarzaniu powierzchni w procesów obróbki ubytkowej, tak aby studenci, doktoranci i inżynierowi mieli dostęp do nowych technologii obróbki, rozumieli ich zasady oraz znaczenie i sensownie wdrażali je do przemysłu wytwórczego, szczególnie w strategii Wytwarzanie/Przemysł 4.0/5.0.

Słowa kluczowe: wytwarzanie, obróbka materiałów, procesy konwencjonalne, procesy niekonwencjonalne, chropowatość powierzchni, topografia powierzchni, jakość technologiczna powierzchni, materiały konstrukcyjne, Wytwarzanie 4.0/5.0.

Dziękujemy naszym Bliskim za cierpliwość i wsparcie w czasie pracy nad książką, co w trudnych czasach niepokojów i konfliktów społecznych jest szczególnie cenne. Mamy nadzieję, że funkcjonująca w nauce zasada ciągłego udoskonalania wiedzy empirycznej zainspiruje Szanownych Czytelników do podzielenia się z nami swoimi krytycznymi uwagami i spostrzeżeniami, które być może zostaną wykorzystane w przyszłości do uzupełnienia i wzbogacenia treści książki .

Naszą pracę i włożony w nią trud intelektualny chcielibyśmy, tak jak w poprzednich naszych książkach, poświęcić wszystkim Profesorom, którzy tworzyli i rozwijali polską szkołę obróbki ubytkowej oraz metrologii i inżynierii powierzchni.

Autorzy

Opole, Koszalin, czerwiec 2023 r.

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

Ważniejsze oznaczenia

a – stała sieci atomowej

ap – głębokość skrawania (dosuw)

ae – wcięcie robocze we frezowaniu

A – amplituda drgań, absorpcyjność obrabianego materiału, stała w równaniu J-C

cp – ciepło właściwe materiału przedmiotu

C – ciepło właściwe objętościowe

D – wymiar fraktalny (fractal dimension)

ec – energia właściwa skrawania

E – energia skrawania (całkowita), moduł Younga

fp – częstotliwość impulsów prądowych

fPSD – funkcja widmowej gęstości mocy (power spectrum density function)

fz – posuw na ostrze

Fc (Fz) – siła skrawania

Ff (Fx) – siła posuwowa

Fn – siła nacisku (siła normalna)

Fp (Fy) – siła odporowa

G – moduł sprężystości postaciowej

h – grubość warstwy skrawanej, współczynnik naturalnej konwekcji ciepła

hch (hw) – grubość wióra

hcu – graniczna (ultymatywna) grubość warstwy skrawanej

hgr – graniczna grubość warstwy skrawanej

hmin – minimalna grubość warstwy skrawanej

hw – krytyczna grubość warstwy skrawanej

ip – impuls prądowy

I – natężenie impulsu

k – stała tłumienia

kc – opór właściwy skrawania powierzchniowy

kh – współczynnik zgrubienia wióra

Kt – współczynnik koncentracji naprężeń

Kv – wskaźnik obrabialności elektrochemicznej

m – masa, masa układu drgającego

ln, le – długość odcinka pomiarowego (cut-off)

lr – długość odcinka elementarnego

lsc – długość sekcji

n – prędkość obrotowa wrzeciona

p – ciśnienie cieczy w obróbce HPC

Pc – moc skrawania

Psh – płaszczyzna poślizgu

qw, qn, qm – strumień cieplny wnikający w wiór, narzędzie i materiał obrabiany (w skrawaniu)

qt, qs, qp, qw, qccs – całkowity strumień ciepła i część strumienia ciepła przepływającego do ściernicy, przedmiotu, wiórów i do cieczy chłodzącej (w szlifowaniu)

Q – ciepło skrawania, strumień ciepła

Qa – ciepło unoszone do atmosfery otoczenia

Qo, Qt, Qww – ciepło odkształceń plastycznych , tarcia i odkształceń poniżej linii skrawania

Qv – objętościowa wydajność skrawania

Qw, Qn, Qm – ciepło przejmowane przez wiór, narzędzie, materiał obrabiany

rn (rβ) – promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej

rε – promień naroża

R – liczba cieplna w modelu MRS

Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości

Rat – teoretyczna wartość parametru Ra

Rk – głębokość rdzenia profilu

Rku – współczynnik nachylenia profilu (kurtoza)

Rmax – maksymalna wysokość nierówności,

Rmr(c) – udział materiałowy profilu,

Rpk – zredukowana wysokość wzniesień profilu

Rsk – współczynnik asymetrii profilu (skośność)

RSm – średnia szerokość rowków elementów profilu

Rt – całkowita wysokość profilu

Rvk – zredukowana głębokość wgłębień profilu

Rz – największa wysokość profilu

Rzt – teoretyczna wartość parametru Rz

RΔq – średniokwadratowe nachylenie profilu

S – odporność elektroerozyjna

Sa – średnia arytmetyczna wysokość powierzchni

Sal – długości autokorelacji

Sdr – współczynnik rozwinięcia obszaru powierzchni

Sds – gęstość wzniesień/pików powierzchni

Sfd – wymiar fraktalny powierzchni

Sku – współczynnik nachylenia powierzchni

Smr(c) – wartość arealnego udziału materiałowego

Sq – średnia kwadratowa wysokości rzędnych

Ssk – współczynnik asymetrii powierzchni

Str – współczynnik kształtu struktury powierzchni

S_0 – grubość szczeliny w obróbce ECM

Sz – największa wysokość powierzchni

t – czas

tp – czas impulsu

tv – głębokość strefy wyprzedzających odkształceń plastycznych pod powierzchnią

T – temperatura topnienia

Tt – temperatura topnienia

u – prędkość skanowania wiązki lasera

U – napięcie międzyelektrodowe

vc – prędkość skrawania

vf – prędkość dosuwu elektrody roboczej w obróbce ECM

VBB – średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia

Vmc – objętość materiału w obszarze rdzenia

Vmp – objętość materiału w obszarze pików

Vvc – objętość pustek w obszarze rdzenia

Vvv – objętości pustek w dolinach

Vw – wydajność objętościowa obróbki

W – energia impulsów prądowych

xL – odległość plamki lasera od freza

α – liniowy współczynnik rozszerzalności, kąt zarysu elektrody w ECM, współczynnik dyfuzyjności

αo – kąt przyłożenia ortogonalny

αt – współczynnik wyładowania elektroiskrowego

βo – kąt ostrza ortogonalny (główny)

εi – intensywność odkształcenia

γ – odkształcenie postaciowe, współczynnik wpływu chropowatości (surface roughness reduction factor)

γef – efektywny, rzeczywisty kąt natarcia

γo – kąty natarcia ortogonalny

ε – odkształcenie liniowe

λ – współczynnik przewodności cieplnej

ν – liczba Poissona

ρ – gęstość materiału, promień zaokrąglenia ziarna ściernego

δs – wartość powrotu sprężystego

σ – naprężenie własne

σeq – naprężenie zastępcze w modelu J–C

ω – częstość drgań swobodnych

ωo – częstość drgań własnych

ωF – częstość siły wymuszającej

Φ – kąt poślizgu

υ – indeks plastyczności

ΔRzp – przyrost mikronierówności w wyniku plastycznego płynięcia materiału,

ΔRzs – przyrost mikronierówności wywołany sprężystym powrotem WW,

ΔRza – przyrost mikronierównosci wywołany tarciem powierzchni przyłożenia o nierówności powierzchni,

ΔRzd – przyrost mikronierówności w wyniku względnych przemieszczeń ostrza i przedmiotu obrabianego.

Skróty

1D – jednowymiarowy (układ liniowy)

2D – dwuwymiarowy (układ)

3D – trójwymiarowy (układ), drukowanie (kształtowanie przyrostowe)

A  (abrasion) – obróbka ścierna

AE (acoustic emission) – emisja akustyczna

AFD (amplitudę density function) – funkcja gęstości amplitudy

AFM (Atomic Force Microscopy) – mikroskopia sił atomowych

AFM (abrasive flow machining) – obróbka przetłoczno-ścierna

AI (artificial intelligence) – sztuczna inteligencja

ALE (arbitrary Eulerian–Lagrangian method) – metoda symulacji Eulera-Lagrange’a

AM (additive manufacturing) – obróbka przyrostowa (addytywna)

ANNs (artificial neural networks) – sztuczne sieci neuronowe

ANOVA (analysis of variance) – metodą analizy wariancji

ARMD (area-restricted molecular dynamics) – metoda ograniczenia obszaru symulacji dynamiki molekularnej

AWJM (abrasive water jet machining) – obróbka wodno-ścierna

BAC (bearing area curve) – krzywa udziału materiałowego (nośnego)

BEM (boundary element method) – metoda elementów brzegowych

C (cutting) – obróbka wiórowa

CAD (computer aided design) – wspomagane komputerowo projektowanie

CAM (computer aided manufacturing) – wspomagane komputerowo wytwarzanie

CAQ (computer aided quality) – wspomagane komputerowo jakości (wytwarzania)

CBN – regularny azotek boru (RBN)

CCD (composite central design) – plan eksperymentu centralny

CCI (coherence correlation interferometry) – koherentna interferometria korelacyjna

CCS – ciecz chłodząco-smarująca

CEL (coupled Eulerian Lagrangian) – sprzężona metoda Eulera–Lagrange’a

CFRP (carbon fiber reinforced plastics) – kompozyty o osnowie polimerowej wzmacniane włóknami węglowymi

CIP (circular interferometric profiling) – optyczna metoda obwodowa

CIRP (College International pour la Recherche en Productique) – Międzynarodowa Akademia Inżynierii Produkcji

CLSM (confocal laser scanning microscope) – konfokalny laserowy mikroskop skaningowy

CM (confocal microscopy) – mikroskopia konfokalna

CNC (computer numerical control) – komputerowe sterowanie numeryczne

CNN (convolutional neural network) – konwolucyjna sieć neuronowa

CPS (cyber-physical system) – system cybernetyczno-fizyczny

CSI (confocal spectra interferometry) – konfokalna interferometria spektralna (światła białego)

CWT (continuous wavelet transform) – ciągła transformacja falkowa

D (damage parameter) – parametr uszkodzenia w równaniu konstytutywnym

DL (deep learning) – głębokie uczenie

DM (digital manufacturing) cyfrowe wytwarzanie, (digital model) model cyfrowy

DNN (deep neural network) – głęboka sieć neuronowa

DOE (design of experiments) – projektowanie eksperymentu

DS ( digital shadow) – cyfrowy cień

DT (digital twin) – cyfrowy bliźniak

D/T (dimension to tolerance) – stosunek wymiaru do tolerancji

DWT (discrete wavelet transform) – dyskretna transformacja falkowa

E (erosion) – obróbka erozyjna

EBM (electron beam machining, electron beam melting) – obróbka wiązką elektronów, stapianie materiału wiązką elektronów

ECDM (electrochemical discharge machining) – obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna

ECM (electrochemical machining) – obróbka elektrochemiczna

ECP (electrochemical polishing) – polerowanie elektrochemiczne

FD (frequency domain) – dziedzina częstotliwości

EDM (electrodischarge machining) – obróbka elektroerozyjna

EMD (empirical mode decomposition) – dekompozycja sygnału wejściowego

FAM (fluid assisted machining) – obróbka wspomagana mediami ciekłymi

FDM (finite difference method) – metoda różnic skończonych

FEM (finite element method) – metoda elementów skończonych

FFBP (feed forward back propagation) – sieć neuronowa typu propagacji wstecznej

FFD (full factorial design) – pełny plan badań

FFD (fractional factorial design) – częściowy (ułamkowy) plan badań

FFT (Fast Fourier Transform) – szybka transformata Fouriera

FIB (focused ion beam (micromachining)) – obróbka skoncentrowana wiązką jonów (mikroobróbka)

FL (fuzzy logic) – logika rozmyta

F(p) – transformacja Fouriera

FVM (focus variation microscopy) – mikroskopia różnicowania ogniskowego

HAZ (heat-affected zone) – strefa wpływu cieplnego

HB – twardość w skali Brinella

HCF (high cycle fatigue) – wysokocyklowa trwałość zmęczeniowa

HCP (high performance cutting) – skrawanie wysokowydajne

HM (hard machining) – obróbka na twardo

HN – honowanie

HPC (high pressure cooling) – obróbka ze wspomaganiem cieczą pod ciśnieniem (obróbka wysokowydajna)

HRC – twardość wg Rockwella w skali C

HSC (high speed cutting) – skrawanie z dużą prędkością

HSM (high speed machining) – obróbka z dużą prędkością

IH (induction hardening) – hartowanie indukcyjne

IMS (intelligent manufacturing systems) – inteligentne systemy wytwórcze

IoT (Internet of things) – Internet rzeczy

LAECM (laser assisted ECM) – laserowo wspomagana obróbka elektrochemiczna

LAEDM (laser assisted EDM) – laserowo wspomagana obróbka elektroerozyjna

LAG (laser assisted grinding) – laserowo wspomagane szlifowanie

LAJECM (laser assisted jet electrochemical machining) – laserowo wspomagana obróbka strumieniowo-elektrochemiczna

LAM (laser assisted machining) – obróbka wspomagana laserem,

LAMILL (laser assisted milling) – laserowo wspomagane frezowanie

LBM (laser beam machining) – obróbka laserowa

LCF (low cycle fatigue) – niskocyklowa trwałość zmęczeniowa

LIGA (photo-litography and electroplating method) – metoda foto-litografii i powlekania galwanicznego

LN_2 – kriogeniczny azot

LSTM (long short-term memory) – głęboka rekurencyjna sieć neuronowa z autoenkoderem

LSPL (least-squares for a plane) – płaszczyzna najmniejszych kwadratów

M (machining) – skrawanie

MAM (media assisted machining) – obróbka wspomagana mediami ciekłymi i gazowymi

MD (molecular dynamics) – symulacja molekularnej

MDS – układ masowo-dyssypacyjno-sprężysty

MEMS (micro-electro-mechanical system) – mikrosystem elektromechaniczny

MES(FEM) (finite element method) – metoda elementów skończonych

ML (machine learning) – uczenie maszynowe

MM (micro-machining) – mikroobróbka

M(MILL) (milling) – frezowanie

MMCs (metal matrix composites) – kompozyty na osnowie metalowej

MQL (minimum quantity lubrication) – obróbka ze zminimalizowanym smarowaniem

MR (material removal) – obróbka ubytkowa

MRS – metoda różnic skończonych

MS (multiscale simulation) – symulacja wieloskalowa

N – liczba cykli do złomu zmęczeniowego

NEMS (nano-electro-mechanical system) – nanosystem elektromechaniczny

NTH – nagniatanie toczne hydrostatyczne

NW – naprężenia własne

ODP (optical differential profiling) – optyczna metoda różnicowa

OUPN – układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie

P – profil pierwotny

PCA (principal component analysis) – analiza głównych składowych profilu

PCBN – polikrystaliczny azotek boru

PCD – polikrystaliczny diament

PHM (prognostics and health management) – prognozowanie i zarządzanie stanem maszyn wytwórczych

PLP (pulsed laser plasma) – laser pulsacyjny

PSI (phase shifting interferometry) – interferencyjne przesunięcie fazowe

PSO (particle swarm optimization) – optymalizacja roju cząstek

PZ – pęknięcie zmęczeniowe

R (roughness) – chropowatość

RC – fizyczny filtr górnoprzepustowy

RMS (response surface method) – metoda powierzchni odpowiedzi

RNN (recurrent neural network) – rekurencyjna sieć neuronowa

RSME (RMS error) – RSM dla treningu i testu

RFL (ridge fuzzy model) – model „grzbietowy” logiki rozmytej

RTS (relative tool sharpness) – względna ostrość ostrza

S (surface) – powierzchnia

SAZ (stress-affected zone) – strefa zalegania naprężeń własnych

SCGC (symmetrical curve of geometrical contact) – symetryczna krzywa kontaktu geometrycznego

SD (standard deviation) – odchylenie standardowe

SEM (scanning electron microscopy) – mikroskopia skaningowa

SEDCM (simultaneous mikro-EDM and micro-ECM milling) – równoczesna obróbka mikro-EDM i mikro-ECM

SFE (side flow effect) – efekt płynięcia bocznego

SFF (shape from focus) – metoda „kształtu z ogniska”

SGP – struktura geometryczna powierzchni

SHPB (split Hopkinson’s pressure bar) – urządzenie stosujące technikę pręta Hopkinsona

SLA (stereolithography) – metoda stereolitografii

SLD (stability lobe diagram) – wykres stabilności

SLM (selective laser melting) – selektywne stapianie laserem

SLS (selective laser sintering) – selektywne spiekanie laserowe

SM (subtractive machining ) – obróbka ubytkowa (subtraktywana)

S/N (signal-to-noise ratio) – współczynnik szumu

SNR – test Snedecora-Fishera, F-test

SP (sustainable production) – zrównoważone wytwarzanie

SPH (smooth particle hydrodynamics) – symulacja metodą elementów bezsiatkowych

SPM – mikroskop z sondą skanującą

SPOP – strefa pierwotnych odkształceń plastycznych, strefa z równoległymi granicami odkształceń

SSAE (stacked sparse autoencoder network) – sieć neuronowa ze stosem enkoderów

SSV (spindle speed variation) – modulacja prędkości obrotowej wrzeciona

STFT (Short-Time Fourier Transform) – krótkookresowa transformata Fouriera

STOP – strefa trzeciorzędnych odkształceń plastycznych

SWOP – strefa wtórnych odkształceń plastycznych

SZ – szlifowanie

Sz-UM – szlifowanie umacniające

Sz-UT – utwardzanie przez szlifowanie

TAM (thermally assisted machining) – obróbka wspomagana termicznie

TD (time domain) – dziedzina czasu

TM (Taguchi method) – metoda Taguchi

TWW – technologiczna warstwa wierzchnia

UAG (ultrasonic assisted grinding) – szlifowanie wspomagane ultradźwiękami

UAM – obróbka ze wspomaganiem drgań ultradźwiękowych

UAMILL – frezowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UAT – toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UPM (ultraprecision machining) – obróbka ultraprecyzyjna/ultradokładna

US (ultrasonic) – drgania ultradźwiękowe

USAM (ultrasonic assisted machining) – obróbka wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USAT (ultrasonic assisted turning) – toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USM (ultrasonic machining) – obróbka ultradźwiękowa

VAM (vibration assisted machining) – obróbka ze wspomaganiem drgań

VAMILL (vibration assisted milling) – frezowanie ze wspomaganiem drgań

VMD (visual molecular dynamics) – wizualna dynamika molekularna (MD)

VP (virtual production) – wirtualna produkcja

VR (virtual reality) – wirtualna rzeczywistość

VSI (vertical scanning interferometry) – pionowa interferometria skaningowa

W (waviness) – falistość

WEDM (wire discharge machining) – wycinanie elektroerozyjne

WI – wygładzanie izotropowe

WJM (water jet machining) – obróbka strumieniem wody

WL (white layer) – biała warstwa

WLI/WLSI (white light(scanning) interferometry) – interferometria światła białego.

W/T – stosunek wymiaru do tolerancji

WW – warstwa wierzchnia

Rozdział 1

Ogólna charakterystyka kształtowania ubytkowego

1.1
Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

Podstawowe techniki wytwarzania stosowane obecnie do kształtowania elementów maszyn i urządzeń technicznych dzieli się ogólnie na bezubytkowe, do których zalicza się odlewanie i obróbkę plastyczną, ubytkowe, w których redukcja masy półfabrykatu może być dokonywana przez różne proste i złożone oddziaływania energetyczne, oraz przyrostowe. Zasadniczo usuwanie materiału z półfabrykatu odbywa się z użyciem energii mechanicznej, termicznej i chemicznej, zarówno w postaci źródeł jednorodnych, jak i łączenia oddziaływania dwóch lub więcej rodzajów energii równocześnie, co ma miejsce w obróbce hybrydowej [1, 2, 3].

Rys. 1.1. Podział procesów wytwórczych na grupy [1, 2]

Z rysunku 1.1 wynika, że obróbka ubytkowa jest jedną z pięciu podstawowych grup technik wytwórczych, do których zalicza się procesy łączenia, rozdzielania oraz kształtowania ubytkowego (substratywnego), bezubytkowego (przetwórczego, transformatywnego) i przyrostowego (addytywnego). Z kolei w krajowej literaturze technicznej [2, 3, 4] obróbkę ubytkową przyjęto dzielić na obróbkę erozyjną i obróbkę skrawaniem (lub równoważnie na obróbkę niekonwencjonalną i konwencjonalną), w której z kolei dokonuje się bardziej umownego podziału na obróbkę wiórową i obróbkę ścierną (rys. 1.2), ponieważ w obydwóch przypadkach powstaje wiór/mikrowiór. W obróbce erozyjnej może być wykorzystana erozja elektryczna, chemiczna, elektrochemiczna, laserowa, plazmowa i jonowa [3]. Najbardziej rozpowszechniony, dzięki wielkiej uniwersalności i dokładności kształtowania, jest proces skrawania polegający na usuwaniu warstwy/warstw naddatku materiału w postaci wiórów przez ostrze skrawające narzędzia o zdefiniowanej geometrii. Należy dodać, że proces skrawania podlega różnym formom hybrydyzacji opisanych w rozdziale 10 w celu osiągnięcia założonych kryteriów wydajności, jakości, funkcjonalności i zrównoważoności [2].

Rys. 1.2. Klasyfikacja sposobów obróbki ubytkowej w technologii maszyn [2, 3, 4]

Na ogół składowe procesy obróbki ubytkowej można integrować w bardziej wydajne i efektywne procesy hybrydowe, według schematu opisanego w pracy [1], wykorzystujące dwa (lub więcej) źródła energii lub różne mechanizmy usuwania materiału naddatku obróbkowego.

Ogólnie, według Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP), w tej grupie wyróżnia się grupę I procesów (rys. 1.3) opartych na łączeniu różnych źródeł energii lub różnych narzędzi (różnych metod i sposobów kształtowania) oraz grupę II procesów wykorzystujących kontrolowane mechanizmy różnych procesów, które są realizowane w konwencjonalnych procesach składowych. W grupie I wyróżnia się z kolei podgrupę I.A procesów wspomaganych (ang. assisted processes) oraz podgrupę I.B procesów łączonych (ang. mixed/combined processes).

W przypadku konwencjonalnej i niekonwencjonalnej obróbki ubytkowej najważniejsze znaczenie ma tworzenie procesów hybrydowych wspomaganych energią drgań, termicznie laserem oraz mediami ciekłymi i gazowymi, czyli z grupy I.A, różnych sposobów skrawania oraz szlifowania, polerowania, EDM i ECM, a także procesów z grupy I.B, np. łączenia szlifowania i EDM, szlifowania i ECM oraz ECM i EDM).

Rys. 1.3. Klasyfikacja hybrydowych procesów wytwórczych/obróbkowych wg CIRP [1]

W grupie II sprawdza się w praktyce łączenie cech kinematycznych dwóch sposobów skrawania, np. frezo-toczenia (ang. turn-milling) i toczenio-przeciągania (ang. turn-broaching), utwardzanie powierzchni w czasie szlifowania (ang. grind-hardening), utwardzanie powierzchni przez intensywne nagniatanie przedmiotu schładzanego zmrożonym CO_2 (ang. cryogenic deep rolling) czy łączenia obróbki skrawaniem z nagniataniem (tzw. procesy sekwencyjne). Warty odnotowania jest fakt, że hybrydyzacja dotyczy nie tylko normalnych procesów obróbki, ale w dużym stopniu procesów w mikro- i nanoskali [1, 5, 6, 7].

Oprócz tradycyjnych procesów mikroobróbki (mikrootoczenia, mikrofrezowania i mikrowiercenia) na dużą skalę stosuje się liczne niekonwencjonalne procesy obróbki sklasyfikowane na rys. 1.4. Należą do nich procesy mechaniczne (mechanical micromachining), procesy wykorzystujące skoncentrowaną wiązkę energii cieplnej (beam-based micromachining), procesy oparte na wykorzystaniu energii chemicznej lub elektrochemicznej (chemical and electrochemical micromachining) oraz procesy hybrydowe (hybrid micromachining) [5]. Należy zauważyć, że na obecnym poziomie rozwoju najlepsze wyniki w mikro- bądź nanoobróbce osiąga się dla połączenia procesów addytywnych i subtraktywnych, które mogą być przeprowadzone równocześnie lub sekwencyjnie [5]. Tym niemniej udział skrawania (procesu o charakterze subtraktywnym) jest nadal znaczący, rzędu 30–40%. Zagadnienia dotyczące tworzenia powierzchni w mikro- i nanoobróbce zostały opisane w rozdz. 11.

Rys. 1.4. Klasyfikacja zaawansowanych procesów mikroobróbki [5]. Symbole: USMM – mikrobróbka (MM) ultradźwiękowa (ultrasonic MM), AWJMM – mikrowytwarzanie strugą wodno-ścierną (abrasive water jet MM), WJMM – mikroobróbka struga wody (water jet MM), EBMM – mikroobróbka wiązką elektronów (electron beam MM), LBMM – mikroobróbka wiązką lasera (laser beam MM), EDMM – mikroobróbka elektroerozyjna (electrodischarge MM), PAMM – mikroobróbka łukiem plazmy (plasma arc MM), IBMM – mikroobróbka wiązka jonów (ion beam MM), PCMM – mikroobróbka fotochemiczna (photochemical MM), ECSMM – elektrochemiczna mikroobróbka elektroiskrowa (electrochemical spark MM), ELID – elektrochemiczne obciąganie w trakcie procesu (electrolytic in-process dressing), ECG – szlifowanie elektrochemiczne (electrochemical grinding), EDC – szlifowanie elektroerozyjne (electrodischarge grinding)

1.2
Rola obróbki ubytkowej we współczesnych procesach wytwórczych

Łączny udział obróbki skrawaniem w przemyśle maszynowym jest zwykle oceniany na około 50% (chociaż wg [3] to 25–30%) i według prognoz Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP) udział ten nadal będzie znaczący. Wynika to ze wzrastających możliwości zastosowań skrawania i uzyskiwanych dokładności wymiarowych i jakości powierzchni sięgających zakresu mikro- i nanoskali. Oprócz konwencjonalnych zastosowań do kształtowania części z metali i stopów technicznych o dowolnych własnościach mechanicznych możliwa jest obróbka kompozytów na osnowie metalowej i ceramicznej, ceramiki technicznej, a w przypadku obróbki ultradokładnej (nanoobróbki) także elementów optycznych i elektronicznych [2, 8].

Procesy obróbki skrawaniem spełniają współczesne, ostre wymagania dotyczące jakości wyrobów, wydajności i efektywności, a także niezawodności, energochłonności i ekologiczności/zrównoważoności (sustainablity). W automatyzowanych systemach obróbkowych dochodzą dodatkowe wymogi elastyczności, przezbrajalności i autonomiczności [2, 8, 9]. Na rysunku 1.5 przedstawiono prognozy wzrostu dokładności w wytwarzaniu metodami ubytkowymi odniesione do czterech podstawowych odmian obróbki – normalnej, dokładnej, bardzo dokładnej i ultra dokładnej, oparte na wykładniczych zależnościach w czasie, począwszy od pierwszej wersji tzw. krzywej wykładniczej Taniguchiego zaproponowanej już w latach 80. XX wieku, kiedy pojawiły się pierwsze symptomy konieczności rozwijania technologii w skali mikro i nano.

Rys. 1.5. Wzrost osiąganej dokładności obróbki ubytkowej wg Taniguchiego [2,8,10]

Procesy skrawania są wysoce konkurencyjne w stosunku do dokładnych procesów odlewania (kokilowego odlewania ciśnieniowego, odlewania metodą traconego wosku) i obróbki plastycznej na zimno, ponieważ zapewniają porównywalną lub wyższą dokładność i jakość powierzchni przy tym samym wskaźniku kosztów. Wskaźnik kosztów równy 1 przyjęto dla obróbki plastycznej na gorąco i odlewania w formach piaskowych, czyli nadal popularnych procesów wytwarzania półfabrykatów. Należy zwrócić uwagę, że osiąganie chropowatości powierzchni wynoszącej Ra ≈ 0,1 μm (Rz ≈ 1 μm) i tolerancji wymiarowej poniżej 0,01 mm zapewniają procesy bardzo dokładnej obróbki ściernej (szlifowania, polerowania i docierania), jednakże wiąże się to z wyraźnym wzrostem kosztów (wskaźnik wzrostu kosztów w stosunku do referencyjnych metod bezubytkowych jest przyjmowany w granicach 32–64). Z tego powodu praktyczne zastosowanie procesów wykańczających musi być uzasadnione wymogami funkcjonalności i w zasadzie jest ograniczone do powierzchni, od których wymaga się specjalnych własności użytkowych.

Podobne problemy pojawiają się w odniesieniu do części wytwarzanych przyrostowo [2,8]. Kształtowanie złożonych wyrobów wytwarzanych odbywa się najpierw techniką przyrostową, głównie selektywnym topieniem laserowym (SLM), a następnie za pomocą dodatkowej obróbki wykańczającej z zastosowaniem specjalnych procesów konwencjonalnych i hybrydowych, takich jak przetłaczanie ścierne (AFM), polerowanie elektrochemiczne (ECP) i polerowanie elektrochemiczno-mechaniczne (PEMEC), w celu uzyskania żądanej jakości powierzchni i właściwości użytkowych [9].

W miarę wzrostu dokładności obróbki znaczenia nabierają odkształcenia cieplne, wpływ otaczającego środowiska (drgania, temperatura, wilgotność) oraz stan krawędzi

Rys. 1.6. Poglądowy trend w osiąganiu minimalnych wymiarów i tolerancji wymiarowych (a) i osiągalne poziomy dokładności we współczesnym wytwarzaniu (b)

skrawającej (ostrość, szczerbatość) i obrabianego materiału (obecność naprężeń, anizotropia). Możliwości wzrostu dokładności (zawężania tolerancji wymiarowych) i miniaturyzacji w procesach obróbki ubytkowej od normalnych wymagań w przemyśle maszynowym (IT8-IT5) aż do nanodokładności przedstawiono w formie mapy drogowej na rys. 1.6a. Należy zwrócić uwagę na fakt, że stopniowy wzrost wiedzy o wpływie błędów losowych na funkcjonowanie maszyn wytwórczych może, dzięki ograniczeniu ich wariancji [5, 8], umożliwić wytwarzanie wyrobów spełniających większość wymagań co do dokładności i funkcjonalności. Z kolei na rys. 1.6b przedstawiono poziomy dokładności (precyzji) reprezentowane przez stosunek wymiaru do tolerancji W/T (D/T – dimension to tolerance), osiągalne w różnych reżimach wytwarzania. Wskaźnik W/T powyżej 10^4 przyjmuje się jako reprezentatywny dla części precyzyjnych. Skale wymiaru i tolerancji wymiarowej zmniejszają się równocześnie (rys. 1.6a). Obecnie, tj. ok. 2020 r., osiąga się zakres zbieżności, czyli stosunek D/T w pobliżu 1. Warto zwrócić uwagę na istotny fakt, że zarówno w precyzyjnym wytwarzaniu, jak i w mikro- oraz nanowytwarzaniu wymiar jest kontrolowany przez odpowiednio dokładny pomiar naddatku wymaganego do jego uzyskania.

1.3
Tworzenie jakości technologicznej w procesach obróbki ubytkowej

W klasycznym podejściu do badań TWW (rys. 1.7a) wykorzystuje się związki między stanem technologicznej warstwy wierzchniej, czyli stanem geometrycznym powierzchni i stanem fizycznym stref podpowierzchniowych ze zmienionymi właściwościami mechanicznymi i mikrostrukturą, a czynnikami wejściowymi, które definiują warunki procesu, oraz jej wpływem na zachowanie się części w eksploatacji (właściwościami eksploatacyjnymi).

Na rysunku 1.7b wyróżniono trzy rodzaje korelacji, które umożliwiają określenie związków między warunkami procesu i właściwościami WW (korelacja typu Ia), związków między stanem WW i jej właściwościami funkcjonalnymi (korelacja typu Ib) oraz bezpośrednie prognozowanie właściwości funkcjonalnych WW na podstawie zadanych warunków procesu (korelacja typu II). W ogólnym ujęciu mogą one być rozpatrywane jako struktury systemów w strukturalnym modelu obróbki skrawaniem, tworzone w określonej hierarchii celów [2].

Z różnych przyczyn, a przede wszystkim ze względu na ocenę właściwości użytkowych wyrobów, z ogółu tych cech największe znaczenie mają wielkości charakteryzujące własności mechaniczne stref, nazywane wielkościami mechanicznymi. Obecnie do wielkości mechanicznych zalicza się [2]:

• twardość (mezo-, mikro- lub nanotwardość), która jest miarą odkształceniowego umocnienia materiału WW wskutek obciążeń mechanicznych;

• naprężenia własne powstające w wyniku niejednorodności oddziaływań zewnętrznych, głównie mechanicznych i cieplnych.

Rys. 1.7. Zależności między jakością powierzchni, istotnymi czynnikami procesowymi i charakterystykami TWW (a) oraz możliwe korelacje między przebiegiem procesu, tworzeniem warstwy wierzchniej a uzyskiwaną funkcjonalnością (b) [1, 2]

W obróbce skrawaniem umocnienie materiału WW jest skutkiem rozszerzania się strefy intensywnych odkształceń plastycznych w głąb materiału, poza linię skrawania. Wartość umocnienia zależy od właściwości plastycznych materiału (podatności do umocnienia odkształceniowego) i stanu odkształcenia w strefie skrawania. Istnieją duże możliwości technologiczne kontrolowania zarówno stopnia, jak i głębokości umocnienia materiału WW [2].

Końcowy stan naprężeń własnych w WW po zakończeniu procesu obróbki jest zawsze wynikiem nakładania się naprężeń mechanicznych i termicznych. Jeśli umocnienie warstw podpowierzchniowych jest słabe, a w strefie poza ostrzem występują ujemne odkształcenia plastyczne, to w WW zostaną wytworzone mechaniczne naprężenia rozciągające. Ponieważ wpływ ciepła połączony jest zawsze z generowaniem naprężeń rozciągających, nastąpi kumulacja naprężeń jednakowego znaku z powodu wystąpienia przemian fazowych lub przewagi odkształceń cieplnych. Duże znaczenie w kontrolowaniu stanu WW mają hybrydowe procesy obróbki ze względu na możliwości sterowania udziałami mechanizmów mechanicznych, termicznych i chemicznych w przebiegu procesu [1]. Zagadnienia te opisano szerzej w rozdziałach 2 i 12.

Nanowytwarzanie obejmuje generalnie procesy niezbędne do kontroli struktur materiałów, elementów, urządzeń i systemów w nanoskali (dokładność lub skala od 1 nm do 100 nm) w jednym, dwóch lub trzech wymiarach [15]. Wyróżnia się dwie podstawowe kategorie nanowytwarzania – części z fragmentami nano- i mikrostruktur w skali nanometrycznej na częściach w skali mikro- i makroskopowej (1) oraz części z geometryczną dokładnością w nanoskali, podczas gdy same urządzenia są wytwarzane w skali makroskopowej (2). Specyficzną cechą procesów wytwórczych w nanoskali jest bardzo wysokie zużycie energii w porównaniu z procesami w większej skali (rys. 1.8b). Jest ono 3–5 rzędów wielkości większe niż w wytwarzaniu konwencjonalnym. Zużycie energii jest rozpatrywane jako bezpośrednie, gdy dotyczy m.in. kontroli ciśnienia/temperatury w procesie, generowania fotonów, jonów czy plazmy, czynności metrologicznych i manipulacji mechanicznych. Z kolei zużycie pośrednie dotyczy środowiska wytwórczego, na przykład oczyszczania z zanieczyszczeń pomieszczenia, w którym odbywa się proces. Obecnie mikrowytwarzanie czy mikroobróbka cieszą się dużym zainteresowaniem ze strony przemysłu, ponieważ mikrokomponenty czy mikrowyroby, takie jak mikrowyświetlacze, mikrosensory, mikrobaterie itp. znalazły już liczne zastosowania praktyczne w takich sektorach przemysłu, jak: samochodowy, lotniczy, fotoniczny (światłoelektroniczny), energii odnawialnej i oprzyrządowania medycznego (rys. 1.8). Zagadnienia modelowania powierzchni wytwarzanych w mikro- i nanoobróbce omówiono w podrozdz. 11.1 i 11.2.

Mikrowyroby są zwykle wytwarzane z wielu materiałów, w tym także z materiałów o złej obrabialności, składają się z mikrostruktur o złożonych kształtach i wymagają bardzo wysokiej (submikronowej) dokładności obróbki. Z tego względu w praktyce stosuje się bardzo dużo hybrydowych procesów mikro- oraz nanoobróbki, które integrują różne konwencjonalne i niekonwencjonalne procesy mikroobróbki w celu poprawy obrabialności użytych materiałów, zwiększenia dokładności geometrycznej elementów, jakości powierzchni i wydajności, a także redukcji obciążenia mechanicznego.

Rys. 1.8. Poglądowy obraz zastosowań mikro- i nanoobróbki w przemyśle (a) [1] oraz porównanie energochłonności procesów w różnej skali (b) [15]

1.4
Przyszłościowa wizja obróbki ubytkowej

Obecnie dynamicznie rozwijaną na bazie globalizacji koncepcją jest zrównoważone (stabilne) wytwarzanie (SM – sustainable manufacturing) [1, 2], które dotyczy trzech obszarów, tj. ekonomii, społeczeństwa i środowiska oraz ich wzajemnych oddziaływań. Z koncepcją zrównoważonego wytwarzania, a szczególnie z poprawą efektowności i ekologiczności procesów wytwórczych, w tym obróbki ubytkowej materiałów konstrukcyjnych [1, 2], jest nierozerwalnie związane stosowanie hybrydowych procesów wytwórczych. W pierwszym przypadku stosowanie hybrydowych procesów obróbki umożliwia wzrost wydajności procesu i obniżenie kosztów, głównie przez skrócenie czasu obróbki. W drugim przypadku ogranicza się szkodliwe oddziaływanie procesu na środowisko, np. przez stosowanie ekologicznych mediów gazowych zamiast tradycyjnych cieczy obróbkowych, a także poprawia się bilans energetyczny (energochłonność procesu). W odniesieniu do metod stosujących kształtowanie przyrostowe aspekt zrównoważonego rozwoju można dostrzec w dużej efektywności wykorzystania materiałów/surowców (czego skutkiem są mniejsze dostawy), wysokiej niezawodności procesu, dużej przezbrajalności łańcuchów wytwórczych i w dłuższym użytkowaniu wyrobu.

Inną wiodącą strategią rozwoju przemysłu jest tzw. Przemysł 4.0 (Produkcja 4.0) (ang. Industry 4.0, Production 4.0) traktowana jako czwarta rewolucja przemysłowa oparta o wszechobecną cyfryzację, doskonałe narzędzia wizualizacji i nowoczesne systemy informatyczne, w tym do przetwarzania w „chmurze” (Cloud Computing) i wymiany danych. Istotnymi elementami Produkcji 4.0, która docelowo oznacza urzeczywistnienie inteligentnej fabryki, jest bezprzewodowe przesyłanie danych z sensorów do Internetu, stosowanie na dużą skalę wirtualnych symulacji obiektów rzeczywistych i inteligentnych komunikacji (interfejsów) maszyna–maszyna i maszyna–człowiek oraz nowoczesnych technik wytwórczych.

Ważnym zagadnieniem jest sposób, w jaki hybrydowe metody wytwarzania mogą być wkomponowane w strategię Przemysł 4.0, biorąc pod uwagę takie cechy jak: współdziałanie, wirtualizacja, decentralizacja, ocena możliwości (np. wytwórczych), orientacja na usługi, modułowość [1]. Można przypuszczać, że w przyszłości obrabiarki hybrydowe (elastyczne i przezbrajalne) będą umożliwiać realizację wielu różnych procesów hybrydowych będących kombinacją procesów podstawowych, takich jak obróbka skrawaniem, szlifowanie, ubytkowa i przyrostowa obróbka laserowa, obróbka elektrochemiczna czy elektroerozyjna w różnych odmianach kinematycznych (drążenie, cięcie, frezowanie) oraz podstawowe metody wytwarzania przyrostowego. Taka rozbudowana hybrydowa platforma wytwórcza umożliwi zwiększenie zakresu modelowania procesów wytwarzania i praktycznej realizacji usług technologicznych i produkcyjnych – tym samym w pełni wpisze się w strategię Przemysł 4.0.

W osiągnięciu rozwiązań bio-inteligentnych należy uwzględnić sześć podstawowych aspektów [16,17]: uczenie się, podejmowanie decyzji, wnioskowanie, symbiozę, współistnienie/koegzystencję i współrozwój/koewolucję. Wynika to z faktu, że bio-inspiracja i bio-integracja, a dokładnie ich rozwiązania praktyczne, rozwijają się w kierunku rozwiązań bio-inteligentnych na bazie ICT (information and communications technology) z użyciem sztucznej inteligencji (AI), uczenia maszynowego (ML – Machine Learning), głębokiego uczenia maszynowego (DP – Deep Learning), ewolucyjnych obliczeń w sztucznej inteligencji (EC – Evolutionary Computation) i innych. Na tej podstawie można sformułować koncepcje bio-inspiracji, bio-integracji i bio-inteligencji i wzajemne relacje między nimi, co przedstawia rys. 1.9. Między innymi dzięki wykorzystaniu naturalnych rozwiązań można projektować i wytwarzać systemy konforemnego chłodzenia i powierzchnie o wymaganej funkcjonalności na powierzchniach roboczych narzędzi skrawających [16] (patrz rys. 11.12 w rozdz. 11).

Rys. 1.9. Związki między bio-inspirowanym, bio-zintegrowanym i bio-inteligentnym wytwarzaniem [16, 17]

Można uznać [1], że niezwykle ważnym filarem strategii Przemysł 4.0 może stać się Bionika, która zajmuje się badaniami organizmów żywych (roślin i zwierząt) z punku widzenia możliwości wykorzystania rozwiązań powstałych na drodze ewolucyjnej w przyrodzie w rozwiązaniach technicznych, ponieważ w przyrodzie wszystkie organizmy żywe budowane są przyrostowo [1]. Bionika już znalazła swoje istotne miejsce w naukach technicznych, np. jako bionizacja/biologizacja wytwarzania [16, 17], a coraz większa liczba naukowców i inżynierów jest przekonana o korzystnym wpływie tej dziedziny nauki na współczesną cywilizację. W chwili obecnej Bionikę definiuje się jako zastosowanie (wręcz kopiowanie czy naśladowanie) biologicznych funkcji, struktur i mechanizmów do projektowania maszyn i procesów wytwórczych.