Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia i zdjęcia na okładce: Andrey Armyagov/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redakcja: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Barbara Czarnecka (barbara.czarnecka@pwn.pl)

Opinia: prof. Jerzy Jędrzejewski, Politechnika Wrocławska

Publikacja dofinansowana przez Państwową Wyższą Szkołę Zawodową w Nowym Sączu

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

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 2021

ISBN 978-83-01-21631-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021 r., (wyd. I)

Warszawa 2021

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

Spis treści

Od autorów

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

Ważniejsze oznaczenia

Skróty

Rozdział 1. Ogólna charakterystyka procesów kształtowania materiałów

1.1. Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

1.2. Klasyfikacja procesów obróbki przyrostowej

1.3. Klasyfikacja i zasady tworzenia hybrydowych procesów obróbki

1.4. Rola hybrydowych procesów obróbki w strategii zrównoważonego wytwarzania i wytwarzania 4.0

1.5. Obszary zastosowań hybrydowych procesów obróbki w różnych gałęziach przemysłu

1.6. Zastosowanie procesów hybrydowych w mikro- i nanoobróbce

1.7. Przyszłościowa wizja obróbki materiałów

Bibliografia do rozdziału pierwszego

Rozdział 2. Fizyczne aspekty procesu obróbki ubytkowej

2.1. Zjawiska fizyczne w strefie obróbki konwencjonalnej i niekonwencjonalnej

2.1.1. Obróbka skrawaniem

2.1.2. Obróbka ścierna

2.1.3. Obróbka elektroerozyjna

2.1.4. Obróbka elektrochemiczna

2.1.5. Obróbka strugą wodną i wodno-ścierną

2.1.6. Obróbka wiązką lasera

2.1.7. Obróbka strumieniem jonów i elektronów

2.2. Charakterystyka mechanicznego oddziaływania na materiał obrabiany

2.3. Charakterystyka termicznego oddziaływania na materiał obrabiany

2.4. Kształtowanie warstwy wierzchniej materiału obrabianego

2.5. Możliwości kontrolowania właściwości użytkowych wyrobów przez kształtowanie hybrydowe

Bibliografia do rozdziału drugiego

Rozdział 3. Modelowanie hybrydowych procesów obróbki

3.1. Klasyfikacja modeli procesów obróbki konwencjonalnej i niekonwencjonalnej

3.1.1. Modele obróbki wiórowej i ściernej

3.1.2. Modele obróbki EDM

3.1.3. Modele obróbki ECM

3.1.4. Modele obróbki LBM

3.1.4. Modele obróbki WJM

3.2. Konstytutywne modele materiałowe

3.3. Techniki oceny właściwości materiału w warunkach złożonych oddziaływań fizycznych

3.4. Techniki modelowania

3.4.1. Modelowanie analityczne

3.4.2. Modelowanie numeryczne

3.4.3. Modelowanie z zastosowaniem technik AI

Bibliografia do rozdziału trzeciego

Rozdział 4. Wspomaganie procesu obróbki skrawaniem i ściernej energią drgań

4.1. Klasyfikacja metod obróbki wspomaganych energią drgań

4.2. Efekty fizyczne i technologiczne

4.3. Obróbka z nałożeniem drgań o niskiej częstotliwości (VAM)

4.4. Obróbka z nałożeniem drgań ultradźwiękowych (UAM)

4.4.1. Toczenie, wiercenie i frezowanie

4.4.2. Szlifowanie i polerowanie

4.5. Przemysłowe zastosowania obróbki wspomaganej energią drgań

Bibliografia do rozdziału czwartego

Rozdział 5. Wspomaganie procesu obróbki skrawaniem i ściernej mediami technologicznymi

5.1. Klasyfikacja metod obróbki wspomaganej mediami ciekłymi i gazowymi (MAM)

5.2. Efekty fizyczne, tribologiczne i technologiczne

5.3. Obróbka wspomagana mediami ciekłymi

5.4. Obróbka wspomagana mediami gazowymi

5.4.1. Obróbka kriogeniczna ubytkowa

5.4.2. Obróbka kriogeniczna nagniataniem

5.5. Przemysłowe zastosowania obróbki wspomaganej mediami ciekłymi i gazowymi

Bibliografia do rozdziału piątego

Rozdział 6. Wspomaganie termiczne procesu obróbki skrawaniem i ściernej

6.1. Klasyfikacja metod obróbki TAM

6.2. Efekty fizyczne i technologiczne

6.3. Obróbka wspomagana laserem (LAM)

6.4. Obróbka wspomagana plazmą (PAM)

6.5. Przemysłowe zastosowania obróbki wspomaganej termicznie

Bibliografia do rozdziału szóstego

Rozdział 7 . Hybrydyzacja obróbki na bazie kontrolowania różnych mechanizmów procesu (synergii procesów składowych)

7.1. Klasyfikacja metod obróbki

7.2. Synergetyczne efekty fizyczne i technologiczne

7.3. Łączenie różnych sposobów skrawania

7.3.1. Frezotoczenie

7.3.2. Toczenio-przeciąganie

7.4. Łączenie kształtowania ubytkowego i plastycznego (sekwencyjne skrawanie i nagniatanie)

7.5. Utwardzenie przez szlifowanie

7.6. Przemysłowe zastosowania obróbki wspomaganej synergetycznie

Bibliografia do rozdziału siódmego

Rozdział 8. Hybrydyzacja obróbki elektroerozyjnej

8.1. Klasyfikacja metod obróbki

8.2. Efekty fizyczne i technologiczne

8.3. Wspomaganie procesu EDM energią drgań

8.4. Wspomaganie procesu EDM laserem

8.5. Wspomaganie procesu EDM polem magnetycznym

8.6. Wspomaganie procesu EDM mediami ciekłymi

8.7. Szlifowanie EDM

Bibliografia do rozdziału ósmego

Rozdział 9. Hybrydyzacja obróbki elektrochemicznej

9.1. Klasyfikacja metod obróbki

9.2. Efekty fizyczne i technologiczne

9.3. Wspomaganie procesu ECM energią drgań (pulsacyjna obróbka ECM)

9.4. Wspomaganie procesu ECM laserem

9.5. Wspomaganie procesu ECM polem magnetycznym

9.6. Wspomaganie procesu ECM mediami gazowymi

9.7. Szlifowanie ECM

9.8. Wygładzanie elektrochemiczno-ścierne

9.9. Hybrydowe procesy elektrochemiczno-elektroerozyjne

Bibliografia do rozdziału dziewiątego

Rozdział 10. Hybrydowe procesy obróbki przyrostowej i ubytkowej

10.1. Techniki nanoszenia warstw w obróbce przyrostowej

10.2. Wieloosiowe platformy do obróbki hybrydowej

10.3. Programowanie wieloosiowej obróbki hybrydowej

10.4. Regeneracja części metodami obróbki hybrydowej

10.5. Kierunki rozwoju obróbki przyrostowo-ubytkowej

Bibliografia do rozdziału dziesiątego

Rozdział 11. Ekonomiczność i optymalizacja hybrydowych procesów obróbki

11.1. Wskaźniki i modele procesu

11.2. Kryteria i algorytmy optymalizacji doboru warunków obróbki

11.3. Podstawy optymalizacji

Bibliografia do rozdziału jedenastego

Rozdział 12. Technologiczna warstwa wierzchnia

12.1. Strukturalne modele budowy warstwy wierzchniej

12.2. Charakterystyka chropowatości powierzchni w różnych metodach obróbki hybrydowej

12.3. Fizyczne właściwości warstwy wierzchniej

12.3.1. Charakterystyka właściwości fizycznych warstwy wierzchniej

12.3.2. Naprężenia własne w warstwie wierzchniej

12.3.3. Umocnienie materiału warstwy wierzchniej

12.3.4. Zmiany struktury materiału i defekty powierzchniowe

Bibliografia do rozdziału dwunastego

O Autorach

Od autorów

Obróbka ubytkowa, która obejmuje liczną grupę konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesów obróbki, jest podstawową techniką wytwarzania w budowie maszyn i według prognoz jej udział w przyszłości będzie nadal znaczący, a jeśli uwzględni się dynamiczny rozwój obróbki hybrydowej, mikro- i nanoobróbki, to nawet się zwiększy. Od kilku dekad obserwuje się dynamiczny rozwój technologii i technik wytwarzania oparty na nowoczesnych badaniach doświadczalnych, zaawansowanych technikach modelowania i symulacji oraz cyfryzacji procesów wytwórczych. Hybrydyzacja procesów wytwórczych jest obecnie postrzegana jako ważny, a nawet nieodzowny elementem rozwoju strategii Produkcja 4.0. Wiąże się to także z wdrażaniem strategii zrównoważonego wytwarzania, doskonalenia jakości i funkcjonalności wyrobów. Uporządkowane pod względem terminologicznym podejście do hybrydowych procesów wytwórczych, datowane na 2014 r., było dziełem Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP). Autorzy książki nie tylko obserwowali rozwój prac badawczych nad hybrydowymi procesami obróbki, ale prowadzili własne badania i brali udział w pracach wielu opiniotwórczych gremiów naukowych. Prof. Adam Ruszaj od ponad 40 lat prowadził badania w Instytucie Obróbki Skrawaniem w Krakowie, a później w Politechnice Krakowskiej i PWSZ w Nowym Sączu nad hybrydyzacją obróbki EDM i ECM. Z kolei prof. Wit Grzesik prowadził w Politechnice Opolskiej badania na hybrydyzacją obróbki twardych materiałów z udziałem nagniatania i funkcjonalnością powierzchni.

Głównie ze względów ekonomicznych i z powodu niewielkiego zainteresowania przemysłu udział ośrodków badawczych z Polski jest obecnie w światowym programie rozwoju hybrydowych procesów skrawania i procesów niekonwencjonalnych niewielki. Misją autorów, którzy podjęli się opracowania pierwszej w języku polskim książki dotyczącej tej tematyki, zatytułowanej Hybrydowe procesy obróbki ubytkowej, jest przekazanie wiedzy teoretycznej i praktycznej zarówno studentom wydziałów mechanicznych politechnik, jak i, a może przede wszystkim, inżynierom-technologom z przemysłu.

Fragmentarycznie, hybrydowe procesy skrawania zostały opisane w książce Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa, 2018 r. W nowej książce Czytelnik znajdzie wyczerpujące informacje o zasadach tworzenia hybrydowych procesów obróbki ubytkowej, uporządkowane według klasyfikacji CIRP-u. Nowością jest zwarte opracowanie dotyczące bardzo dynamicznie rozwijanej koncepcji łączenia obróbki przyrostowej i ubytkowej na specjalnych hybrydowych platformach wytwórczych (rozdz. 10). W obecnym wydaniu książka zawiera 12 rozdziałów, z których cztery (rozdz. 4, 5, 6 i 7 ) dotyczą hybrydowych procesów skrawania i obróbki ściernej, a rozdziały 8 i 9 zawierają omówienie hybrydowych procesów obróbki EDM i ECM. Dwa rozdziały są poświęcone zagadnieniom ekonomiczności (rozdz. 11) i nowych możliwości tworzenia funkcjonalnej warstwy wierzchniej (rozdz. 12).

Aktualność zamieszczonych informacji gwarantują liczne cytowania z książek, czasopism naukowych i technicznych, a w szczególności z prestiżowego czasopisma CIRP Annals – Manufacturing Technology. Układ treści umożliwi Czytelnikowi odróżnienie i ocenę stosowania różnych sposobów hybrydowej obróbki ubytkowej w skali makro, mikro i nano. Autorzy uważają, że taki układ treści będzie także lepiej dostosowany do programów wykładów na kierunkach Mechanika i Budowa Maszyn oraz Inżynieria Produkcji dla studiów II i III stopnia i bardziej przydatny dla inżynierów z przemysłu wytwórczego.

Dziękujemy naszym Rodzinom za cierpliwość i wsparcie w czasie prac nad książką, co w trudnym czasie pandemii 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.

Naszą pracę i włożony w nią trud intelektualny chcielibyśmy, tak jak w poprzednich naszych książkach, poświęcić wszystkim Profesorom, m.in. Prof. J. Kaczmarkowi, J. Dmochowskiemu, M. Kawalcowi, K. Oczosiowi, H. Żebrowskiemu, J. Harasymowiczowi, K. Albińskiemu, którzy tworzyli i rozwijali polską szkołę obróbki ubytkowej. Ich wiedzy i pasji naukowej zawdzięczamy nasze osiągnięcia naukowe i publikacyjne.

(Autorzy)

Opole, Kraków, październik 2020 r.

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

Ważniejsze oznaczenia

ap – głębokość skrawania (dosuw)

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

B – szerokość warstwy skrawanej (nominalna), indukcja magnetyczna

c – ciepło właściwe

C – ciepło właściwe objętościowe

CH – koncentracja objętościowa wodoru

d – średnica drutu w obróbce WEDM

ec – energia właściwa skrawania

E – energia skrawania (całkowita), moduł Younga, suma spadków potencjału w warstwach przyelektrodowych

Echem – energia chemiczna

Emech – energia mechaniczna

Eterm – energia termiczna

fz – posuw na ostrze

Fc – siła skrawania

Ff – siła posuwowa

Fp – siła odporowa

h – grubość warstwy skrawanej, współczynnik naturalnej konwekcji ciepła

hch (hw) – grubość wióra

hgr – graniczna grubość warstwy skrawanej

hig – ciepło sublimacji

hmin – minimalna grubość warstwy skrawanej

Ip – amplituda natężenia prądu

k – przewodność cieplna obrabianego materiału

kc – opór właściwy skrawania powierzchniowy

kh – współczynnik zgrubienia wióra

kv – objętościowy równoważnik elektrochemiczny materiału przedmiotu obrabianego

Kj – całkowity koszt jednostkowy

Kjmin – minimalny koszt jednostkowy

Kjn – koszt jednostkowy narzędzia

Km – koszt maszynowy

Knp – koszty nieprodukcyjne (stałe)

Kwn – koszt wymiany narzędzia

m – masa

– masowe natężenie przepływu w obróbce AWJM

n – prędkość obrotowa wrzeciona

p – ciśnienie cieczy

pc – moc skrawania właściwa

pn – ciśnienie pary nasyconej elektrolitu w danych warunkach przepływu

Pc – moc skrawania

Psh – płaszczyzna poślizgu

qw, qn, qm – strumienie cieplne wnikające 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 (szlifowanie)

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

Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości

Ro – promień skoncentrowanej wiązki lasera

Rmax – maksymalna wysokość nierówności

Rmr(c) – udział materiałowy profilu

Rsm – średnia szerokość rowków elementów profilu

Rt – całkowita wysokość profilu

Rz – największa wysokość profilu

S – odporność elektroerozyjna

S_0 – grubość szczeliny w obróbce ECM

t – czas

ti – czas impulsu

tj – czas jednostkowy

tjmin – minimalny koszt jednostkowy

tm, tn – czas maszynowy, niemaszynowy

T – temperatura

Tc – temperatura ostrza

Tt (Tmelt) – temperatura topnienia

u – prędkość skanowania wiązki lasera

vc – prędkość skrawania

vf – prędkość dosuwu elektrody roboczej w obróbce ECM

vw – prędkość wody

VBB – średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia

Vw – wydajność objętościowa obróbki

Wp – wydajność produkcji

α – liniowy współczynnik rozszerzalności, kąt zarysu, współczynnik dyfuzyjności

αo – kąt przyłożenia ortogonalny

βo – kąt ostrza ortogonalny (główny)

γ – odkształcenie postaciowe

γef – efektywny, rzeczywisty kąt natarcia

γo – kąt natarcia ortogonalny

ε – odkształcenie liniowe

λ – współczynnik przewodności cieplnej

ν – liczba Poissona

ρ – gęstość materiału, promień zaokrąglenia ziarna ściernego

ρw – gęstość wody

σ – naprężenie własne

σeq – naprężenie zastępcze w modelu J-C

Φ – kąt poślizgu

Skróty

1D jednowymiarowy (układ liniowy)

2D dwuwymiarowy (układ)

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

AAEM (abrasive-assisted electrochemical machining) obróbka elektrochemiczna wspomagana ściernie

AECM (abrasive electrochemical machining) obróbka elektrochemiczna wspomagana ściernie

AECS (abrasive electrochemical smoothing) wygładzanie elektrochemiczno-ścierne

ADL (aerosol dry lubrication) połączenie minimalnego smarowania (MQL) z dodatkowym chłodzeniem LCO_2

AEDM (abrasive electrodischarge machining) obróbka elektroerozyjna wspomagana ściernie

AFM (abrasive flow machining) obróbka przetłoczno-ścierna

AI (artificial intelligence) sztuczna inteligencja

AJM (abrasive jet machining) obróbka strumieniem ścierniwa, obróbka aerościerna

AM (additive manufacturing) obróbka przyrostowa (addytywna)

ANNs (artificial neural networks) sztuczne sieci neuronowe

ASJM (abrasive slurry jet machining) obróbka strumieniowo-ścierna

AWEDM (abrasive wire electrodischarge machining) wycinanie ścierno-erozyjne

AWJM (abrasive water jet machining) obróbka strumieniem wodno-ściernym

CAD (computer aided design) wspomagane komputerowo projektowanie

CAM (computer aided manufacturing) wspomagane komputerowo wytwarzanie

CBN regularny azotek boru (RBN)

CCS ciecz chłodząco-smarująca

CDR (cryogenic deep rolling) kriogeniczne nagniatanie umacniające

CHAZ (chemical-affected zone) strefa wpływów chemicznych

CHM (chemical machining) obróbka chemiczna

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

CNC (computer numerical control) sterowanie numeryczne komputerowe

CT (conventional turning) toczenie konwencjonalne

D (drilling) wiercenie

DC (direct current) prąd stały

DED (direct energy deposition) nakładanie materiału z bezpośrednim oddziaływaniem energią

DMD (direct metal deposition) bezpośrednie nanoszenie metalu

DMLS (direct metal laser sintering) laserowe spiekanie proszków metalowych

DMP (direct metal printing) bezpośredni druk stopionym metalem

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

ECAG (electrochemical abrasive grinding) szlifowanie ścierno-elektrochemiczne

ECD (electrochemical deburring) gratowanie elektrochemiczne

ECDM (electro-chemical-discharge machining) obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna

ECG (electrochemical grinding) szlifowanie elektrochemiczne

ECJM (electrochemical jet machining) strumieniowa obróbka elektrochemiczna

ECM (electrochemical machining) obróbka elektrochemiczna

ECSM (electrochemical spark machining) elektrochemiczna obróbka elektroiskrowa

EDAG (electrodischarge abrasive grinding) szlifowanie ścierno-erozyjne

EDM (electrodischarge machining) obróbka elektroerozyjna

EM (emulssion) emulsja olejowa

ESJM (electrochemical slurry jet machining) elektrochemicznie wspomagana obróbka strumieniowo-ścierna

FAM (fluid assisted machining) obróbka wspomagana mediami ciekłymi

FDM (fused deposition modelling) metoda nakładania przez wyciskanie uplastycznionego materiału

FIBM (fine ion beam machining) obróbka skoncentrowanym strumieniem jonów

FL (fuzzy logic) logika rozmyta

G (grinding) szlifowanie

GH (grind hardening) utwardzanie przez szlifowanie

HAZ (heat-affected zone) strefa wpływu cieplnego

HB twardość w skali Brinella

HM twardość w skali Martensa

HM (hard machining) obróbka na twardo

HP hybrydowy proces produkcji

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

HPJAM (high pressure jet assistant machining) skrawanie wspomagane wysokociśnieniowym strumieniem cieczy obróbkowej

HPWJAM (high pressure water JAM) skrawanie wspomagane wysokociśnieniowym strumieniem wody

HRC twardość wg Rockwella w skali C

HSC (high speed cutting) skrawanie z dużą prędkością

HSM (high speed machining) obróbka z dużą prędkością

IAM (induction assisted machining) obróbka z nagrzewaniem indukcyjnym

IBM (ion beam machining) obróbka jonowa

IEG (inter-electrode gap) szczelina międzyelektrodowa

IJM (ice jet machining) obróbka strumieniem cząstek lodu

IR (infrared radiation) promieniowanie podczerwone

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, (laser additive manufacturing) laserowe wytwarzanie przyrostowe

LAMG (laser assisted micro-grinding) laserowo wspomagane mikroszlifowanie

LAMILL (laser assisted milling) laserowo wspomagane frezowanie

LAT (laser assisted turning) laserowo wspomagane toczenie

LBDW (laser beam deposition welding) napawanie materiału laserem

LBM (laser beam machining) obróbka laserowa

LCA (life cycle assessment) ocena długości życia wyrobu

LCO_2 zmrożony dwutlenek węgla

LDT (laser deposition technology) technologia laserowego nakładania materiału

LMD (laser metal deposition) laserowe nanoszenie metalu

LN_2 kriogeniczny azot

LRT (laser repair technology) laserowa technologia napraw

LS (laser scanning)skanowanie laserowe

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

MDM (multi-nozzle deposition manufacturing) laserowe osadzanie materiału w wyniku napawania

MECM (mechano-eletrochemical machining) obróbka mechano-elektrochemiczna

MEMS (micro-electro-mechanical system) mikrosystem elektromechaniczny

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

MF (magnetic field) pole magnetyczne

MFAECM (magnetic field assisted ECM) obróbka elektrochemiczna wspomagana polem magnetycznym

MFAEDM (magnetic field assisted EDM) obróbka elektroerozyjna wspomagana polem magnetycznym

M(MILL) (milling) frezowanie

MMCs (metal matrix composites) kompozyty na osnowie metalowej

MPECM (mixed powder electrochemical machining) obróbka ECM wspomagana strumieniem elektrolitu i ziaren ściernych

MQC (minimum quantity cooling) obróbka ze zminimalizowanym chłodzeniem

MQCL (minimum quantity cooling lubrication) obróbka ze zminimalizowanym chłodzeniem i smarowaniem

MQL (minimum quantity lubrication) obróbka ze zminimalizowanym smarowaniem

MRR (material removal rate) wydajność obróbki (szybkość usuwania naddatku)

MRS metoda różnic skończonych

NEMS (nano-electro-mechanical system) nanosystem elektromechaniczny

NW naprężenia własne

OUPN układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie

PAM (plasma arc machining, plasma assisted machining) obróbka wspomagana (łukiem plazmowym) plazmą

PBF (powder bed fusion) technika złoża proszku metalu

PBM (plasma beam machining) obróbka plazmowa

PCBN polikrystaliczny azotek boru

PCD polikrystaliczny diament

PCM (photochemical machining) obróbka fotochemiczna

PECM (pulsed ECM) pulsacyjna obróbka ECM

PFB (powder bed fusion) wytwarzanie proszkowe na platformie/złożu

PLP (pulsed laser plasma) laser pulsacyjny

PMEDM (powder-mixed electrical discharge machining) obróbka EDM wspomagana mieszaniną dielektryka z proszkiem

PMMA polymetakrylan metylu

POM (precision optical manufacturing) precyzyjna produkcja optyczna

RAG (rotating abrasive grinding) szlifowanie obrotowe narzędziem z nasypem z PCD

RP (rapid prototyping) szybkie prototypowanie

RUAG (rotary ultrasonic assisted grinding) szlifowanie obrotowe wspomagane US

RUM (rotary ultrasonic machining) rotacyjna obróbka ultradźwiękowa

SACE (spark-assisted chemical engrawing) grawerowanie chemiczne wspomagane elektroiskrowo

SAZ (stress-affected zone) strefa zalegania naprężeń własnych

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

SEM (scanning electron microscopy) mikroskopia skaningowa

SGP struktura geometryczna powierzchni

SLA (stereolithography) metoda stereolitografii

SLM (selective laser melting) selektywne stapianie laserem

SLS (selective laser sintering) selektywne spiekanie laserowe

SM (subtractive machining ) obróbka ubytkowa (subtraktywana)

SP (sustainable production) zrównoważone wytwarzanie

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

T (turning) toczenie

TAM (thermally assisted machining) obróbka wspomagana termicznie

TWS (tool-workpiece separation) oddzielenie ostrza od przedmiotu w obróbce UAMILL

TWW technologiczna warstwa wierzchnia

UAD wiercenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi (USAD)

UAM obróbka ze wspomaganiem drgań ultradźwiękowych (USAM)

UAMILL (ultrasonic assisted milling) frezowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UAT toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi (USAT)

US (ultrasonic) drgania ultradźwiękowe

USAD (ultrasonic assisted drilling) wiercenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USAG (ultrasonic assisted grinding) szlifowanie wspomagane drganiami ultradźwiekowymi

USAM (ultrasonic assisted machining) obróbka wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USAT (ultrasonic assisted turning) toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USECM (ultrasonic ECM) obróbka ECM wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USEDM (ultrasonic EDM) obróbka EDM wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USG (ultrasonic grinding) szlifowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USM (ultrasonic machining) obróbka ultradźwiękowa

UV (ultraviolet) promieniowanie ultrafioletowe (nadfioletowe)

VAM (vibration assisted machining) obróbka ze wspomaganiem drgań

VAMILL (vibration assisted milling) frezowanie ze wspomaganiem drgań

WECDM (wire electrochemical discharge machining) wycinanie elektroerozyjne

WJM (water jet machining) obróbka strumieniem wody

WSACE (wire spark assisted chemical engraving) wycinanie chemiczne wspomagane elektroiskrowo

WW warstwa wierzchnia

Rozdział 1
Ogólna charakterystyka procesów kształtowania materiałów

1.1
Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

Obróbka ubytkowa jest jedną z pięciu podstawowych grup ogółu technologii wytwórczych przedstawionych na rys 1.1. Obejmują one procesy łączenia, rozdzielania oraz kształtowania ubytkowego (subtraktywnego), bezubytkowego (przetwórczego, transformatywnego) i przyrostowego (addytywnego) [1.1, 1.2]. Podział ten zaproponowano w związku z widocznym w ostatnich latach intensywnym rozwojem hybrydowych procesów wytwórczych. W literaturze poświęconej obróbce ubytkowej stosowany jest zwykle podział na obróbkę skrawaniem (konwencjonalną) i erozyjną (niekonwencjonalną). Jak wynika z rys. 1.1, ale również z rzeczywistego stanu przemysłu wytwórczego, istotnego znaczenia nabierają procesy kształtowania przyrostowego, które ograniczają, a w wielu przypadkach eliminują, konwencjonalne procesy ubytkowe i bezubytkowe.

Podstawowe techniki wytwarzania stosowane obecnie do kształtowania elementów maszyn i urządzeń technicznych to kształtowanie bezubytkowe, do którego zalicza się odlewanie i obróbkę plastyczną, oraz obróbka ubytkowa. Podział obróbki ubytkowej przedstawiono na rys. 1.2, a obejmuje ona procesy sklasyfikowane w tab. 1.1. Redukcja masy półfabrykatu może zasadniczo następować z wykorzystaniem energii mechanicznej, termicznej i chemicznej, chociaż coraz częściej łączy się oddziaływanie dwóch lub więcej rodzajów energii, jak w przypadku obróbki hybrydowej.

Należy podkreślić, że hybrydyzacja procesów wytwórczych, w tym procesu obróbki ubytkowej, odgrywa obecnie dużą rolę w osiąganiu wysokiego poziomu innowacyjności wytwarzania przez zamierzony rozwój stosowanych procesów wytwarzania, gdyż stwarza duże, dodatkowe, możliwości w ich usprawnianiu i optymalizacji.

W tabeli 1.1 zestawiono procesy obróbki ubytkowej stosowane na skalę przemysłową, które mogą podlegać dalszej hybrydyzacji według różnych koncepcji (patrz tab. 1.2 w podrozdz. 1.2). Procesy te – konwencjonalne i niekonwencjonalne, wykorzystujące różne źródła energii (mechaniczną, termiczną, chemiczną i elektrochemiczną), można integrować w bardziej wydajne i efektywne procesy hybrydowe wykorzystujące dwa (lub więcej) źródła energii lub różne mechanizmy usuwania materiału naddatku obróbkowego.

Tabela 1.1. Klasyfikacja zaawansowanych procesów obróbki ubytkowej ze względu na wykorzystaną do usuwania materiału energię z podaniem źródła energii, narzędzia, medium transferu energii i wytworzony mechanizm usuwania materiału [1.3, 1.4]

Rodzaj energii

Rodzaj procesu

Źródło energii

Narzędzie

Medium przenoszące

Mechanizm usuwania materiału

Mechaniczna

USM

drgania ultradźwiękowe

sonotroda

zawiesina ścierna

erozja i/lub ścieranie

AJM

ciśnienie pneumatyczne

strumień ścierny

powietrze

WJM

ciśnienie hydrauliczne

struga wody

powietrze

AWJM

ciśnienie hydrauliczne

struga
wodno-ścierna

powietrze

IJM

ciśnienie hydrauliczne

strumień cząstek lodu

powietrze

AFM

ciśnienie hydrauliczne

zawiesina ścierna

zawiesina

Chemiczna

CHM

składnik korozyjny

maska

odczynnik trawiący

roztwarzanie chemiczne

Elektro- chemiczna

ECM

prąd o dużym natężeniu

elektroda

elektrolit

roztwarzanie anodowe przez ruch jonów

Termiczna

EDM

prąd o dużym natężeniu

elektroda

dielektryk

topienie i odparowanie

EBM

zjonizowany materiał

strumień elektronów

próżnia

IBM

zjonizowany materiał

strumień jonów

atmosfera

LBM

wzmocniony strumień świetlny

wiązka laserowa

powietrze/ atmosfera o specjalnym składzie

PBM

zjonizowany materiał

strumień plazmy

plazma

Legenda: AFM – (abrasive flow machining) obróbka przetłoczno-ścierna, AJM – (abrasive jet machining) obróbka aerościerna, AWJM – (abrasive water jet machining) obróbka strumieniem wodno-ściernym, CHM – (chemical machining) obróbka chemiczna, EBM – (electron beam machining) stapianie materiału wiązką elektronów, ECM – (elektrochemical machining) obróbka elektrochemiczna, EDM – (electrodischarge machining) obróbka elektroerozyjna, IBM – (ion beam machining) obróbka jonowa, IJM – (ice jet machining) obróbka strumieniem cząstek lodu, LBM – (laser beam machining) obróbka laserowa, PBM – (plasma beam machining) obróbka plazmowa, USM – (ultrasonic machining) obróbka ultradźwiękowa, WJM – (water jet machining) obróbka strumieniem wody.

Rys. 1.1. Podział procesów wytwórczych na grupy [1.1, 1.2]

Rys. 1.2. Podział procesów obróbki ubytkowej/subtraktywnej [1.1]

1.2
Klasyfikacja procesów obróbki przyrostowej

Techniki przyrostowe, zwane popularnie drukiem 3D (3D printing), dzieli się zwykle ze względu na postać użytego materiału (budulca) oraz sposób jego łączenia i podawania [1.5]. W przypadku kryterium materiałowego (rys. 1.1) ważne jest, czy materiał został użyty jako lity lub w formie proszku, jak również jako ciecz, czyli w formie płynnej bądź półpłynnej. Jak można zauważyć na rys. 1.3, w zależności od postaci materiału wyjściowego stosuje się różne techniki łączenia, w tym spiekanie, topienie i klejenie. Klasyfikację opartą na trzech metodach nakładania warstw materiału, tj. przez sklejanie warstw, formowanie na platformie i nanoszenie, przedstawiono na rys. 1.4.

Rys. 1.3. Podział metod wytwarzania przyrostowego ze względu na postać zastosowanego materiału i sposób łączenia [1.6]

Rys. 1.4. Podział metod wytwarzania przyrostowego ze względu na sposób nakładania materiału [1.7]

W przypadku uwzględnienia sposobu podawania materiału jako podstawowego kryterium (rys. 1.5) można wyróżnić kształtowanie z użyciem platformy wypełnionej proszkiem, zwaną wg klasyfikacji ASTM International techniką złoża proszku metalu (PBF – powder bed fusion), oraz bezpośrednie nanoszenie punktowe (direct deposition), które stosuje się w procesach spiekania, topienia i napawania. Należy dodać, że American Society for Testing and Materials (ASTM) group „ASTM F42 – Additive Manufacturing” klasyfikuje procesy addytywne w 7 grupach (Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, 2012). Ich akronimy i praktyczne nazwy zestawiono w tab. 1.2.

Rys. 1.5. Klasyfikacja metod przyrostowych wytwarzania elementów metalowych opartych na sposobie: A – podawania materiału, B – łączenia, C – stosowane akronimy [1.10]

Tabela 1.2. Klasyfikacja metod AM wg ASTM i ich komercyjne odmiany [1.6, 1.8, 1.9]

Grupa procesów AM

Typowe nazwy komercyjne

Vat
Photopolymerization

Stereolithography, Digital Light Processing, Solid Ground Curing, Projection Stereolithography

Powder Bed Fusion

Electron Beam Melting, Electron Beam Additive Manufacturing, Selective Laser Sintering, Selective Heat Sintering, Direct Metal Laser Sintering, Selective Laser Melting, Laser Beam Melting

Direct Energy Deposition

Laser Metal Deposition, Direct Metal Deposition, Direct Laser Deposition, Laser Engineered Net Shaping, Electron-Beam Freeform Fabrication, Weld-based Additive Manufacturing

Binder Jetting

Powder Bed and Inkjet Head, Plaster-based 3D Printing

Material Extrusion

Fused Deposition Modelling, Fused Filament Fabrication

Material Jetting

Multi-Jet Modelling

Sheet Lamination

Laminated Object Manufacturing, Ultrasonic Consolidation

Zaletą użycia równomiernie rozłożonego proszku na platformie roboczej jest brak konieczności wcześniejszego wytworzenia wsporników. W technologii złoża proszku metalu wykorzystuje się iterbowy laser światłowodowy o dużej mocy do stapiania drobnoziarnistych proszków metali w celu formowania użytecznych, trójwymiarowych części. Często nazywana jest metodą topienia warstwowego, technologią wytwarzania przyrostowego przy użyciu metalu, drukowania 3D przy użyciu metalu, stapiania laserowego lub wytwarzania przyrostowego przy użyciu metalu. Proces produkcji wykorzystuje przekroje 2D modelu 3D CAD. Każdemu przekrojowi modelu CAD odpowiada cienka warstwa drobnego proszku metalu osadzona na powierzchni roboczej; następnie wybrane obszary proszku są precyzyjnie stapiane laserem. Ten proces powtarza się aż do zakończenia wytwarzania przedmiotu, warstwa po warstwie. W systemach wytwarzania przyrostowego można stosować wiele materiałów metalowych, na przykład stop tytanu Ti6Al4V, stopy kobaltu, chromu, stal nierdzewną, stopy niklu Inconel 625, Inconel 718 oraz stop aluminium AlSi10Mg.

Zgodnie z przyjętymi kryteriami klasyfikacji można wyróżnić następujące metody wytwarzania przyrostowego o szerszym znaczeniu praktycznym[1.5, 1.9–1.12]:

- SLS (selective laser sintering), czyli selektywne spiekanie laserowe proszków różnych materiałów metalowych; cząsteczki proszku są łączone wskutek ich nadtapiania, co skutkuje zwiększeniem porowatości wytworzonych elementów,

- SLM (selective laser melting), czyli selektywne stapianie laserem proszków metali; występuje pełne przetopienie materiału, co eliminuje występowanie porów,

- DMP (direct metal printing), czyli bezpośredni druk stopionym metalem; jest znakiem firmy 3D Systems,

- DLMS (direct metal laser sintering), czyli bezpośrednie spiekanie proszków metali laserem; metoda jest podobna do metody SLS, ale stosuje się ją do wytwarzania części z mieszaniny różnych proszków,

- BJ (binder jetting), czyli strumieniowe natryskiwanie lepiszczem cząsteczek proszku,

- NPJ (nanoparticle jetting), czyli strumieniowe natryskiwanie mieszaniny nanocząsteczek materiału i ciekłego nośnika, która osadza się w postaci kropelek; redukuje się grubość pojedynczej warstwy do 2 µm; zostało opatentowane przez firmę Xjet,

- EBM (electron beam melting), czyli stapianie materiału wiązką elektronów w komorze próżniowej,

- EBAM (electron beam additive manufacturing) zbliżone do metody EBM, ale materiał podawany jest w formie drutu,

- EBF^3 (electron-beam freeform fabrication) stosowane przez NASA do wytwarzania modeli 3D przez stapianie wiązką elektronów w warunkach braku grawitacji,

- LC (laser cladding) jest oparte na technice napawania laserowego; materiał podawany jest punktowo w postaci proszku/drutu, a następnie spiekany lub stapiany laserem; jest to jedna z podstawowych metod AM stosowanych w hybrydowych technikach typu AM+CNC, w tym napraw; stanowi właściwie rodzinę różnych technik, takich jak LMD, LENS, DMD i LDMD (zostaną one szerzej opisane w rozdz. 10),

- LDW (laser deposition welding) nazywane laserowym osadzaniem materiału przez spawanie; technika stosowana na szerszą skalę do napraw lub dodawania dodatkowych elementów zarysu przez firmę DMG Mori,

- LMD (laser metal deposition) polega na laserowym osadzaniu materiału w wyniku napawania proszkiem ( LMD-p) lub drutem (LMD-w),

- LENS (laser engineering net shaping) jest odmianą metody LC stosowaną do finalnego napawania laserowego części; metoda opracowana przez firmę Sandia Corporation,

- DMD (direct metal depostion), co oznacza bezpośrednie nakładanie/osadzanie materiału, jest również jedną z odmian rodziny metod typu LC.

Niewątpliwie najczęściej stosowana w przemyśle, a także najprostsza i najtańsza metoda to FDM (fused deposition modeling), która polega na nakładaniu kolejnych warstw roztopionego tworzywa termoplastycznego. Metoda umożliwia wykonywanie modeli o różnych właściwościach ze względu na stosowanie różnych materiałów, w tym ABS, PLA, PC, Nylonu, TPU i bardziej egzotycznych kompozytów na bazie włókna szklanego, węglowego czy domieszki pyłu drewnianego. Sprawdza się ona przede wszystkim w szybkiej produkcji pojedynczych części, dlatego konstruktorzy często wykorzystują ją do oceny projektów. Wytworzone elementy mają jednak małą wytrzymałość, ze względu na niekorzystną, warstwową strukturę wewnętrzną.

Kolejna grupa obejmuje metody z zastosowaniem żywic światłoczułych, m.in. SLA (stereolithography), DLP (direct light processing), CDLP (continuous DLP). Polegają one na utwardzaniu żywic różnym rodzajem światła, a znajdują zastosowanie w przemyśle i coraz częściej w amatorskim druku 3D. Dzięki wysokiej rozdzielczości pozwalają na wytworzenie niewielkich i dokładnych modeli o wysokiej jakości powierzchni, a także dużej różnorodności uzyskanych właściwości.

Do technologii przyrostowych zalicza się też spiekanie proszków, a więc grupę metod: SLS (selective laser sintering), SLM/DMLS (selective laser melting/direct metal laser sintering) i EBM (electron beam melting). Polegają one na spiekaniu kolejnych warstw proszku materiału skupioną wiązką energii (elektronów/lasera). W tych procesach stosowane są wytrzymałe materiały polimerowe (np. poliamidy, TPU), kompozytowe (np. PA+GF) i metaliczne (różne mieszaniny proszków metali, np. stale nierdzewne, tytan, aluminium). Ważną zaletą jest to, że nie wymagają one stosowania struktur podporowych w wydrukach, co pozwala na uzyskanie bardziej skomplikowanych kształtów. Metody te sprawdzają się w przypadku konieczności wytworzenia w jak najkrótszym czasie wielu części, bowiem całą przestrzeń roboczą wypełnia się modelami i wytwarza je wszystkie w jednym procesie. Kolejnymi zaletami są wydajność (ok. 10 razy większa niż w technologii FDM) oraz duża wytrzymałość. Wytworzone w ten sposób części mają praktycznie jednorodną strukturę wewnętrzną.

Do popularnych należą także metody typu material jetting, a więc m.in. stosowane w przemyśle PolyJet, Multi Jet Fusion. Metoda PolyJet polega na nanoszeniu kolejnych warstw materiału, a następnie utwardzaniu ich światłem UV. Odbywa się to podczas jednego przejazdu głowicy, więc proces wydruku jest szybki. Zaawansowane maszyny umożliwiają również wydruk z barwieniem na różne kolory i z różnych wypełniaczy/filamentów. Uzyskiwane powierzchnie mają wysoką jakość, dlatego technologie te są wykorzystywane do produkcji realistycznych prototypów, wysokiej jakości krótkich serii produktów. Są jednak ograniczenia ze względu wysoki koszt maszyn i materiałów.

W praktyce przemysł stosuje procesy bazujące na bezpośrednim dostarczaniu energii, m.in. LENS (laser engineering net shape) oraz EBAM (electron beam additive manufacturing). Ich szczególną cechą jest to, że strumień materiału dostarczany jest przez specjalną dyszę i utwardzany za pomocą lasera lub strumienia elektronów bezpośrednio na powierzchni, na którą pada. Do istotnych zalet zalicza się możliwość druku na powierzchniach o dowolnym kształcie oraz bogaty wybór materiałów.

O Autorach

prof. dr hab. inż. Wit GRZESIK
Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny;
Katedra Technologii Maszyn i Materiałoznawstwa Prof. dr hab. inż. Wit Grzesik był wielokrotnie członkiem Komitetu Budowy Maszyn PAN, Sekcji Podstaw Technologii KBM PAN, a od 2008 r. jest członkiem Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji CIRP. Wchodzi w skład komitetów redakcyjnych i zespołów recenzentów wielu krajowych i zagranicznych czasopism naukowych.

prof. dr hab. inż. Adam RUSZAJ
Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny; Instytut Technologii Maszyn
i Automatyzacji Produkcji oraz Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu – dyrektor Instytutu Technicznego
Prof. dr hab. inż. Adam Ruszaj jest członkiem: Sekcji Podstaw Technologii KBM PAN, Komisji Inżynierii Powierzchni O/PAN w Poznaniu oraz Akademii Inżynierskiej w Polsce. Kierował wieloma rządowymi projektami badawczymi oraz wdrażał w przemyśle polskim i zagranicznym niekonwencjonalne obrabiarki i procesy technologiczne.