Badanie i modelowanie zjawiska formowana zadziorów na krawędzi przedmiotu obrabianego

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Piotr NIESŁONY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Opolska ul. Mikołajczyka Opole tel: p.nieslony@po.opole.pl Opole, r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Pawła PRESIA pt. Badanie i modelowanie zjawiska formowana zadziorów na krawędzi przedmiotu obrabianego Podstawą opracowania recenzji jest pismo Dyrektora Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej z dnia 21 października 2013 roku (I-24/N/1496/2013). 1. Charakterystyka rozprawy doktorskiej Ubytkowe kształtowanie elementów maszyn jest jedną z podstawowych technik wytwarzania przedmiotów o różnym stopniu skomplikowania, a dla wielu elementów maszyn jedyną racjonalną technologią produkcji jest obróbka ubytkowa. W ramach tej technologii znaczące miejsce przypada obróbce skrawaniem. Niejednokrotnie operacje frezarskie czy tokarskie są finalnymi operacjami produkcji, umożliwiającymi uzyskanie przedmiotów o zdefiniowanych przez konstruktorów charakterystykach mechanicznych czy geometrycznych. Zawsze zapewnienie wysokiej niezawodności wymaga przestrzegania wąskich tolerancji wymiarów jak i kształtu. W tym drugim przypadku istotnego znaczenia nabiera kształt krawędzi wyrobu, szczególnie w aspekcie możliwych do wystąpienia zadziorów. Prowadzone od wielu lat badania dowiodły negatywnego wpływu zadziorów na funkcjonalność wyrobu oraz koszt jego wytworzenia. Zadziory powstające podczas realizacji procesu obróbkowego zawsze wymagają, w celu ich usunięcia, zastosowania dodatkowych operacji technologicznych, tzw. gratowania. W wielu przypadkach kształt wyrobu utrudnia bądź wręcz uniemożliwia sprawne przeprowadzenie tych czynności (np. gratowanie nieprzelotowych otworów promieniowych w długich rurach o małych średnicach). Poznanie mechanizmów kształtowania zadziorów umożliwi racjonalne planowanie procesu technologicznego poprzez zastosowanie operacji niegenerujących zadziory na krawędziach przedmiotu obrabianego lub prowadzących do minimalizacji tego zjawiska. 1

2 Doktorant, mgr inż. Paweł Preś w swojej rozprawie doktorskiej zajął się bardzo ciekawą i aktualną tematyką badania i modelowania zjawiska kształtowania zadziorów na krawędziach przedmiotu obrabianego. Przeprowadzona przez doktoranta rzetelna i bardzo szczegółowa analiza literaturowa doprowadziła do wysunięcia wniosku o braku norm czy nawet jednoznacznych wskazówek, co do metodyki pomiaru geometrycznych parametrów zadziorów. Zmusiło to Doktoranta do ustalenia własnej metodyki, która została wykorzystana do oceny zadziorów badanych w ramach pracy. Wybór materiału obrabianego, stali C45E (jak i C45), jest trafny i godny podkreślenia. Stal ta, ze względu na swoje właściwości, jest podatna na tworzenia zadziorów, a jako materiał konstrukcyjny jest często wykorzystywana na odpowiedzialne elementy części maszyn. Z drugiej strony, stal ta jest materiałem dobrze poznanym, stosowanym jako materiał referencyjny między innymi do oceny skrawalności materiałów z grupy stali węglowych. Tak jak Autor zauważył dostępne są w literaturze tematu dobrze opisane i zdefiniowane modele konstytutywne tego materiału, między innymi w postaci równań Johnsona-Cooka, wykładniczych, Oxleya i innych. Doktorant w swojej dysertacji skoncentrował się na badaniu zjawiska powstawania zadziorów podczas obróbki toczeniem stali C45E (C45) prowadząc w szerokim zakresie dobrze zaplanowane badania eksperymentalne rzeczywistego procesu toczenia jak i badania stanowiskowe oraz modelowe. W wielu przypadkach konieczne było zbudowanie specjalnych stanowisk badawczych wyposażonych w czujniki oraz systemy analizy i akwizycji zapewniające uzyskanie wysokiej jakości pomiaru (stanowiska do pomiaru kamerą szybkoklatkową, pomiaru rzeczywistej głębokości skrawania, pomiaru i wizualizacji cech geometrycznych zadzioru). Zakres pracy jest jak najbardziej uzasadniony, ponieważ: - Zjawisko powstawania zadziorów podczas obróbki metalowych materiałów konstrukcyjnych jest jeszcze mało poznane. - Podstawowe modele konstytutywne metalowych materiałów konstrukcyjnych słabo odwzorowują zjawisko powstawania zadzioru podczas modelowania tego procesu metodami MES. - Brakuje informacji na temat metod prowadzenia procesu technologicznego w sposób eliminujący lub minimalizujący powstawanie zadziorów. W tym kontekście uważam, że wybór tematu rozprawy dotyczący badania i modelowani zjawiska formowana zadziorów na krawędzi przedmiotu obrabianego jest jak najbardziej trafny i uzasadniony. 2. Zawartość pracy Rozprawa jest obszerna, zawiera 142 strony i składa się z 11 rozdziałów. Rozdziały są przemyślanie i logicznie ułożone, a większość z nich zawiera szereg dobrze zdefiniowanych podrozdziałów. W dysertacji zawarto czytelny wykaz oznaczeń jak również wyszczególniono, mało spotykane w innych tego typu pracach, tzw. słowa kluczowe. Finalnym domknięciem pracy jest jej krótkie, merytoryczne streszczenie w języku angielskim. Praca jest bogato ilustrowana, zawiera 147 rysunków oraz 8 tabel. W związku z rozbudowanym obszarem budowy modeli konstytutywnych i modelowaniem MES zjawisk związanych z 2

3 powstawaniem zadziorów Doktorant w pracy zamieścił 40 odpowiednich wzorów matematycznych. Obszerny spis literatury zawiera 150 z reguły dobrze dobranych i cytowanych w pracy pozycji. Doktorant wykazał w literaturze rozprawy doktorskiej swój dorobek naukowy podając 2 artykuły tematycznie związane z problemem analizowanym w dysertacji. Dysertacja w rozdziale pierwszym rozpoczyna się wstępem, w którym Autor przedstawił w zwięzły sposób powód podjętej problematyki badawczej. Wyraźnie podkreślono oczekiwany przez przemysł maszynowy, głownie samochodowy, utylitarny charakter wyników pracy. W drugim rozdziale rozprawy Doktorant dokonał opisu i klasyfikacji zadziorów. Wykorzystując szeroko wiedzę i informację pozyskaną z bardzo szczegółowo przeprowadzonego rozpoznania literaturowego Autor w zwięzły sposób przedstawił stan wiedzy dotyczący klasyfikacji zadziorów, z uwzględnieniem ich podziału na główne rodzaje obróbki skrawaniem. W obszernym trzecim rozdziale Doktorant przedstawił literaturową analizę procesu odkształcania materiału na krawędzi przedmiotu obrabianego. Informacje zawarte w tym rozdziale dotyczyły samego procesu, jego przebiegu i analizy różnego typu hipotez mechanizmów kształtowania zadziorów przedstawianych w literaturze tematu. Dodatkowo Autor dokonał oceny wybranych parametrów technologicznych w aspekcie ich oddziaływania na kształt i wielkość zadziorów wraz z podaniem znanych metod zapobiegania ich powstawaniu. Czwarty rozdział zawiera modele procesu odkształcania materiału na krawędzi przedmiotu obrabianego z podziałem na modele analityczne oraz MES. W rozdziale piątym Doktorant dokonał przeglądu literaturowego metod badania procesu formowania zadziorów. Szósty krótki rozdział nawiązuje do rozdziału poprzedniego, jest jego logiczną kontynuacją i zawiera przegląd metod pomiaru cech geometrycznych zadziorów. Rozdział siódmy rozprawy zawiera jej cel i zakres wraz z poprawnie zdefiniowaną tezą pracy. Zagadnienia te zostały przedstawione w zwarty i czytelny sposób. Można zauważyć doświadczenie Doktoranta w formułowaniu zadań badawczych, co niewątpliwie wynika z nabytego doświadczenia podczas realizacji badań eksperymentalnych. Badania eksperymentalne przedstawione zostały w rozdziale ósmym oraz dziewiątym. Taki podział wynikał z planu badawczego przyjętego przez Doktoranta. Autor dysertacji założył realizację badań z podziałem na badania wstępne oraz badania główne. W ramach badań wstępnych możliwe było ustalenie parametrów technologicznych jak i innych wytycznych, co do realizacji sposobu obróbki głównych badań eksperymentalnych. Pozwoliło to Autorowi racjonalnie poprowadzić cały zaplanowany cykl badań doświadczalnych. W ramach badań wstępnych Autor przygotował również podstawowy model konstytutywny MES materiału obrabianego wykorzystany do realizacji zadań symulacyjnych. Rozdział dziesiąty dotyczył modelowania MES. Doktorant przeprowadził dwa główne cykle symulacji wykorzystując opracowany, autorski tzw. podstawowy model konstytutywny, bazujący na równaniu Johnsona-Cooka oraz jego zmodyfikowaną wersję opracowaną w wyniku walidacji wyników symulacji z eksperymentem. 3

4 Wnioski z podziałem na wnioski utylitarne oraz poznawcze Doktorant przedstawił w rozdziale jedenastym. Ostatni, nienumerowany rozdział to literatura wykorzystana w dysertacji. Podsumowując należy stwierdzić, że dysertacja została napisana bardzo starannie. Można zauważyć, że Autor dużo uwagi poświecił graficznemu opracowaniu pracy. Również język, stylistyka jak i stosowane terminy i zwroty techniczne oraz naukowe słownictwo są w tej pracy na wysokim poziomie. 3. Uwagi szczegółowe dotyczące pracy 1. W dysertacji Autor często cytuje dużą ilość pozycji literaturowych bez wskazania obszaru poruszanych tam zagadnień (str. 1, 2,. 24,. 40, 64, 66, itd.). Utrudnia to zrozumiałą analizę pracy. Pewne zmiany redakcyjne w tym zakresie poprawiłyby jakość odbioru tej pracy. 2. Ciekawy schemat współzależności pomiędzy parametrami wpływającymi na proces formowania zadzioru przedstawił Autor na rys. 29. Jego odczytanie stwarza jednak pewne problemy głownie poprzez zastosowanie gęsto i nierównomiernie rozłożonych linii odnośników (strzałek). 3. Analizując znaczenie prędkości skrawania Doktorant przedstawił na rys. 34 wykres, gdzie na osi odciętych podawał parametry skrawania, między innymi prędkość obrotową w obr/min. W tekście odnoszącym się do tego wykresu Autor prowadził analizę podając prędkości w m/min. Bez podania w tym przypadku średnicy freza oraz wykonania podstawowych obliczeń trudno to porównywać. 4. Jak w literaturze tematu cytowani przez Autora naukowcy definiują sztywność wyrobu w miejscu wyjścia narzędzia? Autor na rys. 51 oraz 52 jak i na następnej stronie (str. 44 środkowy akapit tekstu) prowadzi dywagacje na ten temat opierając się głównie na określaniu wpływu kąta W. Czy kąt ten jest powiązany z tą sztywnością? 5. Str. 48 przedstawiając wyniki badań powstawania zadzioru w powiazaniu z rodzajem chłodzenia Autor analizował między innymi wpływ CO 2. Czy jest to obróbka kriogeniczna? Jeśli tak, to czy wiadomo jaką temperaturę w strefie skrawania otrzymano? 6. Większość omówionych w rozdziale 3.3 metod zapobiegania powstawaniu zadziorów dotyczy frezowania lub wiercenia. Czy nie ma w związku z tym problemów podczas toczenia? Ma to szczególne znaczenie w aspekcie dalszych prac badawczych prezentowanych w dysertacji, gdzie Doktorant skupił się głównie na badaniach ortogonalnego procesu toczenia. 7. Równanie 4 (str. 62) Czy równanie to można przyjąć za zmodyfikowaną postać równania Johnsona-Cooka? W tym przypadku zastosowanie ogólnie przyjętej notacji symbolowej (A,B,C,n,m, itd.) ułatwiłoby czytanie tego równania (patrz równanie (5)). 8. Porównując parametry skrawania warto stosować te same jednostki (str 65-4 linia od góry). 9. Czy w przyszłości nie warto, analizując prace z obszaru optycznego pomiaru obrazów zadziorów, zwrócić uwagę na stosowane oprogramowanie do ich analizy str 68? 4

5 10. Autor podaje na str. 80, że pomiaru kształtu krawędzi skrawającej dokonano za pomocą profilografometru. Czy przeprowadzono również próby zamodelowania kształtowej powierzchni natarcia ostrza skrawającego A γ? Jak podkreślano, w badaniach nie stosowano płytek z płaską powierzchnią natarcia. Z rysunków w pracy można wywnioskować, że w badaniach symulacyjnych kształt A γ brano pod uwagę. Interesująca byłaby analizę kształtu tej powierzchni głownie w aspekcie możliwego do wyznaczenia rzeczywistego kąta natarcia występującego w obszarze bliskim krawędzi skrawającej. 11. Tabela 1 Jaki był powód przyjęcia takich parametrów równania Johnsona Cooka? 12. Dlaczego na str. 82 przyjęto v c =240 m/min, skoro badania wstępne, przedstawione w rozdz. 8, prowadzono dla v c =180 m/min? 13. Tabela 3 Czy obliczoną w tej tabeli różnicę pomiędzy wynikami badań numerycznych i eksperymentalnych należy traktować jako błąd? 14. Dlaczego badania wstępne prowadzono dla stali C45 (str. 70), a badania główne z wykorzystaniem stali C45E (str. 87)? Jaki był powód podniesienia prędkości skrawania z v c =180 m/min (badania wstępne) do 254 m/min? 15. Str. 100 Wartym podkreślenia jest fakt zastosowania interesującej metody pomiaru zadzioru czujnikiem optycznym do pomiaru odległości. Jak dokładna może być ta metoda? 16. Dla jakich temperatur prowadzono próby wytrzymałościowe? (str. 108 rys. 129). Czy próbowano realizować badania symulacyjne dla właściwości termofizycznych stali C45E zależnych do temperatury? (str tab. 4) Na stronie 110 Autor podał, że nie uwzględniał wpływu temperatury, jednak dotyczyło to procesu odkształcenia materiału. 17. Jak sam Doktorant zauważył, otrzymane w wyniku symulacji MES dla różnych parametrów technologicznych wartości temperatury (str. 115) oraz składowych siły skrawania, głównie F f, odbiegają znacząco od danych eksperymentalnych (tab. 5, 7, rys. 144). Jak to wytłumaczyć? Czy Autor może zaproponować rozwiązanie tego problemu? 18. Modelując materiał obrabiany Doktorant przyjął wiele koniecznych założeń oraz uproszczeń. Na danym etapie pracy było to dopuszczalne. Jednak warto pamiętać, że modyfikacja tych założeń (np. warunku stabilizacji, współczynnika Taylora-Quinneya) może być krokiem do optymalizacji modelu MES w celu osiągnięcia akceptowalnej zgodności z eksperymentem. 4. Uwagi redakcyjne Jak już wspomniano, rozprawa jest czytelnie napisana i bardzo starannie przygotowana pod względem redakcyjnym. Drobne błędy edycyjne można uznać za przeoczenia. Najważniejsze z nich dotyczą: - niezgodności podpisu pod rysunkami 85 i 86 z opisem w tekście dotyczy prędkości skrawania. - Rys. 100 braku informacji o głębokości skrawania a p. 5

6 - Rys. 101 braku znaczników błędu. 5. Ocena końcowa Powyższe uwagi krytyczne nie podważają istotnej treści merytorycznej rozprawy ani nie umniejszają osiągnięć Doktoranta, który udowodnił, że posiada dużą wiedzę z zakresu obróbki ubytkowej, w szczególności obróbki skrawaniem. Dodatkowo Doktorant wykazał się znacznymi umiejętnościami z zakresu matematyki stosowanej poprawnie wykorzystując rachunek macierzowy oraz tworząc i implementując do systemu MES model konstytutywny materiału obrabianego. Ponadto Doktorant wykazał się umiejętnością planowania i przeprowadzenia badań eksperymentalnych oraz modelowych, jak i opracowania i merytorycznej analizy ich wyników. Godnym podkreślenia jest fakt rzetelnego i wiarygodnego przygotowania badań eksperymentalnych włącznie z wykonaniem autorskich stanowisk badawczych. Dodatkowo Doktorant wykazał się wiedzą z obszaru modelowania metodą elementów skończonych, co pozwoliło mu przygotować adekwatne do przeprowadzonych testów eksperymentach modele symulacyjne. Uważam, że uwagi zawarte w recenzji mogą być przedmiotem analiz w dalszej działalności badawczej i publikacyjnej Doktoranta. Podkreślam, że część uwag ma charakter pytań i sugestii do wykorzystania na przyszłość. Ponadto stwierdzam, że postawione w pracy teza badawcza jak i zdefiniowany cel badawczy zostały osiągnięte. Wśród wielu badań dotyczących oceny zjawiska formowania zadziorów na krawędzi przedmiotu obrabianego mgr inż. Paweł Preś potrafił znaleźć istotny, z punktu widzenia naukowego i utylitarnego, problem badawczy, który rozwiązał samodzielnie, przyczyniając się do rozwoju dyscypliny Budowy i Eksploatacji Maszyn. Niepodważalne zalety pracy to: 1. Prawidłowo zaplanowane i przeprowadzone obszerne, wielokierunkowe badania eksperymentalne oraz modelowe. 2. Opracowanie sposobu oceny geometrii zadzioru oraz metod jej pomiaru umożliwiającego porównanie i analizę wyników badań eksperymentalnych i symulacji MES. 3. Budowa modelu numerycznego procesu odkształcania materiału na krawędzi przedmiotu obrabianego. 4. Utylitarny, oczekiwany przez przemysł maszynowy charakter wniosków wynikających z dysertacji. 6. Wniosek końcowy Całość oceny rozprawy doktorskiej mgra inż. Pawła PRESIA pt. Badanie i modelowanie zjawiska formowana zadziorów na krawędzi przedmiotu obrabianego umożliwia sformułowanie wniosku o spełnieniu warunków określonych ustawą o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 i dopuszczeniu jej do publicznej obrony przed Radą Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej w ramach dyscypliny Budowa i Eksploatacja Maszyn. 6