Dr hab. inż. Piotr NIESŁONY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Opolska ul. Mikołajczyka 5 45-271 Opole tel: +48 77 449 8460 e-mail: p.nieslony@po.opole.pl Opole, 10.09.2018r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Kamila WASZCZUKA pt. Wpływ frezowania trochoidalnego na wybrane efekty skrawania stali hartowanej Podstawą opracowania recenzji jest pismo Dziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej z dnia 12 lipca 2018 roku (W10/41d/48/2018). 1. Charakterystyka rozprawy doktorskiej Rozwój technologii obróbki skrawaniem, mimo konkurencji innych technik wytwarzania, trwa nadal w niepowstrzymany sposób. Nowoczesny przemysł maszynowy oczekuje zaawansowanych strategii obróbki w celu poprawy dokładności wykonania produkowanych przedmiotów, zmniejszenia liczby niezbędnych operacji, skrócenia czasu obróbki czy zredukowania kosztów produkcji. W wielu przypadkach osiągnięcie tych celów wymaga kompleksowych i wielotorowych działań. Jednym z kluczowych aspektów takich strategii jest zastosowanie odpowiednich technologii wytwarzania. Jedną z technologii, umożliwiającą realizowanie tych współczesnych trendów, jest skrawanie trochoidalne. Wykorzystanie zasadniczo odmiennej od obróbki konwencjonalnej trajektorii ruchu narzędzia, freza, otwiera nowe możliwości obróbcze. Stało się to możliwe dzięki nowoczesnym obrabiarkom, frezarkom CNC, o dynamicznych członach roboczych, sztywnej konstrukcji oraz zoptymalizowanych dla tego typu obróbki układach sterowania. Aktualnie strategie obróbki z wykorzystaniem frezowania trochoidalnego są już wykorzystywane w przemyśle maszynowym, jednak ich obszar możliwości zastosowania jest jeszcze słabo poznany. To interesujące i trudne zagadnienie inżynierskie zostało przez Doktoranta zauważone i stało się głównym celem pracy doktorskiej. Mimo spodziewanych problemów Pan mgr. inż. Kamil Waszczuk podjął się wyzwania oceny wpływu wybranych efektów frezowania trochoidalnego na wybrane efekty skrawania stali hartowanej, a efektem jego pracy jest przedłożona do recenzji rozprawa doktorka. 1
Jak już wspomniano, Doktorant mgr inż. Kamil Waszczuk w swojej rozprawie doktorskiej zajął się bardzo ciekawą i aktualną tematyką wpływu frezowania trochoidalnego na mechaniczne jak i geometryczne aspekty obróbki stali zahartowanej. W wykonanym szczegółowo i adekwatnie do tematu pracy przeglądzie literatury przedstawiono aktualny stan wiedzy na temat różnych strategii obróbki skrawaniem szerokiego spektrum nowoczesnych materiałów z szczególnym uwzględnieniem czy ukierunkowaniem się na technik specjalne, w tym frezowanie trochoidalne. Dokonano szczegółowej klasyfikacji frezowania trochoidalnego, z wyraźnym wyszczególnieniem odmian kształtów ścieżek trochoidalnych i sposobów ich generowania w systemach CAM oraz bezpośrednio na obrabiarkach CNC. Poprzez porównanie i ocenę możliwych ścieżek tego typu, udało się wyselekcjonować racjonalne, według Doktoranta, rozwiązanie sposobów sterowania frezem do zastosowania w testach realizowanych w niniejszej dysertacji. Zakres zaproponowanych i przeprowadzonych prac eksperymentalnych, przedstawionych w ocenianej dysertacji, jest jak najbardziej uzasadniony, ponieważ: - Dążenie do podniesienia jakości i wydajności obróbki skrawaniem jest spotykane w każdej gałęzi przemysłu maszynowego, a jedną z możliwości osiągnięcia tego celu jest wykorzystanie nowych strategii obróbki. - Ze względu na ilość możliwych strategii obróbki w ramach frezowania trochoidalnego brakuje wiedzy praktycznej o ich wpływie na jakość powierzchni obrabianej czy trwałość narzędzia podczas obróbki wybranych grup materiałów. - Poznanie fizykalnych charakterystyk takich strategii obróbki pozwala na racjonalizację, czy nawet wielokryterialną optymalizację procesu technologicznego, co Doktorant próbował już realizować poprzez zaproponowanie różnego typu modeli empirycznych. W tym kontekście uważam, że wybór tematyki rozprawy dotyczącej oceny wpływu frezowania trochoidalnego na wybrane efekty skrawania stali hartowanej jest trafny i uzasadniony. 2. Zawartość pracy Rozprawa jest edycyjnie dobrze napisana. Dysertacja ma w sumie 122 strony i wyszczególniono w niej 11 rozdziałów. Rozdziały są czytelnie, logicznie ułożone, a większość z nich zawiera szereg dobrze zdefiniowanych podrozdziałów. Praca jest dobrze zilustrowana, zawiera 64 rysunki oraz 22 tabele. Spis literatury jest bardzo obszerny i przedstawia 133, z reguły dobrze dobrane i cytowane w pracy, pozycje. Warto w tym momencie jednak wspomnieć, że Doktorant nie wykazała w literaturze swojego dorobku publikacyjnego, co trochę dziwi, ponieważ ma interesujące i tematycznie zgodne z dysertacją publikacje [Kamil Waszczuk, Paweł Karolczak, Magdalena Wiśniewska, Maciej Kowalski: Influence of the path type on selected technological effects in the trochoidal milling, Advances in Science and Technology, Vol 11/1, pp 147 153], [K Waszczuk, K Socha: Frezowanie trachoidalne sposób obróbki ubytkowej materiałów w stanie utwardzonym, Interdyscyplinarność badań naukowych, 2015]. 2
Dysertacja rozpoczyna się wprowadzeniem, w którym Autor przedstawił w zwięzły sposób powód podjętej problematyki badawczej wraz z ustaleniem podstawowego stanu wiedzy. Wyraźnie została podkreślona istotność tej tematyki badawczej i jej aplikacyjny charakter. W drugim rozdziale rozprawy Doktorant zawarł studium literatury, które można uznać za analizę zagadnienia, dzieląc ten obszar wiedzy na pięć głównych podrozdziałów oraz podsumowanie z uzasadnieniem podjęcia tematu. Przedstawione informacje dotyczą aktualnego stanu wiedzy z wyraźnym ukierunkowaniem na informacje, które zostały wykorzystane w dysertacji podczas prezentowania założeń, co do planu badawczego i zakresów realizacji pracy badawczej. Trzeci rozdział rozprawy zawiera jej tezę oraz cele do osiągnięcia. Zostało to przedstawione w zwarty i jednoznaczny sposób dodatkowo rozdzielając i precyzując cel pracy na zagadnienia główne jak i pomocnicze. Można zauważyć, że Doktorant bardzo szczegółowo przemyślał ten punkt pracy, jednoznacznie precyzując jej zakresie i ustalając konieczne do zaplanowania eksperymenty. Szczegółowe warunki i zakres badań, z podziałem na typ narzędzia, obrabiarkę wraz z ustaleniem adekwatnego planu badań, zawarł Doktorant w czwartym rozdziale. Rozdział piąty to opis wybranych trzech ścieżek ruchów trochoidalnych w ujęciu graficzno matematycznym. Szczegółowo zagadnienia związane z wpływem ścieżek frezowania trochoidalnego na chropowatość i falistość obrobionej powierzchni analizowano w rozdziale szóstym. Doktorant przedstawił te badania głównie w formie wykresów słupkowych oraz opracowanych, adekwatnych modeli matematycznych. Badania chropowatości powierzchni były prowadzone dla wykonanego w stali utwardzonej rowka, dla każdej z jego powierzchni, tj. dwóch bocznych jak i powierzchni dna rowka. Rozdział ten kończy się podsumowaniem i odpowiednimi wnioskami. W siódmy i ósmym rozdziale przedstawiono wpływ frezowania trochoidalnego na charakterystyki fizykalne procesu, głównie zmiany siły skrawania oraz temperaturę skrawania. Układ graficzny, jak i struktura opisu i analizy wyników badań zachowuje konwencję zaproponowaną w rozdziale szóstym. W ostatnim dziewiątym rozdziale, obejmujący opis i analizę badań eksperymentalnych, oceniano pływ strategii frezowania trochoidalnego na czas obróbki. Podsumowanie i wnioski Doktorant przedstawił w rozdziale dziesiątym. Oddzielnym rozdziałem jest spis literatury wykorzystanej w dysertacji. 3. Uwagi szczegółowe dotyczące pracy 1. W podrozdziale 2.3 Autor analizował kształty krzywych trochoidalnych i sposoby ich tworzenia w oparciu o programowanie CAM. W jakim celu zostało to przedstawione w nawiązaniu do dalszej, eksperymentalnej części pracy? Czy na podstawie tej oceny dokonano wyboru tych ścieżek, choć w rozdziale 5 podano, że odbywało się to na podstawie eksperymentalnych badań wstępnych? 3
2. Autor naprzemiennie używa sformułowania siły skrawania (liczba mnoga) oraz siła skrawania (liczba pojedyncza) do tego samego zjawiska czy wyniku eksperymentu. Przykładowo powołując się na literaturę [120] w jej tytule mamy z angielskiego analizę składowych siły skrawania, a Autor cytuje to w liczbie mnogiej. Czy nie warto to ujednolicić zgodnie z przyjętą nomenklaturą? Szczególnie, że z przeglądu pracy wynika, że Doktorant właściwie badał składowe siły skrawania. 3. W uzasadnieniu tematu na str.45 (podpunkt 2.6) Doktorant podaje, że Zmiana ścieżki narzędzia (w obszarze o największym kącie opasania narzędzia skrawającego) na ścieżkę trochoidalną umożliwia wykonanie zadanego kształtu w materiale zahartowanym.. Czy bez tej strategii obróbki nie byłoby to wykonalne? 4. W rozdziale 3 zdefiniowano tezę pracy. Abstrahując od sformułowania sił/siły skrawania, w jaki sposób Autor chce oceniać jakość kształtowania warstwy wierzchniej? Co konkretnie Autor rozumie, w przypadku swoich badań, pod definicją warstwy wierzchniej lub raczej technologicznej warstwy wierzchniej (TWW)? Z analizy przedstawionych wyników badań wynika, że oceniano na pewno strukturę geometryczną powierzchni (SGP). Czy coś jeszcze było wykonywane w celu oceny TWW? 5. Autorską trajektorię ruchu narzędzia, opisaną jako trochoidę typu C, przedstawiono równaniami (5). Z opisu wynika, że z t to długość krzywej tworzącej trochoidę. W jaki sposób tę długość zdefiniowano? Czy to długość łukowa, kątowa? 6. Chropowatość i falistość powierzchni oceniał Autor w rozdziale 6. Badania te prowadzono na specjalistycznym profilografometrze, który zgodnie z opisem Autora, posiada możliwość wyznaczania całego spektrum parametrów chropowatości jak i falistości (str.58). Na jakiej podstawie Doktorant zdecydował się na ocenę chropowatości tylko w oparciu o parametr Ra, a falistości w oparciu o Wa? 7. Doktorant wszystkie wyniki badań chropowatości jak i falistości dla każdej analizowanej powierzchni przedstawił w dużych, dość skomplikowanych ze względu na ilość danych, wykresach słupkowych. Niestety takie rozwiązanie graficzne utrudnia kompleksową analizę i ocenę tych wyników. Dla każdego jednak z rodzajów ścieżki trochoidalnych (A, B i C) zostały opracowane odpowiednie modele matematyczne w postaci równań regresji, przedstawione w tabelach. Czy Autor nie próbował dokonać wizualizacji tych wyników na wykresach 3D? Mimo wyznaczenia modeli o 3-ch zmiennych (Ra=f(w, v c, f z) - skok trochoidy w, prędkość skrawania v c, posuw na ostrze f z) jest to możliwe do wykonania. W takim przypadku porównanie zależności parametrów nastawczych, na jakość ocenianych powierzchni (ścianki boczne i dno rowka), jest łatwiejsze do przeprowadzenia i daje bardziej kompleksowe wyniki. 8. We wnioskach i spostrzeżeniach szczegółowych na str.79 w punkcie 3) Doktorant podaje, że wartości parametrów Ra i Wa na ściankach bocznych rowka mierzone w różnych miejscach (L1, L2, L3, P1, P2, P3) są porównywalne i niezależne od zastosowanej ścieżki trochoidalnej, a odmienne wyniki otrzymano dla obróbki konwencjonalnej. Skąd takie wnioski, skoro w tekście dysertacji nie przedstawiono na to żadnych wyników? Jeżeli istniał rozrzut wyników 4
parametrów Ra i Wa dla obróbki konwencjonalnej, to jakiej był on wielkości i czy uwzględniano to na wykresach słupkowych przedstawiających poszczególne dane? 9. W rozdz. 7 Doktorant przeprowadził ocenę wpływu skrawania trochoidalnego na składowe siły skrawania. Mimo, że metodyka badań została przedawniono szczegółowo, trudno jednoznacznie zrozumieć sposób wyznaczania uśrednionej wartości poszczególnych składowych siły skrawania. Czy do wyliczenia średniej brano pod uwagę jedynie jedno lokalne ekstremum? Jak oceniano odchylenia standardowe siły wykazane na wykresach? Czy uwzględniano zużycie narzędzia? 10. Na wykresach słupkowych przedstawiających składowe siły skrawania (rys.7.4, 7.5, 7.6) naniesiono, jako linię odniesienia, wartość siły dla frezowania konwencjonalnego. Z opisu wynika jednak, że dotyczy to głębokości a p=2mm, i prędkości v c =80 m/min, a frezowanie trochoidalne prowadzone było na 10mm i dla różnych prędkości. Czy w związku z tym można te dane porównywać? A jak wytłumaczyć fakt otrzymania prawie dla wszystkich składowych znacznie niższych wartości siły skrawania dla frezowania trochoidalnego, mimo stosowania 5-cio krotnie większej głębokości frezowania? 11. Doktorant w rozdziale 8 podjął się trudnej pracy oceny temperatury w strefie skrawania za pomocą termowizji. Zastosowanie dwóch kamer termowizyjnych jest ciekawym podejściem, a metodologia przygotowania eksperymentu jest w większości poprawna. W tab.8.2 Autor wyraźnie wskazał miejsce pomiaru temperatury. Znajduje się ono na powierzchni górnej obrabianego materiału na styku narzędzia z materiałem podczas kształtowania rowka. Sam wybór miejsca pomiaru jest poprawny, jednak interpretacja wyników może być dyskusyjna. Doktorant na rys.8.2 porównuje temperatury dla skrawania trochoidalnego oraz obróbki konwencjonalnej przy a p=2mm. W tym przypadku strefa dekohezji leży dużo płycej i to może wpływać na zwiększony odczyt temperatury. Jest to jednak uwaga dyskusyjna, do rozważenia podczas planowania kolejnych eksperymentów. 4. Uwagi redakcyjne Rozprawa jest starannie napisana. Drobne błędy stylistyczne i edycyjne (str.18, 23, 25, 31, Tab.10.5 na stronie 73, rys.2.14 i 2.23 bez opisu krzywych, rys.2.27 ze względu na brak koloru trudny do oceny, błąd opisu kodu str.51, błędny opis na rys.7.6, itp) nie wpłynęły istotnie na jakość pracy. Rozdziały redagowane są czytelnie, zarówno pod względem stylistycznym jak i edycyjnym. W pracy zachowano jednorodny i dobrze przemyślany układ graficzny, co ułatwia jej zrozumienie. Czytając poszczególne rozdziały, głównie obejmujące badania eksperymentalne, widoczna była szczególna staranność w zakresie estetyki informacji graficznych (rysunków, wykresów itd.). Doktorant próbował przedstawić dużą ilość informacji na jednym, dużym wykresie. Takie podejście pozwala na szybszą analizę wyników, jednak w niektórych przypadkach utrudnia to ocenę szczegółów. 5
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 skrawaniem, a w szczególności z programowania i analizy skomplikowanych torów ruchu narzędzi frezarskich. Dodatkowo Doktorant wykazał się znacznymi umiejętnościami z zakresu planowania i przeprowadzenia badań eksperymentalnych jak i opracowania i merytorycznej analizy ich wyników. Uważam, że uwagi zawarte w recenzji mogą być przedmiotem analiz w dalszej działalności badawczej i publikacyjnej Doktoranta. Szczególnie duże znaczenie może to mieć w kontekście poznania wad i zalet frezowania trochoidalnego materiałów w stanie twardym i może wpłynąć na możliwości dalszej racjonalizacji czy wielokryterialnej optymalizacji tego procesu. Podkreślam, że część uwag ma charakter pytań i sugestii do wykorzystania na przyszłość. Ponadto stwierdzam, że postawione w pracy główne jak i pomocnicze cele zostały osiągnięte. Reasumując, wśród wielu nowych zagadnień spotykanych w nowoczesnej obróbce skrawaniem mgr inż. Kamil Waszczuk potrafił znaleźć istotny, z punktu widzenia naukowego i utylitarnego, obszar badawczy, w ramach którego możliwe stało się zbadanie wpływu frezowania trochoidalnego na wybrane efekty skrawania stali hartowanej. Wynikiem pracy Doktoranta jest niniejsza dysertacja, której efekty niewątpliwie przyczyniły się do rozwoju dyscypliny definiowanej jako Budowa i Eksploatacja Maszyn. Niepodważalne zalety pracy to: 1. Ocena i wyselekcjonowanie stabilnych, z punktu widzenia technologicznego, ścieżek narzędzia o ruchu trochoidalnym. 2. Zaproponowanie autorskiej ścieżki trochoidalnej i eksperymentalne potwierdzenie jej przydatności do obróbki rowków w materiale utwardzonym. 3. Wielokryterialna próba oceny wpływu rodzaju ścieżek trochoidalnych na geometryczne jak i fizykalne aspekty kształtowania rowka w materiale utwardzonym. 4. Próba oceny temperatury podczas frezowania z wykorzystaniem termowizji. 5. Zdefiniowanie utylitarnych wniosków o dużym potencjale aplikacyjnym. 6. Wniosek końcowy Całość oceny rozprawy doktorskiej mgra inż. Kamila WASZCZUKA pt. Wpływ frezowania trochoidalnego na wybrane efekty skrawania stali hartowanej 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 (Dz.U. 2003 nr 65 poz. 595). W związku z powyższym wnioskuję do Rady Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej o przyjęcie tej rozprawy i o dopuszczenie Autora, mgra inż. Kamila WASZCZUKA, do jej publicznej obrony w ramach dyscypliny Budowa i Eksploatacja Maszyn. 6