Prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak Politechnika Koszalińska RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr inż. Magdaleny WIŚNIEWSKIEJ z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej nt.: CIĘCIE MATERIAŁÓW TRUDNOOBRABIALNYCH STRUNAMI O RÓŻNEJ KONSTRUKCJI I METODYKA OCENY ICH WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH Promotor: dr hab. inż. Bożena CIAŁKOWSKA prof. nadzw. Politechniki Wrocławskiej Koszalin, wrzesień 2015
2 Prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak Politechnika Koszalińska RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr inż. Magdaleny WIŚNIEWSKIEJ z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej nt.: CIĘCIE MATERIAŁÓW TRUDNOOBRABIALNYCH STRUNAMI O RÓŻNEJ KONSTRUKCJI I METODYKA OCENY ICH WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH Promotor: dr hab. inż. Bożena CIAŁKOWSKA prof. nadzw. Politechniki Wrocławskiej Ocenę rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Wiśniewskiej z Politechniki Wrocławskiej, której promotorem jest dr hab. inż. Bożena Ciałkowska, przedstawiam na podstawie tekstu rozprawy, a także znanych mi prac opublikowanych i wykonanych przez doktorantkę. 1. Ocena tematu i koncepcji pracy Przecinanie narzędziami strunowymi jest nowoczesną technologią, której zwiększające się znaczenie wynika z rozwoju i upowszechnienia procesorów i wielu innych układów elektronicznych, a także z rozwoju różnorodnych zastosowań mikroinżynierii. Od pierwszych prac badawczych i rozwiązań technologicznych minęło już 50 lat, jednak dopiero w ostatnich 20 latach opracowano wiele nowych rozwiązań narzędzi i urządzeń technologicznych do wydajnego wielostrunowego przecinania elementów z materiałów trudnoobrabialnych. W Polsce pierwsze prace badawcze dotyczące cięcia strunowego realizowane były pod kierunkiem dr hab. inż. Bożeny Ciałkowskiej w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, czego efektem było wiele innowacyjnych rozwiązań i wyników badań ważnych dla rozwoju tej technologii.
3 Opracowane zostały teoretyczne i doświadczalne podstawy procesów cięcia struną z uwzględnieniem lokalnej i globalnej sprężystości i podatności struny, a także rozwiązane zostały problemy minimalizacji energii obróbki i uzyskiwania wysokiej dokładności. Znaczny postęp technologiczny nastąpił również w wyniku upowszechnienia metody przecinania wielostrunowego w zawiesinie ściernej, a także zastosowania strun o znacznej długości nawet kilkunastu tysięcy metrów. Znaczne możliwości dalszego rozwoju związane są z doskonaleniem technologii i obniżaniem kosztów strun zbrojonych trwale, a także zwiększaniem prędkości cięcia nawet do 35 m/s. Rozprawa doktorska poświęcona jest problemom nadzorowania procesu i rozwojowi nowoczesnych narzędzi do cięcia strunowego. Wybór tematu i zakresu pracy oceniam pozytywnie, jako ważnego dla nowych technologii maszyn, w tym zwłaszcza technologii mikroobróbki, a w przyszłości nawet nanoobróbki. Sformułowanie tematu rozprawy Cięcie materiałów trudnoobrabialnych strunami o różnej konstrukcji i metodyka oceny ich właściwości użytkowych kieruje uwagę czytelnika na czynność, więc może lepsze byłoby sformułowanie: Procesy cięcia Wymieniając wiele zalet i korzyści, wynikających z zastosowania operacji przecinania strunowego, takich jak niska koncentracja energii w strefie obróbki, małe siły w kierunku prostopadłym do powierzchni cięcia i podatność układu technologicznego, w porównaniu do innych metod, należy także wskazać na możliwość osiągania wysokiej dokładności w przecinaniu przedmiotów o dużej wysokości (grubości) i możliwości przy tym wycinania bardzo cienkich płytek. Tematyka pracy jest zatem nowatorska i ważna dla obecnych i przyszłych zastosowań. Wybór tematu i koncepcję rozwiązania problemów naukowych oceniam wysoko. Zakres zagadnień ujętych w rozprawie jest komplementarny, a uzyskane wyniki mają dużą wartość naukową i aplikacyjną. 2. Cele, teza i zakres pracy Autorka, na podstawie starannie przeprowadzonych analiz kierunków rozwoju badanych technologii, stwierdza, że do 2020 roku około 70% krzemowych płytek podłożowych będzie uzyskiwanych dzięki cięciu strunami zbrojonymi trwale. Dlatego mogę stwierdzić, iż Doktorantka dobrze określiła problemy wymagające rozwiązania i poprawnie zaplanowała swoje badania. Najważniejsze cele rozprawy wynikają z potrzeby wzbogacenia wiedzy o mechanizmach zużywania się strun zbrojonych trwale, kryteriach oceny ich stanu oraz opracowania podstaw optymalizacji parametrów procesu przecinania diamentowymi strunami zbrojnymi trwale.
4 W rozprawie doktorskiej przedstawiona została analiza zużycia narzędzi w zależności od technologii wytwarzania i wybranych parametrów procesu. Doktorantka opracowała modele matematyczne wpływu parametrów obróbki na wydajność cięcia i chropowatość powierzchni. Powstały również postawy doboru rodzaju struny i parametrów przecinania, zapewniających wysoką wydajność dla określonych wymaganych cech stereometrycznych obrabianej powierzchni. Teza pracy wynika z dążenia do podwyższenia stabilności procesu, w którym występuje złożony mechanizm kumulacji wielu zjawisk, zmiennych podczas procesu, głównie ze względu na zużywanie się powierzchni czynnej struny zbrojonej trwale. Autorka uwzględnia przy tym, że technologia wytwarzania narzędzi strunowych ma duży wpływ na ich trwałość oraz formy zużycia. Przeprowadzone analizy dorowadziły do następującej tezy pracy: Identyfikacja stanu czynnej powierzchni struny ściernej zbrojonej trwale jest podstawą do zbudowania syntetycznego opisu jej udziału w procesie przecinania i uzyskania określonych efektów obróbkowych. W zapisie tezy pracy występuje niewielka usterka sformułowania zamiast jej udziału byłoby lepiej: jej wpływu na proces i wyniki przecinania. Zbiór cech, które będą charakteryzowały stan czynnej powierzchni struny, czytelnik odnajduje dopiero pod koniec pracy, przy czym cechy te są raczej analizowane w odniesieniu do porównywanych narzędzi, jako przypadków, co jeszcze nie tworzy oczekiwanego uogólnienia. 3. Rozwiązane problemy naukowe Dobór zakresów wartości zmiennych wejściowych oraz siły naciągu struny oceniam jako poprawny. Zapewniono stałą wartość ugięcia obu typów strun wynoszącą 3,5 mm oraz bezpieczne obciążenie strun siłą rozciągającą. Zakres prędkości skrawania mieścił się w przedziale 5-25 m/s. Wartości siły docisku materiału do struny określono na podstawie badań wstępnych. W badaniach wykorzystano dwa rodzaje narzędzi strunowych zbrojonych trwale ziarnami diamentowymi, w jednym rozwiązaniu utwierdzanymi na powierzchni narzędzia w spoiwie niklowym przez elektrolityczne nakładanie warstwy niklu w procesie galwanizacji, a w drugim, z ziarnami osadzanymi na powierzchni struny przez mechaniczne wgniatanie. Właściwie dobrano i uzasadniono wybór obrabianych materiałów, którymi były: porcelana elektrotechniczna, krzem, fluorek wapnia oraz granat itrowo glinowy.
5 Do ważnych osiągnięć rozprawy należą: Opracowanie metodyki oceny stanu czynnej powierzchni narzędzi strunowych oraz metodyki przetwarzania danych z obrazów mikroskopowych. Opracowanie podstaw doboru parametrów procesu przecinania, które zapewnia uzyskanie określonych efektów obróbkowych, przy czym uwzględnia się prognozowane zmiany stanu czynnej powierzchni strun trwale zbrojonych. 3. Ocena poziomu naukowego i osiągnięć rozprawy Poziom naukowy rozprawy oraz jej zakres oceniam pozytywnie. Rozważania zawarte w rozprawie są spójne, dotyczą wielu złożonych problemów i zjawisk o znacznej różnorodności cech fizycznych. Metodyka badań została opracowana z wykorzystaniem nowoczesnych procedur badawczych oraz nowoczesnej aparatury. Wymagało to od Doktorantki bardzo dobrego przygotowania i przeznaczenia na procedury eksperymentalne znacznego nakładu pracy. Praca doktorska w dobrym stopniu spełnia postulat, iż celem realizacji eksperymentów nie jest tylko akwizycja danych, lecz przekształcenie ich w wiedzę i ulepszenie stanu obiektów lub procesów. Uwagi dotyczące niektórych aspektów metodyki badań i analizy wyników zostały przedstawione poniżej. 1. Wybór postaci modeli wydajności przecinania, jakości powierzchni po cięciu (parametry chropowatości powierzchni) oraz zużycia strun w postaci wielomianowej zależności stopnia drugiego od prędkości skrawania i siły docisku, trudno uzasadnić cechami procesu. Zależności te opisują różne wielkości wyjściowe, więc trudno oczekiwać jednakowej postaci dla wszystkich. 2. Można łatwo wykazać, iż określona zmiana, choćby jednej wartości w zbiorze danych (uzasadniona statystycznie), w zależnościach wielomianowych może powodować znaczne, a niekiedy nawet wielokrotne zmiany wartości współczynników modelu, a nawet zmiany znaku wartości tych współczynników. O wadach takiego modelu, dla wartości poza zakresem wielkości wejściowych, można się łatwo przekonać, zwłaszcza dla wielomianów wyższego rzędu. Współczynniki wielomianu nie pozostają w relacji do cech badanych zależności. 3. Dla zależności opisującej wydajność (dla struny HK) dla prędkości skrawania równej zero wydajność jest dla siły docisku poniżej 5 N ujemna, a powyżej 5 N dodatnia, co jednak w obu zakresach nie jest poprawne, bowiem skrawanie nie następuje.
6 4. Tworzenie modelu, może mieć znaczenie informatyczne lub poznawcze. Poszukiwanie postaci modelu o najwyższym współczynniku korelacji nie zawsze ma uzasadnienie. Nie ma go zwłaszcza, gdy postać modelu nie wynika z cech procesu i jest sprzeczna ze stanem procesu dla zerowych wartości zmiennych niezależnych oraz wartości większych od analizowanych. Można się wówczas spodziewać, że dla każdego kolejnego zbioru danych, odpowiadającego kolejnej realizacji, nawet bez zmian wartości oczekiwanej i określonej miary rozproszenia wyników, otrzyma się inną funkcję aproksymującą. 5. W przypadku, gdy postać modelu nie wynika ze znanych cech opisywanej zależności, można również poszukiwać takiej postaci modelu, który nie jest wrażliwy na statystycznie uzasadnione zmiany danych, na przykład dla kolejnej realizacji procesu. Rozprawa jest napisana w sposób czytelny i przemyślany. Jednak zdarzają się skróty myślowe i nieścisłości. Odnoszę się do niektórych. W spisie oznaczeń liczne cechy nie mają podanych jednostek (H twardość materiału, która dalej występuje we wzorze i nie jest kategorią), zjawiska i parametry mają wspólną nazwę np. Q zużycie narzędzi ściernych. Na stronie 22 w opisie złożoności procesów produkcyjnych pojawia się stwierdzenie nie pozwala spać spokojnie. W analizie literatury dotyczącej siły normalnej (str. 33) przyjęto nie dość krytycznie, że wartość siły zależy liniowo od twardości, co trudno byłoby uzasadnić wobec znacznego zakresu zagłębień ziaren (od zera do kilku mikrometrów). Na stronie 66 Ziarna rozmieszczone są w miarę równomiernie na średnicy narzędzia. Zapewne na obwodzie. Na stronie 81 wydajność przecinania dla narzędzi nowych jest o 70% większa niż dla pracujących. Mimo powyższych uwag uważam, że oceniana praca doktorska charakteryzuje się dobrym poziomem naukowym, znacznym zakresem badań, dużą wartością wyników dla innych naukowców i znacznym potencjałem aplikacyjnym. Autorka wykonała wartościową pracę naukową, wymagającą licznych i pracochłonnych badań oraz zastosowała nowoczesne unikatowe stanowisko badawcze i wysokiej jakości aparaturę badawczą.
7 5. Wniosek końcowy W wyniku analizy rozprawy mgr inż. Magdaleny WIŚNIEWSKIEJ z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej nt.: Cięcie materiałów trudnoobrabialnych strunami o różnej konstrukcji i metodyka oceny ich właściwości użytkowych, której promotorem jest dr hab. inż. Bożena Ciałkowska, mogę stwierdzić, iż Autorka: wybrała temat rozprawy ważny dla opracowania, rozwoju i upowszechnienia nowych metod cięcia diamentowymi strunami trwale zbrojonymi elementów z materiałów trudnoobrabialnych, opracowała podstawy doboru narzędzi i parametrów procesu, dzięki czemu praca przyczynia się do rozwoju i upowszechnienia nowych metod obróbki, przyjęła szeroki i spójny zakres zagadnień rozpatrywanych w rozprawie, uzyskała wyniki, które mogą być wykorzystane w innych pracach badawczych, dokonała poprawnych uogólnień, dotyczących efektywnego stosowania strun trwale zbrojonych w przecinaniu materiałów monokrystalicznych, ceramicznych oraz stosowanych w optyce i mikroinżynierii, co pozwala wyrazić opinię, iż rozprawa w dobrym stopniu spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim. Wnoszę o jej przyjęcie i dopuszczenie do publicznej obrony.