Prof. dr hab. inż. Józef Gawlik Politechnika Krakowska Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgr inż. Rafała Jarosława Subbotko, nt.: Możliwości zwiększenia efektywności wiercenia głębokich otworów wiertłami monolitycznymi z węglików spiekanych. Promotor rozprawy doktorskiej: prof. dr hab. inż. Aleksander Streubel Podstawa opracowania: zlecenie W10/41d/120/2015 z dnia 17.12.2015 r. Dziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej 1. Zakres i charakterystyka rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa zawiera 169 stron, a w tym: 1 strona streszczeń w j. polskim i w j. angielskim 2 strony spisu treści spis treści, 5 stron spis literatury (77 pozycji). Praca składa się z dziesięciu rozdziałów. Uwagi: temat pracy: Możliwości zwiększenia efektywności wiercenia głębokich otworów wiertłami monolitycznymi z węglików spiekanych różni się od tematu podanego w streszczeniu: Efektywność wiercenia głębokich otworów wiertłami nowej generacji. Aczkolwiek treść streszczenia zawiera istotę opracowania w odniesieniu do tematu rozprawy, to wg mnie bardziej odpowiednim byłby temat zawarty w streszczeniu; co uzasadnia numeracje rozdziałów: 10. Podsumowanie, 12. Literatura, a rozdział 11? We wstępie rozdział 1 Autor rozprawy słusznie podkreśla, że: przy ostatecznym wyborze metody wiercenia długich otworów należy kierować się efektami technologicznymi obróbki i ekonomiką procesu. Uwaga: w jakim sensie. mechanika procesu wiercenia wymaga nowego podejścia (s.4)? W rozdziale 2 jest zawarty aktualny zakres wiedzy nt. konstrukcji i geometrii wierteł, materiałów stosowanych na wiertła, ostrzenia i korekcji ostrzy wierteł. Z uwagi na aplikacyjny charakter podjętych badań, Doktorant szereg informacji czerpie z materiałów firmy Gühring, czołowego producenta wierteł (przykłady: tab.2.2.1 oraz tab.2.3.1.) Wzrost zastosowań materiałów konstrukcyjnych o podwyższonych właściwościach mechanicznych (często są to także materiały trudnoskrawalne) uzasadnia dobór warunków eksploatacyjnych narzędzi do obróbki tych materiałów. Z kolei współczesne narzędzia, w tym wiertła, są wykonywane z węglików spiekanych z warstwami odpornymi na zużycie (np.: TiN, TiC, TiAlN i ich różnymi kompozycjami). Korzystny wpływ pokryć przejawia się nie tylko w obniżeniu intensywności ściernego zużycia ostrzy i ograniczeniu powstawania narostu (wskutek zmniejszenia współczynnika tarcia), ale również w zmianach rozkładu i intensywności strumieni cieplnych w strefie obróbki, zmniejszeniu szybkości procesów adhezyjnych i dyfuzyjnych. Modyfikacje składu i budowy pokryć (np. pokrycia MOVIC na osnowie MoS 2, powłoki wielowarstwowe FIRE i inne przykłady tab.2.3.1) stwarzają nowe możliwości obróbki materiałów o podwyższonych właściwościach mechanicznych (przykład rys.2.3.4 i rys.2.3.5.) 1
Nowym zagadnieniem jest częściowe zastępowanie wierteł lufowych wiertłami z węglików spiekanych z wewnętrznymi kanałami, doprowadzającymi płyn (głównie ciecz) do strefy obróbki, do wykonywania długich otworów. Zależnie od metody ostrzenia i korekcji zmieniają się warunki pracy ostrzy wiertła, a zatem i obciążenie siłą poosiową i momentem skrawania. Biorąc pod uwagę powszechność stosowania operacji wiercenia, a także złożoność warunków pracy wiertła w procesie obróbki, podjęcie zaproponowanego tematu pracy doktorskiej uznaję za uzasadnione. Rozdział 3 zawiera informacje nt. cieczy obróbkowych i ich roli w procesie obróbki. Doktorant podkreśla między innymi znaczenie sposobu podawania cieczy do strefy obróbki, jak i aktualnego trendu dotyczącego minimalizacji ilości podawanej cieczy do strefy skrawania, związanego z ochroną środowiska. Od rodzaju zastosowanej cieczy obróbczej (a ściślej jej właściwości) zależą efekty obróbki, np. chropowatość obrobionej powierzchni (rys.3.2.12). W rozdziale 4 Autor rozprawy omawia charakterystykę zjawisk i charakterystycznych cech procesu wiercenia, koncentrując się kolejno na: zużyciu ostrzy wierteł krętych; trwałości wierteł; przekroju warstwy skrawanej; oporach i temperaturze przy wierceniu; dokładności wykonywanych otworów; chropowatości powierzchni otworów oraz zmian fizykalnych właściwości warstwy wierzchniej. Za ważne aspekty z punktu widzenia zastosowań przemysłowych uznaję: zwrócenie przez Doktoranta uwagi na problemy obróbki materiałów trudnoskrawalnych; na nieuzasadnione w wielu przypadkach uogólnianie wzorów na składowe siły skrawania tylko poprzez wprowadzanie dodatkowych współczynników poprawkowych; na możliwość uzyskania lepszej jakości otworów (dokładności wymiarowo-kształtowej i gładkości powierzchni) dzięki zastosowaniu nowych materiałów i konstrukcji wierteł oraz wyższych wartości parametrów skrawania. Uwagi ogólne: Część podstawowych informacji, dotyczących między innymi geometrii ostrzy wierteł krętych (rys.2.6.1), operacji wiercenia z zastosowaniem chłodzenia (rys.3.3.1, rys.3.3.5), komputerowego zapisu oporów skrawania (rys.4.4.3) można by pominąć bez uszczerbku dla całości pracy; w podpisach pod rys.3.4.3 rys.3.4.5 należałoby uściślić, że przyrost oporów skrawania, jak i chropowatości powierzchni zależy bezpośrednio od przyrostu zużycia ostrzy, a pośrednio od czasu wiercenia; komentarz do rys.4.5.4 (s.67), iż prędkość skrawania ma wpływ...również na stabilność procesu większe rozrzuty wyników nie jest merytorycznie poprawny. Jeśli ze wzrostem prędkości skrawania (prędkości obrotowej wiertła) następuje pogorszenie stabilności procesu, to świadczy to małej sztywności układu obróbkowego i zbliżaniu się do zakresu drgań rezonansowych; praca dotyczy wykonywania otworów, to nie rozumiem, w jaki sposób można uzyskać błędy siodłowości i baryłkowości za pomocą wiertła (rys.4.6.1.4.) Podsumowując analizę zagadnień związanych z wykonywaniem otworów techniką wiercenia stwierdzam, że zawiera ona istotne informacje w odniesieniu podjętego tematu rozprawy doktorskiej. Brak jest podsumowania tej analizy i wyraźnego stwierdzenia, jakie badania powinny podjęte, aby uzupełnić wiedzę w tych obszarach, które Doktorant uznaje za niejasne, niekompletne, itd. 2
Jednakże biorąc pod uwagę powszechność stosowania operacji wiercenia, a także złożoność warunków pracy wiertła, podjęcie zaproponowanego tematu pracy doktorskiej uznaję za uzasadnione i ważne w aspekcie poznawczym oraz utylitarnym. Rozdziały 5-6 zawierają cel i zakres badań ( uwaga: te dwa rozdziały można było połączyć w jednym). Cel pracy to: analiza warunków wiercenia głębokich otworów (powyżej 5D) wiertłami krętymi nowej generacji Konieczne będzie ustalenie warunków skrawania, które nie spowodują zniszczenia katastroficznego wiertła, a jednocześnie zapewnią określone efekty technologiczne obróbki. Koniecznym będzie również przeprowadzenie analizy ekonomicznej procesu wiercenia. Uwaga: analiza jest wykonywana po to, aby określić te zagadnienia, które powinny być uzupełnione poprzez proponowane badania, aby osiągnąć planowane cele. Te cele zostały wprawdzie ujęte w następnych sformułowaniach: konieczne, koniecznym., ale lepiej było je zredagować w formie zdań orzekających. Cele pracy uznaję za uzasadnione i ważne szczególnie w odniesieniu warunków produkcji przemysłowej. Sformułowana teza zawiera ważne z poznawczego i utylitarnego punktu widzenia elementy, bowiem dotyczy rozpoznania zjawisk fizycznych w procesie wiercenia długich otworów oraz istotny dla praktyki przemysłowej aspekt racjonalnego doboru warunków obróbki przy uwzględnieniu kryterium ekonomicznego. Uważam, że powinno tu być użyte słowo hipoteza zamiast teza, bowiem teza w sensie logiczno-matematycznym jest częścią twierdzenia, które należy udowodnić na podstawie przyjętych przesłanek, przy określonych założeniach (warunkach początkowych, ograniczeniach). Natomiast hipoteza jest założeniem opartym na prawdopodobieństwie, wymagającym sprawdzenia, mającym wyjaśnić określone prawo lub zjawisko, a tego właśnie dotyczy opiniowana rozprawa. W rozdziale 7 zostały sprecyzowane warunki przeprowadzenia badań, a więc: przeprowadzenie badań laboratoryjnych i przemysłowych; stanowiska badawcze obrabiarki o różnych układach kinematycznych i możliwościach obróbkowych; wiertła kręte o różnych parametrach konstrukcyjnych oraz wiertła lufowe jednoostrzowe (tab.7.2.1); cztery rodzaje obrabianych materiałów o różnej wytrzymałości na rozciąganie (tab.7.3.1); dwa gatunki cieczy obróbczej. Charakterystyki stanowisk, narzędzi i materiałów zostały przedstawione w pracy (s.88 s.93.) Uwaga: sformułowanie niejasne (s.88): badania były prowadzone w Berlinie i Leitz (Niemcy), gdyż Berlin to miasto, Leitz to firma. Z kolei na.s.119 jest podane, że badania laboratoryjne wierteł węglikowych były prowadzone w Centrum Badawczo Rozwojowym firmy Gühring w Sigmaringen-Laiz. Zasadnicza część rozprawy doktorskiej, zawierająca wyniki badań została zawarta w rozdziałach 8. Przedstawione wyniki badań dotyczą wyznaczenia charakterystyk zastosowanych narzędzi, tj.: badania jakości narzędzi, obejmujące.: poprawność wykonania części roboczej (rys.8.1.1 rys. 8.1.3) oraz cechy konstrukcyjne zmianę średnicy w części roboczej wierteł (rys.8.1.5) z grupy GT 100; 3
charakterystyki sztywnościowe, oceniane za pomocą kąta skręcenia pod obciążeniem momentem skręcającym (rys.8.2.1 rys.8.2.2) oraz wyboczenie pod obciążeniem siłą osiową (rys.8.2.3 rys.8.2.4). Uwaga: w podpisie rys. 82.1 rys. 8.2. powinno być wartość kąta skręcenia zamiast wielkość kąta skręcenia Niejasne jest też zdanie (s.83): Na rysunkach umieszczono również wartości obliczeniowe, przyjmując kąt skręcenia φ = 1. Z uwagi na zróżnicowaną konstrukcję wierteł i właściwości obrabianych materiałów zostały zastosowane zróżnicowane parametry skrawania (rys.8.3.1, rys.8.3.5, rys.8.3.8, rys.8.3.11) Interesująca i ważna dla określenia warunków niezwodnej pracy wierteł jest analiza kształtu wiórów (przykłady rys.8.3.2 rys.8.3.3, rys.8.3.6 rys.8.3.7, rys.8.3.9 rys.8.3.10, rys.8.3.12 rys.8.3.13) powstających przy wierceniu długich otworów. Ze wzrostem długości wierconego otworu zmniejsza się ilość cieczy doprowadzanej do strefy obróbki (ry.8.4.1), przez co obniża się skuteczność odprowadzania ciepła. Potwierdza to wzrost temperatury na ostrzach wiertła ze wzrostem długości wykonywanego otworu (rys.8.5.1 rys.8.5.3). Uwaga: analizując rys.8.5.4 należy zwrócić uwagę, że oprócz oczywistego wpływu prędkości skrawania (wyższa wartość energii dostarczanej do strefy obróbki), zaznacza się także wpływ długości wierconego otworu (utrudnione warunki odprowadzania wiórów). Interesujące są również wyniki pomiarów temperatury w procesie wiercenia z zastosowaniem techniki termowizyjnej (rys.8.5.1.1 rys.8.5.1.2). O przebiegu procesu obróbki istotną informację zawierają wyniki pomiarów oporów skrawania (sił i momentów wiercenia, s.108 s.116.) Zostały one przedstawione na rys. 8.6.2 rys.8.6.5. Te wyniki mogą (i powinny) być wykorzystane do doboru warunków obróbki, w szczególności z uwagi na sztywność wierteł. Uwaga: nie znajduję uzasadnienia do przytaczania w tym rozdziale wyników oporów wiercenia z wcześniejszych badań (rys.8.6.1, rys.8.6.6 rys.8.6.10), prezentowanych w literaturze [3,4, 26, 32, 49]. Obszernie zostały udokumentowane wyniki pomiarów zużycia ostrzy badanych wierteł (s.115 s.129; rys.8.7.1 rys.8.7.10.) wraz z komentarzem tych wyników. Na rysunkach zostały przedstawione wartości średnie z 3 pomiarów. Uwagi: do pełnego opisu wyników badań powinno się oszacować niepewność pomiarów. W podpisie pod rys.8.7.10 jest informacja, że materiałem obrabianym był GG200 (pomyłka, czy rzeczywiście tak było?) Druga grupa wyników dotyczy prób wykonanych wiertłami węglikowymi GT100T. Badania laboratoryjne zostały wykonane w Centrum Badawczo Rozwojowym firmy Gühring w Sigmaringen-Laiz. Wyniki testów zużycia zostały przedstawione na rys.8.7.1.1 rys.8.7.1.5 oraz rys.8.7.1.13 rys.8.7.1.15, a bogata dokumentacja fotograficzna stanu zużycia ostrzy na rys.8.7.1.6 rys.8.7.1.12. Porównawcze wyniki badań trwałości wierteł RT100T zostały ujęte na rys.8.7.1.16. Uwagi: jak interpretować sformułowania: wykruszenie w centrum (rys.8.7.1.16) oraz uzyskane wyniki badań trwałości wierteł odznaczały się znacznie wyższą stabilnością (s.129)? Dla praktyki przemysłowej istotne są technologiczne efekty wiercenia (s.129 s.147; rys.8.8.1.2 rys.8.8.4.7.) Efekty te były oceniane za pośrednictwem błędów kształtu i chropowatości powierzchni wykonanych otworów. Doktorant podaje, że błędy kształtu zmierzono kilkoma metodami. 4
Uwagi: czy to były różne metody, czy też różne techniki pomiaru? Co uzasadnia dobór przyrządu pomiarowego, który zapewniał dokładność pomiaru 0,5 μm? W komentarzu do rys.8.8.1.2 jest informacja (s.190), że: jakość otworu ulega poprawie w miarę docierania się wiertła, a dokładność mieściła się w klasie IT8. Wg mnie na wyjściu wiertła z otworu zasadniczy wpływ ma prowadzenie wiertła w już wykonanym otworze, a docieranie ma w tym przypadku zdecydowanie mniejszy wpływ na błędy kształtu. Kolejne badania Doktoranta wykazały, że strategia wiercenia otworów (zastosowanie wiertła pilotującego pilotującego, wartość posuwu, okresowe wycofywanie wiertła w trakcie wiercenia) może wpływać na dokładność wymiarowo-kształtową przy wierceniu długich (głębokich) otworów (rys.8.9.1.1 rys.8..9.4.1.) W podsumowaniu tych badań Autor rozprawy stwierdził między innymi, że: wykonanie otworu wstępnego ma znaczący wpływ na prostoliniowość otworu (sformułowanie średnią prostoliniowość jest dyskusyjne); wzrost posuwu pogarsza prostoliniowość wierconego otworu; zmniejszenie różnicy średnic wiertła pilotującego i wiertła głównego polepsza prostoliniowość wykonywanych, głębokich otworów. Uwaga: tytuł podrozdziału 8.9.1 sugeruje, że otwory wierci się strategią (a nie wiertłami). O zastosowaniu określonej techniki wiercenia otworów decydują, oprócz wskaźników technologicznych, także koszty narzędzi rozdział 9. Doktorant przedstawił zwięzłą analizę kosztów wytwarzania dla operacji wiertarskich (s.148 s.160) odnosząc ją do przeprowadzonych badań w ramach opiniowanej rozprawy. Jest to wartościowy materiał, ważny dla praktyki przemysłowej, bowiem Autor rozprawy wykazał, że wprowadzając wiertła nowej generacji RT100T do wiercenia głębokich otworów, osiąga się lepsze wskaźniki ekonomiczne (próg rentowności) w porównaniu do wierteł dotychczas stosowanych. W podsumowaniu rozdział 10 Autor rozprawy zwrócił uwagę na konieczność przeprowadzenia wnikliwej analizy uwarunkowań technicznych, technologicznych i kosztów przy opracowywaniu technologii wiercenia długich otworów z uwagi na złożone warunki tego procesu. Wiertła nowej konstrukcji z kanałami doprowadzającymi ciecz obróbczą do strefy skrawania, wykonane z węglików spiekanych, umożliwiają wiercenie z wysokimi prędkościami skrawania przy zachowaniu dużej ich trwałości. We wnioskach i spostrzeżeniach (s.162 s.164) Doktorant podkreśla znaczenie nowej generacji wierteł pełnowęglikowych, których główną cechą jest ich wysoka jakość wykonania. Umożliwiają one stosowanie prędkości skrawania powyżej 100 m/min., między innymi dzięki wewnętrznym kanałom doprowadzającym ciecz obróbczą bezpośrednio do strefy skrawania. Szereg wniosków (spostrzeżeń) wynika z przeprowadzonych badań. Są one ważne z punktu widzenia zastosowań przemysłowych. Na podkreślenie zasługuje stwierdzenie, że rachunek ekonomiczny uzasadnia stosowanie wierteł krętych pęłnowęglikowych, pomimo ich wyższej ceny zakupu, już po wykonaniu kilkudziesięciu otworów. Uwaga: pewne zdziwienie, o którym pisz Autor rozprawy w punkcie 8 ( to dziwne zjawisko ) nie jest moim zdaniem niezrozumiałe, gdyż wzrost oporów skrawania może być spowodowany trudniejszymi warunkami ewakuacji wióra, co podkreśla Doktorant. Należy też pamiętać, że objętościowa wydajność skrawania rośnie ze wzrostem prędkości skrawania, a na to potrzeba wydatkować więcej energii, przez co również wzrastają opory skrawania. 5
Ważne jest też, że Doktorant widzi celowość kontynuacji badań wraz z rozwojem nowych konstrukcji wierteł (kierunki dalszych badań). 2. Ocena metodologicznej i metodycznej koncepcji rozprawy doktorskiej Na podstawie przedstawionej analizy rozprawy doktorskiej i procedury rozwiązywania postawionych zadań badawczych stwierdzam, że metodologiczna i metodyczna koncepcja rozprawy doktorskiej jest poprawna. Natomiast w analizie literatury część informacji, np. dot. stereometrii ostrzy wierteł, ostrzenia i korekcji jest powszechnie znana (ma ona charakter podręcznikowy). Generalnie analiza literatury ujmuje istotne aspekty rozwoju technologii wiercenia. Za wkład Doktoranta w rozwiązanie postawionego problemu badawczego uznaję podjęcie badań i określenie wskazań eksploatacyjnych przy obróbce materiałów (2 gatunki stali i 2 rodzaje żeliwa) z zastosowaniem nowej generacji wierteł pełnowęglikowych i wykazanie opłacalności ich stosowania warunkach przemysłowych. 3. Wniosek końcowy Biorąc pod uwagę całość opracowania i potwierdzone wynikami badań własnych pozytywne efekty wprowadzenia do praktyki przemysłowej wierteł pełnowęglikowych z wewnętrznymi kanałami, doprowadzającymi ciecz obróbczą do strefy skrawania, pracę doktorską mgra inż. Rafała Jarosława Subbotko, nt.: Możliwości zwiększenia efektywności wiercenia głębokich otworów wiertłami monolitycznymi z węglików spiekanych oceniam pozytywnie. Stwierdzam, że spełnia ona wymagania ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (ustawa z dnia 14 marca 2003 r., tekst ujednolicony z dnia 29 września 2014 r. wraz z późniejszymi rozporządzeniami) i wnoszę o dopuszczenie jej Autora do publicznej obrony. Kraków, dnia 12 stycznia 2016 r. 6