Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia i zdjęcia na okładce: Autorzy oraz Serik Akbarov/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Małgorzata Dąbkowska-Kowalik

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

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 2024

ISBN 978-83-01-23403-4

https://doi.org/10.53271/2023.119

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

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

Od Autorów

Obróbka ubytkowa (subtraktywna), która obejmuje liczną grupę konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesów obróbki, a obecnie także znaczącą grupę procesów hybrydowych, jest podstawową techniką wytwarzania w budowie maszyn i według prognoz jej udział w przyszłości będzie nadal znaczący, a nawet się zwiększy, jeśli uwzględni się szybki rozwój obróbki hybrydowej, mikro- i nanoobróbki. Od kilku dekad obserwuje się dynamiczny rozwój technologii i technik wytwarzania oparty na nowoczesnych badaniach doświadczalnych, zaawansowanych technikach modelowania i symulacji, cyfryzacji i wspomagania procesów wytwórczych technikami sztucznej inteligencji, do których zalicza się sztuczne sieci neuronowe i wirtualne odwzorowania procesów fizycznych za pomocą bliźniaka cyfrowego (DT). Cyfryzacja, wirtualizacja oraz biologizacja są obecnie traktowane jako ważne, a w pewnych przypadkach nawet nieodzowne elementy rozwoju strategii Produkcja 4.0 (nowy etap tych działań nazwany strategią Produkcja 5.0 sięga po nowe techniki w modelowaniu powierzchni wyrobów i prognozowania ich właściwości funkcjonalnych). Wiąże się to także z wdrażaniem strategii zrównoważonego wytwarzania, doskonalenia jakości i funkcjonalności wyrobów. Uporządkowane pod względem terminologicznym podejście do charakteryzacji powierzchni w ujęciu przestrzennym (3D), czyli topografii powierzchni, rozwijane jest od ponad 25 lat przez międzynarodowe instytucje normalizacyjne (ISO, EURO, DIN), firmy produkujące urządzenia pomiarowe, np. Taylor Hobson (opracowała w 1941 r. przemysłowy model profilometru o nazwie TalySurf 1) i tworzące programy do analizy i wizualizacji wyników pomiarów, np. firmę Digital Surf współpracującą ściśle z producentami sprzętu pomiarowego. W 1996 r. firma Taylor Hobson przystosowała po raz pierwszy program Mountains Map, służący do analizy topografii powierzchni (3D), do współpracy z modelem profilometru TalySurf PGI o dokładności pomiaru większej od nanometrycznej. Autorzy książki nie tylko obserwowali rozwój prac badawczych nad pomiarami powierzchni na przestrzeni kilku dekad i brali w nich udział, ale tak jak prof. W. Grzesik prowadzili od prawie 50 lat własne badania i brali udział w pracach wielu gremiów naukowych, np. międzynarodowej konferencji Surface Integrity. Politechnika Opolska i Koszalińska, uczelnie, z których wywodzą się autorzy książki, były zawsze w czołówce polskich uczelni technicznych zajmujących się badaniami nad generowaniem powierzchni w obróbce ubytkowej oraz oceną właściwości i rolą powierzchni w eksploatacji wyrobu. Na przykład pracownicy ówczesnego Zakładu Technologii Maszyn na Wydziale Mechanicznym WSI w Opolu (poprzedniczki Politechniki Opolskiej) już w latach 70. ubiegłego wieku mieli dostęp do mobilnego profilometru firmy Hommelwerke. Obecnie mają oni do dyspozycji nowoczesne stykowe i bezstykowe urządzenia pomiarowe i oprogramowanie (omówione w rozdz. 7 i 8) w Laboratorium Metrologii Powierzchni. W tym zakresie ściśle współpracowali z nieistniejącym już Instytutem Obróbki Skrawaniem (IOS), późniejszym Instytutem Zaawansowanych Technik Wytwarzania (IZTW) w Krakowie oraz ENISE Saint-Etienne/Lyon. W latach 2000–2020 prof. W. Grzesik wspólnie z dr. hab. K. Żakiem prowadzili w Politechnice Opolskiej badania nad oceną powierzchni tworzonych w obróbce wielu gatunków materiałów, takich jak stale, żeliwa i specjalne stopy lotnicze. Ich publikacje były i są nadal cytowane w światowej literaturze technicznej w zakresie metrologii i inżynierii powierzchni. Z kolei dr hab. A. Zawada-Tomkiewicz rozwija techniki analizy falkowej i fraktalnej oraz układy monitorowania powierzchni. Ważną misją autorów, którzy podjęli się opracowania unikatowej i pierwszej w języku polskim książki, Metody analizy i modelowania powierzchni wytwarzanych w obróbki ubytkowej, jest przekazanie nagromadzonej wiedzy teoretycznej i praktycznej zarówno studentom wydziałów mechanicznych politechnik, jak i – a może przede wszystkim – inżynierom-konstruktorom i technologom z przemysłu wytwórczego.

Fragmenty dotyczące zagadnień tworzenia warstwy wierzchniej (w tym powierzchni) zostały wcześniej wyodrębnione w książkach Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa, 2018 r. oraz Hybrydowe metody obróbki materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa, 2021 r. W nowej publikacji Czytelnik znajdzie wyczerpujące informacje o fizycznych podstawach procesów obróbki ubytkowej (rozdz. 1 i 2) oraz ich modelowaniu (rozdz. 3 i 4), przetwarzaniu sygnałów pomiarowych z użyciem różnych technik (rozdz. 5), standaryzowanych i niestandaryzowanych sposobach charakteryzowania profilu (2D) i topografii (3D) powierzchni (rozdz. 6), przeglądu nowoczesnych stykowych i bezstykowych urządzeń pomiarowych wraz z użytkowanymi obecnie na świecie programami do analizy i wizualizacji danych pomiarowych (rozdz. 7 i 8). Nowością jest przegląd (rozdz. 9, 10 i 11) modeli powierzchni w skali mezo, mikro i nano, co wiąże się ściśle z obserwowanymi trendami w przemyśle wytwórczym (prognoza Taniguchiego definiująca skalę oceny powierzchni). W obecnym wydaniu książka zawiera 14 rozdziałów z których 5 (rozdz. 1–5 ) dotyczy ogólnych informacji o procesach ubytkowego (subtraktywnego) kształtowania materiałów i zasad ich modelowania, następne 3 (rozdz. 6–8) omawiają stosowane sposoby parametrycznej charakterystyki profilu/topografii powierzchni w ujęciu hardwarowym i softwarowym, kolejne 3 (rozdz. 9–11) zawierają istotny dla treści książki przegląd modeli powierzchni tworzonych w obróbce konwencjonalnej, niekonwencjonalne i hybrydowej w różnej skali. Dwa rozdziały (rozdz. 12 i 13) poświęcono technologicznej warstwie wierzchniej, podejmując tematykę tworzenia powierzchni o wymaganej funkcjonalności w obróbce różnych gatunków materiałów oraz związanych z tym zadaniem technikach monitorowania procesu. Końcowy rozdział 14 jest użytecznym zbiorem obrazującym możliwości tworzenia powierzchni o różnych cechach geometrycznych i eksploatacyjnych w zależności od zastosowanych metod i sposobów obróbki.

Aktualność zmieszczonych informacji gwarantują liczne cytaty z książek, czasopism naukowych i technicznych, a w szczególności z prestiżowych czasopism CIRP Annals – Manufacturing Technology, International Journal of Advanced Manufacturing Technology oraz czasopisma Mechanik z licznym udziałem publikacji autorów książki.

Autorzy uznali, że taki układ treści będzie nie tylko lepiej dostosowany do programów specjalistycznych wykładów na Wydziałach Mechanicznych politechnik i wyższych szkół zawodowych (obecnie Akademii Nauk Stosowanych), ale bardziej przyswajalny i praktyczny dla inżynierów z przemysłu wytwórczego.

Książka jest w zasadzie monografią naukową, ale także podręcznikiem akademickim dla studentów mechaniki i budowy maszyn oraz inżynierii produkcji, zasadniczo na II i III stopniu studiów, oraz poradnikiem dla inżynierów technologów/mechaników specjalizujących się w obróbce materiałów i projektowaniu procesów technologicznych. Publikacja ta w dużej mierze stanowi bogate kompendium wiedzy naukowej o kształtowaniu powierzchni w konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesach obróbki materiałów, prowadzonych badaniach naukowych w tym zakresie oraz praktycznych metodach wytwarzania powierzchni funkcjonalnych w nowoczesnym przemyśle wytwórczym. Misją autorów jest przekazanie aktualnego stanu wiedzy o wytwarzaniu powierzchni w procesów obróbki ubytkowej, tak aby studenci, doktoranci i inżynierowi mieli dostęp do nowych technologii obróbki, rozumieli ich zasady oraz znaczenie i sensownie wdrażali je do przemysłu wytwórczego, szczególnie w strategii Wytwarzanie/Przemysł 4.0/5.0.

Słowa kluczowe: wytwarzanie, obróbka materiałów, procesy konwencjonalne, procesy niekonwencjonalne, chropowatość powierzchni, topografia powierzchni, jakość technologiczna powierzchni, materiały konstrukcyjne, Wytwarzanie 4.0/5.0.

Dziękujemy naszym Bliskim za cierpliwość i wsparcie w czasie pracy nad książką, co w trudnych czasach niepokojów i konfliktów społecznych 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 do uzupełnienia i wzbogacenia treści książki .

Naszą pracę i włożony w nią trud intelektualny chcielibyśmy, tak jak w poprzednich naszych książkach, poświęcić wszystkim Profesorom, którzy tworzyli i rozwijali polską szkołę obróbki ubytkowej oraz metrologii i inżynierii powierzchni.

Autorzy

Opole, Koszalin, czerwiec 2023 r.

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

Ważniejsze oznaczenia

a – stała sieci atomowej

ap – głębokość skrawania (dosuw)

ae – wcięcie robocze we frezowaniu

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

cp – ciepło właściwe materiału przedmiotu

C – ciepło właściwe objętościowe

D – wymiar fraktalny (fractal dimension)

ec – energia właściwa skrawania

E – energia skrawania (całkowita), moduł Younga

fp – częstotliwość impulsów prądowych

fPSD – funkcja widmowej gęstości mocy (power spectrum density function)

fz – posuw na ostrze

Fc (Fz) – siła skrawania

Ff (Fx) – siła posuwowa

Fn – siła nacisku (siła normalna)

Fp (Fy) – siła odporowa

G – moduł sprężystości postaciowej

h – grubość warstwy skrawanej, współczynnik naturalnej konwekcji ciepła

hch (hw) – grubość wióra

hcu – graniczna (ultymatywna) grubość warstwy skrawanej

hgr – graniczna grubość warstwy skrawanej

hmin – minimalna grubość warstwy skrawanej

hw – krytyczna grubość warstwy skrawanej

ip – impuls prądowy

I – natężenie impulsu

k – stała tłumienia

kc – opór właściwy skrawania powierzchniowy

kh – współczynnik zgrubienia wióra

Kt – współczynnik koncentracji naprężeń

Kv – wskaźnik obrabialności elektrochemicznej

m – masa, masa układu drgającego

ln, le – długość odcinka pomiarowego (cut-off)

lr – długość odcinka elementarnego

lsc – długość sekcji

n – prędkość obrotowa wrzeciona

p – ciśnienie cieczy w obróbce HPC

Pc – moc skrawania

Psh – płaszczyzna poślizgu

qw, qn, qm – strumień cieplny wnikający 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 (w szlifowaniu)

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

R – liczba cieplna w modelu MRS

Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości

Rat – teoretyczna wartość parametru Ra

Rk – głębokość rdzenia profilu

Rku – współczynnik nachylenia profilu (kurtoza)

Rmax – maksymalna wysokość nierówności,

Rmr(c) – udział materiałowy profilu,

Rpk – zredukowana wysokość wzniesień profilu

Rsk – współczynnik asymetrii profilu (skośność)

RSm – średnia szerokość rowków elementów profilu

Rt – całkowita wysokość profilu

Rvk – zredukowana głębokość wgłębień profilu

Rz – największa wysokość profilu

Rzt – teoretyczna wartość parametru Rz

RΔq – średniokwadratowe nachylenie profilu

S – odporność elektroerozyjna

Sa – średnia arytmetyczna wysokość powierzchni

Sal – długości autokorelacji

Sdr – współczynnik rozwinięcia obszaru powierzchni

Sds – gęstość wzniesień/pików powierzchni

Sfd – wymiar fraktalny powierzchni

Sku – współczynnik nachylenia powierzchni

Smr(c) – wartość arealnego udziału materiałowego

Sq – średnia kwadratowa wysokości rzędnych

Ssk – współczynnik asymetrii powierzchni

Str – współczynnik kształtu struktury powierzchni

S₀ – grubość szczeliny w obróbce ECM

Sz – największa wysokość powierzchni

t – czas

tp – czas impulsu

tv – głębokość strefy wyprzedzających odkształceń plastycznych pod powierzchnią

T – temperatura topnienia

Tt – temperatura topnienia

u – prędkość skanowania wiązki lasera

U – napięcie międzyelektrodowe

vc – prędkość skrawania

vf – prędkość dosuwu elektrody roboczej w obróbce ECM

VBB – średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia

Vmc – objętość materiału w obszarze rdzenia

Vmp – objętość materiału w obszarze pików

Vvc – objętość pustek w obszarze rdzenia

Vvv – objętości pustek w dolinach

Vw – wydajność objętościowa obróbki

W – energia impulsów prądowych

xL – odległość plamki lasera od freza

α – liniowy współczynnik rozszerzalności, kąt zarysu elektrody w ECM, współczynnik dyfuzyjności

αo – kąt przyłożenia ortogonalny

αt – współczynnik wyładowania elektroiskrowego

βo – kąt ostrza ortogonalny (główny)

εi – intensywność odkształcenia

γ – odkształcenie postaciowe, współczynnik wpływu chropowatości (surface roughness reduction factor)

γef – efektywny, rzeczywisty kąt natarcia

γo – kąty natarcia ortogonalny

ε – odkształcenie liniowe

λ – współczynnik przewodności cieplnej

ν – liczba Poissona

ρ – gęstość materiału, promień zaokrąglenia ziarna ściernego

δs – wartość powrotu sprężystego

σ – naprężenie własne

σeq – naprężenie zastępcze w modelu J–C

ω – częstość drgań swobodnych

ωo – częstość drgań własnych

ωF – częstość siły wymuszającej

Φ – kąt poślizgu

υ – indeks plastyczności

ΔRzp – przyrost mikronierówności w wyniku plastycznego płynięcia materiału,

ΔRzs – przyrost mikronierówności wywołany sprężystym powrotem WW,

ΔRza – przyrost mikronierównosci wywołany tarciem powierzchni przyłożenia o nierówności powierzchni,

ΔRzd – przyrost mikronierówności w wyniku względnych przemieszczeń ostrza i przedmiotu obrabianego.

Skróty

1D – jednowymiarowy (układ liniowy)

2D – dwuwymiarowy (układ)

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

A  (abrasion) – obróbka ścierna

AE (acoustic emission) – emisja akustyczna

AFD (amplitudę density function) – funkcja gęstości amplitudy

AFM (Atomic Force Microscopy) – mikroskopia sił atomowych

AFM (abrasive flow machining) – obróbka przetłoczno-ścierna

AI (artificial intelligence) – sztuczna inteligencja

ALE (arbitrary Eulerian–Lagrangian method) – metoda symulacji Eulera-Lagrange’a

AM (additive manufacturing) – obróbka przyrostowa (addytywna)

ANNs (artificial neural networks) – sztuczne sieci neuronowe

ANOVA (analysis of variance) – metodą analizy wariancji

ARMD (area-restricted molecular dynamics) – metoda ograniczenia obszaru symulacji dynamiki molekularnej

AWJM (abrasive water jet machining) – obróbka wodno-ścierna

BAC (bearing area curve) – krzywa udziału materiałowego (nośnego)

BEM (boundary element method) – metoda elementów brzegowych

C (cutting) – obróbka wiórowa

CAD (computer aided design) – wspomagane komputerowo projektowanie

CAM (computer aided manufacturing) – wspomagane komputerowo wytwarzanie

CAQ (computer aided quality) – wspomagane komputerowo jakości (wytwarzania)

CBN – regularny azotek boru (RBN)

CCD (composite central design) – plan eksperymentu centralny

CCI (coherence correlation interferometry) – koherentna interferometria korelacyjna

CCS – ciecz chłodząco-smarująca

CEL (coupled Eulerian Lagrangian) – sprzężona metoda Eulera–Lagrange’a

CFRP (carbon fiber reinforced plastics) – kompozyty o osnowie polimerowej wzmacniane włóknami węglowymi

CIP (circular interferometric profiling) – optyczna metoda obwodowa

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

CLSM (confocal laser scanning microscope) – konfokalny laserowy mikroskop skaningowy

CM (confocal microscopy) – mikroskopia konfokalna

CNC (computer numerical control) – komputerowe sterowanie numeryczne

CNN (convolutional neural network) – konwolucyjna sieć neuronowa

CPS (cyber-physical system) – system cybernetyczno-fizyczny

CSI (confocal spectra interferometry) – konfokalna interferometria spektralna (światła białego)

CWT (continuous wavelet transform) – ciągła transformacja falkowa

D (damage parameter) – parametr uszkodzenia w równaniu konstytutywnym

DL (deep learning) – głębokie uczenie

DM (digital manufacturing) cyfrowe wytwarzanie, (digital model) model cyfrowy

DNN (deep neural network) – głęboka sieć neuronowa

DOE (design of experiments) – projektowanie eksperymentu

DS ( digital shadow) – cyfrowy cień

DT (digital twin) – cyfrowy bliźniak

D/T (dimension to tolerance) – stosunek wymiaru do tolerancji

DWT (discrete wavelet transform) – dyskretna transformacja falkowa

E (erosion) – obróbka erozyjna

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

ECDM (electrochemical discharge machining) – obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna

ECM (electrochemical machining) – obróbka elektrochemiczna

ECP (electrochemical polishing) – polerowanie elektrochemiczne

FD (frequency domain) – dziedzina częstotliwości

EDM (electrodischarge machining) – obróbka elektroerozyjna

EMD (empirical mode decomposition) – dekompozycja sygnału wejściowego

FAM (fluid assisted machining) – obróbka wspomagana mediami ciekłymi

FDM (finite difference method) – metoda różnic skończonych

FEM (finite element method) – metoda elementów skończonych

FFBP (feed forward back propagation) – sieć neuronowa typu propagacji wstecznej

FFD (full factorial design) – pełny plan badań

FFD (fractional factorial design) – częściowy (ułamkowy) plan badań

FFT (Fast Fourier Transform) – szybka transformata Fouriera

FIB (focused ion beam (micromachining)) – obróbka skoncentrowana wiązką jonów (mikroobróbka)

FL (fuzzy logic) – logika rozmyta

F(p) – transformacja Fouriera

FVM (focus variation microscopy) – mikroskopia różnicowania ogniskowego

HAZ (heat-affected zone) – strefa wpływu cieplnego

HB – twardość w skali Brinella

HCF (high cycle fatigue) – wysokocyklowa trwałość zmęczeniowa

HCP (high performance cutting) – skrawanie wysokowydajne

HM (hard machining) – obróbka na twardo

HN – honowanie

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

HRC – twardość wg Rockwella w skali C

HSC (high speed cutting) – skrawanie z dużą prędkością

HSM (high speed machining) – obróbka z dużą prędkością

IH (induction hardening) – hartowanie indukcyjne

IMS (intelligent manufacturing systems) – inteligentne systemy wytwórcze

IoT (Internet of things) – Internet rzeczy

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,

LAMILL (laser assisted milling) – laserowo wspomagane frezowanie

LBM (laser beam machining) – obróbka laserowa

LCF (low cycle fatigue) – niskocyklowa trwałość zmęczeniowa

LIGA (photo-litography and electroplating method) – metoda foto-litografii i powlekania galwanicznego

LN₂ – kriogeniczny azot

LSTM (long short-term memory) – głęboka rekurencyjna sieć neuronowa z autoenkoderem

LSPL (least-squares for a plane) – płaszczyzna najmniejszych kwadratów

M (machining) – skrawanie

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

MD (molecular dynamics) – symulacja molekularnej

MDS – układ masowo-dyssypacyjno-sprężysty

MEMS (micro-electro-mechanical system) – mikrosystem elektromechaniczny

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

ML (machine learning) – uczenie maszynowe

MM (micro-machining) – mikroobróbka

M(MILL) (milling) – frezowanie

MMCs (metal matrix composites) – kompozyty na osnowie metalowej

MQL (minimum quantity lubrication) – obróbka ze zminimalizowanym smarowaniem

MR (material removal) – obróbka ubytkowa

MRS – metoda różnic skończonych

MS (multiscale simulation) – symulacja wieloskalowa

N – liczba cykli do złomu zmęczeniowego

NEMS (nano-electro-mechanical system) – nanosystem elektromechaniczny

NTH – nagniatanie toczne hydrostatyczne

NW – naprężenia własne

ODP (optical differential profiling) – optyczna metoda różnicowa

OUPN – układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie

P – profil pierwotny

PCA (principal component analysis) – analiza głównych składowych profilu

PCBN – polikrystaliczny azotek boru

PCD – polikrystaliczny diament

PHM (prognostics and health management) – prognozowanie i zarządzanie stanem maszyn wytwórczych

PLP (pulsed laser plasma) – laser pulsacyjny

PSI (phase shifting interferometry) – interferencyjne przesunięcie fazowe

PSO (particle swarm optimization) – optymalizacja roju cząstek

PZ – pęknięcie zmęczeniowe

R (roughness) – chropowatość

RC – fizyczny filtr górnoprzepustowy

RMS (response surface method) – metoda powierzchni odpowiedzi

RNN (recurrent neural network) – rekurencyjna sieć neuronowa

RSME (RMS error) – RSM dla treningu i testu

RFL (ridge fuzzy model) – model „grzbietowy” logiki rozmytej

RTS (relative tool sharpness) – względna ostrość ostrza

S (surface) – powierzchnia

SAZ (stress-affected zone) – strefa zalegania naprężeń własnych

SCGC (symmetrical curve of geometrical contact) – symetryczna krzywa kontaktu geometrycznego

SD (standard deviation) – odchylenie standardowe

SEM (scanning electron microscopy) – mikroskopia skaningowa

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

SFE (side flow effect) – efekt płynięcia bocznego

SFF (shape from focus) – metoda „kształtu z ogniska”

SGP – struktura geometryczna powierzchni

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

SLA (stereolithography) – metoda stereolitografii

SLD (stability lobe diagram) – wykres stabilności

SLM (selective laser melting) – selektywne stapianie laserem

SLS (selective laser sintering) – selektywne spiekanie laserowe

SM (subtractive machining ) – obróbka ubytkowa (subtraktywana)

S/N (signal-to-noise ratio) – współczynnik szumu

SNR – test Snedecora-Fishera, F-test

SP (sustainable production) – zrównoważone wytwarzanie

SPH (smooth particle hydrodynamics) – symulacja metodą elementów bezsiatkowych

SPM – mikroskop z sondą skanującą

SPOP – strefa pierwotnych odkształceń plastycznych, strefa z równoległymi granicami odkształceń

SSAE (stacked sparse autoencoder network) – sieć neuronowa ze stosem enkoderów

SSV (spindle speed variation) – modulacja prędkości obrotowej wrzeciona

STFT (Short-Time Fourier Transform) – krótkookresowa transformata Fouriera

STOP – strefa trzeciorzędnych odkształceń plastycznych

SWOP – strefa wtórnych odkształceń plastycznych

SZ – szlifowanie

Sz-UM – szlifowanie umacniające

Sz-UT – utwardzanie przez szlifowanie

TAM (thermally assisted machining) – obróbka wspomagana termicznie

TD (time domain) – dziedzina czasu

TM (Taguchi method) – metoda Taguchi

TWW – technologiczna warstwa wierzchnia

UAG (ultrasonic assisted grinding) – szlifowanie wspomagane ultradźwiękami

UAM – obróbka ze wspomaganiem drgań ultradźwiękowych

UAMILL – frezowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UAT – toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UPM (ultraprecision machining) – obróbka ultraprecyzyjna/ultradokładna

US (ultrasonic) – drgania ultradźwiękowe

USAM (ultrasonic assisted machining) – obróbka wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USAT (ultrasonic assisted turning) – toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USM (ultrasonic machining) – obróbka ultradźwiękowa

VAM (vibration assisted machining) – obróbka ze wspomaganiem drgań

VAMILL (vibration assisted milling) – frezowanie ze wspomaganiem drgań

VMD (visual molecular dynamics) – wizualna dynamika molekularna (MD)

VP (virtual production) – wirtualna produkcja

VR (virtual reality) – wirtualna rzeczywistość

VSI (vertical scanning interferometry) – pionowa interferometria skaningowa

W (waviness) – falistość

WEDM (wire discharge machining) – wycinanie elektroerozyjne

WI – wygładzanie izotropowe

WJM (water jet machining) – obróbka strumieniem wody

WL (white layer) – biała warstwa

WLI/WLSI (white light(scanning) interferometry) – interferometria światła białego.

W/T – stosunek wymiaru do tolerancji

WW – warstwa wierzchnia

Rozdział 1

Ogólna charakterystyka kształtowania ubytkowego

1.1
Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

Podstawowe techniki wytwarzania stosowane obecnie do kształtowania elementów maszyn i urządzeń technicznych dzieli się ogólnie na bezubytkowe, do których zalicza się odlewanie i obróbkę plastyczną, ubytkowe, w których redukcja masy półfabrykatu może być dokonywana przez różne proste i złożone oddziaływania energetyczne, oraz przyrostowe. Zasadniczo usuwanie materiału z półfabrykatu odbywa się z użyciem energii mechanicznej, termicznej i chemicznej, zarówno w postaci źródeł jednorodnych, jak i łączenia oddziaływania dwóch lub więcej rodzajów energii równocześnie, co ma miejsce w obróbce hybrydowej [1, 2, 3].

Rys. 1.1. Podział procesów wytwórczych na grupy [1, 2]

Z rysunku 1.1 wynika, że obróbka ubytkowa jest jedną z pięciu podstawowych grup technik wytwórczych, do których zalicza się procesy łączenia, rozdzielania oraz kształtowania ubytkowego (substratywnego), bezubytkowego (przetwórczego, transformatywnego) i przyrostowego (addytywnego). Z kolei w krajowej literaturze technicznej [2, 3, 4] obróbkę ubytkową przyjęto dzielić na obróbkę erozyjną i obróbkę skrawaniem (lub równoważnie na obróbkę niekonwencjonalną i konwencjonalną), w której z kolei dokonuje się bardziej umownego podziału na obróbkę wiórową i obróbkę ścierną (rys. 1.2), ponieważ w obydwóch przypadkach powstaje wiór/mikrowiór. W obróbce erozyjnej może być wykorzystana erozja elektryczna, chemiczna, elektrochemiczna, laserowa, plazmowa i jonowa [3]. Najbardziej rozpowszechniony, dzięki wielkiej uniwersalności i dokładności kształtowania, jest proces skrawania polegający na usuwaniu warstwy/warstw naddatku materiału w postaci wiórów przez ostrze skrawające narzędzia o zdefiniowanej geometrii. Należy dodać, że proces skrawania podlega różnym formom hybrydyzacji opisanych w rozdziale 10 w celu osiągnięcia założonych kryteriów wydajności, jakości, funkcjonalności i zrównoważoności [2].

Rys. 1.2. Klasyfikacja sposobów obróbki ubytkowej w technologii maszyn [2, 3, 4]

Na ogół składowe procesy obróbki ubytkowej można integrować w bardziej wydajne i efektywne procesy hybrydowe, według schematu opisanego w pracy [1], wykorzystujące dwa (lub więcej) źródła energii lub różne mechanizmy usuwania materiału naddatku obróbkowego.

Ogólnie, według Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP), w tej grupie wyróżnia się grupę I procesów (rys. 1.3) opartych na łączeniu różnych źródeł energii lub różnych narzędzi (różnych metod i sposobów kształtowania) oraz grupę II procesów wykorzystujących kontrolowane mechanizmy różnych procesów, które są realizowane w konwencjonalnych procesach składowych. W grupie I wyróżnia się z kolei podgrupę I.A procesów wspomaganych (ang. assisted processes) oraz podgrupę I.B procesów łączonych (ang. mixed/combined processes).

W przypadku konwencjonalnej i niekonwencjonalnej obróbki ubytkowej najważniejsze znaczenie ma tworzenie procesów hybrydowych wspomaganych energią drgań, termicznie laserem oraz mediami ciekłymi i gazowymi, czyli z grupy I.A, różnych sposobów skrawania oraz szlifowania, polerowania, EDM i ECM, a także procesów z grupy I.B, np. łączenia szlifowania i EDM, szlifowania i ECM oraz ECM i EDM).

Rys. 1.3. Klasyfikacja hybrydowych procesów wytwórczych/obróbkowych wg CIRP [1]

W grupie II sprawdza się w praktyce łączenie cech kinematycznych dwóch sposobów skrawania, np. frezo-toczenia (ang. turn-milling) i toczenio-przeciągania (ang. turn-broaching), utwardzanie powierzchni w czasie szlifowania (ang. grind-hardening), utwardzanie powierzchni przez intensywne nagniatanie przedmiotu schładzanego zmrożonym CO₂ (ang. cryogenic deep rolling) czy łączenia obróbki skrawaniem z nagniataniem (tzw. procesy sekwencyjne). Warty odnotowania jest fakt, że hybrydyzacja dotyczy nie tylko normalnych procesów obróbki, ale w dużym stopniu procesów w mikro- i nanoskali [1, 5, 6, 7].

Oprócz tradycyjnych procesów mikroobróbki (mikrootoczenia, mikrofrezowania i mikrowiercenia) na dużą skalę stosuje się liczne niekonwencjonalne procesy obróbki sklasyfikowane na rys. 1.4. Należą do nich procesy mechaniczne (mechanical micromachining), procesy wykorzystujące skoncentrowaną wiązkę energii cieplnej (beam-based micromachining), procesy oparte na wykorzystaniu energii chemicznej lub elektrochemicznej (chemical and electrochemical micromachining) oraz procesy hybrydowe (hybrid micromachining) [5]. Należy zauważyć, że na obecnym poziomie rozwoju najlepsze wyniki w mikro- bądź nanoobróbce osiąga się dla połączenia procesów addytywnych i subtraktywnych, które mogą być przeprowadzone równocześnie lub sekwencyjnie [5]. Tym niemniej udział skrawania (procesu o charakterze subtraktywnym) jest nadal znaczący, rzędu 30–40%. Zagadnienia dotyczące tworzenia powierzchni w mikro- i nanoobróbce zostały opisane w rozdz. 11.

Rys. 1.4. Klasyfikacja zaawansowanych procesów mikroobróbki [5]. Symbole: USMM – mikrobróbka (MM) ultradźwiękowa (ultrasonic MM), AWJMM – mikrowytwarzanie strugą wodno-ścierną (abrasive water jet MM), WJMM – mikroobróbka struga wody (water jet MM), EBMM – mikroobróbka wiązką elektronów (electron beam MM), LBMM – mikroobróbka wiązką lasera (laser beam MM), EDMM – mikroobróbka elektroerozyjna (electrodischarge MM), PAMM – mikroobróbka łukiem plazmy (plasma arc MM), IBMM – mikroobróbka wiązka jonów (ion beam MM), PCMM – mikroobróbka fotochemiczna (photochemical MM), ECSMM – elektrochemiczna mikroobróbka elektroiskrowa (electrochemical spark MM), ELID – elektrochemiczne obciąganie w trakcie procesu (electrolytic in-process dressing), ECG – szlifowanie elektrochemiczne (electrochemical grinding), EDC – szlifowanie elektroerozyjne (electrodischarge grinding)

1.2
Rola obróbki ubytkowej we współczesnych procesach wytwórczych

Łączny udział obróbki skrawaniem w przemyśle maszynowym jest zwykle oceniany na około 50% (chociaż wg [3] to 25–30%) i według prognoz Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP) udział ten nadal będzie znaczący. Wynika to ze wzrastających możliwości zastosowań skrawania i uzyskiwanych dokładności wymiarowych i jakości powierzchni sięgających zakresu mikro- i nanoskali. Oprócz konwencjonalnych zastosowań do kształtowania części z metali i stopów technicznych o dowolnych własnościach mechanicznych możliwa jest obróbka kompozytów na osnowie metalowej i ceramicznej, ceramiki technicznej, a w przypadku obróbki ultradokładnej (nanoobróbki) także elementów optycznych i elektronicznych [2, 8].

Procesy obróbki skrawaniem spełniają współczesne, ostre wymagania dotyczące jakości wyrobów, wydajności i efektywności, a także niezawodności, energochłonności i ekologiczności/zrównoważoności (sustainablity). W automatyzowanych systemach obróbkowych dochodzą dodatkowe wymogi elastyczności, przezbrajalności i autonomiczności [2, 8, 9]. Na rysunku 1.5 przedstawiono prognozy wzrostu dokładności w wytwarzaniu metodami ubytkowymi odniesione do czterech podstawowych odmian obróbki – normalnej, dokładnej, bardzo dokładnej i ultra dokładnej, oparte na wykładniczych zależnościach w czasie, począwszy od pierwszej wersji tzw. krzywej wykładniczej Taniguchiego zaproponowanej już w latach 80. XX wieku, kiedy pojawiły się pierwsze symptomy konieczności rozwijania technologii w skali mikro i nano.

Rys. 1.5. Wzrost osiąganej dokładności obróbki ubytkowej wg Taniguchiego [2,8,10]

Procesy skrawania są wysoce konkurencyjne w stosunku do dokładnych procesów odlewania (kokilowego odlewania ciśnieniowego, odlewania metodą traconego wosku) i obróbki plastycznej na zimno, ponieważ zapewniają porównywalną lub wyższą dokładność i jakość powierzchni przy tym samym wskaźniku kosztów. Wskaźnik kosztów równy 1 przyjęto dla obróbki plastycznej na gorąco i odlewania w formach piaskowych, czyli nadal popularnych procesów wytwarzania półfabrykatów. Należy zwrócić uwagę, że osiąganie chropowatości powierzchni wynoszącej Ra ≈ 0,1 μm (Rz ≈ 1 μm) i tolerancji wymiarowej poniżej 0,01 mm zapewniają procesy bardzo dokładnej obróbki ściernej (szlifowania, polerowania i docierania), jednakże wiąże się to z wyraźnym wzrostem kosztów (wskaźnik wzrostu kosztów w stosunku do referencyjnych metod bezubytkowych jest przyjmowany w granicach 32–64). Z tego powodu praktyczne zastosowanie procesów wykańczających musi być uzasadnione wymogami funkcjonalności i w zasadzie jest ograniczone do powierzchni, od których wymaga się specjalnych własności użytkowych.

Podobne problemy pojawiają się w odniesieniu do części wytwarzanych przyrostowo [2,8]. Kształtowanie złożonych wyrobów wytwarzanych odbywa się najpierw techniką przyrostową, głównie selektywnym topieniem laserowym (SLM), a następnie za pomocą dodatkowej obróbki wykańczającej z zastosowaniem specjalnych procesów konwencjonalnych i hybrydowych, takich jak przetłaczanie ścierne (AFM), polerowanie elektrochemiczne (ECP) i polerowanie elektrochemiczno-mechaniczne (PEMEC), w celu uzyskania żądanej jakości powierzchni i właściwości użytkowych [9].

W miarę wzrostu dokładności obróbki znaczenia nabierają odkształcenia cieplne, wpływ otaczającego środowiska (drgania, temperatura, wilgotność) oraz stan krawędzi

Rys. 1.6. Poglądowy trend w osiąganiu minimalnych wymiarów i tolerancji wymiarowych (a) i osiągalne poziomy dokładności we współczesnym wytwarzaniu (b)

skrawającej (ostrość, szczerbatość) i obrabianego materiału (obecność naprężeń, anizotropia). Możliwości wzrostu dokładności (zawężania tolerancji wymiarowych) i miniaturyzacji w procesach obróbki ubytkowej od normalnych wymagań w przemyśle maszynowym (IT8-IT5) aż do nanodokładności przedstawiono w formie mapy drogowej na rys. 1.6a. Należy zwrócić uwagę na fakt, że stopniowy wzrost wiedzy o wpływie błędów losowych na funkcjonowanie maszyn wytwórczych może, dzięki ograniczeniu ich wariancji [5, 8], umożliwić wytwarzanie wyrobów spełniających większość wymagań co do dokładności i funkcjonalności. Z kolei na rys. 1.6b przedstawiono poziomy dokładności (precyzji) reprezentowane przez stosunek wymiaru do tolerancji W/T (D/T – dimension to tolerance), osiągalne w różnych reżimach wytwarzania. Wskaźnik W/T powyżej 10⁴ przyjmuje się jako reprezentatywny dla części precyzyjnych. Skale wymiaru i tolerancji wymiarowej zmniejszają się równocześnie (rys. 1.6a). Obecnie, tj. ok. 2020 r., osiąga się zakres zbieżności, czyli stosunek D/T w pobliżu 1. Warto zwrócić uwagę na istotny fakt, że zarówno w precyzyjnym wytwarzaniu, jak i w mikro- oraz nanowytwarzaniu wymiar jest kontrolowany przez odpowiednio dokładny pomiar naddatku wymaganego do jego uzyskania.

1.3
Tworzenie jakości technologicznej w procesach obróbki ubytkowej

W klasycznym podejściu do badań TWW (rys. 1.7a) wykorzystuje się związki między stanem technologicznej warstwy wierzchniej, czyli stanem geometrycznym powierzchni i stanem fizycznym stref podpowierzchniowych ze zmienionymi właściwościami mechanicznymi i mikrostrukturą, a czynnikami wejściowymi, które definiują warunki procesu, oraz jej wpływem na zachowanie się części w eksploatacji (właściwościami eksploatacyjnymi).

Na rysunku 1.7b wyróżniono trzy rodzaje korelacji, które umożliwiają określenie związków między warunkami procesu i właściwościami WW (korelacja typu Ia), związków między stanem WW i jej właściwościami funkcjonalnymi (korelacja typu Ib) oraz bezpośrednie prognozowanie właściwości funkcjonalnych WW na podstawie zadanych warunków procesu (korelacja typu II). W ogólnym ujęciu mogą one być rozpatrywane jako struktury systemów w strukturalnym modelu obróbki skrawaniem, tworzone w określonej hierarchii celów [2].

Z różnych przyczyn, a przede wszystkim ze względu na ocenę właściwości użytkowych wyrobów, z ogółu tych cech największe znaczenie mają wielkości charakteryzujące własności mechaniczne stref, nazywane wielkościami mechanicznymi. Obecnie do wielkości mechanicznych zalicza się [2]:

• twardość (mezo-, mikro- lub nanotwardość), która jest miarą odkształceniowego umocnienia materiału WW wskutek obciążeń mechanicznych;

• naprężenia własne powstające w wyniku niejednorodności oddziaływań zewnętrznych, głównie mechanicznych i cieplnych.

Rys. 1.7. Zależności między jakością powierzchni, istotnymi czynnikami procesowymi i charakterystykami TWW (a) oraz możliwe korelacje między przebiegiem procesu, tworzeniem warstwy wierzchniej a uzyskiwaną funkcjonalnością (b) [1, 2]

W obróbce skrawaniem umocnienie materiału WW jest skutkiem rozszerzania się strefy intensywnych odkształceń plastycznych w głąb materiału, poza linię skrawania. Wartość umocnienia zależy od właściwości plastycznych materiału (podatności do umocnienia odkształceniowego) i stanu odkształcenia w strefie skrawania. Istnieją duże możliwości technologiczne kontrolowania zarówno stopnia, jak i głębokości umocnienia materiału WW [2].

Końcowy stan naprężeń własnych w WW po zakończeniu procesu obróbki jest zawsze wynikiem nakładania się naprężeń mechanicznych i termicznych. Jeśli umocnienie warstw podpowierzchniowych jest słabe, a w strefie poza ostrzem występują ujemne odkształcenia plastyczne, to w WW zostaną wytworzone mechaniczne naprężenia rozciągające. Ponieważ wpływ ciepła połączony jest zawsze z generowaniem naprężeń rozciągających, nastąpi kumulacja naprężeń jednakowego znaku z powodu wystąpienia przemian fazowych lub przewagi odkształceń cieplnych. Duże znaczenie w kontrolowaniu stanu WW mają hybrydowe procesy obróbki ze względu na możliwości sterowania udziałami mechanizmów mechanicznych, termicznych i chemicznych w przebiegu procesu [1]. Zagadnienia te opisano szerzej w rozdziałach 2 i 12.

Nanowytwarzanie obejmuje generalnie procesy niezbędne do kontroli struktur materiałów, elementów, urządzeń i systemów w nanoskali (dokładność lub skala od 1 nm do 100 nm) w jednym, dwóch lub trzech wymiarach [15]. Wyróżnia się dwie podstawowe kategorie nanowytwarzania – części z fragmentami nano- i mikrostruktur w skali nanometrycznej na częściach w skali mikro- i makroskopowej (1) oraz części z geometryczną dokładnością w nanoskali, podczas gdy same urządzenia są wytwarzane w skali makroskopowej (2). Specyficzną cechą procesów wytwórczych w nanoskali jest bardzo wysokie zużycie energii w porównaniu z procesami w większej skali (rys. 1.8b). Jest ono 3–5 rzędów wielkości większe niż w wytwarzaniu konwencjonalnym. Zużycie energii jest rozpatrywane jako bezpośrednie, gdy dotyczy m.in. kontroli ciśnienia/temperatury w procesie, generowania fotonów, jonów czy plazmy, czynności metrologicznych i manipulacji mechanicznych. Z kolei zużycie pośrednie dotyczy środowiska wytwórczego, na przykład oczyszczania z zanieczyszczeń pomieszczenia, w którym odbywa się proces. Obecnie mikrowytwarzanie czy mikroobróbka cieszą się dużym zainteresowaniem ze strony przemysłu, ponieważ mikrokomponenty czy mikrowyroby, takie jak mikrowyświetlacze, mikrosensory, mikrobaterie itp. znalazły już liczne zastosowania praktyczne w takich sektorach przemysłu, jak: samochodowy, lotniczy, fotoniczny (światłoelektroniczny), energii odnawialnej i oprzyrządowania medycznego (rys. 1.8). Zagadnienia modelowania powierzchni wytwarzanych w mikro- i nanoobróbce omówiono w podrozdz. 11.1 i 11.2.

Mikrowyroby są zwykle wytwarzane z wielu materiałów, w tym także z materiałów o złej obrabialności, składają się z mikrostruktur o złożonych kształtach i wymagają bardzo wysokiej (submikronowej) dokładności obróbki. Z tego względu w praktyce stosuje się bardzo dużo hybrydowych procesów mikro- oraz nanoobróbki, które integrują różne konwencjonalne i niekonwencjonalne procesy mikroobróbki w celu poprawy obrabialności użytych materiałów, zwiększenia dokładności geometrycznej elementów, jakości powierzchni i wydajności, a także redukcji obciążenia mechanicznego.

Rys. 1.8. Poglądowy obraz zastosowań mikro- i nanoobróbki w przemyśle (a) [1] oraz porównanie energochłonności procesów w różnej skali (b) [15]

1.4
Przyszłościowa wizja obróbki ubytkowej

Obecnie dynamicznie rozwijaną na bazie globalizacji koncepcją jest zrównoważone (stabilne) wytwarzanie (SM – sustainable manufacturing) [1, 2], które dotyczy trzech obszarów, tj. ekonomii, społeczeństwa i środowiska oraz ich wzajemnych oddziaływań. Z koncepcją zrównoważonego wytwarzania, a szczególnie z poprawą efektowności i ekologiczności procesów wytwórczych, w tym obróbki ubytkowej materiałów konstrukcyjnych [1, 2], jest nierozerwalnie związane stosowanie hybrydowych procesów wytwórczych. W pierwszym przypadku stosowanie hybrydowych procesów obróbki umożliwia wzrost wydajności procesu i obniżenie kosztów, głównie przez skrócenie czasu obróbki. W drugim przypadku ogranicza się szkodliwe oddziaływanie procesu na środowisko, np. przez stosowanie ekologicznych mediów gazowych zamiast tradycyjnych cieczy obróbkowych, a także poprawia się bilans energetyczny (energochłonność procesu). W odniesieniu do metod stosujących kształtowanie przyrostowe aspekt zrównoważonego rozwoju można dostrzec w dużej efektywności wykorzystania materiałów/surowców (czego skutkiem są mniejsze dostawy), wysokiej niezawodności procesu, dużej przezbrajalności łańcuchów wytwórczych i w dłuższym użytkowaniu wyrobu.

Inną wiodącą strategią rozwoju przemysłu jest tzw. Przemysł 4.0 (Produkcja 4.0) (ang. Industry 4.0, Production 4.0) traktowana jako czwarta rewolucja przemysłowa oparta o wszechobecną cyfryzację, doskonałe narzędzia wizualizacji i nowoczesne systemy informatyczne, w tym do przetwarzania w „chmurze” (Cloud Computing) i wymiany danych. Istotnymi elementami Produkcji 4.0, która docelowo oznacza urzeczywistnienie inteligentnej fabryki, jest bezprzewodowe przesyłanie danych z sensorów do Internetu, stosowanie na dużą skalę wirtualnych symulacji obiektów rzeczywistych i inteligentnych komunikacji (interfejsów) maszyna–maszyna i maszyna–człowiek oraz nowoczesnych technik wytwórczych.

Ważnym zagadnieniem jest sposób, w jaki hybrydowe metody wytwarzania mogą być wkomponowane w strategię Przemysł 4.0, biorąc pod uwagę takie cechy jak: współdziałanie, wirtualizacja, decentralizacja, ocena możliwości (np. wytwórczych), orientacja na usługi, modułowość [1]. Można przypuszczać, że w przyszłości obrabiarki hybrydowe (elastyczne i przezbrajalne) będą umożliwiać realizację wielu różnych procesów hybrydowych będących kombinacją procesów podstawowych, takich jak obróbka skrawaniem, szlifowanie, ubytkowa i przyrostowa obróbka laserowa, obróbka elektrochemiczna czy elektroerozyjna w różnych odmianach kinematycznych (drążenie, cięcie, frezowanie) oraz podstawowe metody wytwarzania przyrostowego. Taka rozbudowana hybrydowa platforma wytwórcza umożliwi zwiększenie zakresu modelowania procesów wytwarzania i praktycznej realizacji usług technologicznych i produkcyjnych – tym samym w pełni wpisze się w strategię Przemysł 4.0.

W osiągnięciu rozwiązań bio-inteligentnych należy uwzględnić sześć podstawowych aspektów [16,17]: uczenie się, podejmowanie decyzji, wnioskowanie, symbiozę, współistnienie/koegzystencję i współrozwój/koewolucję. Wynika to z faktu, że bio-inspiracja i bio-integracja, a dokładnie ich rozwiązania praktyczne, rozwijają się w kierunku rozwiązań bio-inteligentnych na bazie ICT (information and communications technology) z użyciem sztucznej inteligencji (AI), uczenia maszynowego (ML – Machine Learning), głębokiego uczenia maszynowego (DP – Deep Learning), ewolucyjnych obliczeń w sztucznej inteligencji (EC – Evolutionary Computation) i innych. Na tej podstawie można sformułować koncepcje bio-inspiracji, bio-integracji i bio-inteligencji i wzajemne relacje między nimi, co przedstawia rys. 1.9. Między innymi dzięki wykorzystaniu naturalnych rozwiązań można projektować i wytwarzać systemy konforemnego chłodzenia i powierzchnie o wymaganej funkcjonalności na powierzchniach roboczych narzędzi skrawających [16] (patrz rys. 11.12 w rozdz. 11).

Rys. 1.9. Związki między bio-inspirowanym, bio-zintegrowanym i bio-inteligentnym wytwarzaniem [16, 17]

Można uznać [1], że niezwykle ważnym filarem strategii Przemysł 4.0 może stać się Bionika, która zajmuje się badaniami organizmów żywych (roślin i zwierząt) z punku widzenia możliwości wykorzystania rozwiązań powstałych na drodze ewolucyjnej w przyrodzie w rozwiązaniach technicznych, ponieważ w przyrodzie wszystkie organizmy żywe budowane są przyrostowo [1]. Bionika już znalazła swoje istotne miejsce w naukach technicznych, np. jako bionizacja/biologizacja wytwarzania [16, 17], a coraz większa liczba naukowców i inżynierów jest przekonana o korzystnym wpływie tej dziedziny nauki na współczesną cywilizację. W chwili obecnej Bionikę definiuje się jako zastosowanie (wręcz kopiowanie czy naśladowanie) biologicznych funkcji, struktur i mechanizmów do projektowania maszyn i procesów wytwórczych.