单晶硅纳米切削过程中微沟槽结构金刚石刀具切削性能的分子动力学模拟

基于分子动力学,利用LAMMPS和OVITO软件对单晶硅纳米切削过程进行模拟,研究了V形微沟槽结构对金刚石刀具切削性能的影响。结果表明,在金刚石刀具后刀面构建一定深度的V形微沟槽能够减少工件亚表面损伤,同时也对工件加工质量及刀具抗磨损性能产生了明显影响,当微沟槽深度为0.75 nm时,金刚石刀具切削性能最佳。

单晶铜在不同温度下的纳米切削机理研究

目的虽然纳米切削是21世纪超精密加工技术的重要发展方向之一,但现有的纳米切削机理仍不完善。因此,采用数值模拟方法,从晶体结构、力学和粒子运动等方面对纳米切削机理进行补全。方法首先,基于分子动力学方法对纳米尺度下的单晶铜进行了拉伸模拟,总结其在不同温度下的韧脆性特征;其次,对纳米尺度下的单晶铜进行了切削模拟,系统性地研究了切削过程中晶体结构、切削力、应力应变分布,以及原子运动特征在不同材料韧脆性下的变化规律。结果拉伸模拟结果表明,低温下单晶铜脆性特征显著,但仍具有一定的韧性。随着温度的升高,单晶铜脆性减弱,韧性增强。切削模拟结果表明,靠近工件自由面的材料沿主剪切方向发生持续的剪切滑移和周期性的长距离错动,形成多种晶体结构有序分布的块状切屑。靠近刀具的材料在推挤作用下由晶体结构变为非晶结构,之后持续流动形成切屑。随着切削温度的升高,块状切屑中的长距离错动频率提高,通过剪切形成的块状切屑尺寸减小,而通过推挤形成的流动状切屑厚度增加。结论切屑的形成方式包括剪切和推挤2种类型。低温下,剪切切屑形成过程占据主导地位,切屑呈现明显的块状。随着温度升高,切屑形成机理从剪切向推挤转变。

金刚石刀具微纳米切削单晶镍亚表面损伤

采用分子动力学软件Lammps研究金刚石刀具微纳米切削单晶镍的微观动态过程,分析不同切削方向和不同切削深度下单晶镍微纳米切削过程中缺陷的类型、切削力和损伤的关系以及位错线的演化规律。结果表明:刀具的挤压和剪切作用使单晶镍工件产生高压相变区和非晶区,其亚表层存在原子团簇和位错滑移。沿[100]晶向切削,切削力最小,且位错损伤层厚度最小为2.15 nm;沿[111]晶向切削,表面层的质量最好,但损伤层厚度最大为3.75 nm。切削过程中,位错线的总长度整体呈上升趋势,[110]方向去除的原子区域最大,位错线长度最大。切削深度越大,晶体内部的位错滑移和非晶化越严重。

纳米切削镍基单晶高温合金的分子动力学仿真

为了研究镍基单晶高温合金各向异性对加工质量的影响,建立了镍基单晶高温合金纳米切削的分子动力学模型。在该仿真中,从表面生成机制、切削力、温度和应力等研究点出发分析了晶体取向对纳米切削镍基高温合金的影响。仿真结果表明,沿不同晶体取向切削工件得到的表面形貌、亚表面缺陷分布、切削力、温度和应力存在较大差异。当晶体取向为[111]时,工件切屑发生倾斜式坍塌,导致切屑高度出现下降。综合分析,[110]晶体取向工件的表面和亚表面质量具有最优的切削效果。

单晶铜纳米切削机理分析

为了进一步深入研究纳米切割的机理,并拓展纳米切削的应用,有必要对单晶铜纳米切削机理展开详细的分析与研究。利用分子动力学的仿真软件,建立了单晶铜的纳米切削仿真模型,仿真研究不同厚度和不同切削速度下的纳米切割过程。研究结果表明:单晶铜纳米切削过程实质为原子的剪切和挤压,随着切削厚度和切削速度的不断增加,切削力也增大。其中,切削厚度对切削力的影响更为直接。研究成果为下一步纳米切削的深入研究提供了参考依据。

微纳米切削装置及实验研究

目前超精密加工领域的进一步发展在一定程度上受到纳米加工机理缺乏深入研究的限制,用建立在连续介质力学基础上的有限元方法和传统加工的剪切模型来解释纳米切削机理显然是不合适的,虽然有人用分子动力学计算和仿真纳米切削过程,但由于计算规模不够大,而相应级别的切削实验困难,还不能相互验证。为此,文中搭建了可以实现微纳米切削的实验装置,从实验的角度研究纳米切削机理,为民用工业和国防工业中高精度零件和元器件的超精密和纳米加工提供必要的实验数据支撑。

单晶铝纳米切削过程分子动力学模拟技术研究

运用分子动力学模拟技术建立单晶铝纳米切削模型 ,对纳米切削过程进行模拟 ,从分子间作用力和位错的角度对切屑形成过程和纳米加工表面的形成机理进行分析 ,并对切削刃刃口半径的大小和刀具磨损对已加工表面质量的影响进行研究。

线性改变切削深度对单晶铜纳米切削的影响

针对单晶铜纳米切削,利用分数阶微积分理论,建立了切削力主趋势分量对切削深度的依赖模型,以描述非线性的尺寸效应。利用近似熵测度,研究了在不同切削阶段中切削力高频扰动的复杂性。研究表明,在切入阶段,切削力经历了由负值到较大正值的突变,工件材料出现弹性失稳以及初期的弹塑性转变;在切削阶段,切削力的主趋势分量呈现明显的低频峰谷现象和非线性的尺寸效应。通过观测工件材料内部的位错形核及位错运动,详细地解释了切削力在线性改变切削深度条件下呈现这种演变特征的根本原因。

单晶铜纳米切削过程的研究

采用分子动力学三维模型研究单晶铜纳米切削过程 ,工件原子间相互作用力和工件与刀具原子间相互作用力采用Morse势计算 .通过分析切削过程中瞬间原子图像、切削力、单位切削力和轴向切削力与切向切削力比值 ,发现在整个切削过程中有位错产生 ,在加工表面发生弹性恢复 ,但未发生切屑体积的改变 ,切屑以原子团方式去除 ,单位切削力和轴向切削力与切向切削力的比值比传统切削时大得多 .

纳米切削分子动力学仿真的研究进展

介绍了分子动力学的基本原理以及用于纳米加工的原子间相互作用势,从脆、塑性材料切削机理、刀具几何形状、刀具的磨损以及宏、微观切削机理之间关系等方面综述了目前国内外应用分子动力学研究纳米加工机理的现状,并指出目前研究存在的问题及改进措施,提出今后尚需进一步研究的问题。

基于SEM纳米切削装置的设计与实验

针对目前纳米切削机理研究方法中切削过程无法在线高分辨力观测等瓶颈问题,设计并搭建了一套集成于扫描电子显微镜高真空条件下的纳米切削实验装置,开展了该实验装置的运动精度分析、典型单晶材料纳米切削在线观测等研究.该装置在切削及切深方向均能实现7,μm的位移输出,闭环分辨力为0.6,nm.通过白光干涉仪对纳米切削台阶加工结果的测量,分析装置运动精度,实现了切深分别为59.3,nm、115.1,nm和161.2,nm的台阶结构加工.利用直线刃金刚石刀具对单晶铜和单晶硅材料进行了纳米切削实验,实验结果表明所研制的纳米切削装置能够实现纳米尺度材料去除的在线高分辨力观测.

基于分子动力学的微纳米切削模拟研究进展

随着微纳米技术的发展,已经进入到微纳米科技时代,但微纳米加工领域的进一步发展却在一定程度上受到微纳米加工技术以及对微纳米加工机理缺乏认识的限制,随着微纳米加工尺度的减小,微纳米加工试验也越来越困难,现有的基于连续介质力学和剪切模型的理论分析方法已不能适用,而采用分子动力学模拟方法却能克服这些困难。通过分析国内外基于分子动力学微纳米切削加工模拟的研究现状,探讨了其研究现状的不足及未来发展的方向。

单晶硅纳米切削中C—C键断裂对金刚石刀具磨损的影响

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅,从刀具的弹塑性变形、C—C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析,采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子.模拟结果表明:在纳米切削过程中,金刚石刀具表层C—C键的断裂使其两端碳原子由sp3杂化转变为sp2杂化,同时,表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp2杂化碳原子所构成的区域发生平整,由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构,导致金刚石刀具发生磨损;刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形,C—C键键能随之减弱,在高温和高剪切应力的作用下,极易发生断裂;在切削刃的棱边上,由于表面碳原子的配位严重不足,断开较少的C—C键就可以使表面6元环中碳原子的配位数都小于4,导致金刚石刀具发生石墨化磨损.

基于多尺度仿真方法的单晶铝纳米切削过程研究

分子动力学切削仿真方法所能模拟的原子数量有限。为了扩大切削仿真规模,该文采用分子动力学与有限元相结合的方法,在QC(Quasicontinuum)方法程序内核的基础上,结合纳米切削仿真的特点,编制出纳米切削多尺度仿真程序。用该程序进行了单晶铝纳米切削过程的多尺度仿真,进而分析了刀具角度对切削过程的影响。仿真结果验证了纳米切削多尺度仿真的可行性。

纳米切削过程中刀-屑接触区应力分布

高速切削时刀屑接触区的应力分布直接影响切削过程、切削温度及刀具磨损。利用分子动力学技术对纳米切削过程中刀屑接触区的应力分布特征进行研究,分别采用EAM势、Tersoff势及Morse势计算单晶铜原子间、单晶硅原子间、工件原子与刀具原子间的相互作用力。分析纳米尺度下刀屑接触长度随切削距离变化的规律,探讨刀具前角对刀屑接触区应力分布的影响,通过描述刀屑接触区切屑原子的运动情况,为阐释刀屑接触区的应力分布特征提供依据。研究结果表明在刀-铜屑接触区,正应力在切削刃处最大,随着到切削刃距离的增大而减小,在刀-硅屑接触区,正应力以规则的波动形式逐渐减小。而切应力在切削刃处为负值,随着到切削刃距离的增大,切应力在刀屑接触长度的三分之二处增大到最大值后逐渐减小至零。

纳米切削多晶铜的分子动力学仿真研究

采用Voronoi方法建立了多晶铜切削模型,基于分子动力学方法实现了多晶铜纳米切削加工的二维分子动力学仿真。分别选用EAM势函数和Morse势函数来计算工件原子间以及工件原子和刀具原子间的相互作用。对切削过程和切削力的变化进行了分析,发现晶界会阻止位错向晶粒内部传播,在已加工区域表面,前一晶粒中的原子会随刀具运动到下一晶粒中形成晶界,切削过程中切削力随时间波动剧烈,并在晶界处会出现瞬时的峰值。

刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程影响的分子动力学分析

采用分子动力学方法对不同刀尖圆弧半径时在纳米级尺度下切削加工单晶铜表面的过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究不同刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程中微观接触区域原子状态和作用力变化的影响规律。研究结果发现:在单晶铜纳米切削过程中,切削作用力、位错及位错发射等缺陷随着切削厚度或刀尖圆弧半径的增大而增加;在相同切削厚度,相同切削距离下,刀尖圆弧半径越大,在刀具前方堆积的切屑体积越小。此外,在切削距离为1nm时,切削作用力发生突变;在切削距离1nm到2nm时,可以明显看到随切削距离的增加,刀尖圆弧半径越小,切削作用力上升幅度越大。在切削距离为3.5nm时,切削作用力基本保持稳定波动,其主要原因是位错等缺陷的产生引发作用力的波动。

单晶硅和单晶铝纳米切削过程比较

采用分子动力学模拟方法进行了单晶硅和单晶铝纳米切削过程的比较研究.硅原子间相互作用力采用Tersoff势计算,铝原子间和工件与刀具原子间相互作用力采用Morse势计算.通过对切削过程中切屑和加工表面、能量和切削力的分析,发现硅发生非晶态相位变换和切屑体积改变,但没有位错和弹性恢复产生;而铝发生的现象却与硅相反.

基于分子动力学单晶硅纳米切削机理研究

采用分子动力学三维模型研究单晶硅纳米切削机理,工件原子间相互作用力和工件与刀具原子间相互作用力分别采用Tersoff势和Morse势计算。通过切削过程中瞬间原子图像、能量和切削力的分析,发现在整个切削过程中,发生了非晶态相位的变换和切屑体积的改变,但没有明显的位错和弹性恢复产生。其中切削力的一个分力切向力在非晶态相位变换形成时起主要作用,另一分力轴向力是非晶态扩展的主要因素。单晶硅纳米切削机理不是位错在晶体中运动产生的塑性变形,而是非晶态相位变换产生的变形。

纳米切削中水的物理作用的分子动力学仿真

为了减少刀具磨损、提高工件表面完整性,借助分子动力学仿真对金刚石纳米级切削单晶铜进行了深入研究,比较了干切和加水切削时的晶格变形、切削力和热耗散,探讨了水基切削液和断续切削对刀具磨损和表面质量的影响.结果表明:水分子能够有效将刀具表面和被切材料分隔开,但是由于刀尖处接触压力极高、水膜易被穿透致使刀尖与铜原子直接作用,因此黏着现象无法完全避免.加水切削有利于减小摩擦力并降低刀具表面热量,工件已加工表面完整性得到提高,而断续切削有利于水膜的保持并充分发挥其冷却润滑作用.