納米切削中水的物理作用的分子動力學仿真

李占杰1,2,3，房豐洲1,3，宮 虎1,3，陳耘輝1,3，仇中軍1,3，宋 樂1,3

(1. 天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2. 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222；3. 天津市微納制造技術(shù)工程中心，天津 300072)

納米切削中水的物理作用的分子動力學仿真

李占杰1,2,3，房豐洲1,3，宮 虎1,3，陳耘輝1,3，仇中軍1,3，宋 樂1,3

(1. 天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2. 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222；3. 天津市微納制造技術(shù)工程中心，天津 300072)

為了減少刀具磨損、提高工件表面完整性，借助分子動力學仿真對金剛石納米級切削單晶銅進行了深入研究，比較了干切和加水切削時的晶格變形、切削力和熱耗散，探討了水基切削液和斷續(xù)切削對刀具磨損和表面質(zhì)量的影響．結(jié)果表明：水分子能夠有效將刀具表面和被切材料分隔開，但是由于刀尖處接觸壓力極高、水膜易被穿透致使刀尖與銅原子直接作用，因此黏著現(xiàn)象無法完全避免．加水切削有利于減小摩擦力并降低刀具表面熱量，工件已加工表面完整性得到提高，而斷續(xù)切削有利于水膜的保持并充分發(fā)揮其冷卻潤滑作用．

分子動力學；納米切削；切削液；磨損；表面完整性

雖然金剛石被認為是已知的最硬的材料，但是金剛石刀具在切削任何材料時都會發(fā)生不同程度的磨損[1]．例如，車削銅和鋁等塑性材料時黏著現(xiàn)象會導致刀具磨損．金剛石刀具的磨損對加工表面質(zhì)量有著重要影響[2]，需要對其機制進行深入研究．納米級加工僅涉及極其微小的區(qū)域變化，目前，采用實驗方法還難以對其加工過程進行觀察和測量．因此，通常采用計算機仿真技術(shù)來研究納米級加工過程．然而，由于尺寸的局限，廣泛應用于連續(xù)介質(zhì)力學的有限元方法已經(jīng)不再適合納米級切削過程的分析．分子動力學(molecular dynamics，MD)是分析納米尺度下材料物理化學變化的重要工具，被廣泛應用于材料科學和生物分子科學的研究中．自從Belak等[3]和Hoover等[4]將分子動力學應用于切削和壓痕仿真以來，研究人員發(fā)現(xiàn)分子動力學仿真對理解原子級和納米級加工過程是一個強有力的工具，并成功將其應用到了納米級切削和摩擦學等建模的各個方面[5-7]．目前，材料去除過程的分子動力學仿真主要集中在材料去除機理、切屑形成、表面生成、表面完整性和刀具磨損這些方面．所考慮的因素主要包括[8-12]：①刀具幾何信息(前角、后角、刃口半徑等)、刀具變形或磨損(剛體、非剛體)以及金剛石刀具的晶向；②不同的被加工材料(銅、鋁、純鐵、硅及其表面改性等)以及材料晶向和材料缺陷的影響；③不同的勢能函數(shù)(Tersoff勢、Morse勢、EAM勢和MEAM勢等)；④不同的加工工藝(切削、振動切削、磨削、拋光、刻劃和壓痕等)、加工參數(shù)的影響、切削力、切削溫度等；⑤更接近真實加工狀況(三維模型、黏著現(xiàn)象、切削液、時間和空間的多尺度以及多條切削紋路等)．

在實際加工中，通常采用適量的切削液對刀具進行冷卻和潤滑以減少刀具磨損、延長刀具壽命并使被加工零件保持較好的表面完整性．然而，水基切削液和斷續(xù)切削的分離特性對刀具磨損和工件表面質(zhì)量的影響還缺少微觀、深入的研究．本文將借助分子動力學仿真，對金剛石納米級切削單晶銅進行深入的機理研究，同時探索斷續(xù)切削對刀具磨損和表面質(zhì)量的影響機制．

1 納米切削模型

圖 1為切削系統(tǒng)的分子動力學仿真模型．金剛石刀具前角為 10°、后角為 12°、刃口半徑為 2,nm，其初始位置在水分子正上方 0.5,nm處．水分子層的初始設(shè)置為7個5,nm×5,nm的長方體，其中均勻填充著密度為 9.77,g/mL的水分子．銅基體的尺寸為140a×42a×5a(其中 a為銅的晶格常數(shù)，a＝3.614,7,nm)，x和 y方向置于其固定邊界上，其中 x對應[100]晶向、y對應[010]晶向、z對應[001]晶向．在 z方向應用了周期性邊界條件，因為在這個方向上不發(fā)生材料堆積，可以實現(xiàn)一個完全三維仿真．而在x和y方向上使用了固定邊界條件．基體有3層，其中恒溫層和邊界層在底部，這樣可以確保足夠的熱傳導并防止意外運動發(fā)生．根據(jù) Nose-Hoover恒溫法，基體的初始溫度設(shè)置為 300,K．模型的尺寸和周期性邊界條件的設(shè)置均可以防止邊界效應的影響．

圖1 金剛石納米級切削銅的模型Fig.1 Schematic diagram of the diamond nanometric cutting copper

在本研究中，銅原子間相互作用采用了三體EAM 勢函數(shù)進行描述．銅和金剛石刀具之間的相互作用采用了 Morse勢函數(shù)描述．將金剛石刀具視為剛體，忽略 C—C原子間的相互作用．水分子用TIP4P2005模型來描述，其中包括 4個相互作用位點，即2個正電荷氫原子、1個無電荷氧原子和 1個負電荷位點．水分子間的庫侖作用采用反應場方法來描述．非鍵Cu—H2O和C—H2O相互作用用長程Lennard-Jones勢函數(shù)來描述，其中不考慮氫原子．表1中給出了所用的勢參數(shù)．整個系統(tǒng)采用 Nose-Hoover恒溫法來進行控溫．

原子間相互作用對C—O Cu—O ε/(kJ·mol-1) δ/nm 0.478,5 0.327 5 0.380,0 0.246 7

分子仿真采用的時間步長為 1,fs，切削速度為100,m/s．水膜經(jīng)過初始弛豫過程成為密度為0.977,g/mL、溫度為300,K的非晶態(tài)．然后，再對模型弛豫1,000步使銅表面的水分子分解開．為了在切削過程中使水和銅在界面上能夠充分接觸，選擇了一個較厚的水膜厚度 5,nm．金剛石切削刀具放置于水分子層上方0.5,nm處，然后橫向切入基體表面，產(chǎn)生一個taper-cutting標記．圖2所示為刀具切削路徑的原理，其中包括穿透水分子層(17,000步)、切削(5,000步的 taper-cutting和 8,000步的常規(guī)切削)和刀具退刀過程(3,000步)．同時對沒有加水的銅基體也進行了模擬，以研究水的機械物理效應．

圖2 模擬中刀具切削路徑原理Fig.2 Schematic of the cutting path of the tool in simulation

為了表征切削過程中銅基體的晶格異常變化，分別采用中心對稱參數(shù)(central symmetry parameter，CSP)和公共相鄰配位分析(common neighbour analysis，CNA)來測量破壞每個原子局部環(huán)境的倒置對稱程度和顯示銅晶體中的平面斷層．在固態(tài)系統(tǒng)中，中心對稱參數(shù)可以用來表征原子是處于 1個完整的晶格中，還是在 1個局部缺陷里(例如1個位錯或者堆積層錯)，或者是在表面上．而公共相鄰模式對于局部晶體結(jié)構(gòu)的檢測來說是1個有用的方式．

2 結(jié)果和討論

2.1 變形特性和相變

圖 3和圖 4分別顯示了相同時間步長下加水和不加水情況下的切削過程，兩圖均是按照中心對稱參數(shù)CSP進行著色．由于金剛石刀具設(shè)置為剛體，所以水分子沒有侵入到切削刀具中．

當金剛石刀具開始壓入水分子層時，水分子在刀具和工件的界面處產(chǎn)生流動．由于水分子的流動，壓力在切削表面上刀具壓入點的四周均勻分布，并且壓力和刀具形狀無關(guān)．同時，在銅和水界面處的刀具壓入點，一些水分子滲入到銅表面，散布于銅分子間，從而形成了如圖 3(a)和圖 3(b)所示的銅表面的空穴．

如圖 3(b)所示，銅晶格在刀具接觸其表面之前就已經(jīng)發(fā)生變形．當?shù)毒邏喝胨肿訉訒r，堆積層錯產(chǎn)生并且隨著刀具壓入更深而變得更明顯．可以觀察到由于壓力均勻分布，內(nèi)部和外部的堆積層錯是對稱分布的．隨著刀具繼續(xù)下壓，變形區(qū)域的尺寸不斷增大，向下延伸低于穿透深度，同時在變形區(qū)域，堆積層錯不斷生長，越來越密集．

當金剛石刀尖穿透水分子層，逐漸切入銅基體中時，原本存在于刀具-工件界面的水分子不再往銅基體的亞表面進行滲入，而是開始沿著刀具表面流動，形成了一層薄潤滑液膜，它可以減輕相對運動的物體之間的摩擦力和表面疲勞．較高表面壓力的存在使得液體薄膜只有幾個分子層的厚度．由于刀尖上表面壓力非常高，因此刀尖能夠完全穿透水分子層，直接與銅原子接觸并且發(fā)生相互作用(如圖 5所示)．這種現(xiàn)象表明用水作為切削液時，刀具磨損能夠降低卻不能夠完全消除．

圖3 加水情況下納米切削中的基體變形(變形量采用CSP來計算)Fig.3 Deformation during nanometric cutting with water (the deformation is calculated by using CSP)

圖4 不加水情況下納米切削中的基體變形(變形量采用CSP來計算)Fig.4 Deformation during nanometric cutting without water(the deformation is calculated by using CSP)

圖5 納米切削過程中刀-工件之間的液體薄膜(使用CNA計算得到)Fig.5 Fluid film between workpiece and cutting tool during nanometric cutting process calculated by using CNA

圖6 納米切削過程中CNA數(shù)的變化Fig.6 Change of CNA numbers during cutting process

如圖3(c)和圖4(c)所示，在切削過程中，水分子層給基體材料施加一個較高的壓力，使基體材料晶格變形更加嚴重．圖 6顯示了不同時間步長下的切削過程中表征晶格變形程度的CNA數(shù)．不同的時間步長依照圖 3和圖 4分別設(shè)定為 10,000、17,000、30,000、33,000,fs．與干切相比，單晶銅的晶格數(shù)量從潤滑切削過程初始，刀具開始浸入水分子層時就急速降低．加在基體上的水分子層在整個過程中不斷降低，同時生成的非晶銅量也不斷升高．

圖7 退刀過程中刀具周圍的殘余水分子(使用 CNA數(shù)計算)Fig.7 Residual water molecules surround the cutting tool surface during tool retreating calculated by using CNA number

如圖7所示，在切削過程中刀具的表面覆蓋著1層液體薄膜．這些水分子在退刀時仍然吸附在刀具表面上．在刀尖上，銅原子和其發(fā)生直接相互作用，仍然有一些殘余銅原子附著于其上．而在刀具的后刀面上，水和銅之間的吸附力將基體的原子吸引起來，從而對加工表面粗糙度產(chǎn)生影響．刀具的前刀面上沒有銅原子存在，這就直接證明了加水后前刀面上可以避免基體材料和刀具間的黏著現(xiàn)象．如圖 4(d)所示，進行干切時，更多的銅原子附著于刀具表面上，甚至前刀面上也附著了銅原子．由此可以得出結(jié)論，加水基切削液可以顯著減少刀具后刀面的黏著現(xiàn)象，并且通過減少原子黏著使加工表面粗糙度得到改善．進一步的研究將使用三維分子動力學模擬來深入研究水基切削液對表面粗糙的影響．

圖 8顯示了不同切削模式下(干切和加水切削)法向切削力的變化．可以看到，當?shù)毒哌M入水分子層時，水分子沿著刀面的流動導致法向切削力在250,eV范圍內(nèi)振蕩．而在干切模式下，這個過程下沒有水分子對刀具產(chǎn)生力的作用．刀具上的力是由于刀具原子間的吸附和排斥引起，變化非常?。?shù)毒呓佑|基體時，兩種切削模式下的法向切削力均突然升高．因為在加水切削時，水分子通過在刀面和基體之間的流動也參與到切削過程中，所以傳遞的能量以及法向切削力都比干切模式下更大．在切屑形成之前，切削力保持穩(wěn)定，但是當切屑形成后，刀具表面的原子減少，切削力也逐漸降低．當?shù)毒唛_始退刀時，兩種模式下的法向切削力都突然降低．法向切削力為負表示原子對刀面的吸附．加水切削的負法向切削力更低，這意味著更多的原子參與到退刀過程中，與刀面發(fā)生相互作用．這與水分子附著在刀面上的模擬結(jié)果是一致的．

圖8 不同切削模式下法向切削力的比較Fig.8 Comparison of normal forces under different cutting modes

2.2 熱耗散

圖 9顯示了加水切削模式和干切模式下切削過程中的動能分布．通常，對于單個原子來說不存在“溫度”這個概念．根據(jù)在原子尺度的熱產(chǎn)生原理，動能可以用來代表溫度．干切模式下，刀具下方的局部動能等價于900,K的溫度，切屑溫度甚至更高[13].在干切模式下，刀具在切削過程中產(chǎn)生更多的熱量，尤其是沿著刀面處以及切屑中．高溫導致刀具黏著現(xiàn)象更加嚴重．水分子可以起到冷卻劑的作用從而顯著減少熱量，并將刀面和具有較高動能的原子隔離開．只有在與銅原子有直接接觸的刀尖處有相對較高的溫度．結(jié)果表明，水的冷卻作用確實可以減少切削過程中產(chǎn)生的熱，從而有利于降低刀具磨損，提高表面質(zhì)量．

圖9 兩種模式下切削過程中的熱耗散比較Fig.9 Comparison of heat dissipation during cutting under two modes

3 結(jié) 語

金剛石刀具的鋒利程度對加工表面質(zhì)量有著重要影響．本文借助分子動力學仿真對金剛石納米級切削單晶銅進行了深入研究，比較了干切和加水切削時的晶格變形、切削力和熱耗散，探討了水基切削液和斷續(xù)切削對刀具磨損和表面質(zhì)量的影響．研究發(fā)現(xiàn)：與干切削相比，水分子層形成的潤滑膜在納米切削過程中起到了實質(zhì)性的作用，不僅可以減小工件和刀具之間的摩擦力從而起到潤滑作用，還可以降低刀面上產(chǎn)生的切削熱從而起到冷卻作用．它將刀具和工件隔離開的同時也使得由刀具工件摩擦引發(fā)的切削熱得到了有效抑制．盡管界面處的水分子改變了接觸應力水平，但隨著切削時間和距離的加長，刀尖和工件之間的直接相互作用無法完全避免．因此，采用水基切削油對切削界面進行冷卻潤滑，只能使刀具磨損降低，而不能夠完全消除．而斷續(xù)切削有利于水膜的保持并充分發(fā)揮其冷卻潤滑作用．

［1］ Paul E，Evans C J，Mangamelli A，et al. Chemical aspects of tool wear in single point diamond turning[J]. Precision Engineering，1996，18(1)：4-19.

［2］ Yuan Z J，Zhou M，Dong S. Effect of diamond tool sharpness on minimum cutting thickness and cutting surface integrity in ultra-precision machining [J]. Journal of Materials Processing Technology，1996，62(4)：327-330.

［3］ Belak J，Stowers I F. A molecular dynamics model of the orthogonal cutting process[C]// Proceedings of ASPE Annual Conference. Rochester，New York，USA，1990：76-81.

［4］ Hoover W G，De Groot A J，Hoover C G，et al. Largescale elastic-plastic indentation simulations via nonequilibrium molecular dynamics[J]. Physical Review A，1990，42：5844-5853.

［5］ Komanduri R，Raff L M. A review on the molecular dynamics simulation of machining at the atomic scale [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2001，215(12)：1639-1672.

［6］ 林 濱，韓雪松，于思遠，等. 納米磨削過程中分子動力學計算機仿真實驗[J]. 天津大學學報，2000，33(5)：652-656.

Lin Bin，Han Xuesong，Yu Siyuan，et al. Experimental study on molecular dynamics simulation in nanometer grinding [J]. Journal of Tianjin University，2000，33(5)：652-656(in Chinese).

［7］ 郭曉光，張 亮，金洙吉，等. 模具鋼類多元合金原子間勢能模型的構(gòu)建[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2013，11(5)：458-463.

Guo Xiaoguang，Zhang Liang，Jin Zhuji，et al. Construction of multi-component alloy’s interatomic potential model of mold steel [J]. Nanotechnology and Precision Engineering，2013，11(5)：458-463(in Chinese).

［8］ 梁迎春，郭永博，陳明君. 納米加工過程中金剛石刀具磨損研究的新進展[J]. 摩擦學學報，2008，28(3)：282-288.

Liang Yingchun，Guo Yongbo，Chen Mingjun. New progress of research in diamond tool wear of nanometric machining [J]. Tribology，2008，28(3)：282-288(in Chinese).

［9］ Zhang L，Tanaka H. Towards a deeper understanding of wear and friction on the atomic scale：A molecular dynamics analysis[J]. Wear，1997，211(1)：44-53.

［10］ Komanduri R，Chandrasekaran N，Raff L M. Some aspects of machining with negative-rake tools simulating grinding a molecular dynamics simulation approach [J]. Philosophical Magazine B，1999，79(7)：955-968.

［11］ Komanduri R，Chandrasekaran N，Raff L M. Molecular dynamics simulation of atomic scale friction [J]. Physical Review B，2000，61：14007-14019.

［12］ Komanduri R，Chandrasekaran N，Raff L M. MD simulation of nanometric cutting of single crystal aluminum-effect of crystal orientation and direction of cutting[J]. Wear，2000，242(1)：60-88.

［13］ Ye Y Y，Biswas R，Morris J R，et al. Molecular dynamics simulation of nanoscale machining of copper [J]. Nanotechnology，2003，14：390-396.

(責任編輯：趙艷靜)

Molecular Dynamics Simulation of Physical Effect of Water in Nanometric Cutting

Li Zhanjie1,2,3，F(xiàn)ang Fengzhou1,3，Gong Hu1,3，Chen Yunhui1,3，Qiu Zhoujun1,3，Song Le1,3
(1. School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin 300222，China；3. Tianjin Centre of Micro/Nano Manufacturing，Tianjin 300072，China)

To reduce tool wear and improve the surface integrity of workpiece，molecular dynamics simulations of water lubrication assisted diamond nanometric cutting of single-crystal copper were conducted. The comparison of lattice deformation，cutting force and heat dissipation between dry and lubricated cutting was made. The effects of water-based lubricant and intermittent cutting on tool wear and surface integrity were discussed. It is found that water molecules can effectively separate the tool surface and the substrate，but direct interaction between tool tip and copper atoms cannot be avoided because of very high contact pressure and easy-to-be-penetrated water film. The simulation illustrates that water lubrication is beneficial for improving the surface integrity of workpiece，reducing friction，and decreasing the heat generation on the tool surface，but the extreme pressure at the tool tip prevents the total elimination of tool wear. Intermittent cutting is beneficial for maintaining water layer.

molecular dynamics；nanometric cutting；lubricant；wear；surface integrity

TK161

A

0493-2137(2014)12-1109-06

10.11784/tdxbz201306025

2013-06-13；

2013-09-24.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB706700)；國家自然科學基金資助項目(51275344，51175377)；天津市自然科學基金資助項目(12JCZDJC27900).

李占杰（1977— ），男，博士研究生.

房豐洲，fzfang@gmail.com.