多刀具納米切削銅過程研究①

謝富華， 汪益林， 陳家軒， 魏天路

(1.佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

納米切削是在0.1至100納米范圍內(nèi)進(jìn)行的研究，其目的是為了獲得高精度和高品質(zhì)的產(chǎn)品.用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論無法解釋其切削機理，而分子動力學(xué)是溝通微觀世界和宏觀世界的橋梁，運用分子動力學(xué)能夠很好的解釋納米切削過程中的各種現(xiàn)象.上個世紀(jì)80年代美國勞倫斯實驗室就利用分子動力學(xué)研究納米機械加工，掀起了納米切削機理分子動力學(xué)研究熱潮.如日本、澳大利亞等國研究了納米機械加工機理、刀具磨損機理等問題.相對于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)起步比較晚.天津大學(xué)林濱[1]等人用分子動力學(xué)模擬技術(shù)研究了單晶硅磨削仿真研究，北京科技大學(xué)陳國良[2]等人研究了在升溫條件下非晶態(tài)銅晶化過程，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳家軒[3]等人進(jìn)行了多刀具聯(lián)合加工模擬.

多刀具納米切削并不等同于單把刀具多次走刀，而是在切削過程中刀具之間會發(fā)生相互干涉.目前在這方面有研究的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳家軒等人，主要進(jìn)行了多刀具聯(lián)合加工模擬切削后工件亞表面缺陷評價，而對材料的去除機理、應(yīng)力演變、溫度變化等研究較少.因此就非常有必要運用分子動力學(xué)研究多刀具納米切削機理.本文用分子動力學(xué)模擬技術(shù)建立多刀具納米切削銅模型，從能量、切削力、溫度的變化來研究其切削機理.

1 模擬方法

1.1 勢函數(shù)

工件原子Cu－Cu之間的作用力運用嵌入原子勢 eam[4]勢計算.其式如下:

式(1)中，前面項Fi是勢嵌入能函數(shù)，后面項是對勢項.rij是第i個原子與第j個原子之間的距離.

圖1 多刀具納米切削單晶銅仿真模型

圖2 工件銅原子能量分布

用morse[5]勢函數(shù)來描述刀具原子和工件原子Cu－C之間的作用力.勢函數(shù)形式為:

D，A，r0和rij分別是結(jié)合能系數(shù)，勢能曲線梯度系數(shù)，分子間作用力為零時的原子間距和第i個原子與第j個原子之間的距離.

用Tersoff[6]勢函數(shù)來描述刀具原子C－C之間的作用力.Tersoff勢函數(shù)定義原子i和j之間的勢能為:

總能量:

fc(rij)，fR(rij)，fA(rij)和rij分別表示原子間相互作用的截斷函數(shù)，排斥項對偶勢，吸引項對偶勢和原子i與原子j之間距離.

1.2 模擬模型

如圖1所示為多刀具納米切削單晶銅仿真模型.該模型的工件尺寸在 X，Y，Z方向分別是14.0nm、5.0nm、4.0828427nm，由左往右依次是邊界層，恒溫層(該部分的原子的平均溫度保持在293K)，牛頓層.選用3把刀具進(jìn)行切削，刀具的形狀大小一樣，刀具之間的間距為0.3 nm，前角為45°，后角為 10°，切削方向沿(100)面上[100]方向進(jìn)行三維直角自由切削，切削深度為0.6 nm.工件和刀具在Z方向上施加周期性邊界條件，采用200m/s的切削速度，步長為1fs.

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 切削過程分析

為了分析銅材料的去除機理，我們對工件銅原子進(jìn)行能量著色，在研究過程中不對刀具的能量分析.由圖2所示，工件前刀面和后刀面周圍的原子動能相對較高，這是由于位錯運動產(chǎn)生的結(jié)果.當(dāng)?shù)毒邉偳腥氲姐~工件時，由于金剛石的結(jié)合能大，使得銅原子原有的晶格被打破，從而在工件晶格中產(chǎn)生位錯.發(fā)生位錯的銅原子一部分向上運動形成切屑，一部分沿后刀面向下向后運動，當(dāng)?shù)毒咔羞^后，由于壓應(yīng)力減小，經(jīng)過銅原子自身斥力作用而發(fā)生彈性恢復(fù)形成已加工面.

圖3 多刀具與單把刀具切削過程中切削力變化曲線

圖4 多刀具切削過程中各把刀具的切削力變化曲線

2.2 多刀具納米切削過程中切削力對比分析

為了分析多刀具納米切削過程中，刀具之間的干涉作用對切削力的影響，本文選用單把刀具切削過程中的切削力進(jìn)行對比.選擇多刀具中的第一把刀(沿多刀具納米切削銅仿真模型Z軸方向)作為研究對象，單把刀具切削時選用的刀具與多刀具的第一把刀規(guī)格一樣，而且在同一位置進(jìn)行同樣條件下的切削，得到的切削力如圖3所示.從圖中我們可以分析出在切削過程中，多刀具切削時第一把刀的切削力要小于單把刀具切削時刀具的切削力.因此多刀具納米切削過程中，由于刀具之間干涉的作用會使得切削力減小.

圖4表示了多刀具納米切削時各把刀具的切削力.從圖中步數(shù)10000步至20000步之間可以看出第一把和第三把刀具(沿多刀具納米切削銅仿真模型Z軸方向)的切削力最先達(dá)到峰值，這說明剛開始切的時候，旁邊的刀具的切削力要要比中間刀具的切削力大，此時旁邊刀具更有利于切削.隨著切削的進(jìn)行，由于受到旁邊刀具的影響，中間刀具的切削力要比旁邊刀具切削力大，此時工件中間部分的銅原子更易切削.

2.3 多刀具納米切削過程中溫度分析

圖5 不同刀具數(shù)量切削過程中溫度變化曲線

納米加工技術(shù)是為了獲得高精度的產(chǎn)品，而影響加工精度的因素很多，其中由于溫度引起工件熱變形導(dǎo)致加工誤差就是一個因素.隨著切削的進(jìn)行，刀具對工件表面原子做功，使得工件溫度會有大幅度的提高.溫度的升高不僅會使工件熱變形，還會有熱應(yīng)力的產(chǎn)生.即使是微小的熱應(yīng)力也會影響到加工精度.為了能在實踐中指導(dǎo)多刀具納米切削，就有必要在理論上對工件溫度的變化進(jìn)行研究.本文分別選用一把刀、兩把刀和三把刀切削單晶銅，對比切削過程中溫度的變化.圖5所示在相同的切削條件下，隨著刀具數(shù)量的增加，工件溫度升高的越快.這是因為刀具越多，參與切削的原子數(shù)就多，發(fā)生位錯的原子也就多，在短時間內(nèi)這些原子無法重新排列，堆積在剪切區(qū).這使得摩擦加劇，最終以熱量的形式散發(fā)出去，工件溫度升高.因此在實際的加工中，應(yīng)避免溫度過高而引起工件熱變形影響到要達(dá)到的加工精度.

3 結(jié)論

(1)在切削過程中，發(fā)生位錯的銅原子一部分向上運動形成切屑，一部分沿后刀面向下向后運動形成已加工表面.

(2)多刀具納米切削過程中刀具之間會發(fā)生相互干涉，會使得刀具的切削力減小.剛開始切削的時候，旁邊刀具的切削力大于中間刀具的切削力，隨后中間刀具的切削力會大于旁邊刀具的切削力，這時工件銅原子中間部分更易切削.

(3)在相同切削的條件下，隨著刀具數(shù)量的增加，工件溫度會增加的越快.

[1]林濱，韓雪松，于思遠(yuǎn).納米磨削過程中分子動力學(xué)計算機仿真實驗[J].天津大學(xué)學(xué)報，2000，33(5):652－656.

[2]王榮山，侯懷宇，陳國良.非晶Cu在晶化過程中的分子動力學(xué)模擬[J].金屬學(xué)報.45(6):692－696.

[3]陳家軒.納構(gòu)件納米加工機理及其力學(xué)特性仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2009:48－69，84－95.

[4]DAW M S，BASKES M I.Embedded Atom Method Derivation and Application to Impurities，Surfaces，and Other Defects in Metals[J].Physical Review B，1984，29(12):8486－8495.

[5]張岱宇，劉福生，李西軍等.多孔鐵沖擊溫度的分子動力學(xué)模擬[J].高壓物理學(xué)報，2003.17(1):16－21.

[6]J.Tersoff.Modeling Solid－ state Chemistry:Interatomic Potentials for Multicomponent Systems[J].Physical Review B.1989，39(8):5566－5568.