鎳磷合金巨電流變拋光過程的分子動力學(xué)仿真

王 昆 林嘉俊

（同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

目前，光學(xué)領(lǐng)域?qū)︽嚵缀辖疱儗颖砻尜|(zhì)量提出更高要求，需要采用電流變超精密拋光達到所需表面的粗糙度要求[1-2]。區(qū)別于傳統(tǒng)的宏觀連續(xù)磨削理論，研究單一磨粒的去除過程是從納米磨削角度來具體觀測和分析材料的去除方式、切削力、溫度和勢能等，對拋光過程的去除機理探索具有重要意義。

電流變拋光是一種運用智能流體的超精密拋光技術(shù)。在施加電場時，電流變液的黏度和剪切強度顯著增加。電流變液能夠在電極工具頭的電場作用下攜帶拋光磨粒拋光工件表面。巨電流變拋光液具備更高的剪切強度和更長的使用壽命，具有低漏電流和高溫度穩(wěn)定性的優(yōu)勢，相較于鎳磷合金的傳統(tǒng)化學(xué)機械拋光法靈活性更高，對工件表面和亞表面的損傷更小，具有更大的研究潛力[3-4]。在拋光過程中，電流變液中的分散相攜帶磨粒對工件表面進行拋光。其中，三體去除（考慮磨粒平動和自轉(zhuǎn)）是拋光去除的主要機制。

目前，許多學(xué)者利用分子動力學(xué)來揭示不同工件表面的微觀去除過程。ZHOU 等研究了水潤滑環(huán)境下SiC 的機械去除機理，發(fā)現(xiàn)水膜厚度的增加可以降低工件表面的粗糙度，減少損傷，但會降低去除效率[5]。ADACHI 等建立了納米磨削去除的理論模型，確定了納米去除過程中二體和三體磨削作用所占的比例[6]。ZHANG 等對單晶硅晶體去除過程中的相變進行研究，并證實了硅的超精密拋光屬于連續(xù)韌性去除[7]。

大部分研究并沒有從三體拋光角度對鎳磷合金表面的微觀去除機理進行分子動力學(xué)仿真?；诖耍恼陆⑶蛐味趸枘チ︽嚵缀辖鸸ぜ娜w拋光去除模型，通過改變拋光深度、拋光速度和磨粒自轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，分析其對工件表面形貌、磨削力、溫度和勢能的影響。

1 分子動力學(xué)模型

采用分子動力學(xué)研究進行三維磨削建模和仿真計算，三維磨削模型如圖1 所示。

圖1 鎳磷合金三體拋光分子動力學(xué)仿真模型

仿真模型由鎳磷合金工件和球形SiO2磨粒組成，工件模型從外到內(nèi)分別為邊界層、恒溫層和牛頓層[8]。具體的仿真模型參數(shù)和實驗參數(shù)如表1 所示，拋光實驗控制參數(shù)如表2 所示。

表1 仿真模型參數(shù)

表2 拋光實驗控制參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 拋光過程

鎳磷合金三體拋光過程，如圖2 所示。隨著磨粒進給逐漸深入，溝壑和月牙狀切屑逐步隆起，溝壑的寬度和深度逐步加深，表面的鎳磷合金原子被向內(nèi)擠壓或推至兩側(cè)。在模擬過程中，工件表面以變形為主，而不是通過裂紋交叉拓展形成切屑，因此可以判斷鎳磷合金的納米磨削去除過程屬于彈性去除。在該去除過程中，工件在磨粒向前運動的過程中被擠壓，溝槽兩側(cè)原子和磨粒前原子分別形成如圖3 所示的脊結(jié)構(gòu)和切屑。此外，切削速度對工件去除量和表面形貌的影響較小，在實驗速度范圍內(nèi)未見明顯不同的去除堆積高度或形態(tài)，因此可以適當(dāng)提高拋光工具頭的轉(zhuǎn)速來提高去除效率。但是，磨粒切削深度會影響最終切屑的堆積高度，切削深度越深，堆積原子越多，導(dǎo)致切屑高度越高。在切削深度接近磨粒半徑時，切屑沿著磨粒前端弧面堆積并形成包覆結(jié)構(gòu)。若后續(xù)的切削力不足，則會導(dǎo)致磨粒在工件表面駐留，與實驗中觀測到的拋光液磨粒在工件表面的殘留現(xiàn)象一致。

圖2 三體拋光過程

圖3 磨削剖面圖

2.2 磨削力、工件溫度與勢能分析

磨削力對分析材料的微觀去除起到重要作用，圖4（a）和圖4（b）分別為二體和三體去除狀態(tài)下磨削力隨時間的變化曲線圖，其中Fx、Fy、Fz分別為切向力、軸向力和法向力。由圖4 可知，二體和三體拋光過程中Fx的變化趨勢比較相似，都是波動先增加，達到穩(wěn)定值后在周圍振蕩；二體運動的軸向力在波動中先增加后減小，三體運動磨粒的Fz與二體的運動趨勢相似，但是數(shù)值小于Fx。導(dǎo)致磨削力下降的原因是磨粒兩側(cè)的原子與磨粒平均接觸面積增大，而運動過程中接觸到的側(cè)向原子少。Fx和Fz的波動可歸因于工件的彈性擠壓到塑性形變過程，工件原子晶格變化和重構(gòu)的過程或位錯形成過程的共同作用[9]。兩種運動的Fy都在橫坐標(biāo)兩側(cè)波動，表示橫向剪切去除過程中對Fy的影響較微弱。

圖4 二體運動和三體運動的磨削力分析

拋光過程中系統(tǒng)勢能和工件溫度的變化曲線如圖5 所示，工件的勢能和溫度隨著磨粒的進給距離增加而逐漸趨于穩(wěn)定。晶粒尺寸越大，勢能的初始位置越高。系統(tǒng)的勢能來自顆粒和原子的排列以及表面系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著磨粒與工件的接觸，工件受力變形，鎳磷合金的晶格被破壞，原子與晶格分離，且原子間勢能小于結(jié)合能，產(chǎn)生的能量以晶格變形能的形式被儲存，工件勢能增加[10]。勢能的波動源于工件原子的動能和勢能間的相互轉(zhuǎn)化以及晶格的破碎和重組。在磨削過程中，磨粒對工件的剪切和擠壓所釋放的能量傳入工件，轉(zhuǎn)為工件的動能，使得工件整體溫度升高。隨著進給深度的增加，磨粒所影響的原子數(shù)量增多，進而產(chǎn)生更高的勢能變化和工件溫度。

圖5 工件勢能和工件溫度的變化

3 結(jié)論

通過分子動力學(xué)仿真，得出3 點結(jié)論。

（1）在鎳磷合金三體拋光過程中，磨粒的剪切和擠壓使工件晶格塑性變形和重新排列。同時，工件原子在磨粒前進方向和溝壑兩側(cè)受擠壓并堆積，形成弧形切屑和山脊結(jié)構(gòu)，高度隨磨削深度而升高。深度較大時，工件原子包覆磨粒，導(dǎo)致磨粒駐留。

（2）磨粒磨削去除過程由切向力和軸向力主導(dǎo)，反映了磨粒在進給路徑上受工件形變的阻力。已加工區(qū)域原子存在彈性回復(fù)，結(jié)合與磨粒的三體運動，引入高頻誤差。

（3）磨粒原子擠壓工件原子釋放能量，一部分傳導(dǎo)至工件晶格內(nèi)，使動能和溫度升高，另一部分以晶格變形勢能形式儲存，提高工件整體勢能和溫度。