单晶铜纳米切削过程的研究

单晶铜纳米切削过程的研究Ξ

唐玉兰,梁迎春,程　凯,董　申

(哈尔滨工业大学机电工程学院精密工程研究所,哈尔滨150001)

摘　要: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.单晶铜纳米切削过程是位错在晶体中运动产生的塑性变形.

关键词:分子动力学;纳米切削;切向切削力;轴向切削力

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:167226030(2004)022*******

Study on N anometric Cutting Process of Monocrystalline Copper by Molecular Dynamics

TAN G Yu 2lan ,L IAN G Y ing 2chun ,CHEN G Kai ,DON G Shen

(Precision Engineering Research Institute ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )

Abstract :A three 2dimensional model of molecular dynamics (MD )is employed to study the nanometric cut 2ting process of monocrystalline copper.The model includes the utilization of the Morse potential function to simulate the interatomic force between the workpiece and a tool.By analysises of nanometric cutting process ,cutting forces ,cutting force per unit volume and the ratio of the thrust force to the cutting force ,dislocations and elastic recovery behind the tool are observed ,but chip volume changes do not appear ,and the material re 2moval occurs by the cluster.The cutting force per unit volume and the ratio of the thrust force to the cutting force in nanometric cutting are larger than conventional cutting.Nanometric cutting process of monocrystalline copper is the plastic deformation involving the generation and propagation of dislocations.K eyw ords :molecular dynamics (MD );nanometric cutting ;cutting force ;thrust force

在超精密切削加工中,工件材料多为多晶体材料.由于超精密切削的切削深度很小,小于多晶体材料的平均晶粒尺寸,而在纳米切削加工中,切削深度可以小于1nm 以下,这时切削现象在本质上是原子的、离散的物理现象,而这时的工件材料就不能像普通切削那样视为各向同性的连续固体,而必须考虑材料的微观各向异性对切削过程的影响.因此,用建立在连续介质力学基础上的有限元方法以及剪切模型来解释纳米切削机理显然不合适,必须从分子、原子的角度来研究纳

米切削的特殊规律.

通过实验研究纳米切削规律,需要进行大量的纳米级加工实验.但是当材料切削厚度达到几个原子层时,实验变得困难且耗时.因为实验对超精密机床、检测仪器分辨率、切削条件、刀具及其几何形状的要求极其苛刻,目前的实验条件根本无法实现.而分子动力学(Molecular Dynamics ,MD )模拟方法却能克服这些困难,MD 模拟方法是分析微切削过程十分有效的工具[1].

Ξ收稿日期:2004203226. 基金项目:国家自然科学基金海外、港澳青年学者合作研究基金(50028504).

作者简介:唐玉兰(1971—

),女,博士研究生,研究方向为超精密加工.　

第2卷第2期2004年6月纳　米　技　术　与　精　密　工　程N anotechnology and Precision E ngineering Vol.2　No.2

J un.2004

20世纪80年代末,分子动力学模拟方法才被劳伦斯国家实验室(LLNL)的一研究小组用于金刚石纳米切削Cu的实验[2,3],他们采用嵌入原子法(EAM)进行Cu的二维、三维切削的分子动力学模拟,考察了不同角度的切削刀具以及不同切深的纳米级加工过程,试图找出纳米切削工艺与采用单晶金刚石刀具进行超精密切削的关系,这些工作引起超精密加工领域许多研究者的关注,尤其是美国、日本的学者.而国内应用分子动力学研究纳米加工的起步较晚,1998年天津大学的林滨等进行了纳米磨削的研究[4],与此同时,哈尔滨工业大学的梁迎春教授与罗熙淳博士开始进行纳米切削以及刀具磨损等方面的研究,并取得了一定的成果[5-7].下面就国外应用分子动力学以及相关实验进行纳米加工机理的研究作一介绍.

本文模拟了单晶铜的纳米切削过程,研究了切削过程中切削力的变化,以及刀具的前角、后角和切削深度对加工表面的影响.选择单晶铜作为研究对象,是因为铜是金属切削加工中常用的金属,而且人工合成的高纯度金属单晶已在工程领域中得到应用.由于切削过程中切削深度小于多晶体材料的平均晶粒尺寸,切削过程实际是在各个晶粒内部进行.因此,研究单晶体的切削过程对多晶体的切削过程也有指导意义.

1　分子动力学模拟方法

1.1　分子动力学模型和原子间势函数的选择

单晶铜纳米切削模型采用文献[8]中单晶硅纳米切削模型,其中单晶铜的原子排列根据实际单晶铜的fcc结构,刀具采用金刚石刀具,为了减小刀具材料性能的影响,假定刀具为刚性材料,刀具原子排列根据金刚石的钻石型结构.铜原子间相互作用势也采用Morse势,工件原子与刀具原子间作用势采用Morse 势[9],切削过程中总相互作用势为工件原子作用势和工件原子与刀具原子间作用势的和,具体公式如下: u i(r rj)=6j≠i u W(r ij)+6j≠i u TW(r ij)(1) u TW(r ij)=D T[exp(-2αT(r ij-r0T))-

2exp(-αT(r ij-r0T))]　r ij≤r cT(2) u TW(r ij)=0 r ij≤r c T(3) u W(r ij)=D W[exp(-2αW(r ij-r0W))-

exp(-αW(r ij-r0W))]　r ij≤r cW(4) u W(r ij)=0 r ij

u TW(r ij)为工件原子与刀具原子间相互作用势;D W, D T分别为工件和刀具的结合能;αW,αT分别为工件和刀具的势能曲线梯度;r0W,r0T分别为工件原子间和刀具原子间作用力为零时的原子间距.

1.2　模拟条件

金刚石刀具沿单晶铜(100)面上[100]方向进行三维直角自由切削模拟,工件和刀具模拟规模分别为141a×12a×6a(a为单晶铜晶格常数)和2b×10b×10b(b为金刚石晶格常数),刀具前角采用0°,后角为10°,切削深度为2.5a,系统温度采用室温,模拟时间为0.1fs,为了减少模拟时间,切削速度采用300m/s.

2　模拟结果与讨论

2.1　单晶铜切削过程分析

图1为单晶铜纳米切削过程中几个瞬间原子图像,从图中可看出,随着刀具的介入,刀具前的工件原子首先发生堆挤,晶格发生变形,如图1b所示.随着刀具的移动,与金刚石刀具接触的工件原子晶格变形加剧,且工件原子向上运动开始形成切屑,如图1c所示,随着切削的进行,切屑开始以原子团的形式去除,见图1d,并堆积在未加工表面的上方,如图1e和图1f所示.从图中也可看出,在整个切削过程中,有位错产生,加工表面发生弹性恢复,切屑体积未发生明显变化

.

图1　单晶铜纳米切削过程(t为分子动力学步)

2.2　切削过程中切削力的分析

切削力清晰反映了切屑的去除过程,是解释切削现象的重要物理参数,下面根据模拟结果(如图2所示)研究其对切削过程的影响.

从图2可知,X轴方向切向力与Y轴方向轴向力随着刀具的运动而不断增加,Z轴方向(即刀具切削刃方向)力基本没有变化,从图1中也可看出Z轴方向上工件基本上没有发生变形,因此和传统切削过程一样,沿切削刃方向切削过程的变形可以忽略不计,X

?

3

3

1

?

　2004年6月 唐玉兰等:单晶铜纳米切削过程的研究

轴方向切向力和Y 轴方向轴向力以上升下降的方式增加,这是由于位错产生、运动而引起的切削力变化,

这说明在切削过程中有位错产生,这种切削力改变的现象是原子水平塑性变形的固有特性,因此单晶铜纳米切削过程是由于位错引起的塑性变形

.

图2　切削过程中切削力的变化

由图1和图2可以看出,单晶铜的纳米切削变形

过程可解释为:随着刀具的切入,与金刚石刀具接触的最外层铜原子与金刚石原子间的作用力表现为斥力,同时它们又受到内部铜原子的作用力,由于金刚石原子的结合能大,因而最外层铜原子受的斥力占主导地位,使切削刃下部的铜原子层被压缩,从而使晶格受压变形,当储存在晶格中的应变能超过一定值时,与刀尖接触处铜原子的晶格结构被打破,铜原子开始以低晶格能的形式重新排列,以使晶格能得以释放.但当应变能不足以使材料原子重新排列时,在工件晶格中产生位错.同时在切削刃耕犁作用下,在刀具与工件的界面处产生位错.随着切削力的不断增加,发生位错的铜原子在工件内部力的作用下在刀具周围发生堆积,并随切削刃移动向前扩展,当金刚石原子对其切向的斥力被材料原子自身的斥力抵消时,一部分位错穿过切削刃前方形成的剪切区,到达自由表面,从那里消失,一些堆积的原子沿刀具的前刀面向上向前运动形成了切屑,另一些则沿刀具的后刀面向下向后运动,并在切削刃经过以后,由于刀具原子作用力的减小,在内部材料原子斥力的作用下产生弹性恢复,形成已加工表面.但同时一些位错也不可避免地在加工表面形成原子“台阶”,留在工件表面的这些“台阶”的高度可以被认为是纳米切削可以达到的表面粗糙度.2.3　单位切削力和轴向切削力与切向切削力的比值 单位切削力定义为单位切削面积的切向切削力.在切削深度为0.9nm ,切削宽度为2.17nm ,刀具前角为0°,后角为10°时模拟计算出来的单位切削力为5.12×104N/mm 2,这与哈尔滨工业大学罗熙淳博士

模拟单晶铝纳米切削得到的比值一致[10],但比传统切削要大得多[11].这可能是由于尺寸效应的影响,因为纳米加工中由于切削深度小,切削是在晶粒中进行的,所以材料的剪切强度接近理论强度的极限值,切削运动的完成需要打破原子间的结合键以产生新的位错运动,故单位切削力大.而在传统加工中,工件材料的变形是沿着已有的位错运动,故单位切削力小.

虽然在纳米切削中,单位切削力很大,但轴向切削力和切向切削力的的绝对值并不大,分别为0.063μN 和0.1μN ,这是因为纳米切削时切削深度很小,切削体积小的缘故.模拟得到的轴向切削力与切向切削力的比值为0.63,这与罗熙淳博士模拟单晶铝纳米切削得到的比值一致[10].而一般传统切削中轴向切削力和切向切削力的比值在0.3～0.5之间,可见纳米切削中

轴向切削力与切向切削力的比值比传统切削要大得多.这是因为在纳米切削中,切削层很薄,金属挤压占比较重要的地位,引起摩擦力所占的比例增加.切削力是微牛量级,这与哈尔滨工业大学赵清亮博士利用AFM 金刚石针尖进行微加工实验所得到的切削力一

致[12].

3　结　论

1)借助分子动力学方法,研究了单晶铜纳米切削过程中切屑以及加工表面的形成过程.与刀具接触的铜原子在刀具原子的斥力作用下,受压变形,由于晶格变形能与刀具切削刃的耕犁作用产生位错,随着切削力的不断增加,在内部力的作用下不断堆积的原子一部分原子向上运动形成切屑,一部分向下运动形成加工表面.

2)在整个切削过程中,沿切削刃方向上的变形很小,切屑体积基本没有改变,由于内部材料原子斥力的作用,使得切削刃经过以后的加工表面发生弹性恢复. 3)在纳米切削过程中,切削力的值是微牛量级,由于尺寸效应的影响,单位切削力和轴向力与切向力的比值比传统切削时大得多.参考文献:

[1]　Shimada S ,Ikawa N ,Ohmori G ,et al.Molecular dynamics

analysis

as

compared

with

experimental

result

of

micromachi 2ning [J ].A nnals of the CIR P ,1992,41(1):117—120.

[2]　Belak J ,Stowers I F.A molecular dynamics model of the or 2

thogonal cutting process[A ].Proc A S PE A nnal Conf [C].

?431?纳　米　技　术　与　精　密　工　程 第2卷　第2期　

Rochester,N Y:1990,23—28.

[3]　Belak J,Lucca D A,Lomanduri R,et al.Molecular d y2

namics simulation of the chip forming process in single crys2

tal copper and comparison with experimental data[J].Proc

of the A S PE A nnual Conf erence,1991:100—103.

[4]　林　滨,韩雪松,于思远,等.纳米磨削过程中分子动力学

计算机仿真实验[J].天津大学学报,2000,33(5):652—656.

[5]　罗熙淳,梁迎春,董　申,等.分子动力学在单点金刚石

超精密车削机理研究中的应用[J].工具技术,2000,34

(4):3—7.

[6]　罗熙淳,梁迎春,董　申,等.单晶硅纳米加工机理的分子

动力学研究[J].航空精密制造技术,2000,36(3):21—24.

[7]　罗熙淳,梁迎春,董　申.单晶铝纳米切削过程分子动力

学模拟技术研究[J].中国机械工程,2000,11(8):860—862.

[8]　唐玉兰,梁迎春,霍德鸿,等.基于分子动力学单晶硅纳米

切削机理研究[J].微细加工技术,2003,76(2):76—80. [9]　K omanduri R,Raff L M.A review on the molecular d y2

namics simulation of machining at the atomic scale[A].

Proceedings of the I M ECH E Part B Journal of Engineer2 ing M anuf acture[C].2001,215:1639—1672.

[10]　罗熙淳.基于分子动力学的微纳米加工表面形成机理研

究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002:30.

[11]　Shaw M C.Principles of abrasive processing[J].Oxf ord

Science Publications,1996:1—4.

[12]　赵清亮.基于原子理显微镜的纳米加工技术研究[D].哈

尔滨:哈尔滨工业大学,2000.

?

5

3

1

?

　2004年6月 唐玉兰等:单晶铜纳米切削过程的研究