微切削过程的分子动力学分析

1引言

分子动力学主要研究基元的物理和化学速率过程分子层次的历程，对于许多在理论分析和实验观察上都难以解释的现象，它都可以作出一定的解释，因此分子动力学在物理、机械、化学、生物、材料科学和摩擦学等领域得到了广泛的应用，特别是在机械加工领域，传统的机械学理论难以解释微切削过程中所发生的一些现象，只有从原子观点分析研究才能充分理解纳米级的金属切削过程。通过分子动力学分析，可以从原子观点上对切屑去除和加工表面微观形貌的形成过程作出合理的解释，分子动力学分析是理解纳米切削过程和确定表面最终可达到加工精度的有效工具。

2纳米切削过程的分子动力学模拟概述

分子动力学(MD)模拟技术是一项新技术，该技术最近才被用于分析纳米级切削加工过程。该方法的基本原理是：建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象，系统中各粒子之间的相互作用根据量子力学来确定。对于符合经典牛顿力学规律的大量粒子系统，通过粒子运动学方程组的数值求解，得出粒子在相空间的运动规律和轨迹，及该系统相应的宏观物理特性。它既是精确分析原子晶格模型变形和断裂过程行为的一种有效的方法，也是从原子观点分析固体模型的一种微观方法。纳米级金属切削时切屑去除往往是发生在很小的区域，该区域小到只有几个原子层大小，建立一个用于计算机模拟的原子级切削模型后，通过分析即可对切屑生成、加工表面形成的原子过程、微切削最终可达到的加工精度以及刀具与工件之间的相互作用力对最小切削厚度的影响等问题进行分析和研究，并对一些现象作出合理的解释。日本大阪大学Shoichi Shimada在假设用金刚石111面作出的刀具切削刃对理想的Morse势能型铜铝合金110面进行二维正交切削的基础上建立了如图1所示的微切削分子动力学模拟原子模型。

图1微切削分子动力学模拟原子模型

边界原子被固定在工件侧面和底部，靠近边界原子的那两层原子为恒温原子。模拟时这些层的原子速率被按一定特殊时间长度进行计算调整以便把恒温层原子的平均温度稳定在室温下(293K)。为了便于时间长度的计算，取lfs(1fs=10-15s)和10fs作为分析时使用的时间步长。对微切削模拟主要是在20m/s切削速度下进行的，为缩短计算时间有时也取切削速度为200m/s，其整个模拟过程如图2所示。

图2微切削模拟软件流程图

3切屑生成和表面形成的过程

在微切削加工过程中，由于切削刃的切削作用，在切削刃前端的工件材料晶格发生变形，当储存在变形晶格中的变形能积累到一定程度的时候，原子开始重新排列以便释放储存在晶格中的变形能。但储存的变形能还不足以使全部原子都重新排列，随着刀具切削刃的向前行进，在靠近刀具和工件接触的工件表面上产生了晶格位错，位错沿着不同的滑移方向呈现出不连续交替运动状态，该种状态与切削力产生的波动密切相关。当位错移向滑移面的时候，一些原子就有机会与其它原子在距离为几个原子大小的范围内接近，这时可以看到在位错之间的一些原子发生了轻微的移动，该过程是在晶格持续振动期间完成的。位错以图3所示之字形移向宏观剪切区，并通过剪切区到达自由表面，这样，一个原子层大小的切屑形成了。从晶格位错的产生和消失情况看，切屑象是被刀具平稳地移走了一样，而错位晶格则渗入切削刃底部的工件表面内。在切削刃走过后，所有渗入工件表面内的错位晶格开始向后移动并且最终在工件表面消失。因为工件材料本身具有弹性恢复功能，所以在工件表面形成了原子级的阶梯，仍会残留在工件表面上的阶梯高度即可被认为微切削加工过程中最终获得的表面粗糙度。

图3剪切区位错移动示意图

4最小切削厚度的实验与结果

微切削实验是在哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的HCM—Ⅰ型亚微米超精密车床上进行的，实验材料分别为铝金属和单晶锗，采用的金刚石车刀为英国Contour Fine Tooling公司生产的圆弧刃车刀(车刀前角为-25°，圆弧半径为R1.5mm，刀具刃口半径为190nm)。图4为采用圆弧刃金刚石车刀的超精密车削过程切削截面示意图。图中f是进给量，R表示金刚石车刀的圆弧半径，ac是在圆弧上任一点的切削厚度，d是圆弧上切厚为ac的点到已加工表面的距离，ap为背吃刀量，O1、O2分别表示进给前和进给后车刀刀尖圆弧的圆心位置。实际切除的切屑宽度称为实际切屑宽度，用Wr表示。假设切屑完全切削下来，则切屑的宽度是从刀具中心到工件待加工表面这一段的圆弧距离，这里称之为理论切屑宽度，用Wth表示。从图4中可以看出，在切削过程中，沿着金刚石车刀的圆弧的各点的切削厚度是不一样的。从刀具中心与工件已加工表面的接触点到刀具与工件待加工表面的接触点，切削厚度由零值变成最大值。

图4切削过程几何示意图

从图5铝金属切屑形貌局部的放大SEM照片上可以明显看出切屑是由剪切滑移的层状薄片堆积而成，微切屑呈现出连续的带状分布并且切屑变形显著增大。在实际切削过程中的条件下，经几何推导可得最小切削厚度。其值可以通过实验中获得的切屑宽度Wr、背吃刀量ap、进给量f和圆弧半径值R的大小由公式间接求得，计算后约为30nm；采用同样的车刀车削单晶锗时，通过不同背吃刀量和进给量的选取，在可以得到连续带状切屑的情况下，获得的最小切削厚度为19nm，其切屑的形貌局部放大照片如图6所示。通过计算可以看出铝的最小切削厚度较单晶锗的最小切削厚度要大，这是因为铝是塑性材料，加工时容易产生塑性变形，其原子与金刚石原子具有较强的相互作用从而发生了较大的弹性变形；而单晶锗是脆性材料，弹性变形极小，切削厚度很小的时候仍能被切除的缘故。该结果与日本实验中获得的1nm相比还有一定的差距。这是因为MTC与切削刃的刃口半径有一定的比例关系，其值大约是所使用刀具的刃口半径的1/20～1/10，刃口半径为几纳米的时候才有可能使加工精度达到纳米级。而我们使用的刀具的刃口半径较大，刀具过度磨损而产生较差的刀具轮廓，从而导致其最小切削厚度较大、加工精度较低。

图5铝金属切屑形貌的SEM照片

图6单晶锗切屑形貌的SEM照片

5结论

理解微切屑和表面形成过程，预测可达到的最终精度对于促进超精密金属切削技术的发展十分必要，分子动力学分析正是因为上述原因而成为一种研究微切削加工的有用工具。最小切削厚度是影响加工精度和表面质量的主要因素之一，在特定的环境下，其量级决定着最终可达到的加工精度。

作者简介：王洪祥，哈尔滨工业大学精密工业研究所426信箱，邮编，150001）

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