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微构件纳米切削过程及其力学特性的多尺度模拟研究

盆洪民  
【摘要】:随着航空航天、精密机械、半导体等行业的飞速发展,对微纳米零件的需求越来越多,同时对其使用性能也提出了很高的要求。微纳米零件的物理尺寸是这些行业向高端发展的主要瓶颈之一,继续缩小设备的尺寸不但可以降低单位产品的价格、降低设备能量消耗,还可以更有效地集成系统的功能。因此,加快建立微纳米零件的加工和设计理论已成为当前制造业领域一项很重要的任务。本文借助连接有限元法和分子动力学法的多尺度模拟理论,研究塑性材料微构件的纳米切削理论以及微构件的拉伸疲劳特性,同时利用原位纳米压痕仪进行纳米刻划实验进行验证。这对全面认识微纳米构件表面切削加工机理、工件表面质量、微纳构件的力学特性,具有重要的理论价值和现实意义,并将为微纳米构件的结构设计与加工制造的深入发展提供必要的理论基础。 本文首先分析了准连续介质方法的基本理论框架和采取的相关技术,对准连续介质方法进行了优化,建立了单晶铜微构件不同晶面和不同加工方向的纳米切削多尺度仿真模型。这种多尺度模型充分考虑到了超精密加工及纳米加工中材料变形的跨尺度特征,即节省了计算成本又实现了材料的纳米级去除过程的模拟。分别从工件切屑的形成、已加工表面缺陷的产生与演化、残余应力、切削力和应变能的变化等角度研究了工件材料不同晶体取向对纳米切削变形机理的影响,确定了纳米切削单晶铜过程的最优加工取向。进行不同加工工艺参数下的纳米切削跨尺度仿真,从工件的变形特性、表面粗糙度、切削力、应变能以及已加工表面缺陷和微观变质层等方面分析了切削速度和切削厚度对材料的纳米切削特性和工件使用性能的影响。研究了超高速切削过程材料的特殊变形机理及纳米切削过程中的临界切削厚度问题。结果发现纳米切削过程已加工表面不仅存在拉应力作用,而且存在压应力作用。仿真的同时,采用原位纳米压痕仪进行不同晶向设置和不同切削厚度下的纳米刻划实验,从切削力、摩擦系数和刻划材料的凸起特点等方面,证实了多尺度仿真模型和计算结果的正确性。针对仿真所得纳米切削的特点和与实验结果进行对照,考虑切削过程中位错的产生与演化、已加工表面的残余应力分布,提出基于挤压—刻划模式的纳米级切削模型。此外,利用多尺度仿真模型,对纳米加工中不同材料的切削特性进行了对比研究。 另一方面,建立了带有不同V型切口模式微构件的拉伸以及压缩多尺度仿真模型,分别从微构件拉伸过程中内部缺陷结构的产生与演化、切口疲劳变形模式、拉伸载荷和拉伸应变能的变化,研究了晶体取向以及切口模式对微构件拉伸以及疲劳特性的影响。结果发现微构件晶体取向和切口模式对微构件的拉伸微观变形机理有较大影响;微构件循环加载时表现为切口处在压缩时形成新键而拉伸时原子键从新的原子面断开的疲劳特性。采用该跨尺度仿真模型对微构件的力学行为进行分析和表征,也将为后续建立解析模型和跨尺度模型相结合的混合分析模式研究纳米切削机理提供依据。


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