单晶硅纳米级切削过程的分子动力学仿真研究

【摘要】： 在超精密加工中,特别是进行纳米级加工时,材料以离散的数个原子或原子层的方式去除,加工过程中材料的去除,已加工表面的形成等都与常规加工存在着巨大差异,采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的,并且难于应用实验进行观察和测量。而分子动力学仿真是在理论上研究超精密加工过程的一种非常有效的方法,提供了一种从微观领域探索宏观特性的途径。 将刀具设为非刚体,以Debye模型为动能和温度之间的转化模型,建立了单晶硅纳米级切削的分子动力学模型,对切削过程进行了仿真。从切削过程中瞬间原子位置、切削力、硅原子间势能、切削温度等角度分析了切削加工机理,结果表明:切削刃前下方的变形原子不断延伸与扩展,与已加工表层断裂的原子键结合,形成已加工表面变质层,而切削刃前方的变形原子受到挤压和剪切作用,堆积在刀具的前方,形成了切屑。刀尖附近有少量的原子位错产生。对刀具刀尖附近不同位置的原子进行了温度和力的计算,发现后刀面原子温度最高,前刀面原子受力最大,切削中刀具温度在某一值附近上下波动。 应用分子动力学仿真研究了切削厚度、切削速度和切削刃钝圆半径对切削过程的影响,研究表明:切削厚度增加,切削力、硅原子间势能和切削温度都增加。切削速度增加,硅原子间势能和切削温度增大,切削力减小。钝圆半径增加,切削力、硅原子间势能和切削温度都减小。分别采用Morse势和Tersoff势计算C-Si原子间的相互作用,研究了不同势函数对切削过程分析结果的影响。 对点缺陷的单晶硅纳米级切削过程进行了仿真,结果表明:随着点缺陷比例的增加,切削力和硅原子间势能减小,工件温度增加,而刀具温度没有明显变化。