分子動(dòng)力學(xué)仿真

1、7.3納米切削中各種工藝參數(shù)的影響 這一領(lǐng)域的無(wú)論是實(shí)驗(yàn)研究還是分子動(dòng)力學(xué)模擬研究都已經(jīng)相當(dāng)受限。一些參數(shù)，即是，前角，刃口半徑和切削深度的影響下分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果介紹如下。7.3.1前角的影響(a) 負(fù)前角 在加工中很少使用大的負(fù)前角（15°），大的負(fù)前角總是存在磨削過(guò)程中, Hahn引入的磨削里的摩擦顆粒假說(shuō)是根據(jù)一些磨粒可以僅僅摩擦工作表面從而在后刀面上產(chǎn)生高的摩擦力，但刀具前刀面沒(méi)有切削力，而其他磨粒會(huì)參與切屑形成過(guò)程。根據(jù)Hahn理論，如果在微尺度上磨削過(guò)程類似于銑削，應(yīng)該沒(méi)有理由認(rèn)為磨削的力比與切削不同。然而，在用正前角刀具的金屬切削中，推力通常大約是切削的一半，而在磨

2、削過(guò)程中的推力是切削力的兩倍。因此，研究用較大的負(fù)前角刀具加工過(guò)程極大地方便了模擬磨削過(guò)程。圖8a至f顯示銅的納米切削分子動(dòng)力學(xué)模擬。采用極其尖銳的，無(wú)限堅(jiān)硬的刀具并變換不同的負(fù)前角（從0至-75°）。該圖中顯示出初始的刀具和采用不同前角的刀具在工件上移動(dòng)一定的距離后被加工材料的變化。刀具尖端的塑性變形能被看見(jiàn)。還可見(jiàn)有：切屑長(zhǎng)度減少（或切屑厚度的增加），增加在越來(lái)越大的負(fù)前角下表面下的變形的程度耕犁作用增加。此外，在加工材料中產(chǎn)生位錯(cuò)，加工表面的彈性恢復(fù)可以看出。當(dāng)前角改變至負(fù)值時(shí)，剪切帶被發(fā)現(xiàn)朝向工作材料旋轉(zhuǎn)，由于工作材料合力矢量的旋轉(zhuǎn)剪切角下降。圖9a和b顯示隨前角的變化每單位

3、寬度的切削力和推力的變化以及推力與切削力的比。圖 9b所示，Crawford和Merchant。Kita等給出傳統(tǒng)切削中的各個(gè)不同前角結(jié)果。Komanduri也是一致的結(jié)果。由圖9a可見(jiàn)，當(dāng)前角從+10°朝向負(fù)前角減少時(shí)，推力迅速增加達(dá)到一75°的推力。切削力也有增加的趨勢(shì)。但變化較慢。當(dāng)前角變化至大的負(fù)前角時(shí)推力與切削力的比率也在增加。在前角為10°時(shí)，推力為0.6倍切削力。當(dāng)前角改變至大的負(fù)前角時(shí)這個(gè)比率增加，例如，在75°角時(shí)，它是2.4。除了在非常大的負(fù)前角時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果低，顯示看來(lái)該結(jié)果是合理的。甚至這種差異可以歸因于傳統(tǒng)

4、實(shí)驗(yàn)中在大的負(fù)前角刀具的磨損。然而在分子動(dòng)力學(xué)模擬不包含刀具磨損的影響。Marshall和Shaw發(fā)現(xiàn)了平均磨削系數(shù)，是切削力與磨削推力的比為0.47（或推力和切削力的比值2.12），這里采用碳化硅砂輪?；诒容^所有這些值，超精密磨削（UPG）和高負(fù)前角的刀具納米切削看來(lái)是有相似的。 磨削中的切削前角在一60°附近。 圖8 銅的納米切削分子動(dòng)力學(xué)模擬。采用極其尖銳的，無(wú)限堅(jiān)硬的刀具并變換不同的負(fù)前角（從0至-75°）圖9隨前角的變化每單位寬度的切削力和推力的變化以及推力與切削力的比。圖10顯示了比能量隨前角的變化（即需要用于去除單位體積的工作材料的能量）。圖中顯示是Koma

5、nduri 切10m的深度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Crawford和Merchant切250m的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)傾角減少時(shí)能量在增加，可以通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)與這些研究人員結(jié)果相似。但以較高的比率。另外，也可以看出在一個(gè)很寬范圍內(nèi)的前角與Komanduri和Crawford和Merchant的結(jié)果吻合良好。然而，在納米切削中的比能量被發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)切削比顯著高（大約超出一個(gè)數(shù)量級(jí)）。這種比能量的增加由于晶粒尺寸效應(yīng)類似于許多其他研究人員在過(guò)去報(bào)告的結(jié)果。由于在僅僅考慮平行六面體每一面的幾個(gè)納米的納米切削的分子動(dòng)力學(xué)模擬的工作材料在切削最初是無(wú)任何缺陷，如點(diǎn)，線或面缺陷。這樣的結(jié)論看起來(lái)是貌似可信的。（b）正前角。隨著干切

6、削（加工中不使用或少使用切削液）日益被重視或綠色制造，能量顯著下降（在主剪切區(qū)塑性變形及在切屑和刀具接觸界面產(chǎn)生摩擦）可以直接轉(zhuǎn)化大量的刀具溫度從而增加工具壽命。而更多的難治性刀具，例如多層納米涂層，或先進(jìn)陶瓷可以使加工不使用切削液，大正前角刀具可以進(jìn)一步提升刀具壽命或以更高速，更低能去除材料來(lái)提高生產(chǎn)力。大的正前角刀具（45°）在加工低強(qiáng)度，有色金屬材料如鋁，其中不考慮刀具磨損和刀具的強(qiáng)度下是特別受歡迎的。通過(guò)刀具采用正前角的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究得出結(jié)論，調(diào)查力的減少程度以及隨之而來(lái)能量的減少。圖11a至d顯示采用不同的正前角刀具（達(dá)到 45°）的分子動(dòng)力仿真結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)

7、隨著正前角增加，剪切角增加，刀具與切屑接觸長(zhǎng)度減?。Σ翜p小）和切屑卷曲。圖9a顯示，近50的切削力的減少和隨之而來(lái)的降低切削能量可以通過(guò)使用大正前角（45°）刀具實(shí)現(xiàn)比起零前角的刀具。 圖10 比能量（即需要用于去除單位體積的工作材料的能量）隨前角的變化。Komanduri切削深度為十納米的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Crawford和Merchant切削深度為250納米的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 7.3.2納米切削中刃口半徑和切削深度的影響納米切削分子動(dòng)力學(xué)模擬采用了不同刃口半徑的刀具r（1.207-21.72納米）和不同的切削深度d（0.362-2.172納米）并保持d/ r比恒定（在0.1,0.2和0.3）。

8、變化切削力和推力，調(diào)查力比，比能量和刀具參數(shù)，表面的變形和切削深度的變化?；谶@些研究發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)對(duì)力，力比和比能源有著顯著的影響。圖12a至d顯示d/ r為0.1的不同的切削深度（0.362-2.172 nm）的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。該圖中顯示出了一個(gè)給定的d / r比值下，增加切削深度，刀具前端塑性變形程度和大的表面下變形。位錯(cuò)的產(chǎn)生特別是在較高的切深可見(jiàn)。對(duì)于給定的切削條件位錯(cuò)數(shù)量似乎隨著切削過(guò)程的進(jìn)行增加。這是由于位錯(cuò)的相互作用而產(chǎn)生額外的位錯(cuò)。由于加工材料的固有缺陷，例如空洞，夾雜物和晶界。分子動(dòng)力學(xué)模擬模型使用最初，唯一阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是位錯(cuò)的相互作用而導(dǎo)致的額外的位錯(cuò)。也發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)的數(shù)量

9、隨著切削深度的增加而增加當(dāng)給定切削深度和刀具刃口半徑比（d / r）由于力的增加可以產(chǎn)生位錯(cuò)。此外表面變形的程度隨d / r減少而增加。然而產(chǎn)生的切屑的程度隨d / r比值增加而增加。這表明當(dāng)d/ r比增加切削刀具和工作材料之間的切削運(yùn)動(dòng)增加磨削運(yùn)動(dòng)減少。此外，對(duì)于給定的切削深度，增加刀具刃口半徑（即低d / r比）似乎降低切屑形成的程度。這是因?yàn)榘霃阶兓^大，刀具前角將變?yōu)樨?fù)值因此不利于切屑的形成過(guò)程。進(jìn)一步，對(duì)于d / r給定，增加刀尖圓角半徑增大負(fù)前角以及隨之剪切帶旋轉(zhuǎn)朝向進(jìn)入工作材料。 圖13a到c顯示切削力和推力的變化，以及推力與切削力的比值，不同的切削深度和刃口半徑。而切削力似乎與

10、切削深度線性變化，而推力變化非常迅速在較大切削深度飽和。在磨削加工中大的負(fù)傾角推力與切削力的比為2 ?？梢钥闯?，雖然力跟著在刀具刃口半徑特別是在小的刃口半徑增加(推力比切削力更明顯情況下)，它們?cè)谌锌诎霃阶兓髸r(shí)本質(zhì)上獨(dú)立于邊緣半徑。這是因?yàn)樵诘毒呷锌诎霃阶兓髸r(shí)等效負(fù)前角大而且僅在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)變化，而在刀具刃口半徑值變化小，它顯著變化。此外，在較高的刃口半徑，推力與切削力的比保持恒定，而在低的刃口半徑時(shí)該比率隨著刃口半徑增加而增加（參見(jiàn)圖13c）。另外，該比率隨著切削深度增加而降低。這表明加工材料更多的切削和更少的塑性變形。圖14示出比能量與切削深度在不同的d/ r比下的變化。顯示比能量

11、增加用于減少切削深度（尺寸效應(yīng)）。它指出為了研究不同刃口半徑刀具切削深度的影響，有必要保持恒定的d / r 比。例如，切削力被證明隨著切削深度增加，而獨(dú)立與d / r比值。同樣，比能量被證明隨著切削力減少快速增加而獨(dú)立于d / r的比值。由此切削深度影響可以與刃口半徑的影響區(qū)別開(kāi)。7.4模擬加工出口故障毛刺在機(jī)械加工出口形成，因?yàn)槌隹谌狈ぜ峁┑膹椥约s束。 Pekelharing是最早報(bào)道機(jī)器出口故障的人之一。毛刺受到極大關(guān)注而其形成還不是很清楚。Lucca系統(tǒng)的研究不同材料不同的加工條件采用高速攝影機(jī)研究出口故障得出結(jié)論。這項(xiàng)工作的目的是理解毛刺形成的機(jī)理之后研究方法去最小化其對(duì)工件的影響

12、。然而，這樣的研究可能費(fèi)時(shí)又需要相當(dāng)昂貴費(fèi)用，因?yàn)樗婕暗綄?shí)驗(yàn)。在一項(xiàng)類似的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究出口故障用來(lái)得出結(jié)論。在實(shí)踐中，工件出口側(cè)的邊界原子被移除來(lái)在工件出口側(cè)創(chuàng)造類似于沒(méi)有彈性的條件約束。圖15a是分子動(dòng)力學(xué)模擬圖，圖15b是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的光學(xué)顯微照片（Pekelharing以后）呈現(xiàn)出顯著的相似性。本研究可延伸研究針對(duì)不同材料，切削深度和倒角的工件的出口故障。圖11 顯示采用及其尖銳無(wú)限堅(jiān)硬的不同的正前角刀具（達(dá)到 45°）切削銅的分子動(dòng)力仿真結(jié)果。7.5 仿真已知缺陷結(jié)構(gòu)的加工材料 分子動(dòng)力學(xué)模擬其中的一個(gè)針對(duì)性的缺點(diǎn)是它只能針對(duì)完美材料如，純的無(wú)缺陷的單晶金屬。而這是一個(gè)普

13、通的實(shí)驗(yàn)，分子動(dòng)力學(xué)模擬后引入一些缺陷，如晶界，空隙和第二相粒子在加工材料開(kāi)始出現(xiàn)。圖16a至d 顯示雙晶的分子動(dòng)力學(xué)模擬。圖16a是晶界的初始位置（切削之前），圖16b顯示出當(dāng)?shù)毒咭呀?jīng)到達(dá)晶界的情況 圖16c和d顯示出刀具切削過(guò)程中刀具前端的變形?，F(xiàn)在，這些研究正在擴(kuò)展為包括：多個(gè)晶界，低角和高角晶界，引入加工材料的位置，磨粒的尺寸，缺陷的數(shù)量，形狀，尺寸和第二相粒子的密度。建模這些需要結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)機(jī)械統(tǒng)計(jì)方法，即Monte Carlo模擬。圖12 采用圓頭刀具d/ r為0.1的不同的切削深度（0.362-2.172 nm）的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果7.6納米結(jié)構(gòu)的納米切削下一代先進(jìn)的材料正在發(fā)展為幾乎無(wú)缺陷的納米結(jié)構(gòu)。，在不容易獲得的任何其他技術(shù)，理論或?qū)嶒?yàn)下模擬這些加工材料將是有價(jià)值的。它也是可以模擬超晶格的性能結(jié)構(gòu)作為性能優(yōu)越的涂層切削。晶粒間界可能在納米材料中起重要作用因?yàn)樗鼈兊臄?shù)量顯著增加。還有問(wèn)題是應(yīng)當(dāng)考慮的，如材料中晶界相對(duì)于在這些顆粒的大小的厚度。圖13 變化不