1引言

分子動力學(xué)主要研究基元的物理和化學(xué)速率過程分子層次的歷程偷逆，對于許多在理論分析和實驗觀察上都難以解釋的現(xiàn)象涮总，它都可以作出一定的解釋院究，因此分子動力學(xué)在物理耘戚、機械嗡髓、化學(xué)、生物收津、材料科學(xué)和摩擦學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用饿这，特別是在機械加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機械學(xué)理論難以解釋微切削過程中所發(fā)生的一些現(xiàn)象朋截，只有從原子觀點分析研究才能充分理解納米級的金屬切削過程蛹稍。通過分子動力學(xué)分析吧黄，可以從原子觀點上對切屑去除和加工表面微觀形貌的形成過程作出合理的解釋，分子動力學(xué)分析是理解納米切削過程和確定表面最終可達(dá)到加工精度的有效工具订薛。

2納米切削過程的分子動力學(xué)模擬概述

分子動力學(xué)(MD)模擬技術(shù)是一項新技術(shù)竖沦，該技術(shù)最近才被用于分析納米級切削加工過程。該方法的基本原理是：建立一個粒子系統(tǒng)來模擬所研究的微觀現(xiàn)象窑赂，系統(tǒng)中各粒子之間的相互作用根據(jù)量子力學(xué)來確定舍屠。對于符合經(jīng)典牛頓力學(xué)規(guī)律的大量粒子系統(tǒng)，通過粒子運動學(xué)方程組的數(shù)值求解圃活，得出粒子在相空間的運動規(guī)律和軌跡胸牲，及該系統(tǒng)相應(yīng)的宏觀物理特性。它既是精確分析原子晶格模型變形和斷裂過程行為的一種有效的方法归鲸，也是從原子觀點分析固體模型的一種微觀方法蝉蛙。納米級金屬切削時切屑去除往往是發(fā)生在很小的區(qū)域，該區(qū)域小到只有幾個原子層大小定桃，建立一個用于計算機模擬的原子級切削模型后傅笨，通過分析即可對切屑生成、加工表面形成的原子過程何别、微切削最終可達(dá)到的加工精度以及刀具與工件之間的相互作用力對最小切削厚度的影響等問題進(jìn)行分析和研究篮啦，并對一些現(xiàn)象作出合理的解釋。日本大阪大學(xué)Shoichi Shimada在假設(shè)用金剛石111面作出的刀具切削刃對理想的Morse勢能型銅鋁合金110面進(jìn)行二維正交切削的基礎(chǔ)上建立了如圖1所示的微切削分子動力學(xué)模擬原子模型挥萌。

圖1微切削分子動力學(xué)模擬原子模型

邊界原子被固定在工件側(cè)面和底部绰姻，靠近邊界原子的那兩層原子為恒溫原子。模擬時這些層的原子速率被按一定特殊時間長度進(jìn)行計算調(diào)整以便把恒溫層原子的平均溫度穩(wěn)定在室溫下(293K)引瀑。為了便于時間長度的計算狂芋，取lfs(1fs=10-15s)和10fs作為分析時使用的時間步長。對微切削模擬主要是在20m/s切削速度下進(jìn)行的伤疙，為縮短計算時間有時也取切削速度為200m/s银酗，其整個模擬過程如圖2所示辆影。

圖2微切削模擬軟件流程圖

3切屑生成和表面形成的過程

在微切削加工過程中徒像，由于切削刃的切削作用，在切削刃前端的工件材料晶格發(fā)生變形蛙讥，當(dāng)儲存在變形晶格中的變形能積累到一定程度的時候锯蛀，原子開始重新排列以便釋放儲存在晶格中的變形能。但儲存的變形能還不足以使全部原子都重新排列次慢，隨著刀具切削刃的向前行進(jìn)旁涤，在靠近刀具和工件接觸的工件表面上產(chǎn)生了晶格位錯，位錯沿著不同的滑移方向呈現(xiàn)出不連續(xù)交替運動狀態(tài)迫像，該種狀態(tài)與切削力產(chǎn)生的波動密切相關(guān)辙炒。當(dāng)位錯移向滑移面的時候，一些原子就有機會與其它原子在距離為幾個原子大小的范圍內(nèi)接近，這時可以看到在位錯之間的一些原子發(fā)生了輕微的移動牌君，該過程是在晶格持續(xù)振動期間完成的捅腋。位錯以圖3所示之字形移向宏觀剪切區(qū)，并通過剪切區(qū)到達(dá)自由表面截剩，這樣绊寞，一個原子層大小的切屑形成了。從晶格位錯的產(chǎn)生和消失情況看诬忱，切屑象是被刀具平穩(wěn)地移走了一樣条赚，而錯位晶格則滲入切削刃底部的工件表面內(nèi)。在切削刃走過后疚编，所有滲入工件表面內(nèi)的錯位晶格開始向后移動并且最終在工件表面消失递思。因為工件材料本身具有彈性恢復(fù)功能，所以在工件表面形成了原子級的階梯在膏，仍會殘留在工件表面上的階梯高度即可被認(rèn)為微切削加工過程中最終獲得的表面粗糙度疑跑。

圖3剪切區(qū)位錯移動示意圖

4最小切削厚度的實驗與結(jié)果

微切削實驗是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所研制的HCM—Ⅰ型亞微米超精密車床上進(jìn)行的，實驗材料分別為鋁金屬和單晶鍺炉抒，采用的金剛石車刀為英國Contour Fine Tooling公司生產(chǎn)的圓弧刃車刀(車刀前角為-25°奢讨，圓弧半徑為R1.5mm，刀具刃口半徑為190nm)焰薄。圖4為采用圓弧刃金剛石車刀的超精密車削過程切削截面示意圖拿诸。圖中f是進(jìn)給量，R表示金剛石車刀的圓弧半徑塞茅，ac是在圓弧上任一點的切削厚度亩码，d是圓弧上切厚為ac的點到已加工表面的距離，ap為背吃刀量野瘦，O1描沟、O2分別表示進(jìn)給前和進(jìn)給后車刀刀尖圓弧的圓心位置。實際切除的切屑寬度稱為實際切屑寬度鞭光，用Wr表示吏廉。假設(shè)切屑完全切削下來，則切屑的寬度是從刀具中心到工件待加工表面這一段的圓弧距離惰许，這里稱之為理論切屑寬度席覆，用Wth表示。從圖4中可以看出胜玖，在切削過程中袄优，沿著金剛石車刀的圓弧的各點的切削厚度是不一樣的。從刀具中心與工件已加工表面的接觸點到刀具與工件待加工表面的接觸點竿疫，切削厚度由零值變成最大值紫掷。

圖4切削過程幾何示意圖

從圖5鋁金屬切屑形貌局部的放大SEM照片上可以明顯看出切屑是由剪切滑移的層狀薄片堆積而成味羡，微切屑呈現(xiàn)出連續(xù)的帶狀分布并且切屑變形顯著增大。在實際切削過程中的條件下伯梧，經(jīng)幾何推導(dǎo)可得最小切削厚度见拴。其值可以通過實驗中獲得的切屑寬度Wr、背吃刀量ap贫迫、進(jìn)給量f和圓弧半徑值R的大小由公式間接求得馒毙，計算后約為30nm；采用同樣的車刀車削單晶鍺時手欣，通過不同背吃刀量和進(jìn)給量的選取疫壕，在可以得到連續(xù)帶狀切屑的情況下，獲得的最小切削厚度為19nm癞樊，其切屑的形貌局部放大照片如圖6所示秸谢。通過計算可以看出鋁的最小切削厚度較單晶鍺的最小切削厚度要大，這是因為鋁是塑性材料霹肝，加工時容易產(chǎn)生塑性變形估蹄，其原子與金剛石原子具有較強的相互作用從而發(fā)生了較大的彈性變形；而單晶鍺是脆性材料沫换，彈性變形極小臭蚁，切削厚度很小的時候仍能被切除的緣故。該結(jié)果與日本實驗中獲得的1nm相比還有一定的差距讯赏。這是因為MTC與切削刃的刃口半徑有一定的比例關(guān)系垮兑，其值大約是所使用刀具的刃口半徑的1/20～1/10，刃口半徑為幾納米的時候才有可能使加工精度達(dá)到納米級漱挎。而我們使用的刀具的刃口半徑較大系枪，刀具過度磨損而產(chǎn)生較差的刀具輪廓，從而導(dǎo)致其最小切削厚度較大磕谅、加工精度較低私爷。

圖5鋁金屬切屑形貌的SEM照片

圖6單晶鍺切屑形貌的SEM照片

5結(jié)論

理解微切屑和表面形成過程，預(yù)測可達(dá)到的最終精度對于促進(jìn)超精密金屬切削技術(shù)的發(fā)展十分必要膊夹，分子動力學(xué)分析正是因為上述原因而成為一種研究微切削加工的有用工具痒仇。最小切削厚度是影響加工精度和表面質(zhì)量的主要因素之一，在特定的環(huán)境下谋扼，其量級決定著最終可達(dá)到的加工精度棒嚼。

作者簡介：王洪祥，哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工業(yè)研究所426信箱咐准，郵編，150001）

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