微構件納米切削過程及其力學特性的多尺度模擬研究.pdf

1、隨著航空航天、精密機械、半導體等行業(yè)的飛速發(fā)展，對微納米零件的需求越來越多，同時對其使用性能也提出了很高的要求。微納米零件的物理尺寸是這些行業(yè)向高端發(fā)展的主要瓶頸之一，繼續(xù)縮小設備的尺寸不但可以降低單位產(chǎn)品的價格、降低設備能量消耗，還可以更有效地集成系統(tǒng)的功能。因此，加快建立微納米零件的加工和設計理論已成為當前制造業(yè)領域一項很重要的任務。本文借助連接有限元法和分子動力學法的多尺度模擬理論，研究塑性材料微構件的納米切削理論以及微構件的拉伸

2、疲勞特性，同時利用原位納米壓痕儀進行納米刻劃實驗進行驗證。這對全面認識微納米構件表面切削加工機理、工件表面質量、微納構件的力學特性，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義，并將為微納米構件的結構設計與加工制造的深入發(fā)展提供必要的理論基礎。
　　本文首先分析了準連續(xù)介質方法的基本理論框架和采取的相關技術，對準連續(xù)介質方法進行了優(yōu)化，建立了單晶銅微構件不同晶面和不同加工方向的納米切削多尺度仿真模型。這種多尺度模型充分考慮到了超精密加工及納米加工

3、中材料變形的跨尺度特征，即節(jié)省了計算成本又實現(xiàn)了材料的納米級去除過程的模擬。分別從工件切屑的形成、已加工表面缺陷的產(chǎn)生與演化、殘余應力、切削力和應變能的變化等角度研究了工件材料不同晶體取向對納米切削變形機理的影響，確定了納米切削單晶銅過程的最優(yōu)加工取向。進行不同加工工藝參數(shù)下的納米切削跨尺度仿真，從工件的變形特性、表面粗糙度、切削力、應變能以及已加工表面缺陷和微觀變質層等方面分析了切削速度和切削厚度對材料的納米切削特性和工件使用性能的影

4、響。研究了超高速切削過程材料的特殊變形機理及納米切削過程中的臨界切削厚度問題。結果發(fā)現(xiàn)納米切削過程已加工表面不僅存在拉應力作用，而且存在壓應力作用。仿真的同時，采用原位納米壓痕儀進行不同晶向設置和不同切削厚度下的納米刻劃實驗，從切削力、摩擦系數(shù)和刻劃材料的凸起特點等方面，證實了多尺度仿真模型和計算結果的正確性。針對仿真所得納米切削的特點和與實驗結果進行對照，考慮切削過程中位錯的產(chǎn)生與演化、已加工表面的殘余應力分布，提出基于擠壓—刻劃模式

5、的納米級切削模型。此外，利用多尺度仿真模型，對納米加工中不同材料的切削特性進行了對比研究。
　　另一方面，建立了帶有不同V型切口模式微構件的拉伸以及壓縮多尺度仿真模型，分別從微構件拉伸過程中內部缺陷結構的產(chǎn)生與演化、切口疲勞變形模式、拉伸載荷和拉伸應變能的變化，研究了晶體取向以及切口模式對微構件拉伸以及疲勞特性的影響。結果發(fā)現(xiàn)微構件晶體取向和切口模式對微構件的拉伸微觀變形機理有較大影響；微構件循環(huán)加載時表現(xiàn)為切口處在壓縮時形成新鍵