單晶材料納米級(jí)切削機(jī)理的研究.pdf

1、單點(diǎn)金剛石車(chē)削加工是現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的前沿領(lǐng)域之一。它能夠通過(guò)切學(xué)直接獲得納米級(jí)表面質(zhì)量的光學(xué)元件。在加工過(guò)程中，為了使脆性材料加工表現(xiàn)出塑性特性，往往需要把切削深度控制在納米量級(jí)。采用傳統(tǒng)的切削理論已經(jīng)很難準(zhǔn)確地理解其切削機(jī)理。在此背景下，分子動(dòng)力學(xué)模擬成為了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，它可以在原子級(jí)量級(jí)上對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行深入的研究。
　　 本文系統(tǒng)進(jìn)行了單點(diǎn)金剛石切削納米級(jí)加工的分子動(dòng)力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了使分析研究更接近實(shí)際，在已

2、有分子動(dòng)力學(xué)仿真理論和對(duì)實(shí)際單點(diǎn)金剛石刀具刃口半徑測(cè)量的基礎(chǔ)上，建立了切削刀具三維分子動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了相關(guān)切削仿真研究。本文針對(duì)單晶材料納米級(jí)切削過(guò)程主要進(jìn)行了以下研究。
　　 ●建立了單晶硅納米級(jí)切削過(guò)程MD模型，并針對(duì)模型中工件的不同邊界條件進(jìn)行探討和相關(guān)仿真研究。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的比較分析，提出了在底部和退刀側(cè)施加邊界條件能夠更準(zhǔn)確的進(jìn)行單晶硅的分子動(dòng)力學(xué)仿真。并對(duì)Tersoff勢(shì)能參數(shù)進(jìn)行了探討與研究。
　　

3、●基于分子動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)于材料的去除方式進(jìn)行了研究。根據(jù)不同刀具形狀及切削角度詳細(xì)討論了材料的去除方式。
　　 ●根據(jù)切削過(guò)程中實(shí)際的刀具狀態(tài)，建立了與刀具更相符的三維分子動(dòng)力學(xué)仿真模型。通過(guò)分析切屑的形成形狀和生成位置等方面驗(yàn)證了該三維分子動(dòng)力學(xué)仿真切削更接近實(shí)際切削狀態(tài)。對(duì)單晶硅的進(jìn)行了斜向切削分子動(dòng)力學(xué)仿真，得到脆性材料去除方式分為兩個(gè)階段，即彈性變形，塑性去除；在切深小于0.314nm時(shí)，切削只發(fā)生彈性變形；當(dāng)切深大于0.

4、314nm時(shí)，工件材料發(fā)生塑性去除。對(duì)于切屑的晶格狀態(tài)，在邊緣變?yōu)榉蔷顟B(tài)，內(nèi)部為單晶態(tài)。并通過(guò)白光干涉儀得到，彈性變形和塑性去除的臨界深度為0.0003μm，該結(jié)果與單晶硅分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的結(jié)是相一致的。
　　 ●為獲得納米刃口的微刀具，利用聚焦離子束技術(shù)(FIB)進(jìn)行了微刀具的制備。利用制備的刃口半徑為10nm的微刀具，對(duì)單晶銅進(jìn)行納米切削分子動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。得到切削過(guò)程同樣發(fā)生彈性變形和塑性去除，測(cè)得臨界切削厚度為0.5