基于不同加工表面的多刀具納米切削過程研究

謝富華，郭曉云*，陳家軒，魏天路

（1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

納米加工技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的前沿，當(dāng)被加工工件尺寸達(dá)到納米量級時，由于尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的影響，使得納米加工的理論與傳統(tǒng)機(jī)械加工有著本質(zhì)的不同，因此用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論不能夠解釋納米加工機(jī)理和已加工表面質(zhì)量的形成過程。分子動力學(xué)是分析納米加工過程十分有效的工具，運(yùn)用分子動力學(xué)能夠很好地解釋納米加工過程中的各種微觀現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代，美國勞倫斯實驗室就運(yùn)用分子動力學(xué)模擬技術(shù)研究了微磨損、微壓痕，而后他們又開始研究了超精密加工表面的形成機(jī)制［1］。和發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)起步比較晚，主要涉及納米機(jī)械加工機(jī)理、刀具磨損機(jī)理等問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳家軒［2］等人進(jìn)行了單一加工表面多刀具聯(lián)合加工模擬，并對切削后工件亞表面缺陷評價。

在宏觀條件下，為了節(jié)省時間和提高效率，常采用多把刀具在不同加工表面同時對工件進(jìn)行切削。在納米尺度下，國內(nèi)外還未有過這方面的研究，因此就非常有必要研究不同加工表面多刀具納米切削。本文用分子動力學(xué)模擬技術(shù)建立不同加工表面多刀具納米切削銅模型，從能量、切削力、粗糙度的變化來研究已加工表面質(zhì)量及其切削機(jī)理。

1 模擬模型

在LAMMPS軟件編譯后導(dǎo)入可視化軟件VMD中，得到如圖1所示的不同加工表面多刀具納米切削單晶銅仿真模型。工件劃分為3個區(qū)域，如圖1所示，邊界層、恒溫層、牛頓層，工件尺寸在 X，Y，Z 方向分別是 14.0nm，10.0nm，4.0828427nm，原子數(shù)目為49296個，刀具原子數(shù)目為5061個。刀具將對（010）晶面和（001）晶面同時進(jìn)行加工，每個面上刀具的數(shù)量為3把，刀具間的距離為0.3 nm，刀具的形狀大小都一樣。為了更加準(zhǔn)確地描述切削過程，在X，Y，Z方向上全部采用自由邊界條件。

圖1 納米切削單晶銅仿真模型

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 切削過程中切削力對比分析

切削力是納米切削過程中的重要參數(shù)，因此將從切削力的角度來研究不同加工表面的多刀具納米切削過程。如圖2所示為同時加工（010）和（001）面和單獨加工（001）面刀具5的切削力變化曲線。從圖中得到10000步到40000步之間單獨加工（001）面刀具5的切削力略大于同時加工（010）和（001）面刀具5的切削力。而當(dāng)40000步到50000步時單獨加工（001）面刀具5的切削力明顯大于同時加工（010）和（001）面刀具5的切削力。這是因為同時加工兩面時，刀具之間的干涉程度比單獨加工某一面時要強(qiáng)，而且隨著切削的進(jìn)行，這種干涉程度將變強(qiáng)。

圖2 刀具5切削過程中切削力變化曲線

圖3 刀具6和刀具3切削過程中切削力變化曲線

圖3表示單獨加工（010）面刀具3的切削力和單獨加工（001）面刀具6的變化曲線。為了研究兩不同表面的切削特性，分別對兩表面進(jìn)行單獨切削，刀具3和刀具6的切削力能很好地反映切削過程，故取刀具3和刀具6的切削力進(jìn)行對比分析。從圖中得到刀具6的切削力要大于刀具3的切削力，這是因為工件Y方向上的尺寸要大于Z方向尺寸的結(jié)果。這說明加工大尺寸的表面要比加工小尺寸的表面更容易。

圖4表示單獨加工（001）面時，刀具5在刀具間距為0.3nm和0.6nm兩種情況下切削力的變化。因為刀具5是中間刀具受到的干涉程度大，所以在這選刀具5為研究對象。從圖中得出在刀具間距為0.6nm時刀具5的切削力要大于刀具間距為0.3nm時的切削力。說明在一定范圍內(nèi)增大刀具之間的距離進(jìn)行切削，刀具之間的互相干涉會減弱，切削力變大，更易于切削。這是因為刀具之間的距離增大，參與切削的原子數(shù)越多，位錯的原子數(shù)越多。

圖4 刀具5切削過程中切削力變化曲線

2.2 由勢能原子圖像研究納米加工機(jī)理和表面質(zhì)量

圖5 切削后工件銅原子圖像

為了研究不同加工表面的多刀具納米切屑銅加工機(jī)理和加工后表面質(zhì)量，我們對工件銅原子進(jìn)行能量著色，在研究過程中不對刀具進(jìn)行分析，所以把刀具隱藏。由圖5中的（a）（b）（c）圖對比可以得出當(dāng)同時加工（010）和（001）面時，刀具之間的干涉程度更大，兩表面的原子會相互影響，致使周圍表面受到大幅度變形，去除的原子數(shù)越多，材料的去除效率更高。已加工表面恢復(fù)不如單獨加工某一面時平整，粗糙度大。由圖5中的（c）（d）圖對比可得出刀具間距離的增大，切屑的體積增大，影響側(cè)層的體積增大，已加工表面粗糙度大。這是因為隨著刀具間距離增大，受到影響的原子數(shù)越多，發(fā)生位錯的原子數(shù)越多，這是由于位錯運(yùn)動產(chǎn)生的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）同時加工不同表面與單獨加工某一表面相比，刀具之間的干涉程度更強(qiáng)，而且隨著切削的進(jìn)行，這種干涉程度將變強(qiáng)，兩表面的原子會相互影響使得周圍表面受到大幅度變形，去除的原子數(shù)越多，材料的去除效率更高。

（2）加工大尺寸的表面要比加工小尺寸的表面更容易。

（3）當(dāng)在一定范圍內(nèi)增大刀具之間的距離進(jìn)行切削時，刀具之間的互相干涉會減弱，切削力變大，變形層的原子數(shù)增多，加工表面的粗糙度也會增大。

［1］Hoover W G.，Groot A J D，Hoover C G.,Stowers I.F.Largescale elastic-plastic indentation simulation via nonequilibrium molecular dynamics［J］.Phy.Rev.A，1990（42）：5844-5853.

［2］陳家軒.納構(gòu)件納米加工機(jī)理及其力學(xué)特性仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.