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(jí)時(shí)，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(guò)程。分子動(dòng)力學(xué)是分析納米加工過(guò)程十分有效的工具，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)能夠很好地解釋納米加工過(guò)程中的各種微觀現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代，美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室就運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)研究了微磨損、微壓痕，而后他們又開(kāi)始研究了超精密加工表面的形成機(jī)制［1］。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)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(wèn)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(duì)切削后工件亞表面缺陷評(píng)價(jià)。

在宏觀條件下，為了節(jié)省時(shí)間和提高效率，常采用多把刀具在不同加工表面同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行切削。在納米尺度下，國(guó)內(nèi)外還未有過(guò)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(dòng)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(lái)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(gè)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(gè)，刀具原子數(shù)目為5061個(gè)。刀具將對(duì)（010）晶面和（001）晶面同時(shí)進(jìn)行加工，每個(gè)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(guò)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(guò)程中切削力對(duì)比分析

切削力是納米切削過(guò)程中的重要參數(shù)，因此將從切削力的角度來(lái)研究不同加工表面的多刀具納米切削過(guò)程。如圖2所示為同時(shí)加工（010）和（001）面和單獨(dú)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(dú)加工（001）面刀具5的切削力略大于同時(shí)加工（010）和（001）面刀具5的切削力。而當(dāng)40000步到50000步時(shí)單獨(dú)加工（001）面刀具5的切削力明顯大于同時(shí)加工（010）和（001）面刀具5的切削力。這是因?yàn)橥瑫r(shí)加工兩面時(shí)，刀具之間的干涉程度比單獨(dú)加工某一面時(shí)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(guò)程中切削力變化曲線

圖3 刀具6和刀具3切削過(guò)程中切削力變化曲線

圖3表示單獨(dú)加工（010）面刀具3的切削力和單獨(dú)加工（001）面刀具6的變化曲線。為了研究?jī)刹煌砻娴那邢魈匦?，分別對(duì)兩表面進(jìn)行單獨(dú)切削，刀具3和刀具6的切削力能很好地反映切削過(guò)程，故取刀具3和刀具6的切削力進(jìn)行對(duì)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?yàn)楣ぜ方向上的尺寸要大于Z方向尺寸的結(jié)果。這說(shuō)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(dú)加工（001）面時(shí)，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?yàn)榈毒?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(duì)象。從圖中得出在刀具間距為0.6nm時(shí)刀具5的切削力要大于刀具間距為0.3nm時(shí)的切削力。說(shuō)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(huì)減弱，切削力變大，更易于切削。這是因?yàn)榈毒咧g的距離增大，參與切削的原子數(shù)越多，位錯(cuò)的原子數(shù)越多。

圖4 刀具5切削過(guò)程中切削力變化曲線

2.2 由勢(shì)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(duì)工件銅原子進(jìn)行能量著色，在研究過(guò)程中不對(duì)刀具進(jìn)行分析，所以把刀具隱藏。由圖5中的（a）（b）（c）圖對(duì)比可以得出當(dāng)同時(shí)加工（010）和（001）面時(shí)，刀具之間的干涉程度更大，兩表面的原子會(huì)相互影響，致使周?chē)砻媸艿酱蠓茸冃?，去除的原子?shù)越多，材料的去除效率更高。已加工表面恢復(fù)不如單獨(dú)加工某一面時(shí)平整，粗糙度大。由圖5中的（c）（d）圖對(duì)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?yàn)殡S著刀具間距離增大，受到影響的原子數(shù)越多，發(fā)生位錯(cuò)的原子數(shù)越多，這是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）同時(shí)加工不同表面與單獨(dú)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(huì)相互影響使得周?chē)砻媸艿酱蠓茸冃?，去除的原子?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(shí)，刀具之間的互相干涉會(huì)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(huì)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.