超精密加工单晶铜表面创成的分子动力学研究

【摘要】具有纳米级加工精度超精密加工技术是现代制造技术的前沿领域，使具有纳米级形状精度和尺寸精度器件的制造和应用成为可能。由于被加工材料的尺寸达到纳米量级时，加工中出现了显著的表面效应、量子效应和尺寸效应，材料变形和去除机制发生了明显的变化，使具有纳米级加工精度超精密加工理论与传统机械加工有着本质的不同。基于经典连续介质力学建立起来的理论和方法在纳米尺度的超精密加工中不再适用，必须采用以离散介质为理论基础的方法来解释和揭示具有纳米级加工精度超精密加工过程中出现的现象和材料去除机理。在超精密切削加工研究方面，国内外学者普遍采用在完整单晶铜表面进行超精密切削加工研究材料去除机理，取得了大量的研究成果，而对超精密切削加工创成表面力学性能的研究较少。由于超精密切削加工创成表面的微观结构和能量状态与完整晶体表面不同，加工创成表面上材料的变形机理发生显著变化。针对以上问题，本文采用分子动力学方法，研究了具有纳米级加工精度超精密切削加工单晶铜材料的变形机理和去除机制，应用纳米压痕和纳米刻划方法对切削加工创成表面进行了纳米力学测试仿真分析。通过对模拟结果的分析，研究了创成表面的物理性质及其影响因素，揭示了材料在多次超精密切削加工中出现的材料损伤积累。具体的研究内容包括以下几个方面：本文首先建立了单晶铜超精密切削加工及纳米压痕测试三维分子动力学仿真模型，研究了单晶铜完整表面在超精密切削加工中材料变形机理，并在超精密切削加工创成表面上进行了纳米压痕测试，结合晶体缺陷分析技术和晶体塑性理论，辨识和分析了工件内部形成缺陷的种类和分布，解释了切削加工创成表面上纳米压痕过程中材料变形机理，获得了切削加工创成表面的力学参数，例如表面硬度和弹性模量，解释了单晶铜超精密切削加工创成表面软化效应的机理。此外，研究了超精密切削加工沿不同晶向材料变形机理，采用纳米压痕测试方法，对加工创成表面的力学性质进行了定量研究，建立了切削力与表面损伤、软化程度的定性关系。为了进一步明确超精密切削加工创成表面的力学性能，本文建立了单晶铜超精密切削加工及纳米刻划三维分子动力学模型，研究了切削加工创成表面纳米刻划过程材料内部出现的损伤和变形情况，对比了完整单晶铜表面的纳米刻划过程，明确了表面残余损伤对纳米刻划中位错形核和位错滑移对表面力学性质的影响，计算了切削加工创成表面不同深度摩擦系数。此外，通过改变刀具几何参数，采用纳米刻划测试方法衡量了刀具钝圆半径对切削加工创成表面的损伤程度的影响。结合本文对超精密切削加工创成表面力学性质的研究，进一步开展了在加工创成表面上超精密切削过程的研究，探究了多次超精密切削加工中材料的变形机理和损伤机制，获得了不同切削次数和切削条件下的创成表面的纳米力学参数，结合了摩擦磨损、晶体损伤力学等理论，提出了一种基于纳米压痕方法测量表面损伤积累的测试方法。这种测试方法可以对切削加工创成表面的硬度和表面势能进行预测和描述，为超精密切削加工技术提供了一定的理论指导。总之，本文的研究工作不仅是对原有超精密切削加工机理研究的扩展，也是对切削加工创成表面机理和力学性能预测理论的进一步深化。本文有关对超精密切削加工创成表面形成机理和力学性质变化规律的研究和分析，将为超精密切削加工技术的研究提供理论基础，并开辟新的研究途径。
【作者】张霖；
【导师】赵宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】超精密切削加工；纳米压痕测试；纳米划痕测试；表面损伤积累；分子动力学；

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