单晶硅纳米切削的材料去除方式的研究.pdf

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1、机械设计与制造第2期122MachineryDesign&Manufacture2014年2月单晶硅纳米切削的材料去除方式的研究张治国(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津市微纳制造技术工程中心，天津300072)摘要：3"-材料切削厚度达到纳米级别，材料去除机理理论尚不成熟，需要通过分子动力学模拟仿真来研究纳米级切削仿真，从而进一步研究材料去除的机理。对于材料的去除方式，主要就不同刀具形状及切削角度来详细讨论了材料的去除方式。在切削前角较小的情况下，材料去除主要以推挤方式去除。由于在纳米级尺度下，随着刀具的移动，刀具前端的单晶硅变为非晶状态，原子晶格变为无序状态，一部分原子

2、向上移动形成切屑，材料去除是不可能类似剪切方式有面的滑移的方式去除的，只能以原子方式去除，故只能以推挤方式进行材料去除。关键词：分子动力学仿真；去除方式；纳米切削中图分类号：TH16；TB383；0613．72文献标识码：A文章编号：1001—3997(2014)02—0122—02StudyofChipRemovalWaybasedontheMonocrystillineSiliconCuttingMolecularDynamicsSimulationZHANGZhi——guo(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnology&Ins

3、truments，CentreofMicroNanoManufacturingTechnology，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：WhencuttingthicknesstoachievenanosCale，materialremovolmechanismtheoryisnotyetmature．Itneedsstudythenanoscalecuttingsimulationbymoleculardynamicssimulation．SO∞tofurtherstudythemechanismofmaterialremo

4、va1．hdiscussedindetailthedifferentshapeofcuttingtoolandrakeangleofmaterialremovalmode．Whenrakeangleissmall，materialremovalmethodsisbypushwaydueunderthenanoscaledimension．Withthemovementofthecuttingtool，onthefrontofcuttingtool，monocrystallinesiliconbecomestoamorphousstate．Itisimpossibleforthemat

5、erialremovaltoremovethesimilarshearingwiththesfiPandonlybeatomically，sotheonlywaytopushformaterialremova1．KeyWords：MolecularDynamicsSimulation；ChipRemovalWay；NanoCutting1引言293K。具体仿真参数，如表1所示。●刀具在传统加工领域，材料去除方式相关理论已经很成熟。塑性材料切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热

6、与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其内在的机理，探索和掌握塑性材料切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，图1分子动力学模型Fig．1MDModel塑性材料切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与采用Morse势计算工件原子与刀具原子之间的作用。Morse~sl生产成本。因此，必须进行深入的研究。势具有形式简单、编程方便的特点，其表达式如下：2分子动力学模拟VM(r)=D{exp[一2(一ro)]一2exp[一o~(r／一r0)]}(1)单

7、晶硅纳米切削的分子动力学模型的工件被划分为三层，式中：一两个原子i和之间的距离；D、一根据不同材料确定．即边界层、恒温层、牛顿层，如图1所示。单晶硅工件尺寸为(16x的常量；rn一核原子和协调形势之间的距离。2x12．5)nm，所包含的原子数目为18079个。为了减小边界效应和采用Tersof势算工件原子，刀具原子内部的作用。其表保持晶格结构对称性，采用固定边界条件，而恒温层和牛顿层原达式如下：子遵守牛顿运动定律。设置工件初始温度为293K，每隔一定分子E