基于分子动力学的单晶硅纳米切削过程中刀具磨损的研究

摘要

单晶硅因其光学性能优异、机械强度高以及化学性质稳定等特点，被广泛地应用于光学、机械电子等高科技领域。然而，单晶硅的断裂强度和屈服强度比较接近，加工过程中容易发生脆性断裂，很难获得高质量的加工表面。目前，做为先进制造前沿技术之一的纳米切削技术，由于具有加工精度高、效率高、易于控制以及可加工复杂面形等特点，成为单晶硅加工领域的研究热点。在单晶硅的纳米切削过程中，金刚石刀具易在较短的时间内发生严重的磨损，导致加工表面质量迅速恶化。此外，当切削加工量进入纳观领域时，去除对象为具有离散性质的原子或分子，所涉及的理论已超出了建立在连续介质力学基础之上的常规切削理论，使得各国学者对金刚石刀具的磨损机理以及单晶硅的纳米加工机理的认识还存在着较大的争议。上述问题已经成为纳米切削技术进一步发展所亟需解决的问题。鉴于分子动力学方法能够从原子角度表征纳米切削的瞬态过程、分析研究其中的机理性问题。
　　本研究主要内容包括：⑴基于分子动力学基本原理，建立了金刚石刀具纳米切削单晶硅的分子动力学模型，并选择合适的势函数、积分方法和系综等参数。综合金刚石的晶格结构和热力学性质系统研究了金刚石石墨化的各向异性行为，得到了其随温度和晶体取向的变化规律。并且为了更好地分析金刚石的石墨化过程，本文提出了一种新方法—6元环法，可以准确地辩识出金刚石和石墨碳原子。此外，对传统的分子动力学刀具模型进行了修正，修正后的刀具能够更加真实地反映纳米切削过程中的刀具状态。通过对比分析传统和修正刀具的磨损程度，验证了后者比前者更适用于刀具磨损的研究。⑵基于大规模单晶硅工件(100×50×3nm3)的纳米切削仿真模型，模拟研究了单晶硅在纳米加工过程中的材料去除和表面形成机理。为了分析单晶硅各向异性对其纳米切削行为的影响，研究了金刚石刀具分别沿着单晶硅(100)、(110)和(111)面的典型晶向的切削过程，获得了切削方向变化对切屑和表面损伤层的影响规律，并对加工表面完整性进行量化比较，确定了每个晶面上更适合塑性域切削的晶向。同时，采用配位数法表征了加工表面中的损伤结构，并结合对工件中的静压和最大剪切应力的分析，揭示了表面非晶层和亚表面损伤层的形成机理。此外，系统研究了刀具几何形状和背吃刀量对单晶硅纳米切削行为的影响，通过分析切屑中的剪切面结构，详细阐述了单晶硅在纳米切削过程中的去除机理。⑶金刚石刀具表面石墨化磨损后会导致其表面软化，在硬质颗粒的刻划作用下会引起刀具发生剧烈磨损。因此，基于前面提出的修正刀具模型，系统研究了温度和剪切应力对金刚石刀具石墨化磨损的影响，并揭示了其形成机理。同时，分析了吸附在刀具表面的低配位数碳原子对刀具磨损的作用机制。此外，模拟研究了金刚石各向异性对刀具磨损行为的影响，获得了具有最强抗磨损能力的金刚石刀具前后刀面的晶向组合。⑷建立了具有不同几何形状的金刚石刀具，模拟研究刀具几何形状对刀具磨损的影响。对引起金刚石刀具磨损的主要因素进行了系统分析，深入剖析刀具前后角的变化对前后刀面磨损的影响。同时，研究了金刚石刀具在切削过程中的扩散磨损，通过分析磨损区中碳原子的杂化结构与热导率之间的关系，对其机理进行了解析。此外，在刀具后刀面上引入微沟槽，研究微沟槽深度和密度对刀具磨损的影响，并揭示了其作用机制，相关研究将为超精密加工金刚石刀具的设计及应用提供理论指导和技术支持。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 单晶硅纳米切削技术的研究现状

1.3 金刚石刀具磨损的研究现状

1.4 金刚石石墨化的研究现状

1.5 目前研究存在的不足

1.6 本文的主要研究内容

第2章 纳米切削的分子动力学模型及金刚石石墨化的分析

2.1 引言

2.2 分子动力学基本思想和理论基础

2.3 金刚石石墨化分析

2.4 纳米切削的分子动力学刀具模型

2.5 本章小结

第3章 单晶硅纳米切削机理的研究

3.1 引言

3.2 大规模分子动力学模型及切削参数

3.3 各向异性对单晶硅纳米切削的影响

3.4 切削参数对单晶硅纳米切削的影响

3.5 本章小结

第4章 金刚石刀具石墨化磨损机理的研究

4.1 引言

4.2 分子动力学模型与切削参数

4.3 金刚石刀具石墨化磨损机理的研究

4.4 各向异性对金刚石刀具抗磨损能力的影响

4.5 本章小结

第5章 刀具几何形状对金刚石刀具磨损的影响

5.1 引言

5.2 分子动力学模型与切削参数

5.3 刀具角度对金刚石刀具磨损的影响

5.4 后表面微结构对刀具磨损的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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