單晶材料納米級切削機理的研究.pdf

1、單點金剛石車削加工是現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的前沿領(lǐng)域之一。它能夠通過切學直接獲得納米級表面質(zhì)量的光學元件。在加工過程中，為了使脆性材料加工表現(xiàn)出塑性特性，往往需要把切削深度控制在納米量級。采用傳統(tǒng)的切削理論已經(jīng)很難準確地理解其切削機理。在此背景下，分子動力學模擬成為了一個強有力的工具，它可以在原子級量級上對切削機理進行深入的研究。
　　 本文系統(tǒng)進行了單點金剛石切削納米級加工的分子動力學仿真和實驗驗證。為了使分析研究更接近實際，在已

2、有分子動力學仿真理論和對實際單點金剛石刀具刃口半徑測量的基礎(chǔ)上，建立了切削刀具三維分子動力學模型，并進行了相關(guān)切削仿真研究。本文針對單晶材料納米級切削過程主要進行了以下研究。
　　 ●建立了單晶硅納米級切削過程MD模型，并針對模型中工件的不同邊界條件進行探討和相關(guān)仿真研究。通過對模擬結(jié)果的比較分析，提出了在底部和退刀側(cè)施加邊界條件能夠更準確的進行單晶硅的分子動力學仿真。并對Tersoff勢能參數(shù)進行了探討與研究。
　　

3、●基于分子動力學仿真對于材料的去除方式進行了研究。根據(jù)不同刀具形狀及切削角度詳細討論了材料的去除方式。
　　 ●根據(jù)切削過程中實際的刀具狀態(tài)，建立了與刀具更相符的三維分子動力學仿真模型。通過分析切屑的形成形狀和生成位置等方面驗證了該三維分子動力學仿真切削更接近實際切削狀態(tài)。對單晶硅的進行了斜向切削分子動力學仿真，得到脆性材料去除方式分為兩個階段，即彈性變形，塑性去除；在切深小于0.314nm時，切削只發(fā)生彈性變形；當切深大于0.

4、314nm時，工件材料發(fā)生塑性去除。對于切屑的晶格狀態(tài)，在邊緣變?yōu)榉蔷顟B(tài)，內(nèi)部為單晶態(tài)。并通過白光干涉儀得到，彈性變形和塑性去除的臨界深度為0.0003μm，該結(jié)果與單晶硅分子動力學模擬得到的結(jié)是相一致的。
　　 ●為獲得納米刃口的微刀具，利用聚焦離子束技術(shù)(FIB)進行了微刀具的制備。利用制備的刃口半徑為10nm的微刀具，對單晶銅進行納米切削分子動力學仿真實驗。得到切削過程同樣發(fā)生彈性變形和塑性去除，測得臨界切削厚度為0.5