金刚石切削模具钢磨损机理的分子动力学仿真

发布时间：2017-03-16 08:03

  本文关键词：金刚石切削模具钢磨损机理的分子动力学仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：模具钢由于具有优良的强度、韧性、耐磨性和抗疲劳强度而在精密制造行业具有广阔的应用前景,但生产加工中仍采用粗磨、精细研磨和抛光等工艺措施,生产率低并且容易产生较大的装夹误差,因此在模具钢的实际生产过程中急需应用超精密切削技术,以提高生产效率和加工精度。天然单晶金刚石具有优良的机械物理性能使其成为最理想的超精密切削刀具材料之一,但在切削模具钢材料时刀具会产生严重磨损,对刀具磨损机理研究不足严重限制了模具钢的发展。分子动力学能够在纳米级加工领域分析刀具和工件原子之间的相互作用,本文利用分子动力学研究单晶金刚石切削模具钢过程中刀具的磨损机理,并进行相关实验验证了理论仿真结果,主要研究内容和结论如下：(1)基于MEAM势函数建立了金刚石超精密切削模具钢的分子动力学仿真模型。仿真结果表明：铁原子含有未配对d电子,并且铁在(111)面上与金刚石(111)面上的原子符合垂直对准原则,导致铁易与金刚石原子形成化学键。与金刚石(111)面上符合垂直对准原则的铁原子同时驱动金刚石原子运动,促使金刚石结构转化为石墨结构。金刚石的石墨化过程是切削刃的原子转化成为石墨结构,而不是变形的碳原子脱离金刚石表面。(2)进行金刚石切削模具钢的摩擦磨损实验。实验结果表明刀具在较低的切削速度和接触压力条件下已经发生严重磨损,加工后的工件表面检测到了以铁的化合物方式存在的碳,验证了磨损机理的正确性。(3)建立金刚石和铁基金刚石的加热模型。通过原子排布情况表明加热过程中金刚石的原子状态,并利用温度-体积曲线计算不同条件下金刚石的熔点,证明了铁的存在能够加速金刚石石墨化进程,降低石墨化温度。(4)通过配位数变化情况计算金刚石刀具石墨化率,验证了垂直对准原则在刀具磨损过程中的适用性。刀具的磨损变形主要集中在局部产生并向外扩展,并在扩展过程中产生石墨化现象,石墨化率最大的为(111)晶面；切削速度高的加工条件使更多工件原子的能量集中于切屑部分,有助于获得较高的表面质量；切削过程中工件原子附着在刀具前刀面上形成类似积屑瘤的一层“原子膜”,导致厚度的变化对刀具磨损影响作用不大。
【关键词】：金刚石石墨化 磨损机理 模具钢 分子动力学仿真
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG711;TH117.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 论文的研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势11-17
• 1.2.1 金刚石切削模具钢磨损机理研究概况11-13
• 1.2.2 国内外模具钢金刚石切削工艺研究概况13-14
• 1.2.3 国内外分子动力学对纳米加工的研究概况14-17
• 1.3 课题的来源及本文的研究内容17-19
• 1.3.1 课题的来源17
• 1.3.2 本文的研究内容17-19
• 2 分子动力学方法的理论基础19-27
• 2.1 分子动力学方法的基本思想19
• 2.2 分子动力学仿真模型的结构搭建19-24
• 2.2.1 势能函数选取与参数确定20-22
• 2.2.2 边界条件22
• 2.2.3 积分算法22-23
• 2.2.4 系综23
• 2.2.5 步长23
• 2.2.6 模拟过程中所用软件23-24
• 2.3 分子动力学表征方法24-26
• 2.3.1 配位数25
• 2.3.2 径向分布函数25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 单晶金刚石切削铁的分子动力学仿真27-38
• 3.1 单晶金刚石切削铁仿真模型的建立27-30
• 3.1.1 铁和金刚石的晶体结构27
• 3.1.2 金刚石不同晶面建模27-29
• 3.1.3 单晶金刚石切削铁的分子动力学模型29-30
• 3.2 仿真结果与分析30-36
• 3.2.1 刀具磨损机理30-32
• 3.2.2 刀具受力分析32-33
• 3.2.3 切削过程温度分析33-35
• 3.2.4 径向分布函数分析35
• 3.2.5 配位数分析35-36
• 3.3 本章小结36-38
• 4 金刚石磨损实验及金刚石加热过程的仿真分析38-46
• 4.1 金刚石磨损实验38-42
• 4.1.1 摩擦化学抛光实验装置38
• 4.1.2 金刚石磨损实验过程38-40
• 4.1.3 实验检测仪器40
• 4.1.4 实验结果分析40-42
• 4.2 金刚石加热过程的分子动力学仿真42-45
• 4.2.1 建模及参数选取42-43
• 4.2.2 金刚石加热结果分析43-44
• 4.2.3 铁基金刚石加热结果分析44-45
• 4.3 本章小结45-46
• 5 切削参数变化对刀具磨损影响的分子动力学仿真46-58
• 5.1 金刚石晶面对刀具磨损的影响46-49
• 5.1.1 晶面对刀具石墨化率的影响46-47
• 5.1.2 晶面对前刀面温度的影响47-48
• 5.1.3 晶面对刀具磨损的影响48-49
• 5.2 切削速度对刀具磨损的影响49-53
• 5.2.1 切削速度对刀具石墨化率的影响49-51
• 5.2.2 切削速度对工件形态变化的影响51-53
• 5.2.3 切削速度对刀具受力、温度的影响53
• 5.3 切削厚度对刀具磨损的影响53-57
• 5.3.1 切削厚度对刀具石墨化率的影响54
• 5.3.2 切削厚度对刀具受力、温度的影响54-55
• 5.3.3 切削厚度对工件形态的影响55-57
• 5.4 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况63-64
• 致谢64-65

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