基于分子动力学单晶铝纳米切削机理研究

发布时间：2020-07-04 21:34

【摘要】：随着对切削加工精度和加工表面质量要求的不断提高,超精密切削加工不断向微纳米尺度发展、向纳米级、原子级精度发展,微纳米切削是超精密加工技术发展的目标和前沿。另一方面,微纳米切削加工可以满足微小结构和形状的加工需求,是达到极限尺寸加工的重要手段。微纳米切削不断推动着超精密加工技术和微细加工技术的发展和进步。超精密加工技术和微细加工技术的发展与应用使国防、军事、航空航天、微电子、精密机械和仪器、光学工程、生物医学工程等行业发生了重大变革。它们不仅是制造高新技术产品的关键技术,而且也是取得国际竞争优势的重要技术之一。微纳米切削的机理和规律与传统切削加工不同,切削发生在微小区域,有许多特殊现象和规律有待进一步探索和研究。由于微纳切削表现出一些不同于宏观切削的新特性,因此,需要寻求新的分析方法。微纳米切削的微观动态过程,在理论分析和实验研究上都存在很大困难。分子动力学方法是一种描述微观现象的有效方法。采用分子动力学方法不仅能得到被分析系统总的特性和某些感兴趣的行为,而且还能像做试验一样地进行观察与显示。特别是许多在试验中无法获得的微观和原子尺度上的细节,在分子动力学方法中都可以方便地观察到。因此,提出了基于分子动力学的单晶铝微纳米切削机理研究的课题。本文首先分析了国内外在超精密加工方面的研究进展,分析了纳米加工仿真技术的发展现状。详细介绍了分子动力学方法的基本理论框架和采取的相关核心技术,同时介绍了有限元方法和多尺度方法并对比分析各种方法的优缺点。选用分子动力学方法,利用分子动力学软件lammps,建立了单晶铝材料不同晶面和不同加工方向的纳米切削仿真模型,从不同晶面,不同晶向,不同切削速度,不同切削厚度考虑,实现了材料的纳米级去除过程的模拟,分别从工件切屑的形成、切削力和应变能的变化等角度研究了工件材料不同晶体取向对纳米切削变形机理的影响,研究了切削速度和切削厚度对材料的纳米切削特性的影响。本文采用纳米压痕仪开展了纳米刻划实验,对单晶铝微纳米切削机理进行实验研究,进行了不同晶向设置和不同切削厚度,不同切削速度的纳米刻划实验,从切削力、摩擦系数和材料的隆起和堆积特点等方面与仿真所得纳米切削的特点数据进行对照,验证了纳米切削仿真模型和计算结果的规律一致性和有效性。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TG501
【图文】：

理化研究所,刀具,日本

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结合区,哈密顿量,有限元,子动力学

原子键的断裂过程，为了方便原子区与有限元区的结合，有限单元被划分到了原子逡逑级大小，模型划分区域为ＭＤ区域，ＦＥ区域及ＴＢ／ＭＤ，ＭＤ／ＦＥ两个岕合区域。逡逑如图２．５所示。逡逑整个模拟系统总能量的哈密顿量表示为：逡逑Ｈｔ0ｔ＝邋Ｈｆｅ邋＋邋Ｈｍｄ邋＋邋Ｈｆｅ／ｍｄ邋＋邋Ｈｔｂ邋＋邋Ｈｍｄ／ｔｂ邋逦邋（２４１）逡逑其中等式左边代表系统总能量，右边各项为其对应区域的哈密顿量，其中逡逑对于有限元区：逡逑咕丘＝妻么Ｃ．ｆ（ｒ）２ｄ打＋全么Ｐ的佩２做逦（２－４２）逡逑其中ｅ表示应变量，Ｃ为刚度，Ｐ为材料的密度，为节点的速度，对于分逡逑子动力学区；逡逑２９逡逑

【参考文献】