单晶铜超精密切削的粗粒化分子动力学模拟

发布时间：2017-04-16 01:09

  本文关键词：单晶铜超精密切削的粗粒化分子动力学模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超精密加工已经成为一个国家在国际竞争中取得成功的关键技术，现代技术产品需要高精度制造，同时大多数精密元件的几何精度都要控制在纳米级以内。因此在纳米尺度内研究金属的切削加工对超精密加工的发展具有重要意义。 有限元方法是较早的超精密加工模拟方法，但是忽略了材料内部的微小元素的影响；传统的MD方法（Molecular Dynamics）虽然能够分析原子及分子固体模型的微观加工特征，但计算速度受到计算机硬件条件的制约，只能在较小的空间尺度内进行计算；CGMD方法（Coarse Grained Molecular Dynamics）是一种能实现多重尺度模拟的方法，基于有限元方法中权重函数的概念，节点的受力和运动则遵循分子动力学统计方式，故能在不同尺度下通过修正势能函数实现超精密加工的模拟，并在保证计算精度的同时提高计算速度。 本文首在阐述CGMD方法的理论基础和势能函数修正模式的基础上，对同一模型分别采用MD方法和CGMD方法建立切削模型并分别计算，对比计算结果得到以下结论：对于同一模型，粗粒化系数为2的CGMD方法计算速度约为MD方法的8倍，而CGMD模型能够计算得到与MD模型相似的结果，，从而肯定了CGMD方法对单晶铜超精密切削系统的适用性。 基于CGMD方法，文章探讨单晶铜超精密切削行为。模拟结果表明单晶铜切削过程实质为原子的剪切和挤压。随着切削过程的进行，刀具下方的单晶铜原子受到切削刃的挤压和剪切作用发生晶格变形，晶格断裂原子错位形成非晶层；已加工表面断裂的原子晶格与刀具下方的非晶态原子结合，形成已加工表面的变质层；刀具前方的原子不能与其他原子结合，形成切屑堆积在刀具前方并脱离工件；工件中发生晶格缺陷的晶格数不断增加。 文章讨论了不同切削参数对单晶铜超精密切削过程的影响，其中切削厚度对切削过程的影响较大，随着切削厚度的增加，切削中工件原子间的挤压和晶格变形现象加剧，切向和法向切削力也增大，加工表面粗糙度增大；切削速度的增加同样也导致了切削力的增加，但对系统中加工表面质量和工件晶格缺陷影响较小；刀具前角的增大有利于得到质量高的加工表面，加工过程中刀具受力较小，系统能量偏低，但容易导致刀具强度不足；刀具后角的增大能有效减少刀具后刀面和加工表面的摩擦，有利于得到较小的切削能量、较小的切削力和较高的表面质量；刀具切削刃钝圆半径对加工表面质量影响较大，随着钝圆半径的增大，加工表面质量变差，系统能量和切削力减少。 文章还讨论了点缺陷的存在对单晶铜超精密切削过程的影响，模拟结果显示随着工件中点缺陷比例的增加，晶格中原子间键作用力减弱，晶格更易发生变形和断裂，加工表面粗糙度增加，系统势能和刀具切削力减小，切削完成后工件中存在更多的晶体缺陷。 本文首次将CGMD方法应用在金属超精密切削的模拟研究中，并成功解释了单晶铜纳米切削过程，扩展了分子动力学方法的模拟尺度，对超精密加工领域的跨尺度模拟有一定的参考价值。
【关键词】：CGMD 粗粒化 单晶铜 切削参数 点缺陷
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG146.11;TG506
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 超精密加工的研究意义11-13
• 1.3 金属超精密切削研究现状13-18
• 1.3.1 理论研究现状13
• 1.3.2 模拟研究现状13-18
• 1.4 粗粒化分子动力学方法学(CGMD)18
• 1.5 论文的主要研究内容18-21
• 第2章 单晶铜超精密切削过程的粗粒化模拟与结果分析21-51
• 2.1 引言21-22
• 2.2 单晶铜超精密切削的分子模拟22-30
• 2.2.1 模型选择22-23
• 2.2.2 原子间势能函数23-27
• 2.2.3 运动方程的建立及求解27-28
• 2.2.4 初始化模型28-29
• 2.2.5 系统弛豫29
• 2.2.6 计算并分析结果29-30
• 2.3 单晶铜超精密切削的全原子模拟30-34
• 2.3.1 工件和刀具模型30-31
• 2.3.2 全原子模型31-33
• 2.3.3 全原子模型势能参数33-34
• 2.4 单晶铜超精密切削的 CGMD 模型34-38
• 2.4.1 粗粒化分子动力学理论基础34-36
• 2.4.2 工件和刀具粗粒化模型36
• 2.4.3 粗粒化模型36-37
• 2.4.4 CGMD 模型势能参数37-38
• 2.5 弛豫过程的分析与比较38-40
• 2.6 切削过程分析与比较40-48
• 2.6.1 切削构象40-42
• 2.6.2 切削力42-44
• 2.6.3 切削能量44-45
• 2.6.4 晶体缺陷45-48
• 2.7 本章小结48-51
• 第3章 切削参数对单晶铜超精密切削的影响51-85
• 3.1 引言51
• 3.2 切削厚度的影响51-58
• 3.3 切削速度的影响58-64
• 3.4 刀具形状的影响64-83
• 3.4.1 刀具前角的影响65-72
• 3.4.2 刀具后角的影响72-77
• 3.4.3 切削刃钝圆半径的影响77-83
• 3.5 本章小结83-85
• 第4章 晶体点缺陷对单晶铜超精密切削的影响85-93
• 4.1 引言85
• 4.2 点缺陷的影响85-92
• 4.3 本章小结92-93
• 第5章 总结与展望93-97
• 5.1 本文总结93-94
• 5.2 展望94-97
• 参考文献97-103
• 作者简介及科研成果103-104
• 致谢104

【参考文献】

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本文编号：309665