基于不同加工表面的多刀具納米切削過程研究

謝富華，郭曉云*，陳家軒，魏天路

（1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007；2.哈爾濱工業大學機電學院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

納米加工技術是現代機械加工技術的前沿，當被加工工件尺寸達到納米量級時，由于尺寸效應和表面效應的影響，使得納米加工的理論與傳統機械加工有著本質的不同，因此用傳統的連續介質力學理論不能夠解釋納米加工機理和已加工表面質量的形成過程。分子動力學是分析納米加工過程十分有效的工具，運用分子動力學能夠很好地解釋納米加工過程中的各種微觀現象。20世紀80年代，美國勞倫斯實驗室就運用分子動力學模擬技術研究了微磨損、微壓痕，而后他們又開始研究了超精密加工表面的形成機制［1］。和發達國家相比，國內起步比較晚，主要涉及納米機械加工機理、刀具磨損機理等問題。哈爾濱工業大學陳家軒［2］等人進行了單一加工表面多刀具聯合加工模擬，并對切削后工件亞表面缺陷評價。

在宏觀條件下，為了節省時間和提高效率，常采用多把刀具在不同加工表面同時對工件進行切削。在納米尺度下，國內外還未有過這方面的研究，因此就非常有必要研究不同加工表面多刀具納米切削。本文用分子動力學模擬技術建立不同加工表面多刀具納米切削銅模型，從能量、切削力、粗糙度的變化來研究已加工表面質量及其切削機理。

1 模擬模型

在LAMMPS軟件編譯后導入可視化軟件VMD中，得到如圖1所示的不同加工表面多刀具納米切削單晶銅仿真模型。工件劃分為3個區域，如圖1所示，邊界層、恒溫層、牛頓層，工件尺寸在 X，Y，Z 方向分別是 14.0nm，10.0nm，4.0828427nm，原子數目為49296個，刀具原子數目為5061個。刀具將對（010）晶面和（001）晶面同時進行加工，每個面上刀具的數量為3把，刀具間的距離為0.3 nm，刀具的形狀大小都一樣。為了更加準確地描述切削過程，在X，Y，Z方向上全部采用自由邊界條件。

圖1 納米切削單晶銅仿真模型

2 模擬結果與討論

2.1 切削過程中切削力對比分析

切削力是納米切削過程中的重要參數，因此將從切削力的角度來研究不同加工表面的多刀具納米切削過程。如圖2所示為同時加工（010）和（001）面和單獨加工（001）面刀具5的切削力變化曲線。從圖中得到10000步到40000步之間單獨加工（001）面刀具5的切削力略大于同時加工（010）和（001）面刀具5的切削力。而當40000步到50000步時單獨加工（001）面刀具5的切削力明顯大于同時加工（010）和（001）面刀具5的切削力。這是因為同時加工兩面時，刀具之間的干涉程度比單獨加工某一面時要強，而且隨著切削的進行，這種干涉程度將變強。

圖2 刀具5切削過程中切削力變化曲線

圖3 刀具6和刀具3切削過程中切削力變化曲線

圖3表示單獨加工（010）面刀具3的切削力和單獨加工（001）面刀具6的變化曲線。為了研究兩不同表面的切削特性，分別對兩表面進行單獨切削，刀具3和刀具6的切削力能很好地反映切削過程，故取刀具3和刀具6的切削力進行對比分析。從圖中得到刀具6的切削力要大于刀具3的切削力，這是因為工件Y方向上的尺寸要大于Z方向尺寸的結果。這說明加工大尺寸的表面要比加工小尺寸的表面更容易。

圖4表示單獨加工（001）面時，刀具5在刀具間距為0.3nm和0.6nm兩種情況下切削力的變化。因為刀具5是中間刀具受到的干涉程度大，所以在這選刀具5為研究對象。從圖中得出在刀具間距為0.6nm時刀具5的切削力要大于刀具間距為0.3nm時的切削力。說明在一定范圍內增大刀具之間的距離進行切削，刀具之間的互相干涉會減弱，切削力變大，更易于切削。這是因為刀具之間的距離增大，參與切削的原子數越多，位錯的原子數越多。

圖4 刀具5切削過程中切削力變化曲線

2.2 由勢能原子圖像研究納米加工機理和表面質量

圖5 切削后工件銅原子圖像

為了研究不同加工表面的多刀具納米切屑銅加工機理和加工后表面質量，我們對工件銅原子進行能量著色，在研究過程中不對刀具進行分析，所以把刀具隱藏。由圖5中的（a）（b）（c）圖對比可以得出當同時加工（010）和（001）面時，刀具之間的干涉程度更大，兩表面的原子會相互影響，致使周圍表面受到大幅度變形，去除的原子數越多，材料的去除效率更高。已加工表面恢復不如單獨加工某一面時平整，粗糙度大。由圖5中的（c）（d）圖對比可得出刀具間距離的增大，切屑的體積增大，影響側層的體積增大，已加工表面粗糙度大。這是因為隨著刀具間距離增大，受到影響的原子數越多，發生位錯的原子數越多，這是由于位錯運動產生的結果。

3 結論

（1）同時加工不同表面與單獨加工某一表面相比，刀具之間的干涉程度更強，而且隨著切削的進行，這種干涉程度將變強，兩表面的原子會相互影響使得周圍表面受到大幅度變形，去除的原子數越多，材料的去除效率更高。

（2）加工大尺寸的表面要比加工小尺寸的表面更容易。

（3）當在一定范圍內增大刀具之間的距離進行切削時，刀具之間的互相干涉會減弱，切削力變大，變形層的原子數增多，加工表面的粗糙度也會增大。

［1］Hoover W G.，Groot A J D，Hoover C G.,Stowers I.F.Largescale elastic-plastic indentation simulation via nonequilibrium molecular dynamics［J］.Phy.Rev.A，1990（42）：5844-5853.

［2］陳家軒.納構件納米加工機理及其力學特性仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.