Impact van koelvloeistoffen op materiaalverwijdering en suboppervlakte defectvorming bij nano-snijden van einkristallijn koper

Samenvatting

Het effect van vloeistofmedia op materiaalverwijdering en suboppervlakte defecten evolutie in het nano-snijproces van einkristal koper wordt onderzocht door middel van moleculaire dynamica simulatie. In dit artikel worden het verwijderingsmechanisme van de span en het vormingsmechanisme van de bewerkte oppervlakte onderzocht door de atoommigratie en dislocatie-evolutie van het werkstuk tijdens het nano-snijproces met behulp van waterige media te analyseren. De verdeling van temperatuur en suboppervlakte defect kristalstructuurtransformatie worden onderzocht, geanalyseerd door middel van centro-symmetrie parameter en common neighbor analyse methodes. De resultaten tonen aan dat het werkstukmateriaal wordt verwijderd door de extrusie-scheeractie van het snijgereedschap. De smering van de waterige media kan de snijkracht verminderen en de hoogte van de snijspan verlagen. In het bijzonder resulteert de koelwerking van de vloeistofmedia in de vorming van een typisch defect "vergelijkbaar met korrelgrens" in de suboppervlakte van het werkstuk. En de temperatuur van het werkstuk heeft een duidelijke afname tijdens het nano-snijproces met het gebruik van vloeistofmedia.

Achtergrond

Diamantsnijden wordt breed beschouwd als een effectieve techniek voor het genereren van genanostructureerde oppervlakken met submicron dimensionele nauwkeurigheid en nanometrische oppervlakteafwerking [1]. Het mechanisme van materiaalverwijdering en vorming van bewerkt oppervlak op nanoschaal is cruciaal voor de verbetering van de verwerkingsnauwkeurigheid in nanometrisch snijproces. In vroege studies concentreerden onderzoekers zich op de vervorming van het materiaal [2,3,4], de oppervlakte defect evolutie [5,6,7], de residuele spanning [8, 9], en de kristalfasetransitie [10, 11] tijdens het nano-snijproces in vacuümomgeving. Echter, in daadwerkelijke nanometrische snijding van metaalmateriaal, is de rol van koel- en smeervloeistof cruciaal voor het verbeteren van de verwerkingsprestaties [12]. Daarom is het noodzakelijk om de invloed van vloeistofmedia op het mechanisme van materiaalverwijdering en suboppervlakte defect evolutie in nano-snijproces te bestuderen.

In de laatste jaren wordt het verwerkingsmechanisme van nano-snijproces breed onderzocht door moleculaire dynamica (MD) simulatie, wat bewijzen is een effectieve methode om nanometrisch snijproces te bestuderen. Bijvoorbeeld, het effect van herstel en zijstroom op de oppervlaktegeneratie, en fasetransformatie in nano-snijden, wordt bestudeerd door Fang [13]. En het wordt gevonden dat de onderdrukking van de zijstroom een effectieve manier is om de gegenereerde oppervlakteroughness in nano-snijden te verbeteren. Urbassek [14] adopteerde MD simulatie om krassen van nanokristallijne metalen te bestuderen en vond dat korreloriëntatie een dominante effect heeft op de ophoping vorm en ook de wrijvingscoëfficiënt sterk beïnvloedt. Sharma [15] onderzocht het effect van zes verschillende kristallografische oriëntaties op materiaalvervormingsmechanisme, suboppervlakte defecten, snijkrachten, specifieke snijenergie, ploeeffect, en oppervlakteroughness in nanoschaal snijden. Luo [16] demonstreerde de vormoverdraagbaarheid door gebruik te maken van nanoschaal multi-tip diamantgereedschappen in de diamendraaien voor schaalbare productie van nanostucturen.

De suboppervlakte defect vorming en de oppervlakteroughness van het nano-component kunnen worden geremd door redelijke selectie van snijparameters, zoals snijrichting, snijdiepte, snijsnelheid, en gereedschapsgeometrie. Echter, het kan niet slagen in het remmen van de vorming van oppervlakte defecten en het verbeteren van de oppervlakte kwaliteit vanuit generatiemechanisme. Behalve dat, zijn deze onderzoeken gericht op nano-snijproces in vacuümomgeving. Echter, in nanometer snijden, bestaan atmosferische en koelvloeistofmedia tussen gereedschap en werkstuk, wat het nano-snijmechanisme en de oppervlakte kwaliteit van nanostuctuur kan beïnvloeden.

Op basis van de bovenstaande overwegingen, voerden veel geleerden onderzoek uit naar nano-verwerkingsproces met behulp van vloeistofmedia. Bijvoorbeeld, Mylvaganam [17] verkennde het effect van O₂ op de nano-indentatie van diamant kubisch silicium met MD simulatie en vond dat het O₂ molecuul dissocieert in zuurstofatomen en chemische bindingen vormt met siliciumatomen. Rentsch [18] vond dat snijvloeistof grote invloed heeft op de verdeling van spanning en temperatuur en wees erop dat de snijvloeistof de gereedschapswear kan verminderen. Liu [19] bestudeerde de invloed van atmosferische moleculen op oppervlakte kwaliteit en gereedschapswear in nano-snijden. De resultaten gaven aan dat de snijkracht afneemt en de wear van het gereedschap vermindert ten gevolge van de smering van atmosferische moleculen. Singh [20] onderzocht de invloed van nanopartikel snijvloeistof op metaalverwijderingsproces. Wang [21] besprak het effect van watermoleculen op tribologisch gedrag en eigenschapsmetingen in nano-indentatie processen en vond dat de participatie van watermoleculen de initiële indentatiekracht verhoogt en de grootste indentatiekracht verlaagt. Chavoshi [22] bestudeerde hoge-temperatuur nanoschaaf van einkristal silicium onder gereduceerde zuurstofconditie, en geen resten van hoge-druk silicium fasen werden waargenomen in de simulatie.

Uit de beschikbare literatuur, zijn eerdere onderzoeken over nano-snijproces met behulp van vloeistofmedia gebaseerd op simulatiemodellen van enkele moleculen of nanopartikels, die gelegen zijn in het gebied van gereedschap-span interface. Echter, geen vloeistofmedia wordt in andere gebieden toegevoegd, en de smering van vloeistofmedia wordt beperkt geanalyseerd. Vanwege de onvoldoende vloeistofmedia in de modellen, beïnvloedt de koelwerking van de vloeistofmedia het nano-snijproces niet, terwijl de koelwerking van vloeistofmedia even belangrijk is als de smeringswerking op de verwerkingsnauwkeurigheid en oppervlakte kwaliteit.

Daarom, in dit artikel, worden het snijgereedschap en het werkstuk volledig omringd door de snijvloeistofmedia die niet alleen in het actiegebied van gereedschap-span interface bestaan, maar ook in de gebieden van werkstukoppervlak, bewerkt oppervlak, en het achterste gebied van het gereedschap. Hierdoor kan de adequate smering van vloeistofmedia tussen snijgereedschap en werkstuk worden onderzocht. Verder worden de vloeistofmedia ingesteld als een constante temperatuur tijdens het nano-snijproces, en de koelwerking van de vloeistofmedia kan ook goed bestudeerd worden. Water-gebaseerde snijvloeistof wordt breed gebruikt in ultra-precisie verwerkingsproces, wat niet alleen water bevat, maar ook oplosbare basisolie, kasterolie, triethanolamine, boorzuur, surfactant, polyethyleenglycol, en natriumfosfaat. Niettemin, is het hoofdbestanddeel van de snijvloeistof water media, en de massa fractie van water in snijvloeistof bereikt ongeveer 70%. Vanwege de moeilijkheden in het bouwen van MD modellen van alle andere stoffen, en de onbekende potentieel functie parameters, kan het onderzoek naar nano-snijden met behulp van water-gebaseerde snijvloeistof niet worden uitgevoerd door moleculaire dynamica computationele simulatiemethoden. Daarom wordt water medium, wat het hoofdbestanddeel is van snijvloeistof, in dit onderzoek geadopteerd om water-gebaseerde snijvloeistof te vervangen tijdens nano-snijproces simulatie. Op basis van het gevestigde MD model, wordt het nano-snijproces uitgevoerd om het effect van water media op materiaalverwijdering en suboppervlakte defectvormingsmechanisme te bestuderen. De suboppervlakte defect evolutie, de variatie van snijkracht, de temperatuurdistributie van het werkstuk, en de suboppervlakte defect kristaltransformatie worden onderzocht door gebruik te maken van centro-symmetrie parameter (CSP), common neighbor analyse (CNA), en dislocatie extractie algoritme (DXA) methodes.

Methodes

Simulatiemodel

Om het effect van vloeistofmedia op materiaalverwijdering en suboppervlakte defecten evolutie in nano-snijden te onderzoeken, worden de MD modellen met en zonder waterige media opgesteld, zoals getoond in Fig. 1. In de modellen worden watermoleculen opgebouwd volgens het TIP4P model [23,24,25]. Het CHARMM krachtsveld en Lennard-Jones (L-J) potentieel functie worden gebruikt om de beweging van watermoleculen nauwkeurig te berekenen. Het kan de niet-bindende potentieelenergie, binding-uitzettingspotentieel, buigpotentieelenergie van bindinghoek, en de moleculaire trilling compleet analyseren, wat de simulatie van watermoleculen nauwkeuriger maakt. Het werkstukmateriaal is einkristal koper, en het verwerkingsgereedschap is van diamantmateriaal. Het bevat 62835 watermoleculen, 368208 Cu atomen en 2452 C atomen. Het werkstuk is verdeeld in drie delen, welke Newton laag, temperatuurlaag, en grenslaag zijn. Om het grootte-effect te verminderen, wordt de periodieke randvoorwaarde (PBC) geadopteerd bij [001] en [010]. Om de druk en dichtheid van water media te behouden, worden reflecterende muren aan beide kanten van de [001] richting gebruikt. In daadwerkelijk verwerkingsproces, neemt de koelvloeistof het grootste deel van de snijwarmte weg, dus de wateromgeving wordt ingesteld op een constante temperatuur van 300 K in dit werk. Het MD simulatiemodel met vacuümomgeving wordt getoond in Fig. 1b, waar de initiële simulatiecondities vergelijkbaar zijn met het vloeistofomgevingsmodel. De verschillende instellingen tussen de twee modellen zijn de relevante instellingen voor waterige media. De gedetailleerde snijparameters zijn getoond in Tabel 1.

De MD simulatiemodellen in nano-snijden. a Het gebruik van waterige media. b Het gebruik van vacuümomgeving

Interatoom Potentieel Functies

In MD simulaties speelt de potentieel functie een beslissende rol in de simulatie resultaten. De materiaaleigenschappen worden fundamenteel gecontroleerd door de interactie tussen atomen. In dit onderzoek wordt het model verdeeld in drie delen welke werkstuk, snijgereedschap, en waterige media zijn, en bevat vier atoomsorten, welke Cu, C, H, en O atomen zijn. De interacties tussen verschillende atomen worden berekend door Morse potentieel, embedded-atom method (EAM) potentieel, Lennard-Jones (L-J) potentieel, en Tersoff potentieel. De gedetailleerde introductie van de geselecteerde potentieel functie tussen verschillende atomen wordt getoond als Tabel 2.

Morse Potentieel

De interactie tussen Cu atomen in het werkstuk en C atomen in het snijgereedschap wordt berekend door Morse potentieel welke getoond wordt als Eq. (1) [26].

$$ u\left({r}_{ij}\right)=D\left[\exp \left(-2\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)-2\exp \left(-\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)\right] $$ (1)

waarbij r₀, α, en D, respectievelijk, atoomaafstand, elasticiteitsmodulus, en bindingenergie zijn. De waarden van r₀, α, en D worden getoond in Tabel 3.

EAM Potentieel

De interatoom functie tussen Cu atomen in het werkstuk wordt beschreven door EAM potentieel welke getoond wordt als Eqs. (2) en (3) [27, 28].

$$ E\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_i^N\left[F\left({\rho}_i\right)\kern0.5em +\kern0.5em \sum \limits_{j\kern0.5em >\kern0.5em i}^Nu\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (2)

$$ {\rho}_i\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_jf\left({r}_{ij}\right) $$ (3)

Lennard-Jones Potentieel

Lennard-Jones potentieel functie is een dubbele potentieel, wat de interactie van zowel lang-afstand Coulombkracht als kort-afstand van der Waals kracht tussen atomen omvat. De L-J potentieel wordt vaak gebruikt om vloeistofmaterialen te simuleren. In dit artikel wordt de Lennard-Jones potentieel gebruikt om de interactie tussen watermoleculen en andere atomen te berekenen, welke getoond wordt als Eq. (4) [29].

$$ {U}_{L-J}(r)\kern0.5em =\kern0.5em 4\varepsilon \left[{\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^{12}\kern0.5em -\kern0.5em {\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^6\right] $$ (4)

waarbij σ de evenwichtsafstand is wanneer de interactie potentieelenergie gelijk is aan nul en ε de diepte van de potentieelenergie val is.

Voor verschillende materialen, kunnen σ en ε worden berekend door Eqs. (5) en (6) [29].

$$ {\sigma}_{\alpha \beta}\kern0.5em =\kern0.5em \frac{\sigma_{\alpha \alpha}\kern0.5em +\kern0.5em {\sigma}_{\beta \beta}}{2} $$ (5)

$$ {\varepsilon}_{\alpha \beta}\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\varepsilon_{\alpha \alpha}\cdot {\varepsilon}_{\beta \beta}} $$ (6)

De interatoom L-J potentieel parameters welke in dit onderzoek gebruikt worden, zijn vermeld in Tabel 4.

Tersoff Potentieel

De interactie tussen koolstofatomen in het diamantgereedschap wordt berekend door Tersoff potentieel welke getoond wordt als Eqs. (7) en (8) [30].

$$ E\kern0.5em =\kern0.5em \frac{1}{2}\sum \limits_{i\ne j}{V}_{ij} $$ (7)

$$ {V}_{ij}\kern0.5em =\kern0.5em {f}_c\left({r}_{ij}\right)\left[{V}_R^{\hbox{'}}\left({r}_{ij}\right)\kern0.5em +\kern0.5em {b}_{ij}{V}_A\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (8)

waarbij f_c(r_ij) de afkapfunctie tussen atomen is, V_A(r_ij) de dubbele potentieel van absorptieterm, V_R(r_ij) de dubbele potentieel van repulsieterm, en r_ij atoomaafstand is tussen atoom i en atoom j.

Defect Analysemethodes

In nano-snijden van einkristal koper, worden vervorming en dislocaties genucleerd in de suboppervlakte van het werkstuk. In dit artikel wordt de centro-symmetrie parameter (CSP) geïntroduceerd om de dislocatie nucleatie en defect evolutie van het werkstuk te analyseren. Voor vlak-gecentreerd kubieke (FCC) materialen, kan de CSP waarde worden berekend door Eq. (9) [31].

$$ CSP\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_{i\kern0.5em =\kern0.5em 1}^6{\left|{R}_i\kern0.5em +\kern0.5em {R}_{i+6}\right|}^2 $$ (9)

waarbij R_i de buren atomen met dezelfde afstand is en R_{i + 6} de buren atomen met een tegenovergestelde richting. De CSP waarden van FCC kristal, partiële dislocatie, stapelfouten, en oppervlakte atomen zijn 0, 2,1, 8,3, en 24,9, respectievelijk [32]. Het bereik van CSP waarde voor typische kristalstructuur en atooms kleuring worden getoond als Tabel 5.

De CSP methode is in staat om de atoomsconfiguratie te identificeren, maar kan de lokale atooms kristalstructuurtoestand van het werkstuk niet herkennen. Daarom wordt de common neighbor analyse (CNA) geïntroduceerd om de lokale kristalstructuur van het werkstuk te identificeren. In de oorspronkelijke CNA methode voorgesteld door Honeycutt [33], worden de diverse structuren voorgesteld door diagrammen. Op dit moment is het verbeterd om snel vijf soorten structuren in de OVITO software [34, 35] te identificeren, welke respectievelijk zijn: vlak-gecentreerd kubiek (FCC), dicht-gepakte hexagonaal (HCP), lichaam-gecentreerd kubiek (BCC), icosahedraal (ICO), en onbekend. In dit artikel wordt ook dislocatie extractie algoritme (DXA) [36] geïntroduceerd om de evolutie van dislocatie defect te analyseren. Door DXA methode, zullen de verschillende kristalstructuren in het werkstuk gemarkeerd worden met verschillende kleuren en de dislocatie defecten in het werkstuk zullen voorgesteld worden door lijnen van verschillende kleuren.

Resultaten en Discussie

Suboppervlakte Defect Evolutie in Nano-Snijproces met Waterige Media

Het dwarsdoorsnede gezicht van het snijsystem wordt getoond in Fig. 2, wat het snijgereedschap, werkstuk, en water media tijdens nano-snijproces bevat. Om de plastische vervorming van het werkstuk duidelijk te perceberen, wordt de CSP methode gebruikt om de resultaten te analyseren. De snapshots worden gekleurd door de waarde van CSP deels zoals getoond in Fig. 2, waarin Fig. 2a is op 5 nm snijafstand en Fig. 2b is op 15 nm snijafstand. Het kan worden gezien dat een laag compact waterfilm wordt gevormd op het oppervlak van einkristal koper wat getoond wordt als "monomoleculaire film van water" in Fig. 2a. De waterfilm verspreidt zich over alle oppervlakken van het snijgereedschap en werkstuk, waarin de zuurstofatomen het centrum van het einkristal koper rooster bezetten. De regelmatige rangschikking van watermoleculen is het resultaat van de gecombineerde werking van lang-afstand Coulombkracht en van der Waals kracht tussen watermoleculen en koperatomen.

Dwarsdoorsnede gezicht van snijsystem met waterige media in nano-snijproces (kleur online). a Snijafstand l = 5nm. b Snijafstand l = 15nm

In nano-snijproces, wordt de glijvervorming veroorzaakt door de vroege compressieve scheeractie van snijgereedschap en opgeslagen in het gevormde kristalrooster als spanningenergie. Wanneer de spanningenergie accumulatie een bepaald niveau bereikte, wordt de spanningenergie vrijgegeven. En dan, wordt het rooster van einkristal koper herrangschikt, wat dislocatie nucleatie en extensie langs de \( \left[1\overline{1}0\right] \) richting veroorzaakt, zoals getoond in Fig. 2a. Het kan uit Fig. 2a worden getoond dat de monomoleculaire film van water wordt gevormd op het werkstukoppervlak. Verder worden de watermoleculen gepenetreerd in de suboppervlakte van het werkstuk in het actiegebied van de gereedschap-span interface, wat getoond wordt als de rechterboven illustratie in Fig. 2a. Vanwege de smeringswerking van watermoleculen die tussen het snijgereedschap en het werkstuk bestonden, wordt de compressieve scheeractie van snijgereedschap geattenueerd. En de spanningenergie accumulatie neemt af en de dislocaties strekken onvoldoende. Daarnaast nam de waterige media veel snijwarmte weg, en de energie van genucleerde dislocatie expansie is onvoldoende. Daarom is de dislocatie extensie onvoldoende en de dislocatielijn in suboppervlakte van werkstuk onopvallend, zoals getoond in Fig. 2a.

Naarmate het snijgereedschap voorwaarts beweegt, lijdt het werkstuk de extrusie en wrijvingsactie gegenereerd door de flankvlak van snijgereedschap. Onder de extrusie en wrijvingsactie van het snijgereedschap, nucleerden en strekten een groot aantal dislocaties in de suboppervlakte van werkstuk. Een deel van deze dislocaties beweegt omhoog langs het rakevlak en wordt uiteindelijk verwijderd als een snijspan, zoals getoond in Fig. 2b. Een ander deel van deze dislocaties beweegt naar beneden langs het rakevlak van het snijgereedschap en wordt getransformeerd tot ruwheid bewerkt oppervlak na de extrusie wrijvingsactie van het flankvlak van snijgereedschap, wat getoond wordt in Fig. 2b als "water rangschikking op bewerkt oppervlak." Andere delen van de dislocaties bewegen naar binnen langs de \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) en \( \left[1\overline{1}0\right] \) glijvlakken en verdwijnen binnen het werkstuk, wat resulteert in de vorming van schroefdislocatie, zoals getoond in Fig. 2b. Vanwege de spanthoogte die geleidelijk toeneemt, kunnen de watermoleculen voor de span niet over de span naar achter het snijgereedschap vloeien in de latere periode van snijproces. En de dichtheid en druk van water media achter het snijgereedschap dalen snel, wat resulteert in de snijwarmte die niet tijdig wordt weggenomen tijdens nano-snijproces. Daarom hebben de genucleerde dislocaties voldoende energie om zich binnenin het werkstuk uit te strekken, zoals getoond in Fig. 2b.

Om de onderliggende vervorming van dislocaties en lokale atooms kristalstructuur van einkristal koper tijdens nano-snijproces te verduidelijken, worden de CSP en DXA analysemethodes geïntroduceerd. De analyseresultaten worden getoond als Figs. 3, 4, 5, en 6, waarvan Figs. 3 en 4 gerenderd zijn volgens de CSP waarde en Figs. 5 en 6 gekleurd zijn door DXA analyseresultaat.

Suboppervlakte defecten verdeling van werkstuk met waterige media in nano-snijproces. De snijafstanden van a, b, c, en d zijn 5 nm, 8 nm, 12 nm, en 15 nm, respectievelijk.

Suboppervlakte defecten verdeling van werkstuk tijdens nano-snijproces in vacuümomgeving. De snijafstanden van a, b, c, en d zijn 5 nm, 8 nm, 12 nm, en 15 nm, respectievelijk.

De DXA afbeelding van werkstuk in het vroege stadium van nano-snijden. Dislocaties zijn gekleurd gebaseerd op volgend schema: donkerblauw voor perfecte dislocatie, groen voor Shockley dislocaties, roze voor Trap-stang dislocatie, geel voor Hirth dislocaties, lichtblauw voor Frank dislocaties, en rood voor ongeïdentificeerde dislocaties. De snijafstanden van a, b, c, en d zijn 7 nm, 8 nm, 9 nm, en 10 nm, respectievelijk

De DXA afbeelding van werkstuk in de latere periode van nano-snijden. Het kleurenschema van dislocaties is hetzelfde als Fig. 5. De snijafstanden van a, b, c, en d zijn 17 nm, 18 nm, 19 nm, en 20 nm, respectievelijk

De suboppervlakte defect verdeling van het werkstuk in nano-snijproces met waterige media wordt getoond in Fig. 3, waarin de water media niet getoond wordt om de dislocatie defect evolutie duidelijker te observeren. De gele, groene, rode, en oranje gebieden vertegenwoordigen oppervlakte atomen, oppervlakte defect atomen, dislocatie atomen, en suboppervlakte defect atomen, respectievelijk. De dislocatie verdeling en extensie van het werkstuk in nano-snijproces zonder de waterige media wordt getoond als Fig. 4. Het kan uit de twee figuren worden gezien dat de genucleerde dislocaties migreren langs de \( \left[\overline{1}10\right] \) glijvector tijdens nano-snijproces met waterige media, maar strekken langs de \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) glijvector in nano-snijden onder vacuümmedia. Zoals we weten, maakt de scheeractie van snijgereedschap dislocaties strekken langs de richting tegen de gereedschap voorwaarts, wat \( \left[\overline{1}10\right] \) glijvector is. De wrijvingsactie van snijgereedschap leidt tot de dislocatie migrerend langs de richting orthokinetisch gereedschapsbeweging, wat een \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) glijvector is. Tijdens nano-snijproces in vacuümomgeving, zijn de acties van snijgereedschap op werkstuk scheeractie van rakevlak en wrijvingsactie van flankvlak, terwijl de vorming van bewerkt oppervlak en suboppervlakte defecten getriggerd wordt door de wrijvingsactie van flankvlak. Daarom strekken de dislocaties zich uit langs \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) glijvector tijdens nano-snijproces in vacuüm. Vanwege de smering van watermoleculen bestaande tussen gereedschap en werkstuk, wordt de wrijvingsactie van snijgereedschap verminderd. Dus, speelt de scheeractie een belangrijke rol in de vorming van bewerkt oppervlak en suboppervlakte defecten. Daarom strekken de dislocaties zich voornamelijk uit langs de \( \left[\overline{1}10\right] \) glijvector in nano-snijden met waterige media.

Uit Figs. 3 en 4 kan worden gevonden dat de schaal van suboppervlakte defecten in water media groter is dan in vacuüm tijdens nano-snijproces. Eigenlijk verspreiden de dislocatie defecten zich over het hele bewerkte gebied en strekken diep binnenin het werkstuk. De snijwarmte wordt weggenomen door water media, en de energie van defect atooms wordt verlaagd. Daarom hebben de suboppervlakte defecten niet voldoende energie om geannihileerd te worden. Daarom neemt de dislocatie defect residu toe. De diepte van suboppervlakte defect laag is relatief hoger voor het nano-snijproces met water media. Vanwege de interacties tussen watermoleculen, koolstofatomen, en koperatomen, wordt de extrusie wrijving tussen snijgereedschap en werkstuk geattenueerd en de atooms wanorde van bewerkt oppervlak verergerd in het vormingsproces van bewerkt oppervlak. Verder wordt de defect residu in suboppervlakte verergerd en de suboppervlakte residuele spanning verhoogd.

Om het effect van water media op het dislocatie defect evolutieproces beter te onthullen, wordt de DXA methode gebruikt om het werkstuk in nano-snijproces met waterige media te analyseren, waarin het vroege stadium en de late periode getoond worden als Fig. 5 en 6, respectievelijk. Een stabiele kristaldefect wordt gevonden bestaande in verschillende lagen atomen onder het bewerkte oppervlak in het vroege stadium van nano-snijproces, wat gelegen is tussen twee stapelfouten, zoals getoond in Fig. 5d. Het bestaan van de kristaldefecten zal de kwaliteit van bewerkt oppervlak beïnvloeden en zelfs leiden tot de generatie van micro-kraak op het bewerkte oppervlak. Daarom wordt het vormingsproces van de defect evolutie bestudeerd. Het kan uit Fig. 5a worden gezien dat veel Shockley partiële dislocaties genucleerd worden onder de wrijvingsactie van het flankvlak van snijgereedschap in het vroege ogenblik van de defectvorming. Deze Shockley dislocaties evolueren naar een V-vormige dislcatielus tijdens het voorwaarts gaan van het snijgereedschap, zoals getoond in Fig. 5b. Vervolgens evolueert de V-vormige dislocatie geleidelijk naar seriële Shockley partiële dislocaties. Uiteindelijk worden de partiële dislocaties getransformeerd in residueel defect in suboppervlakte. Vanwege de snijwarmte die wordt weggenomen door water media, hebben de defectieve atomen te weinig energie om geannihileerd te worden en worden getransformeerd in immobile defect onderliggend het bewerkte oppervlak. De ruwheid van bewerkt oppervlak zal toenemen, en residuele spanning in suboppervlakte zal meer verergering veroorzaken. Verder kan een oppervlakte microkraak geïnduceerd worden door het defect.

Het effect van water media op de scheer-glijactie van snijgereedschap tijdens spanverwijderingsproces wordt onderzocht door DXA methode, wat getoond wordt als Fig. 6. Het kan uit Fig. 6a worden gezien dat een groot aantal Shockley partiële dislocaties genucleerd worden voor het snijgereedschap. En het scheer-glijvlak wordt geconstitueerd door deze dislocaties. In het volgende snijproces, worden seriële stapelfouten en partiële dislocaties genucleerd en uitgebreid op het scheer-glijvlak. Onder de nucleatie en beweging van de dislocaties voor het snijgereedschap, wordt de snijspan geleidelijk verwijderd langs het scheer-glijvlak, zoals getoond in Fig. 6c. Tegelijkertijd wordt de extrusie wrijvingseffect van het gereedschap rakevlak gematigd vanwege de smeringswerking van water media. De dislocatie nucleatie en voortplanting is onvoldoende en de suboppervlakte defect residu is onopvallend tijdens nano-snijproces, zoals getoond in Fig. 6a–d. Correspondent wordt de scheeractie van het snijgereedschap op het werkstuk significanter. Daarom is de gevormde span makkelijker te verwijderen onder de participatie van water media in nano-snijproces. En de hoofdsnijkracht zal gelijktijdig afnemen, wat later in detail in dit artikel zal worden besproken.

Effect van Water Media op de Variatie van Snijkracht en Snijwarmte

In het snijproces, wordt de materiaalverwijdering gerealiseerd door de extruderende en scheerende actie van het snijgereedschap. Vanwege de sterkte, stijfheid, en zwaarte van metaalmateriaal, lijdt het rakevlak van het snijgereedschap de reactiekracht gegenereerd door de weerstand tegen vervorming van het werkstukmateriaal tijdens het materiaalverwijderingsproces. En het flankvlak van het gereedschap wordt beïnvloed door de wrijvingskracht weerstand van het bewerkte oppervlak. Deze krachten samen gesteld de snijkracht. Synchronisch wordt het toegepaste werk door de scheervervorming van snijspannen alsmede de wrijvingsactie tussen snijgereedschap en werkstuk omgezet in snijwarmte wat resulteerde in de verhoogde temperatuur van het werkstuk. Gezelschap met de accumulatie en vrijgave van materiaal spanningenergie, trad dislocatie nucleatie en expansie op in de suboppervlaktelaag van het werkstuk, wat de fluctuaties van snijkracht en snijwarmte met de snijafstand induceerde.

In dit onderzoek maakt de participatie van water media grote invloed op de variatie van snijkracht en snijwarmte. De variatiecurven van snijkracht met snijafstand in nano-snijproces met en zonder het gebruik van waterige media worden getoond als Figs. 7 en 8, waarin de zwarte, rode, en blauwe curve, respectievelijk, voedingskracht (Fx), rugkracht (Fy), en tangentiële kracht (Fz) zijn. Vanwege de PBC die geadopteerd wordt bij de Z richting en het diamantgereedschap kolomvormig is langs de Z richting in de simulatie, is de gemiddelde tangentiële kracht (Fz) op het niveau van 0 nN in zowel Figs. 7 en 8.

Variatiecurve van snijkracht in nano-snijden met vacuümomgeving

Variatiecurve van snijkracht in nano-snijden met water media

Het snijproces wordt verdeeld in de initiële snijfase en stabiele snijfase zoals getoond in Fig. 7. In de initiële snijfase, nemen de voedingskracht en rugkracht scherp toe in een rechte lijn. En ze bereikten hun maximale waarden toen het snijgereedschap volledig in het werkstuk sneed. In de stabiele snijfase, fluctueren de snijkrachten op en neer in hun evenwichtspositie, en de voedingskracht bereikt meer dan 200 nN en de gemiddelde snijkracht is ongeveer 180 nN. De rugkracht is heel klein en neemt geleidelijk af in de late stabiele snijfase. De maximale waarde van de rugkracht is onder 100 nN, en de gemiddelde waarde is ongeveer 50 nN. Over het algemeen vertegenwoordigt de specifieke waarde tussen gemiddelde rugkracht en gemiddelde voedingskracht (Fy/Fx) de wrijvingscoëfficiënt tussen gereedschapsmateriaal en werkstukmateriaal in verwerkingsproces. In dit onderzoek is de wrijvingscoëfficiënt tussen diamant en einkristal koper 0,278 onder vacuümomgeving.

De voedingskracht en de rugkracht zijn verminderd in nano-snijden met water media vergeleken met vacuümomgeving, zoals getoond in Fig. 8. De maximale voedingskracht bereikt 150 nN, en de gemiddelde voedingskracht fluctueert op 120 nN. De variatietendens van rugkracht is vergelijkbaar met de rugkracht in vacuümomgeving, en de gemiddelde kracht is op ongeveer 25 nN. In nano-snijproces met het gebruik van water medium, wordt de wrijvingscoëfficiënt tussen het snijgereedschap en het werkstuk verminderd door de smering van water. En dan wordt de wrijvingsweerstand geleden door het flankvlak van snijgereedschap verminderd, wat de extrusie scheeractie van het rakevlak van snijgereedschap effectief verbetert. De verwijdering van het werkstukmateriaal is makkelijker te verwijderen. Daarom wordt de snijkracht verminderd. Het kan uit de voorgaande analyse worden gezien dat de watermoleculen fungeerden als smeermiddel om de wrijving tussen het snijgereedschap en het werkstuk te voorkomen. Daarom zijn de waarden van voedingskracht en rugkracht verminderd in de water media. De specifieke waarde tussen de voedingskracht en de rugkracht is 0,208. Met andere woorden, de wrijvingscoëfficiënt tussen diamant en koper in water media is 0,208, veel minder dan ze in vacuümomgeving (0,278).

Vergeleken met de fluctuaties van de Fy in Figs. 7 en 8, wordt aangegeven dat de Fy component aanzienlijk afneemt na 15 nm snijafstand in beide gevallen met vacuüm en water media terwijl de Fx waarde bijna stabiel is tot 20 nm snijafstand. Het dynamische evenwicht tussen dislocatie nucleatie en annihilatie wordt bereikt, en de span wordt stabiel verwijderd in nano-snijproces, wat resulteert in de snijkracht bijna stabiel met de snijafstand voor 20 nm. Wanneer het snijproces wordt uitgevoerd op een bepaalde afstand (15 nm in dit onderzoek), wordt het dynamisch evenwicht tussen de nieuwe dislocatie nucleatie en de vorige dislocatie annihilatie vestigd. En de schaal van de interne defecten van het werkstuk wordt gestabiliseerd op een bepaald niveau. De dislocatie nucleatie en annihilatie oefenden een effect uit op snijgereedschap langs +Y richting, wat leidt tot de Fy component afname. Behalve dat, wordt de stabiele snijspan verwijderd na 15 nm snijafstand, en de toegepaste kracht op het snijgereedschap van de span wordt verminderd langs de Y richting. Daarbij wordt de waarde van Fy verminderd. Echter, wanneer de snijafstand groter is dan 15 nm tot 20 nm, kan de emotie van dislocatie defect en de verwijdering van span geen verschillende invloed uitoefenen op het snijgereedschap langs de X richting. Daarom is de waarde van hoofdsnijkracht (Fx) bijna stabiel.

De temperatuurdistributie van het werkstuk tijdens het nano-snijproces met en zonder het gebruik van waterige media wordt getoond als Fig. 9. De snijafstanden van Figs. 9a en b en Figs. 9c en d zijn 5 nm en 12 nm, respectievelijk. Het kan uit Figs. 9b en d worden gezien dat de temperatuur van het werkstuk verdeeld is als een concentrische gradiënt. De hoogste temperatuur is verspreid over het hele scheer-glijzone en wrijvingszone van het werkstuk in een vacuümomgeving, wat boven 420 K is. De temperatuur van de span en bewerkt oppervlak is hoger dan andere gebieden, wat varieert van 360 tot 390 K. Voor het gehele werkstuk, is de temperatuur op een hoog niveau, wat varieert van 340 tot 360 K. Uit Figs. 9a en c, is de temperatuur van het werkstuk ook verdeeld als een concentrische gradiënt en de hoogste temperatuur is verdeeld op het bovenste gebied van de span, wat rond 370 K is. De temperatuurwaarde van het gehele werkstuk is op een lager niveau wat lager is dan 320 K. De temperatuur van het scheer-glijgebied, de wrijvingszone, en het bewerkte oppervlak zijn hoger dan andere gebieden, wat varieert van 320 tot 340 K.

Temperatuurdistributie van werkstuk in nano-snijden. a en c zijn in water media, b en d zijn in vacuümomgeving

Het hoogste temperatuurgebied van werkstuk wordt overgebracht van het wrijvingsgebied naar de snijspan tijdens nano-snijproces met water media zoals getoond in Fig 9. En de hoogste en gehele temperatuur van het werkstuk zijn aanzienlijk verminderd met het additionele gebruik van water media, en de temperatuurdaling bereikte ongeveer 40–60 K. Vanwege het smeringseffect van watermoleculen, wordt de wrijving tussen snijgereedschap en bewerkt oppervlak verminderd tijdens nano-snijproces met water media. Daarom daalde de temperatuur van het wrijvingsgebied dramatisch. Tegelijkertijd trad de maximale scheervervorming op in het spangebied en de maximale roostervormingsenergie wordt opgeslagen in de span, wat de temperatuur van de span hoger maakt dan het wrijvingsgebied. Daarom wordt het hoogste temperatuurgebied overgebracht van wrijvingsgebied naar de snijspan. Synchronisch wordt een grote hoeveelheid snijwarmte weggenomen door de water media die een rol spelen in het koelen van het gereedschap, werkstuk, en snijgebied. En de thermische beweging van de einkristal koper moleculen wordt verzwakt. Verder worden de kinetische energie van atooms thermische beweging en de roostervormingsenergie aanzienlijk verlaagd. Daarom wordt de algemene temperatuur en de hoogste temperatuur van het werkstuk verminderd, wiens reductiegraad aankwam tot 40–60 K. Tenslotte worden de thermische spanning en thermische vervorming van het werkstuk aanzienlijk verminderd. Vanwege de participatie van water media, wordt de wrijvingsactie tussen het flankvlak van snijgereedschap en werkstuk verzwakt in snijproces. Dan wordt de warmteopwekking door wrijving tussen snijgereedschap en werkstuk verminderd. Daarbij wordt het hoogste temperatuurgebied van het werkstuk overgebracht van het wrijvingsgebied van flankvlak naar het spangebied. Belangrijker, het koeleffect en smering van water media zullen de nucleatie, expansie, en annihilatie van de dislocatie in suboppervlakte van het werkstuk beïnvloeden en uiteindelijk de vorming en evolutie van de suboppervlakte schadelijke lagen van het werkstuk beïnvloeden.

Effect van Waterige Media op Suboppervlakte Defecten Structuurtransformatie

Om de suboppervlakte defecten van het werkstuk in nano-snijden duidelijk te identificeren, wordt de CNA methode gebruikt om het werkstuk na nano-snijden te analyseren. Het werkstuk wordt gekleurd door verschillende atoomsstructuur. De defect structuur verdeling van het werkstuk tijdens nano-snijproces met en zonder het gebruik van waterige media wordt getoond als Figs. 10 en 11, waarin de groene, rode, blauwe, en grijze FCC, HCP, BCC, en onbekende structuur zijn, respectievelijk.

Suboppervlakte defect evolutie van werkstuk in nano-snijden zonder waterige media. De groene, rode, blauwe, en grijze gebieden zijn representatief voor FCC, HCP, BCC, en onbekende structuur. De snijafstanden van a, b, c, en d zijn 1 nm, 3 nm, 8 nm, en 15 nm, respectievelijk

Oppervlakte en suboppervlakte defect verdeling in nano-snijden voor werkstuk met water media. De groene, rode, blauwe, en grijze gebieden zijn representatief voor FCC, HCP, BCC, en onbekende structuur. De snijafstanden van a, b, c, d, e, en f zijn 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18nm, en 20nm respectievelijk

In nano-snijproces onder vacuümomgeving, trad dislocatie nucleatie op in de suboppervlakte van werkstuk onder de extrusie en scheeractie van het snijgereedschap, en de kristalstructuur wordt getransformeerd in BCC, wat getoond wordt als Fig. 10a. De genucleerde dislocatie strekt zich uit langs \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) richting, en de kristalstructuur wordt getransformeerd in HCP. De kristalstructuur van veel atomen in het scheer-glijgebied worden BCC, zoals getoond in Fig. 10b. Twee partiële dislocaties strekken zich uit langs de \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) en \( \left[1\overline{1}0\right] \) richtingen, hinderen elkaar, en worden samengesteld tot Lomer-Cottrell dislocatie slot. Uiteindelijk wordt een typische V-vormige dislocatielus gevormd, zoals getoond in Fig. 10c. Een deel van de atomen in het scheer-glijgebied bewegen omhoog langs het rakevlak en worden verwijderd als snijspan. Het andere deel van de atomen migreren naar beneden langs het flankvlak en worden gevormd tot ruwheid bewerkt oppervlak door de extrusie en wrijving van het snijgereedschap, zoals getoond in Fig. 10d.

De suboppervlakte defect verdeling en evolutie van werkstuk in nano-snijden met het gebruik van water media wordt getoond als Fig. 11. Het kan uit de figuur worden gezien dat de mechanismen van dislocatie nucleatie en kristalstructuurtransformatie vergelijkbaar zijn met het snijproces in vacuümomgeving. Het hoofdverschil is dat de dislocatie nucleatie en expansie onvoldoende is in het nano-snijproces van water media. Behalve dat, zijn er veel stapelfouten genucleerd in de suboppervlakte van het werkstuk. De structuur van stapelfouten wordt getransformeerd in HCP structuur. Niettemin, wordt een typisch defect "vergelijkbaar met korrelgrens (SGB)" gevormd in de suboppervlakte van het werkstuk.

In nano-snijproces, onder de actie van extrusie, scheer en wrijving door snijgereedschap, wordt intense vervorming van het werkstuk gegenereerd. Veel vervormingsenergie en snijwarmte worden geproduceerd. De atooms rooster herconfiguratie van suboppervlakte wordt geproduceerd door de vrijgave van snijwarmte en spanningenergie. En de suboppervlakte defecten en lokale kristalstructuurtransformatie worden gevormd, zoals getoond in Fig. 11a en 11b. Wanneer de water media deelname aan het nano-snijproces, wordt de meeste warmte en energie weggenomen. Daarom hebben de dislocatie defecten onvoldoende energie voor extensie en beweging. Verder worden de stapelfouten geannihileerd in de suboppervlakte van het werkstuk waar de kristaldefect structuur achterbleef, zoals getoond in Fig. 11c, waarna deze kristaldefect structuren als een geheel verbonden worden en samengesteld worden tot de suboppervlakte schade (SSD) laag samen met de nieuw gevormde dislocaties, zoals getoond in Fig. 11d. Na de volgende MD relaxatie, verdwijnen enkele suboppervlakte dislocatie defecten en worden getransformeerd in FCC structuur, en de structuur vergelijkbaar met "korrel" wordt gevormd tussen bewerkt oppervlak en suboppervlakte defecten laag, zoals getoond in Fig. 11e, terwijl de oorspronkelijke suboppervlakte defecten getransformeerd worden in een typische structuur "vergelijkbaar met korrelgrens (SGB)," zoals getoond in Fig. 11f. Op de SGB structuur, wordt een typische V-vormige dislocatielus gevormd, zoals getoond in Fig. 11e, f.

De metamorfose laag is duidelijk gevormd door de invloed van de vorming van SGB en "korrel" structuur in de suboppervlakte van werkstuk. Bovendien kunnen de nieuw gevormde kristalstructuren die vergelijkbaar zijn met polykristallijn materiaal de mechanische prestaties en bewerkbaarheid van einkristal materialen beïnvloeden. Behalve dat, zal het zelfs de prestaties van de bewerkte nano-componenten beïnvloeden.

Conclusies

Op basis van de gevestigde MD modellen van einkristal koper met en zonder het gebruik van waterige media, wordt de simulatie van nano-snijproces uitgevoerd. De effecten van vloeistofmedia op materiaalverwijdering en suboppervlakte defect evolutie worden geanalyseerd. De suboppervlakte defect evolutie, variatie van de snijkracht, de temperatuurdistributie, en de suboppervlakte defecten kristalstructuurtransformatie van het werkstuk worden onderzocht door gebruik te maken van CSP, DXA, en CNA methodes. De nieuwe resultaten kunnen als volgt worden samengevat.

(1) De materiaalverwijdering van werkstuk wordt gerealiseerd door de scheer extrusie actie van snijgereedschap op werkstuk; de participatie van water media heeft geen effect op het mechanisme van materiaalverwijdering. Vanwege de smeringswerking van watermoleculen bestaande tussen het snijgereedschap en het werkstuk, wordt de vervorming van werkstuk verminderd, de snijkracht verminderd, en de hoogte van snijspan en diepte van suboppervlakte schade laag verlaagd.

(2) Het hoogste temperatuurgebied wordt overgebracht van het wrijvingsgebied naar de snijspan tijdens nano-snijproces met het additionele gebruik van water media. En de hoogste en gehele temperatuur van het werkstuk zijn aanzienlijk verminderd, en de temperatuurdaling bereikte ongeveer 40–60 K. Daarbij wordt de thermische vervorming van het werkstuk verminderd en de hoeveelheid suboppervlakte defect atomen verminderd.

(3) In de suboppervlaktelaag van het werkstuk, worden de kristalstructuren van genucleerde dislocaties getransformeerd in BCC, en de uitgebreide dislocaties getransformeerd in HCP. De atooms kristalstructuren in het scheer-glijgebied worden BCC. Onder het effect van vloeistofmedia, worden de suboppervlakte defecten getransformeerd in een typische defect structuur "vergelijkbaar met korrelgrens (SGB)" in SSD laag, wat de mechanische prestaties en bewerkbaarheid van einkristal materialen kan beïnvloeden. Behalve dat, zal het zelfs de prestaties van de bewerkte nano-componenten beïnvloeden.

Afkortingen

MD:

Moleculaire dynamica

CSP:

Centro-symmetrie parameter

CNA:

Common neighbor analyse

DXA:

Dislocatie extractie algoritme

PBC:

Periodieke randvoorwaarde

EAM:

Embedded-atom methode

L-J:

Lennard-Jones

FCC:

Vlak-gecentreerd kubiek

HCP:

Dicht-gepakte hexagonaal

BCC:

Lichaam-gecentreerd kubiek

ICO:

Icosahedraal

SGB:

Vergelijkbaar met korrelgrens

SSD:

Suboppervlakte schade