Multiscale simulation of nanometric cutting of single crystal copper —— effect of different cutting speeds

A multiscale simulation has been performed to determine the effect of the cutting speed on the deformation mechanism and cutting forces in nanometric cutting of single crystal copper. The multiscale simulation model, which links the finite element method and the molecular dynamics method, captures the atomistic mechanisms during nanometric cutting from the free surface without the computational cost of full atomistic simulations. Simulation results show the material deformation mechanism of single crystal copper greatly changes when the cutting speed exceeds the material static propagation speed of plastic wave. At such a high cutting speed, the average magnitudes of tangential and normal forces increase rapidly. In addition, the variation of strain energy of work material atoms in different cutting speeds is investigated.  

微纳米切削可视化研究现状

当材料切削厚度达到几个原子层时,微纳米切削实验变得困难且耗时,目前的实验条件根本无法实现.而分子动力学仿真却能克服这些困难,能十分方便地改变切削条件、刀具的几何形状和加工工件材料的性质.对基于分子动力学仿真的微纳米虚拟切削基本原理及其国内外研究的现状进行阐述.介绍了几种分子动力学可视化软件.虽然目前存在很多优秀的分子动力学可视化软件,可是没有一个是针对微纳米切削的,也不能观察温度场、应力分布等信息.分析了微纳米切削可视化研究存在的问题和发展趋势,指出微纳米加工可视化将成为探索微纳米加工机理最有效的手段.  

晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响研究

为了研究晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的影响，采用分子动力学数值方法对不同切削晶向下的切削力、切削温度、材料去除及晶格结构变化进行分析和探讨，揭示不同的晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削质量作用机制。研究结果表明：在纳米切削过程中，随着晶面和晶向的变化，切削力、切削温度、材料去除和晶格结构都会有不同程度的变化；选择(010)晶面作为切削平面时切削力较小，产生的切削热较少，γ-TiAl合金表面加工质量较好，晶格结构转变较少；(010)[100]切削晶向下工件产生的切削热较少且最容易切削，晶格结构转变最少，γ-TiAl合金表面加工质量最优。  

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

在本文，通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸模型，其主要分析不同的切削深度对工件拉伸性能的影响。一方面，详细的研究了晶格转变和微观缺陷演化之间的关系；另一方面，系统的探讨了不同的切削深度对应力-应变曲线、位错形核位置和工件断口位置的影响。研究结果表明：在纳米切削阶段，晶格转变的数量会随着切削深度的增加而增多并且与微观缺陷演化具有一致性。在一定的切削深度范围内工件的屈服应力和弹性模量会相应的提高。另外，切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大影响，经过加工的工件位错形核于工件的亚表面，而未经过加工的位错形核于工件的边界处，工件的断口位置随着切削深度的增加越靠近拉伸端。  

单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究单晶γ-TiAl合金纳米切削过程,通过对单晶γ-TiAl合金的建模、计算和分析,讨论了不同切削深度和切削速度对切削过程的影响,结果发现:在切削过程中,随着切削深度的增大,切屑体积逐渐增大,切屑中原子排列越来越紧密,位错密度也会随之增大;但随着切削速度的增大,位错密度反而会随之降低。在一定的切削深度和切削速度范围内,切削过程中刀具前方都会产生"V"型位错环,工件的温度和势能也都会相应的增大。特别是,当切削速度为400 m/s时,刀具前方的切削表面上未出现原子错排。  

刀具磨损对单晶铝纳米切削过程的影响

基于分子动力学的理论建立了单晶铝的纳米切削仿真模型，比较研究了在刀具未磨损和刀具磨损条件下对切削过程的影响。研究表明：相比于刀具未磨损，在刀具磨损的情况下，已加工表面质量有所下降，基体上出现了大量的位错等缺陷；切削力也全部有所升高，其中刃口半径磨损对切削力影响最为显著，在相同的切削条件，相比于刀具未磨损升高约为17.78%，后刀面磨损和前刀面磨损对切削力的影响基本相同，提高了约7.98%；刀具温度和工件的温度也都有不同程度的升高，其中，工件的温升更高。刀具刃口半径磨损对温升影响最大，达到稳定切削时，刀具的平均温度相比于刀具未磨损升高约为7.2%。  

基于分子动力学的金属钛纳米切削过程研究

本文采用基于分子动力学的仿真方法建立了金属钛纳米切削分子动力学模型，选择了有代表性的切削条件，通过仿真得到瞬间原子位置图像并对切削过程中材料去除现象、加工表面形成过程、系统势能和工件温度等的变化进行了分析。发现在金属钛的纳米切削过程中切屑和加工表面是由于晶格能的释放和位错的不断延伸扩展形成的。已加工表面原子的弹性恢复和晶格重构能够减缓总势能和温度不断增加的趋势，并使其伴随有微小波动。  

刀具几何参数对金属钛纳米切削影响的分子动力学研究

基于分子动力学的基本原理，构建了钛的纳米切削分子动力学仿真模型。工件原子间采用嵌入原子势EAM（Embedded atom method），工件原子与刀具原子间采用Morse势函数，研究了在不同刃口半径和刀具前角条件下，钛纳米切削过程中工件形态、系统势能、切削力以及工件温度等的变化规律。结果表明：随着刀具刃口半径增大，加工表面粗糙度增加，切削力和工件温度降低，切屑变薄；当刀具前角由负值增加到正值，钛工件承受的压应力逐渐变为剪应力，正前角刀具更有利于切削，同时在不同的刀具前角下，切向力和法向力的大小也有显著变化。  

γ-TiAl合金纳米切削过程中随机表面粗糙度影响的原子模拟

采用分子动力学模拟方法研究了随机粗糙度对γ-TiAl合金纳米尺度切削的影响。为了模拟真实工件表面，在考虑刀具不同前角和切削深度的情况下，采用多参数的Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数生成随机表面粗糙度，用工件的等效高度来量化切削深度。结果表明，粗糙度对工件的纳米切削有不可忽视的影响。此外，粗糙度的影响在不同切削参数的情况下也不同。  

单晶γ-TiAl合金纳米切削过程声发射响应的原子模拟

本文采用分子动力学方法研究了单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的声发射响应。从原子尺度阐述了单晶γ-TiAl合金切削过程中裂纹形成机理。研究发现：切削初期随着切削力持续增大,剪切区域产生周期性的剪切带；与此同时,在高压应力和弹性应力波共同作用下,类晶粒晶界的非晶原子带产生并阻碍了剪切带的持续发射,使主剪切区的应力无法及时通过剪切带释放,产生局部应力集中现象,导致裂纹萌生并扩展；通过对采集的声发射信号分析,压应力会导致切削过程中声发射功率下降。在时域上,通过对微观缺陷演化和声发射功率-频率对比分析,阐述了纳米切削过程中晶格振动、剪切带以及裂纹萌生与扩展的声发射响应特征,并通过聚类分析得到损伤的功率和频率特性。