纳米切削与磨削

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纳米是一种长度单位，一纳米为十亿分之米，是一种极其微小的长度单位。所谓纳米加工就是加工去除量和加工精度都在纳米级的加工。现在有很多加工技术能达到纳米级，如电子束加工，离子束加工，激光束加工和微细电火花加工等特种加工技术。当然，使用传统的加工技术也能达到纳米级，只是条件比较苛刻罢了。
传统的切削加工模型是以经典的塑性力学为理论基础，以解析法建立起来的。该方法通过引入一系列假设条件对切削加工过程进行简化来获得模型，并以此解析计算求解切削加工过程中的各种变量。
    基于此，20世纪30年代末期Piispanen和Emst提出了卡片模型。该模型假设第一剪切区是极薄的一个平面，称其为剪切面，并将被切削材料理想化为一叠卡片，在刀具切入工件时，卡片之间沿剪切面方向发生滑移。
以后很多学者利用此模型进行了研究，研究者认为，金属切削过程本质上就是被切削金属在刀具切削刃和前刀面的作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。
    虽然这些经典理论已经被用于切削加工的任何情况，但模型中对刀具几何参数，刀屑接触面及材料行为的大量简化假设，使该模型在定量分析时准确度差，所以该模型是否适用描述纳米切削就还有待商榷了。
纳米切削时，切削用量很小。切削深度小于材料晶粒直径。此时，切削的物理实质就是切断材料分子、原子间的结合，这是不连续体切削，所以传统的以连续介质力学为基础的切削理论已不适于纳米切削加工了，那么纳米切削机理的研究也就不能采用和传统塑性理论相同的方法了。
    因为建立在连续介质力学基础上的有限元方法以及剪切模型不能解释纳米切削机理了，所以必须从分子及原子的角度来研究纳米切削的特殊规律。
    采用分子动力学方法对亚微米级及纳米级切削加工机理的模拟仿真研究在世界范围内已经开展了十几年了，研究工作主要是建立原子分子尺度的切削模型，从分子原子角度去理解切削和表面形成过程，解释材料性能、刀具几何参数和工艺参数对微切削应力与应变分布、切削力、切削温度和已加工表面质量等的影响。
    20世纪80年代末，分子动力学模拟方法才被劳伦斯国家实验室的一个研究小组用于金刚石纳米切削铜的实验，他们采用嵌入原子法进行铜的二维、三维切削的分子动力学的模拟，考察了不同角度的切削刀具以及不同切削深度的纳米级加工过程，试图找出纳米切削工艺与采用单晶金刚石刀具进行超精密切削的关系，这些工作引起超精密加工领域许多研究者尤其是美国日本学者的关注。中国应用分子动力学研究纳米加工起步比较晚，直到1998年天津大学的林滨等才进行了纳米磨削的研究，与此同时，哈尔滨工业大学的梁迎春教授与罗熙淳博士开始进行纳米切削以及刀具磨损等方面的研究，并取得了一定的成果。
    由分子动力学模拟单晶铜的纳米切削过程可解释为：随着刀具的切入，与金刚石刀具接触的最外层铜原子与金刚石原子之间的作用力表现为斥力，同时他们又受到内部铜原子的作用力，由于金刚石原子的结合能大，因而最外层铜原子受的斥力占主导地位，使切削刃下部的铜原子层被压缩，从而使晶格受压变形，当储存在晶格中的应变能超过一定值时，与刀尖接触处铜原子的晶格结构被打破，铜原子开始以低晶格能的形式重新排列，以使晶格能得以释放。但当应变能不足以使材料原子重新排列时，在工件晶格中产生位错。同时在切削刃耕犁作用下，在刀具与工件的界面处产生位错。随着切削力的不断增加，发生位错的铜原子在工件内部力的作用下在刀具周围发生堆积，并随切削刃移动向前扩展，当金刚石原子对其切向的斥力被材料原子自身的斥力抵消时，一部分位错穿过切削刃前方形成的剪切区，到达自由表面，从那里消失，一些堆积的原子沿刀具的前刀面向上向前运动形成了切削，另一些则沿刀具的后刀面向下向后运动，并在切削刃经过以后，由于刀具原子作用力的减小，在内部材料原子斥力的作用下产生弹性恢复，形成已加工表面。但同时一些位错也不可避免地在加工表面形成原子“台阶”，留在工件表面的这些“台阶”的高度可以被认为是纳米切削可以达到的表面粗糙度。此外，位错的扩展方向和切削的堆积方向均与刀具运动方向成45°角。纳米切削过程中系统的温度分布基本呈现同心形，切削中温度最高，约为500—600K，剪切区温度约为400K，且已加工表面温度相对较高，约为350K。与切削的温度相比，刀具原子的温度甚至低于350K，并且在刀具中存在较大的温度梯度。随着系统温度升高，降低了原子之间的键合力。
    由研究可知，温度升高是相对切削速度的函数，当切削速度增加，刀具与工件原子间的挤压、摩擦更加剧烈，更多的剪切区原子晶格发生塑性变形，使得更多的应变能转换为热能，导致系统温度升高。此外，切削速度越高，工件原子来不及重排，产生的切屑越多，高温原子数越多。
在传统加工过程中，切削厚度远大于刃口钝圆半径，而在纳米切削加工中，切削厚度只有数个纳米，并且随着刀具刃磨技术的提高，金刚石刀具刃口钝圆半径甚至可以达到几个纳米，因此在纳米及格中刃口钝圆半径对系统温度分布的影响是不容忽略的。随着刃口钝圆半径增大，高温原子主要集中在剪切区周围，工件平均温度升高，但对刀具温度分布的影响并不明显。
    科学家不仅对单晶铜进行了模拟纳米切削加工，还进行了对多晶体纳米切削加工的有关研究。因为在实际应用中单晶体材料并不多见，绝大多数是存在各种缺陷的多晶体材料，因此多晶体材料切削机理的研究就显得十分重要了。由于多晶体材料的模拟程序比单晶体材料复杂的多，所以这使得多晶体材料纳米切削机理的研究进展十分缓慢。
    其中一项模拟为用自行开发的MDS分子动力学软件在Linux系统下进行的。选取共价键晶体硅作为工件材料，刀具材料选择金刚石，其结构与单晶硅相同。工件大体可分为四个区域，Ⅰ区为内部包含若干点缺陷的硅晶粒；Ⅱ区由晶向不同的晶粒组成，在不同晶向的晶体间形成了若干晶界结构；Ⅲ区的晶粒呈现出几个典型的不同方向的韧性位错；Ⅳ区是教完整的晶粒，它的晶向与Ⅲ区的晶粒成5°夹角，构成了典型的小角度晶界。为了使工件原子尽量恢复平衡状态，在切削模拟前对工件模型迟豫750fs。工件结构在迟豫后有了少许变化，但晶界、位错等特征仍很明显，基本符合原设定的结构。
    在刀具经过Ⅰ去时，随着刀具的移动，与刀具前刀面接触的原子晶格开始发生严重的变形，切削开始形成，但切削前的严重并没有出现位错现象。与刀具接触的原子在切削力的作用下重新排列，与初始时是排列状态相差甚远呈现无序状态，所以切削的体积小于工件上切削层的体积。切削的厚度较为均匀，加工表面的变形层较薄，且无弹性恢复的迹象，该结果与单晶硅的切削模拟过程相似。刀具开始接触工件原子时产生的冲击作用使切削力有很大的跳动，随后趋于缓和，并伴有较小的跳动，可见空位对切削力影响不大。
    当刀具经过Ⅱ区时，由于晶粒排列的不完整性，导致原子间的结合能降低，平均切削力有所减小，而且由于晶粒的不规则性，使切削力变的不稳定。被刀具挤压的原子有很大一部分从刀尖下向后滑移，使切削的厚度不够均匀。所有的晶界被完全破坏，并伴有亚晶界产生。加工表面受到向后滑移原子的压力增大，其变形层的厚度明显比Ⅰ区厚的多，待刀具划过后，能量有所释放，使一部分加工表面产生有少量弹性恢复，其表面粗糙度明显比Ⅰ区大。
    当刀具经过以位错为主的Ⅲ区时，没有出现像金属键晶体那样的位错运动，并且晶粒本身的位错结构都被破坏了，没有新的位错产生，切削继续呈现非晶态。这或许可以解释为共价晶体的位错运动需要很高的能量，而切削刃的耕犁作用所产生的能量不足以克服共价键的高能势垒。切削力的平均值比切削Ⅱ区时有所增加，但比Ⅰ区的切削力小，跳动依然比较严重，加工表面的粗糙度比Ⅰ区大。在刀具由Ⅲ进入Ⅳ区时，由于一个很大的小角度晶界的存在，使切削力发生明显的变化，这可能是导致刀具磨损的因素之一。在进入Ⅳ区后，切削力明显比Ⅰ区时变大，说明不同的晶向对切削力的影响是很明显的，所以在合理选择切削方向的前提下，有助于提高加工表面质量。此时切削侧流的现象更加严重，流向侧面的原子也开始形成了不连续的切削，而在改变切削宽度的条件下，该现象则有明显的改善，从而证明了尺寸效应对切削过程的影响。除了纳米切削技术，研究纳米磨削加工技术也很有现实意义。
    集成电路是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。世界工业发达的经济强国都是电子强国，其国民经济总产量增长部分的65%与集成电路有关。而集成电路的发展离不开晶体完整高纯度高精度高表面质量的硅晶片，全球90%以上的集成电路都要采用硅片。
    硅片属于脆硬材料，目前其加工工艺一般为：磨削——研磨——清洗——（磨蚀——清洗）——（精研——清洗）——抛光（化学机械抛光）——清洗。应用这种加工工艺进行加工时，加工效率低，控制难度大，不易实现自动化，此外，研磨工序对工件表面划伤较重，而且成本也比较高。特别对硅片加工时，甚至需要腐蚀工艺，用于去除表面损伤层，由于腐蚀率难以控制，最终主要应用化学机械抛光加工获得纳米级粗糙度的表面。因此，采用传统工艺进行批量生产时，难以保证高精度的面型。
    超精密磨削过程是一个系统工程，影响超精密磨削的因素很多，各因素之间又相互关联，并且磨削过程中切削刃方向和几何形状不断变化，使得磨削过程变得更加复杂，故应分子动力学模拟超精密磨削过程的研究很少。
    日本Keio大学的R．Rentsch等人首先建立了单晶铜磨削过程的分子动力学模型，他们认为磨削过程是由多个切削刃共同作用工件的累加过程，每个切削刃可以看成是一个压头。模拟开始时，压头以一定的速度压入工件，然后压头又以一定的速度向前水平移动，这一过程就相当于磨削过程。他们重点研究了研磨过程中的堆积现象，发现磨粒形状和走向对堆积现象有显著影响，而切削速度的影响则不大。
    日本Ibaraki大学的J．Shimizu和H．Eda等人对塑性材料超高速磨削过程进行了分子动力学仿真，其三维模型如图1．11所示。他们对磨削速度超过材料静态塑性波传播速度的单晶铝的磨削过程进行了分子动力学仿真，仿真时磨削速度值100．1000m／s，仿真结果表明：在超高速磨削过程中，随着磨削速度的提高，塑性变形减少了，磨削后材料表面质量提高了，其磨削机理与常规的机理完全不同。另外，他们还研究了磨削速度对磨削力、磨粒与工件的接触长度和宽度的影响。
    1997年，我国天津大学于思远教授和林滨博士等对单晶硅磨削进行了分子动力学仿真，研究表明：晶格重构原子与一部分非晶层原子堆积在磨粒的前上方，由于磨粒不断前移最终形成磨屑而实现材料去除；由于磨粒不断前移，处在磨粒前下方的非晶层原子在压应力的作用下与已加工表面层断裂的原子键结合重构形成已加工表面变质层；变质层由内外两层组成，最外层是非晶层，内层是晶格变形层。
    从国内外的研究状况看，分子动力学方法是一种非常有效的研究微观现象的理论方法，在很多领域已经非常成熟和完善。