Особенности и моделирование процесса нанорезания

ОСОБЕННОСТИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНОРЕЗАНИЯ

В.В. Копылов, В.М. Иванова

Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Инженерный факультет Российский университет дружбы народов Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093

В работе освещены основные вопросы и особенности процесса нанорезания и приведены примеры результатов молекулярно-динамического моделирования наноразмерной обработки.

Ключевые слова: обработка в нанометровом диапазоне, алмазное точение, резание, атом, шероховатость, стружка, радиус режущей кромки, моделирование.

Стремительное развитие нанотехнологий во всех сферах жизни привело к переходу от микрометровых размеров к нанометровым в области инновационных технологий. С конца 1990-х гг. ведутся научные исследования механической обработки в нанометровом диапазоне. Достижение предельных показателей качества изделий (шероховатость, размеры и точность формы) и повышение эффективности процесса резания невозможны без изучения процессов в зоне обработки на микро- и наноуровне.

Алмазное точение и сверхтонкое шлифование — два главных метода обработки на наноуровне. Алмазное точение имеет широкое применение при обработке цветных металлов, а алмазное шлифование в основном применяется при обработке хрупких материалов. Кроме того, использование инструментов из сверхтонких зерен твердых металлов и микроинструменты с алмазным покрытием представляют многообещающую альтернативу для микрорезания даже изделий из закаленной стали [2], в частности такие исследования активно проводятся в НИЦ «КП-Алмаз».

Обрабатываемыми материалами при алмазном точении обычно являются:

— при обработке полупроводников — теллурид кадмия, арсенид галлия, германий, ниобат лития, кремний, селенид цинка, сульфид цинка;

— для металлов — алюминий и его сплавы, медь и сплавы, электролитический никель, золото, магний, серебро, цинк;

— для пластмасс — акрил, фторопласты, нейлон, поликарбонат, полиметил-метакрилат, пропилен, стирол.

Обрабатываемыми материалами при алмазном шлифовании обычно являются:

— при обработке керамики — окись алюминия, карбид кремния, нитрид кремния, карбид титана, карбид вольфрама, двуокись циркония;

— при обработке стекол — BK7 или эквивалент, SF10 или эквивалент, ULE или эквивалент, ситаллы.

Сила и энергия резания. Удельная сила резания увеличивается с увеличением глубины резания. При нанометровой механической обработке радиус режущей кромки играет важную роль, так как глубина резания сходна с ним по своим

масштабам. При одинаковой глубине резания для инструмента с большим радиусом режущей кромки сила резания нужна больше, чем для инструмента с маленьким радиусом. Небольшая удельная сила резания — это результат хороших условий резания, которые уменьшают вибрацию режущей системы и таким образом улучшают стабильность механической обработки, а также приводят к лучшей шероховатости поверхности. Удельная же энергия, наоборот, увеличивается с уменьшением глубины резания. Это связано с зависимостью размера главного переднего угла инструмента от величины удельной энергии: чем больше угол, тем больше энергия, а главный передний угол увеличится с уменьшением глубины резания.

Если припуск на обработку уменьшить до 1 нм, структура материала заготовки в зоне резания может приблизиться к атому и большая часть энергии пойдет на разрыв межатомных связей. Если припуск больше 0,1 мкм, режущие части клина попадают в зону расположения некоторых дефектов, таких как дислокации, трещины и границы зерна, которые уменьшают деформацию материала заготовки и приводят к сравнительно низкой удельной энергии резания.

Как правило, очень сложно измерить силу резания при нанометрической обработке из-за ее маленькой амплитуды по сравнению с шумом (механическим или электронным) [3]. Для измерения силы резания используют пьезометрический динамометр или датчик напряжения из-за их высокой собственной частоты. При нанорезании глубина резания очень маленькая, поэтому следует учитывать еще и сжимающие взаимодействия, которые являются доминирующими при деформации материала заготовки и приводят к увеличению трения между стружкой и инструментом.

Температура резания. Используя метод молекулярно-динамического (МД) моделирования, можно измерить температуру резания, если предположить, что энергия резания полностью переходит в нагрев и приводит к повышению температуры резания и кинетической энергии системы. Колебания атомов в кристаллической решетке относительно своего равновесного положения в значительной степени отвечают за теплоемкость металлов и кристаллических диэлектриков. Ввиду того, что между частицами существует силовое взаимодействие, энергия каждой частицы при тепловом движении постоянно меняется. Для классических систем применяется теорема о равном распределении кинетической энергии по степеням свободы (у атома их три), которая позволяет определить среднюю кинетическую энергию системы:

где Ek — средняя кинетическая энергия в состоянии равновесия; ^ — константа Больцмана; T — температура; N — число атомов; m — масса; VI — скорость атома.

Из этой формулы можно вывести температуру резания:

3ЖБ

Что касается распределения температуры по поверхности режущей части резца, то самая высокая температура находится в зоне контакта режущей кромки и заготовки. Температура на задней поверхности резца выше, чем на передней, это вызвано трением между задней поверхностью инструмента и заготовкой, а также выделением энергии в процессе упругого восстановления поверхности, которая тоже способствует повышению температуры. И хотя есть трение также между передней поверхностью инструмента и стружкой, часть температуры удаляется с передней поверхности инструмента вместе со стружкой.

На рисунке 1 показано изменение температуры резания на режущем инструменте при нанорезании монокристалла алюминия в молекулярно-динамическом моделировании.

Температура, К

900

800

700

600 500 400 300

20 40 60 80 100 120 140

Время, пс

Рис. 1. Распределение температуры по поверхности режущей части резца

(скорость резания = 20 м/с, глубина резания = 1,5 нм, радиус режущей кромки = 1,57 нм) [4]

Температура резания при алмазной обработке достаточно низкая по сравнению с обычным резанием из-за небольшого количества энергии и высокой теплопроводности алмаза и материала заготовки. В молекулярно-динамическом моделировании температура резания воздействует на изнашивание алмазного резца [4]. Необходимо больше всесторонних экспериментальных и теоретических исследований, чтобы узнать количественные отношения между температурой резания и изнашиванием инструмента, хотя уже есть подтверждение химического повреждения на алмазе, в котором температура играет существенную роль [3].

Образование стружки и формирование поверхности. Процесс образования стружки и формирование поверхности можно смоделировать в МД-модели-ровании. На рисунке 2 приведен пример моделирования нанорезания монокристалла алюминия. На рисунке 2 а) показано начало врезания режущей кромки инструмента; видно, что в зоне резания атомы заготовки сжаты вдоль передней поверхности резца и режущей кромки инструмента. Нарушение кристаллической решетки заготовки и появление дислокаций показано на рис. 2 б). Из рисунка 2 в) видно, что дислокации образовались до появления стружки. На рисунке 2 г) показано, как стружка удаляется вместе с частицей атомной группы.

*

-ж— режущая кромка -а— передняя поверхность -о— задняя поверхность

в) 30,6 пс г) 37,2 пс

Рис. 2. Молекулярно-динамическое моделирование процесса нанорезания (скорость резания = 20 м/с, глубина резания = 1,4 нм, радиус режущей кромки = 0,35 нм) [4]

Объяснить механизм образования стружки и формирования поверхности при нанорезании можно следующим образом. Вследствие врезания режущей кромки силы притяжения между атомами заготовки и атомами алмазного резца меняются на силы отталкивания. Кристаллическая решетка заготовки сжимается, поскольку у атомов алмаза энергия сопротивления внешним силам намного больше, чем у атомов алюминия. Когда энергия напряжения в сжатой кристаллической решетке превышает определенный уровень, атомы, для того чтобы выпустить энергию напряжения, начинают перестраиваться. Если энергия недостаточна для того, чтобы выполнить перестановку, образуются дислокации. Силы отталкивания между сжатыми атомами в верхнем слое и атомами в более нижнем слое увеличиваются; верхние атомы движутся вдоль режущей кромки, и в то же время силы отталкивания атомов инструмента препятствуют нажатию поднимающегося витка стружки на атомы под линией резания. С движением режущей кромки некоторые дислокации перемещаются вверх и исчезают с открытой поверхности. Это явление относится к процессу формирования стружки. Стружка удаляется в результате последовательного образования и исчезновения дислокаций. По сравнению с нанорезанием при обычном резании дислокации начинают образовываться из-за существующих дефектов между зернами кристаллической решетки, которые ослабляют движение дислокации и приводят к меньшим удельным силам резания.

Параметры чистоты поверхности могут также быть вычислены по результатам моделирования. Для того чтобы измерить шероховатость поверхности, используют 2D МД-моделирование параметра Яа. Остаточные напряжения обработанной поверхности можно рассчитать исходя из среднего значения сил, действующих на атомы в единичной области верхнего слоя обработанной поверхности.

Молекулярно-динамическое моделирование, как было доказано, является полезным инструментом для теоретического исследования наноразмерной обработки [5]. В настоящее время исследования МД-моделирования нанообработки ограничены размером вычислительной памяти и скоростью компьютера. Поэтому трудно увеличить измерение текущей МД-модели на персональном компьютере. Фактически топография обработанной поверхности получается в результате копирования профиля инструмента на поверхности заготовки, которая движется в определенном направлении относительно инструмента. Управлять степенью поверхностной шероховатости можно движением инструмента на станке (или относительным движением между инструментом и заготовкой) и характером передачи профиля инструмента заготовке [3].

Минимальное сечение среза — важный вопрос при обработке с нанометро-вой точностью, так как оно оказывает непосредственное влияние на окончательную точность обработки. Обычно минимальное сечение среза определяется минимальным межатомным расстоянием внутри заготовки. Однако в методах ульт-рапрецизионной обработки это очень зависит от точности алмазного режущего инструмента, способности ультрапрецизионного станка и операционной среды механической обработки. Эксперименты по алмазному точению цветных металлов, выполненные в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), показывают, что минимальное сечение среза, вплоть до 1 нм, достижимо со специально подготовленным алмазным режущим инструментом на очень надежном ультрапрецизионном станке [1]. Рисунок 3 показывает формирование стружки монокристалла алюминия с ультрасовременным радиусом инструмента 1,57 нм. Из рисунка 3 видно, что стадия образования стружки начинается, когда сечение среза составляет 0,26 нм. На образование стружки при нанорезании главным образом оказывают силы резания, так как глубина резания является очень маленькой величиной, а если еще конкретнее, то тангенциальная сила резания.

а) сечение среза = 0,25 нм б) сечение среза = 0,25 нм

Рис. 3. Исследование минимального сечения среза МД моделированием [4]

В теории стружка образуется при условии, что соотношение тангенциальной силы резания к нормальной будет больше, чем 0,92. Связь между минимальным сечением среза, радиусом режущей кромки и силой резания изучается с помощью МО-моделирования. Результаты наглядно видны в табл. 1. Данные показывают, что минимальное сечение среза равно от % до */6 радиуса резания.

Таблица 1

Связь между минимальным сечением среза, радиусом режущей кромки и силой резания [4]

Показатель Радиус режущей кромки, нм

1,57 1,89 2,31 2,51 2,83 3,14

Минимальное сечение среза, нм 0,26 0,33 0,42 0,52 0,73 0,97

Отношение минимального сечения среза к радиусу режущей кромки инструмента 0,17 0,175 0,191 0,207 0,258 0,309

Отношение тангенциальной к нормальной силе резания 0,92 0,93 0,92 0,92 0,94 0,93

Критический радиус режущей кромки. Широко распространено мнение, что острота режущей кромки алмазного режущего инструмента напрямую влияет на качество обработанной поверхности. Проведенное МД-моделирование показало, что чем острее режущая кромка, тем более гладкая обработанная поверхность, однако при этом не учитывался износ инструмента. Чтобы понять влияние радиуса режущей кромки, МД-моделирование нанорезания монокристалла алюминия производилось с использованием инструмента с износом [5].

При моделировании радиус режущей кромки алмазного режущего инструмента изменяется от 1,57 нм до 3,14 нм с глубиной резания 1,5, 2,2 и 3,1 нм соответственно. Среднеквадратичное отклонение обработанной поверхности и среднее напряжение на режущей кромке показано в табл. 2.

Таблица 2

Взаимосвязь между радиусом режущей кромки и качеством обработанной поверхности (нм) [4]

Глубина резания Радиус режущей кромки

1,57 1,89 2,31 2,51 2,83 3,14

1,5 0,89 0,92 0,78 0,86 0,98 1,06

2,2 0,95 0,91 0,77 0,88 0,96 1,07

3,1 0,97 0,93 0,79 0,87 0,99 1,08

Среднее напряжение на режущей кромке (ГПа) 0,91 0,92 -0,24 -0,31 -0,38 -0,44

На рисунке 4 показаны моделируемые данные, и четко видно, что если радиус режущей кромки меньше, чем 2,31 нм, то с уменьшением радиуса увеличивается шероховатость поверхности [4]. Эта тенденция, очевидно, вызвана быстрым изнашиванием инструмента, когда используется инструмент с маленьким радиусом режущей кромки. Но если режущая кромка больше, чем 2,31 нм, она находится под сжимающим напряжением и инструмент не изнашивается.

1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

Радиус режущей кромки, нм

Рис. 4. Зависимость качества поверхности от радиуса режущей кромки [4]

Таким образом, острота режущей кромки инструмента не всегда влияет на качество обработанной поверхности, а для каждого материала существует критический минимальный радиус режущей кромки, при превышении которого не происходит износа инструмента и достигается требуемое качество обработанной поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Donaldson R., Syn C., Taylor J., Ikawa N., Shimada S. Minimum thickness of cut in diamond turning of electroplated copper. UCRL-97606 1987.

[2] Diamond milling processes for the generation of complex optical mold inserts, http://www.lfm.uni-bremen.de/html/res/res001/resl08.html (accessed July 2006).

[3] Ikawa N., Donaldson R., Komanduri R., Konig W., Mckeown P.A., Moriwaki T., Stowers I. Ultraprecision metal cutting — the past, the present and the future // Annals of the CIRP. — 1991. — 40(2). — P. 587—594.

[4] Cheng K., Luo X., Ward R., Holt R. Modelling and simulation of the tool wear in nanometric cutting // Wear. — 2003. — 255. — P. 1427—1432.

[5] Shimada S. Molecular dynamics simulation of the atomic processes in microcutting. In McGeough J., eds. Micromachining of Engineering Materials. — New York: Marcel Dekker, 2002. — P. 63—84.

FEATURES AND SIMULATIONS OF NANOMACHINING

V.V. Kopylov, V.M. Ivanova

Department of Mechanical Engineering,

Machine Tools and Tooling Faculty of Engineering Peoples’ Friendship University of Russia

Podolskoe shosse, 8/5, Moscow, Russia, 113093

The main points and features of nanomachining were covered in this article. Some examples of Molecular Dynamics simulations in nanometric machining were given as well.

Key words: nanometric machining, diamond turning, cutting, atom, roughness, chip, cutting edge radius, simulations.