基于初始破坏的金刚石刀具后刀面石墨化仿真

1、硕 士 学 位 论 文MASTERS DISSERTATION论文题目 基于初始破坏的金刚石刀具后刀面石墨化仿真作者姓名 学科专业 机械制造及其自动化指导教师 2014年5月中图分类号：TG535 学校代码：10216UDC：621.9 密级：公开工学硕士学位论文基于初始破坏的金刚石刀具后刀面石墨化仿真硕士研究生：导师：申请学位：工学硕士学科专业：机械制造及其自动化所 在 单 位：机械工程学院答 辩 日 期：2014年5月授予学位单位：燕山大学A Dissertation in Mechanical Manufacturing and AutomationTHE SIMULATION OF T

2、HE GRAPHITIZATION ON THE FLANK FACE OF THE DIAMOND TOOL WITH INITIAL DAMAGE Yanshan UniversityMay,2014燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于初始破坏的金刚石刀具后刀面石墨化仿真，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字： 日期： 年 月 日燕山大学硕士学位论文使

3、用授权书基于初始破坏的金刚石刀具后刀面石墨化仿真系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日摘 要摘 要塑性域超精密切削硅等脆性材料过程中，金

4、刚石刀具后刀面产生的沟槽磨损会对切削过程和工件加工质量造成严重影响。通过对沟槽磨损形成过程的观察和分析，发现沟槽磨损通常是伴随着刀具上某些初始破坏的产生而产生的，而这些初始破坏主要有硬质粒子对刀具的微刻划和刀具切削刃处的微崩刃两种形式。在此基础上，本文建立了具有初始破坏的金刚石刀具模型并进行了单晶硅超精密切削分子动力学模拟，提取了切削过程中刀具后刀面初始破坏处的能量与温度信息，研究了刀具初始破坏处的石墨化现象及该处石墨化转化率随切削参数和晶面参数的变化规律，最后从刀具初始破坏的角度分析了沟槽磨损的生成过程。主要研究内容如下：1) 切削过程中，考虑硬质粒子对刀具后刀面的刻划作用以及刀具切削刃处的

5、微崩刃，分别建立了具有微刻划和微崩刃两种初始破坏形式的金刚石刀具模型并进行了单晶硅超精密切削分子动力学模拟。利用可视化软件观察分析了切削模拟过程中工件材料在刀具初始破坏处的微观行为。通过改变切削参数进行大量切削模拟，充分证明了初始破坏的产生造成了刀具后刀面采样点处温度和能量发生了改变。2) 结合刀具后刀面采样点处原子瞬间位置的可视化观察和晶体结构的径向分布函数分析，研究了刀具初始破坏处的石墨化转变。改变切削参数和刀具后刀面晶面参数进行单晶硅超精密切削，通过Fortran编程对切削过程中刀具后刀面采样点处原子间键角进行了计算，研究了石墨化的转变规律。3) 通过可视化软件观察了刀具初始破坏处的低配

6、位数碳原子脱落现象，最后从刀具初始破坏处产生石墨化转变和低配位数原子直接脱落两个方面，分析了沟槽磨损的生成过程。关键词：金刚石刀具；初始破坏；沟槽磨损；石墨化；分子动力学 - III -AbstractAbstractIn the process of nanoscale ductile mode ultra-precision cutting of brittle materials, such as moncrystalling silicon, the occurrence of the micro/nano groove wear on the flank face of cuttin

7、g tool makes a serious impact on the cutting process and the quality of the finish surface of the workpiece. By summing up and analyzing the literature on wear of diamond, it can be found that the occurrence of the micro/nano groove wear is usually accompanied by the emergence of some of initial dam

8、ages on the cutting tool. These initial damages can be mainly divided into the following two types: the hard particles plough on the tool flank face which lead to nano-scratch damages and nano-chipping damage on the cutting tool edge. In this thesis, the cutting progress have been investigated throu

9、gh molecular dynamics (MD) simulation using diamond tools with the two types initial damages on the flank face. In the cutting process, the changes of temperature and the atom energy are calculated. The transformation of tetrahedral diamond into hcp graphite on the place of initial damage is observe

10、d. The present thesis also analyzes the effect of cutting parameters and crystal parameters of the flank face on the rate of graphitization conversion. Finally, the influence of initial damage on groove wear formation is studied.The main contents of this thesis are as follows:1) Considering the plou

11、gh effect of hard particles as well as the chipping damage on the cutting edge, the ultr-precision cutting modle model is established and the model is based on the tool with nano-scratch and nano-chipping damage. When the MD simulation of the cutting processes is executed, the motion of the workpiec

12、e material on the place of tool damage is observed by visualization software VMD. A mount of MD simulations are executed by changing the cutting parameters. The simulation results show that the presence of tool damage will change the temperature and the energy of atoms in the cutting process. 2) The

13、 momentary position of atoms and the crystal structure on the place of initial damage are analyzed by visualization software and radial distribution function respectively. The results show that there is diamond-graphite transformation during the cutting process. A lot of MD simulations are carried o

14、ut by adopting different cutting parameters and flank face crystal parameters. The rule of the graphitization conversion on the damage place is studied through bond angle analyse which calculation by using Fortran programming. 3) In this thesis, the process that atoms which with low coordination num

15、ber atoms come off from the place of the initial damage are observed via visualization software. The graphite transition of the diamond and low coordination number atoms come off from the place of the initial damage are consided to be the two important aspects that give rise to the formation of the

16、groove wear in the process of nanoscale ductile mode ultra-precision cutting of brittle materials.Keywords: the diamond tool; initial damage; groove wear; molecular dynamics; graphitization目 录目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题研究的目的及意义11.2 金刚石刀具磨损机理研究现状21.2.1 国内外对金刚石刀具磨损的研究概况21.2.2 金刚石刀具后刀面沟槽磨损的研究现状51.3

17、 论文主要研究内容8第2章 金刚石性能和单晶硅超精密切削分子动力学模型建立102.1 金刚石刀具晶体结构和性能102.1.1 金刚石物理性能102.1.2 金刚石晶面结构及其对刀具耐用度的影响112.2 分子动力学模拟方法简介132.2.1 分子动力学仿真的基本原理及基本步骤132.2.2 经典运动方程142.2.3 原子位置积分运算及主要算法152.2.4 动力学模拟系综152.3 单晶硅超精密切削分子动力学模型建立172.3.1 单晶硅切削仿真势能函数的选择172.3.2 原子间相互作用力182.3.3 时间步长选择202.4考虑刀具具有初始破坏的切削过程分子动力学模型建立202.4.1

18、刀具初始破坏成因分析及模型建立202.4.2 切削过程分子动力学模型建立212.5 本章小结22第3章 基于刀具初始破坏的切削过程分子动力学仿真233.1 引言233.2 切削过程分子动力学仿真条件的设定233.3 切削过程中工件微观形貌观察与分析243.3.1 切削刃处工件材料微观形态变化243.3.2 刀具初始破坏处工件微观形态变化253.4 切削参数对切削过程的影响263.4.1 不同切削速度的切削过程仿真与分析263.4.2 不同切削厚度的切削过程仿真与分析303.4.3 不同切削刃刃口半径的切削过程仿真与分析323.5 本章小结34第4章 切削过程中初始破坏处的石墨化分析354.1

19、引言354.2 刀具微刻划初始破坏处的石墨化分析354.2.1 金刚石晶体结构和石墨结构区别354.2.2 瞬间原子图像分析364.2.3 径向分布函数分析384.3 切削参数对石墨转化率的影响及分析404.3.1 Fortran语言及键角计算编程重要过程404.3.2 切削速度对石墨化磨损程度的影响424.3.3 切削厚度对石墨化磨损程度的影响434.4 不同刀具后刀面晶面的石墨化转化率及分析434.5刀具初始破坏对沟槽磨损的影响分析454.5.1 石墨化的产生对沟槽磨损的影响474.5.2 低配位数原子脱落及对沟槽磨损的影响474.6 本章小结48结 论50参考文献52攻读硕士学位期间承担

20、的科研任务与主要成果56致 谢57作者简介58- V -第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题研究的目的及意义超精密加工技术在提高产品性能和发展高新技术中起着至关重要的作用，此技术的发展能极大地提高人类认识世界和改造世界的能力。美、日等工业发达国家都将超精密加工技术列入了21世纪优先发展的工业计划。此外，超精密加工技术的研究开发和关键技术，西方发达国家对外都重点保密。在此环境下我国也必须加大对超精密加工技术的研究和投入，抢占这一21世纪战略科技制高点1。80年代末期，针对硅等硬脆性材料逐步发展了单晶金刚石(SCD)刀具塑性域超精密切削脆硬材料的加工方法，实现了单纯通过金刚石刀具对硅等脆性材料

21、进行塑性域切削以获得高质量表面。相对于传统加工方法，超精密切削加工技术因具有精度好、效率高、易于自动控制和可进行非球面复杂表面加工等优良特性而倍受瞩目2,3。在超精密模式下，硅材料在去除量为纳米级时工件材料存在着脆塑性转变过程4-6，使脆硬材料更容易通过切削去除而获得高质量加工表面。金刚石超精密切削技术直接影响尖端技术的发展，但其应用却在一定程度上受到金刚石刀具磨损的限制。尤其是金刚石刀具后刀面微沟槽磨损出现后，刀具后刀面与单晶硅材料的接触面积增大，微沟槽附近的刀具材料会被迅速磨损掉，形成较明显的后刀面磨损平面。刀具的磨损继而会使切削过程中单晶硅的切削模式由塑性转变为脆性7，这将严重的影响零件

22、的加工质量，甚至造成切削无法正常进行。学者们在金刚石刀具沟槽磨损研究方面已经取得一定的成果，但是对沟槽磨损产生的机理还没有完全清晰的认识。通过对刀具沟槽磨损形成过程的观察分析，发现沟槽磨损出现在刀具切削初始阶段，而且沟槽磨损一般是随着刀具上某些破坏形式的出现而出现的，因此极有必要研究切削初始阶段刀具上这些破坏形式在沟槽磨损的形成过程中产生发挥的作用。超精密切削是纳米尺度的加工技术与常规加工方法存在着巨大差异，建立在传统连续介质力学基础上的切削理论不再适用，并且受加工尺度和测量设备的限制，很难对切削过程进行观察和测量。而分子动力学仿真(Molecular Dynamics，MD)提供了一种从微观

23、领域探索宏观特性的新途径。本课题以切削过程初始阶段刀具上存在的破坏(初始破坏)为研究对象，以表面晶体学、分子动力学、统计物理学等相关学科为理论基础，建立后刀面靠近切削刃处具有初始破坏的金刚石刀具模型并进行单晶硅超精密切削分子动力学模拟。通过对切削过程中刀具后刀面初始破坏处温度和能量的计算，研究了切削过程中初始破坏的产生对刀具后刀面的影响，结合可视化软件和径向分布函数研究了初始破坏处刀具金刚石晶体结构的石墨化转变，在此基础上对沟槽磨损生成机理进行了进一步的分析。本课题的研究区别于前人的研究思路，从刀具初始破坏的角度对沟槽磨损的生成机理进行了研究，有助于更加深入的认识纳米切削脆性材料过程中刀具后刀

24、面沟槽磨损的形成机制和磨损机理。1.2 金刚石刀具磨损机理研究现状鉴于刀具磨损对超精密加工的重要影响，加工过程中金刚石刀具的磨损问题一直受到国内外学者的高度关注。目前学者在刀具磨损机理研究方面提出了热-化学磨损、粘结磨损8,9、磨粒磨损10-12、微切屑和微裂纹磨损等磨损机理。单晶金刚石刀具作为一种超硬刀具，许多学者更倾向认为金刚石刀具的热-化学磨损(主要包括扩散磨损、氧化磨损、石墨化磨损)是主要的磨损因素。1.2.1 国内外对金刚石刀具磨损的研究概况目前对超精密切削脆性材料过程中金刚石刀具磨损的研究的研究方法主要可以分为两类：实验法和分子动力学模拟法,其中实验研究法是研究超精密切削过程中最直

25、接的方法。随着人们对金刚石刀具磨损的进一步认识以及先进仪器和实验条件的不断发展与完善，使在微观层面上通过实验法直接观察认识金刚石刀具磨损成为可能。上个世纪 80 年代，日本学者井川直哉、稻田尚一等13采用单点金刚石刀具直角超精密切削电镀铜，研究了超精密切削加工极限的，实现了切削厚度为1nm的稳定切削。2001年D.Krulewich Borna等14学者研究了切削用量参数、刀具几何形状参数以及切削液等相关因素对刀具磨损的影响。通过研究发现，切削过程中对刀具磨损影响最为显著的是切削速度和切削距离。文中还提出利用声发射技术研究刀具磨损并建立了刀具磨损的数学模型。实际加工过程中金刚石刀具与工件剧烈摩

26、擦而产生的大量的热会使金刚石与空气中的氧气发生反应，从而造成金刚石的氧化磨损。S. Shimada15通过切削实验研究发现，切削过程中随着刀具的移动，工件不断产生的位错和刀具运动导致的高切削温度，会不断引起较高的温度脉冲产生，提高了刀具原子的活化能。当空气中的原子或分子在瞬时脉冲的作用下能和具有高活化能的刀具原子发生化学反应时，刀具易被氧化，从而使金刚石发生刀具氧化磨损。Inamura16也认为这些瞬时脉冲温度可能是引起刀具磨损和崩刃的原因。对于氧化磨损的研究大多采用差热-热重法或者综合差热、热重、热腐蚀分析等手段。王适等17通过对PCD复合片中聚晶金刚石层加热前后的X射线衍射图谱(XRD)对

27、比以及不同气氛环境下的差热-热重分析，并结合扫描电镜(SEM)对金刚石受热后的表面形貌进行观察，发现聚晶金刚石在加热过程中同时发生氧化反应和还原反应。金刚石是石墨低温条件下的亚稳定相，低温时金刚石是碳的立方结构形式，具有非常高的强度和硬度。而这种立方结构，在一定温度下，会转变成层片状的石墨结构或无定形的碳，从而使金刚石失去超硬性。鉴于石墨的物理性能，金刚石的石墨化无疑会导致晶体材料的破坏，如金刚石表面的热裂解、微剥落等磨损现象。国内外对影响金刚石石墨化因素的研究很多，早在上世纪70年代，Davies等18在真空、不同压强的条件下进行了金刚石微粒石墨化转变的研究。赵清亮等19在使用金刚石刀具对单

28、晶硅进行超精密切削实验中发现，刀具最主要的磨损形式是化学磨损和机械磨损。指出了切削过程中石墨碳原子产生的两个主要原因：一是切削过程中产生的高温高应力，导致金刚石和单晶硅直接反应生成碳化硅，碳化硅逆分解后形成了石墨态的碳原子与硅原子；二是当温度超过1000，金刚石可以在无催化作用下发生严重的石墨化转变并产生热裂解现象。Bouwelen等20通过高分辨率电子显微镜和电子能量损失能谱学，对金刚石抛光过程中产生的磨屑进行观察和分析，研究发现，刀具和工件的接触表面温度随着切削的进行不断升高，造成碳原子发生从立方结构到石墨结构的相变，造成了刀具的磨损。Zhiguo Wang等21也提到切削时一部分被损坏的

29、原子在弹性变形恢复过程中会在工件原子和刀具原子之间产生摩擦力，摩擦力会使刀具碳原子在后刀面平坦的堆积起来，并最终形成六边形层片状结构。国内外对于石墨化转变机理的研究还不是很成熟，对于石墨化机理的研究还需要进一步的完善。在一些研究金刚石磨损的试验中，很多学者采用疲劳机理对金刚石刀具的磨损现象进行了解释。K.J.Dunn22认为PCD刀具的剥落磨损主要是由于刀具受到循环应力作用而发生疲劳破坏所致，并绘出了PCD在循环应力作用下断裂应力曲线图。发现疲劳破坏使PCD刀具的断裂应力有可能降低三分之一以上，这种理论与实验事实能很好的吻合。董存国、师秀芳等23通过大量金刚石锯轮切花岗岩的实验，研究了刀具磨损

30、形式及刀具磨损对切削力的影响。认为加工过程中刀具承受的交变冲击应力和热应力，导致疲劳裂纹的产生和金刚石晶体内部潜在裂纹或晶体间缺陷的扩展，最终导致金刚石刀具局部或严重破损。裂纹引起的刀具破损过程如下图1-1所示。 切屑流过刀具表面时，循环应力的作用刀具表面应力裂纹破损结构缺陷 图1-1 由裂纹引起的金刚石刀具破损过程实验研究法虽然是最直接的方法但是也有很大的局限性，试验设备的获取受到限制，实验费用昂贵，实验过程费时费力，而且受纳米级加工尺度的限制，实验结果难以观察和测量，限制了人们对刀具磨损机理的研究认识。而分子动力学(MD)模拟可以直接从原子尺度上，对晶体材料的微观行为进行研究，给我们从微观

31、角度认识刀具磨损提供了一个强有力的工具，某些在实验中无法或难以测量的量和行为可以通过计算机模拟的方法被精确的计算与测量，并且MD模拟大幅度节约研究费用和时间。在1955年著名物理学家Fermi24 最早提出MD仿真。六七十年代J.B.Gibson和Verlet25,26等人对MD连续作用势及积分算法进行改进研究，促进了MD在材料学科的应用。80年代末期，W.G.Hoover和J.Belak等27,28首次应用MD仿真方法研究了切削加工过程中刀具与工件表面微摩擦问题，揭开了通过MD仿真研究超精密加工过程的序幕。在1992年Shimada29 在CIRP年会上，汇报了实验结果和MD模拟结果的比较，

32、证明MD加工模拟是一种有效描述纳米加工的方法。随后分子动力学在刀具磨损机理的研究上广泛应用并取得了大量的成果。1995年，K. Maekawa等30建立了金刚石刀具超精密切削单晶铜MD仿真模型并进行切削模拟。通过模拟切削研究了加工过程中材料的变形和去除行为、刀具和工件的相互作用以及刀具表面和副表面的损伤等问题。通过减少碳原子结合能的方法研究了刀具的磨损行为，认为工件原子与刀具原子间的相互作用是导致了刀具磨损的主要原因。罗熙淳等31等通过MD切削仿真研究了单晶硅切削过程中的金刚石刀具磨损问题，认为温度效应、原子间的渗透以及升华能的急剧下降是造成刀具磨损的主要原因，并采用AFM探针加工试验进行了模

33、拟结果的初步验证。R.Narulkar32通过MD模拟，发现单晶金刚石刀具切削铁时，刀具切削刃处的金刚石由金刚石晶格向石墨结构转变。通过可视化软件可以明显的观察到六原子碳环，而且发现这种转变发生后石墨发生了向铁晶体的扩散，指出金刚石的(110)晶面最容易发生石墨化而(100)晶面最不容易发生石墨化，这些研究结论同Seal33的研究的结果相符。Saurav Goel等34,35在刀具磨损的研究方面也取得了很多成果，他们通过MD模拟了金刚石刀具超精密切削单晶硅和碳化硅晶体的过程，并对加工过程中的刀具和切削结合面采用径向分布函数，键角分布函数以及配位数等进行分析，证明了在切削过程中存在石墨化的产生，

34、并指出金刚石刀具和工件的剧烈摩擦是引起这种转变的主要原因。1.2.2 金刚石刀具后刀面沟槽磨损的研究现状金刚石刀具后刀面沟槽磨损是金刚石刀具磨损的主要磨损形式之一，国内外很多学者对沟槽磨损的磨损机理进行了研究。2004年Sharif Uddin等36,37通过扫描电子显微镜(SEM)观察了金刚石刀具塑性域切削单晶硅时的刀具磨损情况，发现切削过程中随着切削距离的增加，刀具前刀面出现了微沟槽磨损和月牙坑磨损，后刀面出现了磨损带和沟槽磨损，如图1-2 a)、b)所示。认为切削过程中的高温降低了金刚石的稳定性，刀具碳原子发生从金刚石结构到石墨结构的相变，加剧了碳、硅和空气的热化学亲和性，导致磨损量率急

35、剧增加。而后刀面的沟槽磨损是由于在刀具和后刀面界面上的微颗粒造成的，并认为刀具后刀面逐渐形成的微沟槽是造成刀具磨损的主要原因。 a) 切削长度 L=2.15km b) 切削长度L=3.36km图1-2 切削距离L=2.15km和L=3.36km时刀具磨损SEM图像2005年Li X.P 等38认为金刚石刀具的磨损是由刀具后刀面上的纳米级沟槽磨损引起，这种磨损起于切削半径远小于主切削刃的副切削刃，并发现沟槽磨损的不断生长会改变材料的去除方式，即由塑性切削向脆性切削转变。2007 年M.B.Cai等39,40在单晶硅超精密切削模拟中发现，由于切削区域内的高静水压力使切屑形成区的工件材料发生由单晶向

36、非晶相的转变，产生了动态无规律分布的短键长硅原子团簇如图1-3 a)所示。这样的原子簇的硬度是原本单晶硅材料硬度的好几倍，在切削过程中这些原子团簇形成的“硬质微颗粒”极有可能随着切削的进行流动到了刀具的后刀面并对软化了的刀具进行刻划和耕犁，进而形成了金刚石刀具后刀面的沟槽磨损，刀具后刀面沟槽磨损形态如图1-3 b)所示。 a) 短键硅原子团簇 b) 切削完成后刀具后刀面沟槽磨损SEM照片图1-3 硅原子团簇及后刀面沟槽磨损形貌2008年，W.J.Zong41研究了Si纳米切削过程中SCD刀具后刀面发生急剧磨损的机理。通过对切削工件表面进行X射线光电子能谱分析(XPS)，指出刀具原子和工件原子极

37、可能在高温高压的切削区域局部接触点上发生化学反应，生成SiC。并发现切削后的单晶硅表面有石墨碳峰的存在，证明在切削过程中有石墨化现象的发生。脱落的碳原子向单晶硅表面扩散并在硅的亚表面重新聚集产生一种类金刚石超硬微颗粒。切削过程中产生的碳化硅颗粒以及类金刚石颗粒对刀具后刀面进行刻画和耕犁，使后刀面上出现大量的沟槽磨损。同时作者也指出后刀具后刀面上产生的沟槽是造成金刚石刀具塑性模式下切削单晶硅时后刀面急剧磨损的主要原因。但文章中缺少磨粒造成沟槽磨损产生的直接证据，而且没有对沟槽磨损的磨损过程进行研究。2010年张建国42在论文中采用单晶金刚石刀具对单晶硅进行超精密切削实验。通过扫面电子显微镜(SE

38、M)和原子力显微镜(AFM)对切削开始前刀具切削刃和前后刀面进行扫描检测，可以发现刀具前后刀面非常平整，切削刃完整、锋利，如图1-4a)所示。通过观察发现当切削距离为2.512km时，切削刃刃口半径变小并且在切削刃上开始出现由于与单晶硅材料微碰撞造成的微崩刃，如图1-4 b)所示。随着切削的继续进行，发现当切削长度为3.768km时，刀具后刀面靠近切削刃微崩刃底端处开始出现明显的纳米尺度沟槽磨损，如图1-4 c)所示。随着切削距离的增加，沟槽磨损不断生长，如图1-4 d)所示。通过实验观察还发现刀具后刀面微沟槽磨损出现后刀具后刀面与单晶硅材料的接触面积增大，在高温高压的切削过程中微沟槽附近的刀

39、具材料被迅速磨损掉，最终形成较明显的后刀面磨损平面。 a) 切削长度L=0km b) 切削长度L=2.512km c) 切削长度L=3.768km d) 切削长度L=7.536km图1-4 不同切削距离时金刚石刀具磨损形态2012年贾鹏等43进行了金刚石刀具切削Soda-lime玻璃的实验。通过对刀具的磨损形貌、后刀面磨损带组成份观察检测，研究了刀具在切削过程中的磨损机理。研究结果表明：切削过程中刀具的前后刀面都发生了磨损，前刀面磨损表现为平滑均匀的月牙洼磨损，后刀面磨损表现为磨损带磨损。随着切削的进行前后刀面磨损带不断生长并在后刀面沿切削方向产生微沟槽。作者认为热化学磨损、机械摩擦磨损以及磨

40、料磨损是导致金刚石刀具磨损的主要原因。现有的研究方法对金刚石刀具沟槽磨损磨损机理的揭示都有很大的局限性。微观尺度下，实验法受检测设备和检测条件的限制不能够实时准确的输出加工过程中与磨损相关的能量、热量等重要信息，而且当前实验研究法的时间尺度、空间尺度相对于刀具沟槽原子级别的磨损过程而言太大，因此实验研究法不能够很好的揭示沟槽磨损的磨损机理。分子动力学模拟法虽然一定程度上满足实验法以上的不足，但是分子模拟受势函数、模拟尺度与实际加工过程有一定差别等因素的影响，不能够通过模拟而准确得到沟槽磨损的生成过程也限制了对沟槽磨损的研究。在诸多金刚石刀具后刀面沟槽磨损的实验研究中，由于实验过程中采用的机床性

41、能、刀具和工件质量以及加工参数等各有不同，不同学者通过实验得到的磨损形貌不尽相同。但是通过他们对磨损过程的论述及对其研究过程中所得磨损图片的观察，发现后刀面沟槽磨损的生成过程基本相同，即金刚石刀具实验前刃口完整，在经历2km左右的切削加工后开始出现微纳米级的初始破坏，如图1-2 a)、1-4 b)所示，这里将之称为切削过程初始阶段的刀具破坏，简称为“初始破坏”，同时发现此时存在的初始破坏形貌不尽相同。通过对SEM图像的观察的发现，初始破坏主要有切削过程中产生的硬质粒子造成的类圆锥形微刻划和切削过程中切削刃上出现的锯齿形微崩刃两类初始破坏形式；初始破坏产生后，再经历3-4km的切削距离，刀具后刀

42、面开始出现磨损带及纳米级沟槽磨损，如图1-4 c)所示；在后续的切削过程中，随着切削距离的增加纳米级沟槽不断生长成为亚微米级沟槽；当刀具切削距离超过10km后，刀具发生剧烈磨损直至丧失使用功能。通过以上观察分析可以看出初始破坏和后刀面沟槽磨损都始于切削刃，并且后刀面沟槽磨损一般都是紧随着初始破坏的产生而产生的。初始破坏的产生对切削过程中刀具的影响以及对金刚石刀具后刀面沟槽磨损的生成发挥的作用是本文所论述的主要内容。1.3 论文主要研究内容通过对单晶硅超精密切削中金刚石刀具后刀面沟槽磨损形成过程的观察和分析，发现切削进行初始阶段，金刚石刀具上存在多种形式的初始破坏，而且发现初始破坏的产生与沟槽磨

43、损的生成有着重要的联系。因此，为研究初始破坏的产生对切削过程中刀具的影响以及初始破坏和沟槽磨损生成之间的关系，本的文主要研究内容包括：(1) 根据分子动力学知识并结合相关实验文献描述，考虑硬质粒子对刀具后刀面的刻划作用以及切削过程中刀具切削刃处的崩刃，在刀具后刀面建立具有纳米尺度类圆锥形微刻划和锯齿形微崩刃两种初始破坏形式的金刚石刀具并进行单晶硅超精密切削分子动力学仿真。(2) 通过分子动力学手段，利用以上两种具有不同初始破坏形式的金刚石刀具在不同切削速度、不同切削厚度以及不同切削刃刃口半径条件下进行单晶硅的超精密切削模拟。结合可视化软件(VMD)观察分析切削过程中工件材料在刀具初始破坏处的运

44、动行为。收集刀具后刀面采样点处在加工过程中的温度和能量变化，并通过与完整后刀面刀具切削模拟所得信息比较，研究初始破坏的存在对切削过程中刀具后刀面采样点处的影响。(3) 通过对初始破坏刀具后刀面采样点处原子瞬间位置的可视化观察以及此处晶体结构的径向分布函数分析，研究切削过程中刀具后刀面初始破坏处晶体结构的变化。通过Fortarn编程计算后刀面采样点处键角变化，定量分析不同切削参数和不同刀具后刀面晶面参数对石墨化转化率的影响规律。(4) 结合初始破坏处的刀具材料石墨化转变以及通过VMD观察到的低配位数碳原子脱落现象，分析初始破坏对沟槽磨损形成的影响。- 59-第2章 金刚石性能和单晶硅超精密切削分

45、子动力学模型建立第2章 金刚石性能和单晶硅超精密切削分子动力学模型建立本章首先就金刚石的晶体结构对刀具耐用度的影响进行分析；其次介绍MD模拟的基本原理和关键技术；最后，为了从微观层面研究金刚石刀具初始破坏的产生对切削过程造成的影响，建立刀具具有初始破坏的单晶硅超精密切削MD模型。2.1 金刚石刀具晶体结构和性能2.1.1 金刚石物理性能金刚石俗称“金刚钻”，也就是我们常说的钻石，它是一种碳元素的聚合体，是目前自然界中最坚硬的物质。在金刚石晶体内部，碳原子以最紧密的方式排列，金刚石碳原子与碳原子之间都以结合力非常牢固的原子键结合并且每个碳原子的所有自由电子都参与成键，没有自由电子存在，所以金刚石

46、具有硬度大，导热性高、摩擦系数小、热膨胀系数和化学性质非常稳定等特点44,45，金刚石主要物理性能如表2-1所示。表2-1 金刚石主要物理性能指标性能名称数值密度 (g/cm3)3.52熔点 ()3550导热系数 (W/(m·k)(2-4)×418.68比热容 (J/(·g)0.516 (常温)显微硬度HV (kg/mm2)10000抗拉强度 (MPa)210-490抗压强度 (MPa)1500-2500弹性模量 (N/m2)(9-10.5)×1011线膨胀系数a2.5E-6由于具有非常优良的机械物理特性，金刚石满足超精密切削加工对刀具材料的要求，可以作

47、为超精密切削加工中非常优秀的刀具材料。特别是在现有的高新刃磨设备和刃磨技术条件下，内部没有晶界的单晶金刚石(SCD)材料理论上可以加工成切削刃刃口达到原子级别的超精密切削刀具，此时刀具切薄能力强、加工精度高、切削力小，特别是对于单晶硅等脆性材料，原子级别的刀具刃口满足超精密加工过程中的脆塑性转变要求，从而保证单晶硅超精密切削过程的顺利进行；天然金刚石的硬度大、抗磨损与抗腐蚀性强和化学稳定性温度，能保证刀具在高温高压的切削环境中持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对零件精度的影响；天然金刚石较高的导热系数还可以及时地把切削过程中产生的热量传输到外部环境中，从而可以降低切屑形成区内的温度和并减小

48、零件的热变形。因此，天然金刚石作为超硬刀具材料在机械加工领域有着重要地位并得到了广泛应用，尤其在超精密切削加工领域天然单晶金刚石刀具已经成为主要加工刀具。2.1.2 金刚石晶面结构及其对刀具耐用度的影响天然金刚石属于立方晶系，主要有(100)、(110)和(111)三个晶面46，如图2-1所示。不同晶面上的原子排布不同，造成金刚石晶体各向异性。超精密切削过程中选用不同金刚石晶面做为刀具的前、后刀面时，刀具的使用性能会有很大不同。 a) 单元晶格 b) (100)晶面 c) (110)晶面 d) (111)晶面图2-1 单元晶格及对应晶面2.1.2.1 晶面面网密度和耐磨性晶体单位面积面网上的原

49、子个数称为面网密度。金刚石的硬度和耐磨性受面网密度的直接影响，下面分别计算了金刚石晶体三个主要晶面(100)、(110)和(111)晶面的面网密度47。金刚石(100)晶面除了在面心有1个原子外，每个顶点上还各有1/4个原子。因此(100)晶面的原子总数为： (2-1)晶面面积为： (2-2)晶面原子密度： (2-3)同理，(110)晶面的原子密度为22.2321nm2；(111)晶面原子密度为18.1521nm2。因此 (100)、(110)和(111)面网密度之比为1:1.414:1.1540。而金刚石晶体结构中，(111)晶面按照一宽一窄的规律交替出现，如图2-2所示，窄的面之间间距非常

50、小，以致可以看成一个加厚的面网，如此一来(111)晶面的原子密度增加了一倍。因此这三个晶面新的面网密度之比为 (100)面网：(110)面网：(111)面网=1:1.414:2.308，因此，这三种面网的硬度情况是(111)晶面硬度>(110)晶面硬度>(100)晶面硬度，这个关系在试验中也得到了验证。a/4a) (100)晶面 b) (110)晶面 c) (111)晶面图2-2 金刚石晶体结构剖面图2.1.2.2 面网间距和解理解理现象是晶体材料一个非常重要的特性。当晶体受到定向机械力作用时，晶体可以沿平行于某个平面的晶面平整的劈开。金刚石(111)晶面的面网密度最大，但它的面网

51、之间的距离也最大(/4)。因此(111)晶面之间的结合力最弱，在机械力的作用下极易分裂成解理面，所以晶体(111)晶面硬度最大但同时由于解理现象的存，脆性也最大。为了更加清晰深入的说明金刚石晶体存在的解理现象，图2-3画出了金刚石晶体中碳原子在(111)晶面的分布情况，原子间的直线表示共价键的结合方向。从图中可以发现(111)晶面一宽一窄交替出现，两个(111)晶面之间只有一个碳碳原子共价键相连，在外部机械力的作用下，只需击破这个共价键就可以使两个相邻(111)晶面劈开，所以在(111)晶面非常容易发生解理破坏。此处劈开只需要击破一个键此处劈开需要击破三个键图2-3 (111)晶面的碳原子分布

52、示意图和解理劈开面2.2 分子动力学模拟方法简介2.2.1 分子动力学仿真的基本原理及基本步骤分子动力学方法的基本思想是：在一定温度条件和边界条件下，将组成一个体系的粒子(原子或分子)抽象成相互作用的质点，在经典力学框架内，每个质点受到的作用力由质点间的势能计算获得，即每个质点的作用力由其他全部质点提供的经验势场确定。系统内质点的运动符合经典牛顿力学规律，通过对动力学方程组的求解，就可以确定质点在相空间的运动规律和轨迹48。由统计物理学可知，对于一个由大量粒子组成的物理系统，其宏观特性是这些粒子运动状态的综合反映，因此系统一些相应的宏观物理特性可按照统计物理学原理计算得出。计算机对系统所进行的

53、分子动力学模拟可以划分为以下三个步骤：首先，建立模拟所需要的模型并给定初始条件；其次，对系统进行驰豫和趋于平衡的计算；最后，进行宏观物理量的计算和输出，具体流程如图2-4所示。图2-4 分子动力学方法工作流程图2.2.2 经典运动方程在分子动力学模拟中，假设系统中所有粒子的运动都遵循经典牛顿运动定律而且各个粒子之间的相互作用满足叠加原理，因此对于含有N个粒子数的微观物理系统，其力学描述的牛顿形式为： (2-4) (2-5) (2-6)式中 mi粒子i的质量(kg)；ri第i个粒子的位置坐标(nm)；vi粒子i的速度(m/s)；Fi系统中第i个粒子所受其他所有原子的合力。对于牛顿运动方程组，一旦

54、给定系统中粒子的初始速度和初始坐标，那么之后粒子在任何时刻的速度与坐标都可以通过求解牛顿运动方程组准确得到，这也就是经典牛顿运动方程的确定性。经典力学方程还有其它一些数学上与牛顿运动方程等价的形式，但在求解过程中求得的数值却不尽相同。2.2.3 原子位置积分运算及主要算法MD的主要工作就是对运动方程的时间积分，这需要将运动方程离散化为有限差分方程，相邻格点的距离称作时间步长t，知道了原子的位置以及某些对时间t的微分量，如速度以及加速度等，就可以得到下一个格点时间为t+t时这些量的值。位置、速度和加速度的泰勒(Taylor)展开式形式如下： (2-7) (2-8) (2-9)式中 v速度； a加速度； b位置r的三次微分；仿真程序时间间隔。目前适用于分子动力学仿真过程中原子位置计算的算法主要有Verlet算法、Velocity-Verlet算法、Leapfrog