单晶硅纳米切削表面质量与分子动力学仿真

论文摘要

超精密与纳米加工技术是现代机械制造技术的前沿,目前加工精度已接近纳米数量级,纳米加工机理的研究对超精密与纳米加工技术的发展有重要影响。随着微机电和纳机电系统的发展,零件和元器件趋于微型化,有时甚至达到纳米数量级,因此表面形态将成为影响零件性能的最重要因素之一,此时被加工工件也不再是连续固体,用建立在连续介质力学基础上的传统切削理论来解释纳米加工机理和已加工表面的形成过程显然是不合适的。本文提出了不同条件多次走刀的分子动力学仿真方法,借助分子动力学仿真技术研究脆性材料的纳米加工机理,编写了纳米切削的仿真程序。这对于全面认识纳米加工机理具有理论意义和实用价值,同时也将为超精密与纳米加工技术的进一步发展提供必要的理论基础。建立了单晶硅纳米切削过程的三维分子动力学仿真模型,实现了单晶硅材料在不同路径、不同深度、不同间隔等加工条件下,不同刀具形状、不同刀具角度、不同刀具尺寸的单次和多次走刀加工过程的模拟。得到了走刀次数对工件表面质量影响的基本规律和相对复杂加工条件下刀具前角、刀具形状和尺寸对表面质量的影响,提出了针对单晶硅材料加工,球形刀具比矩形刀具更适合于同一表面的多次切削加工的结论,对实际的加工过程具有理论指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 发展超精密加工技术及纳米加工技术的重要意义
• 1.2 课题来源及研究的目的、意义
• 1.3 超精密加工机理研究方法及国内外研究现状
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 基于分子动力学的单晶硅切削仿真程序设计
• 2.1 分子动力学模拟方法简介
• 2.1.1 分子动力学方法的理论研究
• 2.1.2 分子动力学方法的基本原理
• 2.1.3 分子间作用力的计算
• 2.1.4 基本运动方程
• 2.1.5 求解运动方程算法推导
• 2.1.6 势函数的选择
• 2.2 单晶硅纳米切削过程分子动力学仿真方法
• 2.2.1 仿真模型
• 2.2.2 仿真条件
• 2.2.3 分子动力学仿真程序设计
• 2.2.4 用于单晶Si纳米切削过程计算的Tersoff势函数
• 2.3 分子动力学仿真的可视化
• 2.4 本章小结
• 第3章 单次走刀单晶硅纳米加工表面质量仿真研究
• 3.1 刀具前角对单晶硅纳米加工表面质量影响的研究
• 3.1.1 刀具前角仿真参数的设定
• 3.1.2 不同前角刀具切削加工仿真结果的研究
• 3.2 刀具形状对单晶硅纳米加工表面质量影响的研究
• 3.2.1 刀具形状仿真参数的设定
• 3.2.2 球形刀具仿真结果的比较研究
• 3.2.3 圆柱形刀具仿真结果的比较研究
• 3.3 基于单次走刀的单晶硅纳米切削加工过程的理论分析
• 3.3.1 能量分析
• 3.3.2 切削力分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 多次走刀单晶硅纳米加工表面质量仿真研究
• 4.1 多重切削路径对单晶硅纳米加工表面质量影响的研究
• 4.1.1 多重切削路径的定义
• 4.1.2 不同间距切削加工仿真结果的比较研究
• 4.1.3 增加切削深度再次加工仿真结果的比较研究
• 4.2 刀具前角对多次走刀单晶硅纳米加工表面质量影响的研究
• 4.2.1 刀具前角及切削路径的定义
• 4.2.2 仿真结果的比较研究
• 4.2.3 不同刀具前角多次走刀表面形貌与粗糙度的比较研究
• 4.3 刀具形状对多次走刀单晶硅纳米加工表面质量影响的研究
• 4.3.1 刀具形状及切削路径的定义
• 4.3.2 二次走刀仿真结果的比较研究
• 4.3.3 不同半径球形刀具二次走刀表面形貌与粗糙度的比较研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢