[发明专利]基于分子动力学的三维纳米级切削加工模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米级超精密加工领域，涉及三维纳米切削加工模拟方法。

背景技术

作为现代制造技术前沿的超精密加工与纳米加工技术，随着加工精度不断提高，可以达 到纳米级甚至原子级。在加工过程中表现出一些物理现象，如刀具微量磨损、尺度效应等， 这些现象无法被建立在连续介质力学基础上的传统切削理论来解释。但该过程可以被分子动 力学很直观的模拟出来，分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation)可以用于计 算这个切削过程，它是联系微观世界与宏观世界的一种强有力的计算机模拟方法。同时其不 受加工设备、加工条件的限制，可随意改变仿真的加工参数、周围环境因素、切削要求和刀 具几何形状等条件。为了研究的需要，更可改变刀具材料和被加工工件材料的性质。因此近 年来基于分子动力学的纳米切削机理的研究受到研究人员的广泛重视。目前世界上很多国家 相关领域的科研单位都开展了分子动力学模拟的研究，并取得了一定的成果。其中日本和美 国在这方面的工作仍处于领先水平。

20世纪80年代末，美国的劳伦斯国家实验室(LLNL)的Belak等人最先借助MD研究了单 晶铜的纳米切削过程。从1986年开始，该实验室和日本的大阪大学，合作进行的“超精密切 削加工的极限”的实验研究，成功实现了1nm切削厚度的切削实验。九十年代初，该实验室 又对金刚石硅界面进行了压痕和切削过程的MD仿真。大阪大学和Nagoya理工大学对表面无 缺陷的单晶硅的微压痕和微切削过程进行了MD仿真。1994年，日本Hokkaido大学的 Takayuki，Shibata等人用金刚石车削对单晶硅的(001)面，沿着<110>方向进行了100nm 和500nm切削深度的实验。与国外的研究者相比，国内基于分子动力学的超精密加工方面的 研究起步较晚，1998年天津大学的林滨博士等进行了纳米磨削方面的研究，与此同时，哈尔 滨工业大学的梁迎春教授等开展了纳米切削以及刀具磨损等方面的研究。

目前对MD仿真模拟主要集中在切削过程中受力、温度分布、不同刀具前角，不同刃口半 径，温度变化等相关方面的分析，但受到刀具测量及计算量等方面的限制，未见有建立与实 际加工更相符的3维刀具仿真模型研究报道。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，通过建立一种三维刀具模型，提出一种分子 动力学切削加工仿真的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于分子动力学方法的三维纳米切削加工模拟方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)定义表达分子动力学仿真模型的数据结构，在该模型中，每一个原子是由其三维 点信息构成的，用三个精确到小数点后三位单位为埃的数，来表示原子的空间坐标对每个原 子赋予唯一的原子序数，根据待模拟工件的各个原子所属的层数，区分各个原子所属的原子 类型。

(2)根据单点金刚石的空间结构排列，建立一个由长方体的点信息的集合构成的第一 模块；

(3)在x-y平面内建立前刀面在y轴上，刃口半圆的圆心在(a，a)处，并与前刀面相 切，后刀面后角为11°，并与刃口半圆相切的二维刀具模型；

(4)将该二维刀具模型，绕Y＝b直线旋转，这样得到一个指环状的实体，其圆弧半径为 刀鼻半径b，称为第二模块；

(5)将模块1和模块2进行交集处理，即得到三维刀具模型；

(6)根据待仿真工件的材料性质确定其原子的空间排布和势能函数；

(7)建立工件实体，并确定刀具与工件在空间的相对位置；

(8)待仿真工件的材料性质，确定待仿真工件自身的势能函数，根据刀具和待仿真工 件的材料性质，确定两种之间相互作用的势能函数；

(9)定义包括工件材料类型、工件尺寸长宽高、切削方向、切削速度在内的切削参数 ；

(10)按照下列步骤进行三维纳米切削加工模拟：

(a)初始化金刚石刀具和待仿真工件的原子位置；赋予待仿真工件的初始势能U； 进而初始化金刚石刀具的原子速度；定义截断半径参数和仿真时间步长；