微構(gòu)件納米切削過程及其力學(xué)特性的多尺度模擬研究.pdf

1、隨著航空航天、精密機(jī)械、半導(dǎo)體等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)微納米零件的需求越來越多，同時(shí)對(duì)其使用性能也提出了很高的要求。微納米零件的物理尺寸是這些行業(yè)向高端發(fā)展的主要瓶頸之一，繼續(xù)縮小設(shè)備的尺寸不但可以降低單位產(chǎn)品的價(jià)格、降低設(shè)備能量消耗，還可以更有效地集成系統(tǒng)的功能。因此，加快建立微納米零件的加工和設(shè)計(jì)理論已成為當(dāng)前制造業(yè)領(lǐng)域一項(xiàng)很重要的任務(wù)。本文借助連接有限元法和分子動(dòng)力學(xué)法的多尺度模擬理論，研究塑性材料微構(gòu)件的納米切削理論以及微構(gòu)件的拉伸

2、疲勞特性，同時(shí)利用原位納米壓痕儀進(jìn)行納米刻劃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這對(duì)全面認(rèn)識(shí)微納米構(gòu)件表面切削加工機(jī)理、工件表面質(zhì)量、微納構(gòu)件的力學(xué)特性，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，并將為微納米構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工制造的深入發(fā)展提供必要的理論基礎(chǔ)。
　　本文首先分析了準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法的基本理論框架和采取的相關(guān)技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法進(jìn)行了優(yōu)化，建立了單晶銅微構(gòu)件不同晶面和不同加工方向的納米切削多尺度仿真模型。這種多尺度模型充分考慮到了超精密加工及納米加工

3、中材料變形的跨尺度特征，即節(jié)省了計(jì)算成本又實(shí)現(xiàn)了材料的納米級(jí)去除過程的模擬。分別從工件切屑的形成、已加工表面缺陷的產(chǎn)生與演化、殘余應(yīng)力、切削力和應(yīng)變能的變化等角度研究了工件材料不同晶體取向?qū){米切削變形機(jī)理的影響，確定了納米切削單晶銅過程的最優(yōu)加工取向。進(jìn)行不同加工工藝參數(shù)下的納米切削跨尺度仿真，從工件的變形特性、表面粗糙度、切削力、應(yīng)變能以及已加工表面缺陷和微觀變質(zhì)層等方面分析了切削速度和切削厚度對(duì)材料的納米切削特性和工件使用性能的影

4、響。研究了超高速切削過程材料的特殊變形機(jī)理及納米切削過程中的臨界切削厚度問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米切削過程已加工表面不僅存在拉應(yīng)力作用，而且存在壓應(yīng)力作用。仿真的同時(shí)，采用原位納米壓痕儀進(jìn)行不同晶向設(shè)置和不同切削厚度下的納米刻劃實(shí)驗(yàn)，從切削力、摩擦系數(shù)和刻劃材料的凸起特點(diǎn)等方面，證實(shí)了多尺度仿真模型和計(jì)算結(jié)果的正確性。針對(duì)仿真所得納米切削的特點(diǎn)和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，考慮切削過程中位錯(cuò)的產(chǎn)生與演化、已加工表面的殘余應(yīng)力分布，提出基于擠壓—刻劃模式

5、的納米級(jí)切削模型。此外，利用多尺度仿真模型，對(duì)納米加工中不同材料的切削特性進(jìn)行了對(duì)比研究。
　　另一方面，建立了帶有不同V型切口模式微構(gòu)件的拉伸以及壓縮多尺度仿真模型，分別從微構(gòu)件拉伸過程中內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與演化、切口疲勞變形模式、拉伸載荷和拉伸應(yīng)變能的變化，研究了晶體取向以及切口模式對(duì)微構(gòu)件拉伸以及疲勞特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微構(gòu)件晶體取向和切口模式對(duì)微構(gòu)件的拉伸微觀變形機(jī)理有較大影響；微構(gòu)件循環(huán)加載時(shí)表現(xiàn)為切口處在壓縮時(shí)形成新鍵