[發明專利]基于分子動力學的三維納米級切削加工模擬方法

有效

• 申請號: 200910306574.0
• 申請日: 2009-09-04
• 公開（公告）號: CN101654222A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發明（設計）人: 房豐洲;張治國
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于納米級超精密加工領域，涉及三維納米切削加工模擬方法。

背景技術

作為現代制造技術前沿的超精密加工與納米加工技術，隨著加工精度不斷提高，可以達 到納米級甚至原子級。在加工過程中表現出一些物理現象，如刀具微量磨損、尺度效應等， 這些現象無法被建立在連續介質力學基礎上的傳統切削理論來解釋。但該過程可以被分子動 力學很直觀的模擬出來，分子動力學模擬(Molecular?Dynamics?Simulation)可以用于計 算這個切削過程，它是聯系微觀世界與宏觀世界的一種強有力的計算機模擬方法。同時其不 受加工設備、加工條件的限制，可隨意改變仿真的加工參數、周圍環境因素、切削要求和刀 具幾何形狀等條件。為了研究的需要，更可改變刀具材料和被加工工件材料的性質。因此近 年來基于分子動力學的納米切削機理的研究受到研究人員的廣泛重視。目前世界上很多國家 相關領域的科研單位都開展了分子動力學模擬的研究，并取得了一定的成果。其中日本和美 國在這方面的工作仍處于領先水平。

20世紀80年代末，美國的勞倫斯國家實驗室(LLNL)的Belak等人最先借助MD研究了單 晶銅的納米切削過程。從1986年開始，該實驗室和日本的大阪大學，合作進行的“超精密切 削加工的極限”的實驗研究，成功實現了1nm切削厚度的切削實驗。九十年代初，該實驗室 又對金剛石硅界面進行了壓痕和切削過程的MD仿真。大阪大學和Nagoya理工大學對表面無 缺陷的單晶硅的微壓痕和微切削過程進行了MD仿真。1994年，日本Hokkaido大學的 Takayuki，Shibata等人用金剛石車削對單晶硅的(001)面，沿著<110>方向進行了100nm 和500nm切削深度的實驗。與國外的研究者相比，國內基于分子動力學的超精密加工方面的 研究起步較晚，1998年天津大學的林濱博士等進行了納米磨削方面的研究，與此同時，哈爾 濱工業大學的梁迎春教授等開展了納米切削以及刀具磨損等方面的研究。

目前對MD仿真模擬主要集中在切削過程中受力、溫度分布、不同刀具前角，不同刃口半 徑，溫度變化等相關方面的分析，但受到刀具測量及計算量等方面的限制，未見有建立與實 際加工更相符的3維刀具仿真模型研究報道。

發明內容

本發明的目的在于，克服現有技術的不足，通過建立一種三維刀具模型，提出一種分子 動力學切削加工仿真的方法。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種基于分子動力學方法的三維納米切削加工模擬方法，其特征在于，包括下列步驟：

(1)定義表達分子動力學仿真模型的數據結構，在該模型中，每一個原子是由其三維 點信息構成的，用三個精確到小數點后三位單位為埃的數，來表示原子的空間坐標對每個原 子賦予唯一的原子序數，根據待模擬工件的各個原子所屬的層數，區分各個原子所屬的原子 類型。

(2)根據單點金剛石的空間結構排列，建立一個由長方體的點信息的集合構成的第一 模塊；

(3)在x-y平面內建立前刀面在y軸上，刃口半圓的圓心在(a，a)處，并與前刀面相 切，后刀面后角為11°，并與刃口半圓相切的二維刀具模型；

(4)將該二維刀具模型，繞Y＝b直線旋轉，這樣得到一個指環狀的實體，其圓弧半徑為 刀鼻半徑b，稱為第二模塊；

(5)將模塊1和模塊2進行交集處理，即得到三維刀具模型；

(6)根據待仿真工件的材料性質確定其原子的空間排布和勢能函數；

(7)建立工件實體，并確定刀具與工件在空間的相對位置；

(8)待仿真工件的材料性質，確定待仿真工件自身的勢能函數，根據刀具和待仿真工 件的材料性質，確定兩種之間相互作用的勢能函數；

(9)定義包括工件材料類型、工件尺寸長寬高、切削方向、切削速度在內的切削參數 ；

(10)按照下列步驟進行三維納米切削加工模擬：

(a)初始化金剛石刀具和待仿真工件的原子位置；賦予待仿真工件的初始勢能U； 進而初始化金剛石刀具的原子速度；定義截斷半徑參數和仿真時間步長；