单晶Ni_(3)Al切削过程的分子动力学仿真研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
梁国星,(1974-)，男,山西河曲人，博士研究也教授，主要研究方向:精密加工理论与技术
110
田京京等:单晶Ni3Al切削过程的分子动力学仿真研究
第7期
料而且缺乏对其纳米切削过程的认识，要获得高的表面质量和 加工精度非常困难。这主要与其基体NisAl有关,NisAl的有序结 构使Ni’Al軽属间化合物具有诸多优异性能，但同时也使其具有 低的原子可动性，发生塑性变形比较困难,因而难以切削加工叫 因此有必要深层次研究单晶弘小的切削过程。借助大规模原子/ 分子并行模拟器(LAMMPS》％建了单晶Ni’Al工件和金刚石刀具 的纳米切削分子动力学模型，并对切削过程进行仿真，使用OVIT0 软件7略模拟结果可视化，研究了单晶Ni’Al切削过程中的切屑和 已加工表面形成，切削力,工件温度和系统势能的变化规律。
Key Words:Monocrystalline Ni3Al； Molecular Dynamics； Nano-Cutting； Cutting Force
1引言
近年来，随着国民经济的快速发展，我国的航空航天,船舶， 能源等重大装备制造业迎来了新的发展契机，对零部件的制造工 艺,表面质量和加工精度提出了更高的要求,部分部件的加工精 度甚至达到了纳米级。纳米切削技术是改善材料表面质量，使材 料加工精度达到纳米级别的重要手段，应用前景广阔。但是由于 纳米切削过程中的材料去除机制以及纳米切削理论尚未成熟，这 一定程度上限制了纳米切削技术的发展因此有必要进行大量 纳米切削方面的研究，深入理解纳米尺度材料的切削过程。
单晶Ni/l在切削过程中的瞬时图像，如图2(a)^2(c)所
示。切削距离为8 nm时的工件原子局部位移，如图2(d)所示。
No.7
July.2021
机械设计与制造
111
由图26)~图2(d)可知，在纳米切削过程中,随着金刚石刀具与工 件接触，挤压并切入工件，切削开始。与金刚石刀具原子接触的 工件原子,受到了刀具原子的剪切与挤压作用，发生滑移,_部分 原子随着刀具原子的移动，向前和向上运动，在刀具前方堆积，形 成切屑;另一部分原子向前向下运动形成已加工表面。随着切削 距离的增加,堆积在刀具前方及两侧的切屑原子数目也逐渐增 多。切削过程中未观察到金刚石刀具原子发生明显的变形和磨 损，这是因为势描述的工件原子和金刚石刀具原子之间的相 互作用比较微弱，且金刚石的硬度(约78.96GPa閃)远大于NisAl 的硬度(约4.16GPaM】)。
金刚石刀具内部C-C原子之间由Tersoff势函数描述阿，表 达式为：
E=
務
⑵
va =fc (r.j) [A(r»)+ bafA(r(,)]
⑶
式中:E—总势能;”厂原子i和原子j之间的势能;£馆)一原子间 相互作用的截断函数;厶(帀)一排斥项对偶势必馆)一吸引
项对偶势—调制函数观一原子i与原子j之间的距离。 工件原子与刀具原子之间的相互作用由Lennard-Jones势 描述，表达式为:
弘小基金属间化合物因优异的高温抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、 抗疲劳和大的比强度等物化性能,被应用于航空发动机的制造 上叫但弘小基金属间化合物,在切削过程中切削温度难以控制, 切削力大,刀具磨损严重，加工质量不稳定，是典型的难加工材
来稿日期:2020-05-14 基金项目：国家自然科学基金(51575375);山西省自然科学基金(201801D121174) 作者简介:田京京,(1993-)，男，山西榆社人，硕士研究生，主要研究方向:先进切削理论与技术；
2仿真方法和模型
Ni3Al属于込型面心立方有序结构，晶格常数0.3572nm。 由于纳米切削过程中的切削厚度很小，材料去除通常发生在只有 几个原子层的区域，因此可以建立一个原子级切削的纳米块工件 模型。单晶Ni3AlI件的初始模型，如图1所示。是通过理想晶 格在三维空间周期性排列的方法构建，尺寸大小为(15X9X9) nm，,三个方向的晶体取向分别为一[1 0 0] ,y—[0 1 0] ,z—[0 0 1],切削方向为(00 1)面的[-1 00]o工件包含三种类型的原子: 边界层原子,恒温层原子和牛顿层原子。作为工件边界层的左边 界和下边界原子被固定，以形成固定边界条件,减少边界效应，支 撑整个系统。与边界层原子相邻的恒温层原子，通过MD模拟中 的速度重新调节法使其保持293K的恒定温度,以模拟真实切削 过程中的散热过程。其余为牛顿层原子，它们的运动遵循牛顿第 二定律。工件的y方向施加周期性边界条件，以减小模拟的尺寸 效应。在构建刀具模型时，由于刀具刃口半径和切削深度在同一 数量级，认为刀具刃口为圆刃，且考虑到刀具形状对表面质量的 影响，球形刀具的加工质量要优于矩形刀具和圆柱形刀具冏，因此 这里的切削刀具选用半径为2nm的球形单晶金刚石,该球形刀具 模型已在纳米加工中得到广泛应用。在整个模拟中，弛豫和切削 过程在微正则系综(NVE)中进行，充分弛豫后，刀具以恒定速度 沿切削方向开始移动，切削开始。
Molecular Dynamics Simulation of Monocrystalline Ni3AI Cutting Process
TIAN Jing-jing1,2, LIANG Guo-xing1,2, HUANG Yong-gui1,2, MA Zhen-zhong1,2
(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Shanxi Taiyuan 030024, China; 2.Key Laboratory of Precision Manufacturing, Shanxi Taiyuan 030024, China)
Abstract： The monocrystalline Ni3Al nano-block and spherical diamond tool model have been constructed by using molecular
dynamics method to simulate the nano-cutting monocrystalline Ni3Al workpiece with a diamond tool. The formation of cutting chips and machined surface, cuttingforce, workpiece temperature and systempotential energy during the cuttingprocess are ana lyzed. The results show that the workpiece atoms slip at the cutting area due to the shear and squeeze strain generated by the dia mond tool. Part ofthe atoms is offthe initial position, the chips and machined surface are produced. Theformation ofchips and machined surface is mainly related to the effects oftangential and normalforces; the workpiece temperature and system potential energy are increasing during the cuttingprocess, and the elastic recovery and lattice recombination ofthe workpiece atoms on the machined surface weaken their rate ofincrease.
在纳米切削过程中,材料的去除对象变成孤立、离散的数层 原子。因而在材料去除过程、切削力、温度以及能量变化等方面 会出现与宏观加工不同的现象，基于宏观连续介质力学的切削理 论无法合理解释这些微观切削现象。若要研究微观的切削现象,
必须进行纳米切削实验。但纳米切削实验要求严格，费时费力， 观察和检测手段缺乏，进行满足要求的纳米切削实验异常困难現 分子动力学(Molecular Dynamics)方法可以很方便地获得微观切 削过程中的一些现象，因此它逐渐发展起来，成为纳米尺度研究 材料切削过程的有力工具。已有众多学者利用分子动力学方法 研究了如单晶错、单晶铜、单晶铝、单晶钛等材料的纳米切削过 程,这些工作一定程度上丰富了纳米切削理论，也为材料的纳米 切削过程研究奠定了坚实的基础，但研究的材料多为单质材料, 研究二元金属间化合物切削过程的鲜有报道。
第7期
机械设计与制造
2021年7月
Machinery Design & Manufacture
109
单晶Ni3Al切削过程的分子动力学仿真研究
田京京"，梁国星",黄永贵马振中“2 (1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西太原030024)
摘要:采用分子动力学方法构建了单晶Ni3Al纳米块和球形金刚石刀具模型,模拟金刚石刀具对单晶Ni3Al工件的纳米 切削过程并分析切削过程中切屑和已加工表面的形成,切削力、工件温度和系统势能的变化规律。结果表明：在切削区 域，由于刀具的剪切和挤压作用，工件原子发生滑移，部分原子脱离初始位置，形成切屑和已加工表面;切屑和已加工表 面的形成主要与切向力和法向力的作用有关;切削过程中工件温度和系统势能在不断增加,而已加工表面工件原子的弹 性恢复和聶格重组又会减弱其增加速率。 关键词:单晶叽小；分子动力学;纳米切削;切削力 中图分类号:TH16;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2021 )07-0109-04
工件原子的相互作用，造成工件原子晶格变形和重构，进而产生
位错,造成切削力的波动。
200
180
160
E =》F
+
(r.;)
( 1)
式中:E—系统的总能量;F—»入能，是电子云密度p的函数;k 对势相互作用参数;r厂原子i与原子j之间的距离。
(c)14nm
(d)原子局部位移
图2单晶NisAl工件的纳米切削过程
Fig.2 The Nanometric Cutting Process of the
Monocrystalline Ni3Al Workpiece
表1分子动力学模拟参数
Tab.1 Molecular Dynamics Simulation Parameters
因素 尺寸 原子数 时间步长 初始温度 切削速度 切削深度 切削距离 切削方向
工件:NisAl (15x9x9)nm
110543 lfs
293K 100m/s l.Onm (0~14)nm (0 0 1)面［-1 0 0］
Байду номын сангаас
式中:b—距离参数冷一能量参数。刀具原子与工件原子之间的 势函数参数由Lorentz-Berthelot混合法则「叫十算得到：
根据参考文 K12-141 得：如=0.002635eV, %=3.369人；％= 0.219877eV,%=2.30A;%=0.392eV,%=2.620A。最后由式(5)、 式⑹磐获得的厶-J势函数参数为M=0.024eV,%M=2.835 A; %“=0.032eV,crcw=2.995A。本次模拟的具体皱，如表］所示。
刀具:金刚石 半径2nm 5894
3分析和讨论
3.1切屑和加工表面形成过程
(a)0nm
图]分子动力学仿真模型 Fig.l Molecular Dynamics Simulation Model 势函数的选取对模拟结果有很大影响，因此选取一个合适
的势函数非常重要。在单晶NisAl的纳米切削过程中，包含三种 不同的原子间相互作用。在Ni3Al工件内部,Ni-Ni, Ni-Al, Al-Al 原子之间的相互作用由EAM势描述眄表达式为：
110
田京京等:单晶Ni3Al切削过程的分子动力学仿真研究
第7期
料而且缺乏对其纳米切削过程的认识，要获得高的表面质量和 加工精度非常困难。这主要与其基体NisAl有关,NisAl的有序结 构使Ni’Al軽属间化合物具有诸多优异性能，但同时也使其具有 低的原子可动性，发生塑性变形比较困难,因而难以切削加工叫 因此有必要深层次研究单晶弘小的切削过程。借助大规模原子/ 分子并行模拟器(LAMMPS》％建了单晶Ni’Al工件和金刚石刀具 的纳米切削分子动力学模型，并对切削过程进行仿真，使用OVIT0 软件7略模拟结果可视化，研究了单晶Ni’Al切削过程中的切屑和 已加工表面形成，切削力,工件温度和系统势能的变化规律。
Key Words:Monocrystalline Ni3Al； Molecular Dynamics； Nano-Cutting； Cutting Force
1引言
近年来，随着国民经济的快速发展，我国的航空航天,船舶， 能源等重大装备制造业迎来了新的发展契机，对零部件的制造工 艺,表面质量和加工精度提出了更高的要求,部分部件的加工精 度甚至达到了纳米级。纳米切削技术是改善材料表面质量，使材 料加工精度达到纳米级别的重要手段，应用前景广阔。但是由于 纳米切削过程中的材料去除机制以及纳米切削理论尚未成熟，这 一定程度上限制了纳米切削技术的发展因此有必要进行大量 纳米切削方面的研究，深入理解纳米尺度材料的切削过程。
单晶Ni/l在切削过程中的瞬时图像，如图2(a)^2(c)所
示。切削距离为8 nm时的工件原子局部位移，如图2(d)所示。
No.7
July.2021
机械设计与制造
111
由图26)~图2(d)可知，在纳米切削过程中,随着金刚石刀具与工 件接触，挤压并切入工件，切削开始。与金刚石刀具原子接触的 工件原子,受到了刀具原子的剪切与挤压作用，发生滑移,_部分 原子随着刀具原子的移动，向前和向上运动，在刀具前方堆积，形 成切屑;另一部分原子向前向下运动形成已加工表面。随着切削 距离的增加,堆积在刀具前方及两侧的切屑原子数目也逐渐增 多。切削过程中未观察到金刚石刀具原子发生明显的变形和磨 损，这是因为势描述的工件原子和金刚石刀具原子之间的相 互作用比较微弱，且金刚石的硬度(约78.96GPa閃)远大于NisAl 的硬度(约4.16GPaM】)。
金刚石刀具内部C-C原子之间由Tersoff势函数描述阿，表 达式为：
E=
務
⑵
va =fc (r.j) [A(r»)+ bafA(r(,)]
⑶
式中:E—总势能;”厂原子i和原子j之间的势能;£馆)一原子间 相互作用的截断函数;厶(帀)一排斥项对偶势必馆)一吸引
项对偶势—调制函数观一原子i与原子j之间的距离。 工件原子与刀具原子之间的相互作用由Lennard-Jones势 描述，表达式为:
弘小基金属间化合物因优异的高温抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、 抗疲劳和大的比强度等物化性能,被应用于航空发动机的制造 上叫但弘小基金属间化合物,在切削过程中切削温度难以控制, 切削力大,刀具磨损严重，加工质量不稳定，是典型的难加工材
来稿日期:2020-05-14 基金项目：国家自然科学基金(51575375);山西省自然科学基金(201801D121174) 作者简介:田京京,(1993-)，男，山西榆社人，硕士研究生，主要研究方向:先进切削理论与技术；
2仿真方法和模型
Ni3Al属于込型面心立方有序结构，晶格常数0.3572nm。 由于纳米切削过程中的切削厚度很小，材料去除通常发生在只有 几个原子层的区域，因此可以建立一个原子级切削的纳米块工件 模型。单晶Ni3AlI件的初始模型，如图1所示。是通过理想晶 格在三维空间周期性排列的方法构建，尺寸大小为(15X9X9) nm，,三个方向的晶体取向分别为一[1 0 0] ,y—[0 1 0] ,z—[0 0 1],切削方向为(00 1)面的[-1 00]o工件包含三种类型的原子: 边界层原子,恒温层原子和牛顿层原子。作为工件边界层的左边 界和下边界原子被固定，以形成固定边界条件,减少边界效应，支 撑整个系统。与边界层原子相邻的恒温层原子，通过MD模拟中 的速度重新调节法使其保持293K的恒定温度,以模拟真实切削 过程中的散热过程。其余为牛顿层原子，它们的运动遵循牛顿第 二定律。工件的y方向施加周期性边界条件，以减小模拟的尺寸 效应。在构建刀具模型时，由于刀具刃口半径和切削深度在同一 数量级，认为刀具刃口为圆刃，且考虑到刀具形状对表面质量的 影响，球形刀具的加工质量要优于矩形刀具和圆柱形刀具冏，因此 这里的切削刀具选用半径为2nm的球形单晶金刚石,该球形刀具 模型已在纳米加工中得到广泛应用。在整个模拟中，弛豫和切削 过程在微正则系综(NVE)中进行，充分弛豫后，刀具以恒定速度 沿切削方向开始移动，切削开始。
Molecular Dynamics Simulation of Monocrystalline Ni3AI Cutting Process
TIAN Jing-jing1,2, LIANG Guo-xing1,2, HUANG Yong-gui1,2, MA Zhen-zhong1,2
(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Shanxi Taiyuan 030024, China; 2.Key Laboratory of Precision Manufacturing, Shanxi Taiyuan 030024, China)
Abstract： The monocrystalline Ni3Al nano-block and spherical diamond tool model have been constructed by using molecular
dynamics method to simulate the nano-cutting monocrystalline Ni3Al workpiece with a diamond tool. The formation of cutting chips and machined surface, cuttingforce, workpiece temperature and systempotential energy during the cuttingprocess are ana lyzed. The results show that the workpiece atoms slip at the cutting area due to the shear and squeeze strain generated by the dia mond tool. Part ofthe atoms is offthe initial position, the chips and machined surface are produced. Theformation ofchips and machined surface is mainly related to the effects oftangential and normalforces; the workpiece temperature and system potential energy are increasing during the cuttingprocess, and the elastic recovery and lattice recombination ofthe workpiece atoms on the machined surface weaken their rate ofincrease.
在纳米切削过程中,材料的去除对象变成孤立、离散的数层 原子。因而在材料去除过程、切削力、温度以及能量变化等方面 会出现与宏观加工不同的现象，基于宏观连续介质力学的切削理 论无法合理解释这些微观切削现象。若要研究微观的切削现象,
必须进行纳米切削实验。但纳米切削实验要求严格，费时费力， 观察和检测手段缺乏，进行满足要求的纳米切削实验异常困难現 分子动力学(Molecular Dynamics)方法可以很方便地获得微观切 削过程中的一些现象，因此它逐渐发展起来，成为纳米尺度研究 材料切削过程的有力工具。已有众多学者利用分子动力学方法 研究了如单晶错、单晶铜、单晶铝、单晶钛等材料的纳米切削过 程,这些工作一定程度上丰富了纳米切削理论，也为材料的纳米 切削过程研究奠定了坚实的基础，但研究的材料多为单质材料, 研究二元金属间化合物切削过程的鲜有报道。
第7期
机械设计与制造
2021年7月
Machinery Design & Manufacture
109
单晶Ni3Al切削过程的分子动力学仿真研究
田京京"，梁国星",黄永贵马振中“2 (1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西太原030024)
摘要:采用分子动力学方法构建了单晶Ni3Al纳米块和球形金刚石刀具模型,模拟金刚石刀具对单晶Ni3Al工件的纳米 切削过程并分析切削过程中切屑和已加工表面的形成,切削力、工件温度和系统势能的变化规律。结果表明：在切削区 域，由于刀具的剪切和挤压作用，工件原子发生滑移，部分原子脱离初始位置，形成切屑和已加工表面;切屑和已加工表 面的形成主要与切向力和法向力的作用有关;切削过程中工件温度和系统势能在不断增加,而已加工表面工件原子的弹 性恢复和聶格重组又会减弱其增加速率。 关键词:单晶叽小；分子动力学;纳米切削;切削力 中图分类号:TH16;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2021 )07-0109-04
工件原子的相互作用，造成工件原子晶格变形和重构，进而产生
位错,造成切削力的波动。
200
180
160
E =》F
+
(r.;)
( 1)
式中:E—系统的总能量;F—»入能，是电子云密度p的函数;k 对势相互作用参数;r厂原子i与原子j之间的距离。
(c)14nm
(d)原子局部位移
图2单晶NisAl工件的纳米切削过程
Fig.2 The Nanometric Cutting Process of the
Monocrystalline Ni3Al Workpiece
表1分子动力学模拟参数
Tab.1 Molecular Dynamics Simulation Parameters
因素 尺寸 原子数 时间步长 初始温度 切削速度 切削深度 切削距离 切削方向
工件:NisAl (15x9x9)nm
110543 lfs
293K 100m/s l.Onm (0~14)nm (0 0 1)面［-1 0 0］
Байду номын сангаас
式中:b—距离参数冷一能量参数。刀具原子与工件原子之间的 势函数参数由Lorentz-Berthelot混合法则「叫十算得到：
根据参考文 K12-141 得：如=0.002635eV, %=3.369人；％= 0.219877eV,%=2.30A;%=0.392eV,%=2.620A。最后由式(5)、 式⑹磐获得的厶-J势函数参数为M=0.024eV,%M=2.835 A; %“=0.032eV,crcw=2.995A。本次模拟的具体皱，如表］所示。
刀具:金刚石 半径2nm 5894
3分析和讨论
3.1切屑和加工表面形成过程
(a)0nm
图]分子动力学仿真模型 Fig.l Molecular Dynamics Simulation Model 势函数的选取对模拟结果有很大影响，因此选取一个合适
的势函数非常重要。在单晶NisAl的纳米切削过程中，包含三种 不同的原子间相互作用。在Ni3Al工件内部,Ni-Ni, Ni-Al, Al-Al 原子之间的相互作用由EAM势描述眄表达式为：