Impacto de Fluidos de Refrigeração na Remoção de Material e Formação de Defeitos Subsuperficiais no Corte Nanométrico de Cobre Monocristalino

Resumo

O efeito de meios fluidos na remoção de material e evolução de defeitos subsuperficiais no processo de corte nanométrico de cobre monocristalino é investigado por meio de simulação de dinâmica molecular. Neste artigo, o mecanismo de remoção do cavaco e formação da superfície usinada são investigados analisando a migração atômica e evolução de discordâncias da peça de trabalho durante o processo de corte nanométrico com o uso de meios aquosos. A distribuição de temperatura e transformação estrutural cristalina de defeitos subsuperficiais são investigadas, analisadas pelos métodos de parâmetro de centro-simetria e análise de vizinhos comuns. Os resultados mostram que o material da peça de trabalho é removido pela ação de extrusão e cisalhamento da ferramenta de corte. A lubrificação do meio aquoso pode reduzir a força de corte e diminuir a altura do cavaco. Particularmente, a ação de resfriamento do meio fluido resulta na formação de um defeito típico "semelhante a fronteira de grão" no subsuperfície da peça de trabalho. E a temperatura da peça de trabalho tem uma diminuição distinta durante o processo de corte nanométrico com o uso de meio fluido.

Fundamentação

O corte com diamante é amplamente considerado uma técnica eficaz para a geração de nanoestruturas superficiais com precisão dimensional submicrométrica e acabamento superficial nanométrico [1]. O mecanismo de remoção de material e formação da superfície usinada na nanoescala é crítico para a melhoria da precisão de usinagem no processo de corte nanométrico. Em estudos iniciais, os pesquisadores focaram na deformação do material [2,3,4], evolução de defeitos superficiais [5,6,7], tensão residual [8, 9], e transição de fase cristalina [10, 11] durante o processo de corte nanométrico em ambiente de vácuo. No entanto, no corte nanométrico real de material metálico, o papel do fluido de refrigeração e lubrificação é muito crucial para melhorar o desempenho de usinagem [12]. Portanto, é necessário estudar a influência do meio fluido no mecanismo de remoção de material e evolução de defeitos subsuperficiais no processo de corte nanométrico.

Nos últimos anos, o mecanismo de usinagem do processo de corte nanométrico é amplamente investigado por simulação de dinâmica molecular (MD), que se prova um método eficaz para estudar o processo de corte nanométrico. Por exemplo, o efeito da recuperação e fluxo lateral na geração de superfície, e transformação de fase no corte nanométrico, é estudado por Fang [13]. E é descoberto que a supressão do fluxo lateral é uma forma eficaz de melhorar a rugosidade da superfície gerada no corte nanométrico. Urbassek [14] adotou simulação MD para estudar arranhadura de metais nanocristalinos e descobriu que a orientação de grão gera efeito dominante na forma de acúmulo e também influencia fortemente o coeficiente de atrito. Sharma [15] investigou o efeito de seis diferentes orientações cristalinas no mecanismo de deformação do material, defeitos subsuperficiais, forças de corte, energia específica de corte, efeito de arado, e rugosidade superficial em corte na nanoescala. Luo [16] demonstrou a transferibilidade de forma usando ferramentas de diamante multi-ponta na retificação de diamante para manufatura em escala de nanoestruturas.

A formação de defeitos subsuperficiais e a rugosidade superficial do nanocomponente podem ser contidas pela seleção razoável de parâmetros de corte, como direção de corte, profundidade de corte, velocidade de corte, e geometria da ferramenta. No entanto, não se consegue inibir a formação de defeitos superficiais e melhorar a qualidade da superfície a partir do mecanismo de geração. Além disso, essas pesquisas focam no processo de corte nanométrico em ambiente de vácuo. Na verdade, no corte nanométrico, atmosfera e meios líquidos de refrigeração existem entre ferramenta e peça de trabalho, o que pode afetar o mecanismo de corte nanométrico e a qualidade da superfície da nanoestrutura.

Baseado nas considerações acima, muitos estudiosos realizaram pesquisas sobre processo de nanousinagem com o uso de meios fluidos. Por exemplo, Mylvaganam [17] explorou o efeito de O₂ na nanoindentação de silício cúbico diamante usando simulação MD e descobriu que a molécula de O₂ se dissocia em átomos de oxigênio e forma ligações químicas com átomos de silício. Rentsch [18] descobriu que o fluido de corte faz grande efeito na distribuição de tensão e temperatura e apontou que o fluido de corte pode reduzir o desgaste da ferramenta. Liu [19] estudou a influência de moléculas atmosféricas na qualidade da superfície e desgaste da ferramenta no corte nanométrico. Os resultados indicaram que a força de corte diminui e o desgaste da ferramenta é reduzido devido à lubrificação de moléculas atmosféricas. Singh [20] pesquisou a influência de fluido de corte com nanopartículas no processo de remoção de metal. Wang [21] discutiu o efeito de moléculas de água no comportamento tribológico e medições de propriedades em processos de nanoindentação e descobriu que a participação de moléculas de água faz a força de indentação inicial aumentar e a maior força de indentação diminuir. Chavoshi [22] estudou nanoarranhadura de alta temperatura de silício monocristalino sob condição de oxigênio reduzido, e nenhum remanescente de fases de silício de alta pressão foi observado na simulação.

Da literatura disponível, pesquisas anteriores sobre processo de corte nanométrico usando meios fluidos são baseadas em modelos de simulação de poucas moléculas ou nanopartículas, que estão localizadas na área de interface ferramenta-cavaco. No entanto, nenhum meio fluido é adicionado em outras áreas, e a lubrificação do meio fluido é analisada restritamente. Devido à insuficiência de meios fluidos nos modelos, a ação de resfriamento do meio fluido não afeta o processo de corte nanométrico, enquanto a ação de resfriamento do meio fluido é tão importante quanto a ação de lubrificação na precisão de usinagem e qualidade da superfície.

Portanto, neste artigo, a ferramenta de corte e a peça de trabalho são completamente circundadas pelo meio fluido de corte, que não só existe na área de ação da interface ferramenta-cavaco mas também existe nas áreas de superfície da peça de trabalho, superfície usinada, e área traseira da ferramenta. Portanto, a lubrificação adequada do meio fluido entre ferramenta de corte e peça de trabalho pode ser investigada. Além disso, os meios fluidos são definidos a uma temperatura constante durante o processo de corte nanométrico, e a ação de resfriamento do meio fluido também pode ser bem estudada. Fluido de corte à base de água é amplamente usado em processo de usinagem de ultraprecisão, que contém não só água, mas também óleo base solúvel, óleo de rícino, trietanolamina, ácido bórico, surfactante, polietileno glicol, e fosfato de sódio. No entanto, o constituinte principal do fluido de corte é o meio aquoso, e a fração de massa de água no fluido de corte atingiu cerca de 70%. Devido às dificuldades em construir modelos MD de todas as outras substâncias, e parâmetros de função potencial desconhecidos, o estudo sobre corte nanométrico com o uso de fluido de corte à base de água não pode ser realizado por métodos de simulação computacional de dinâmica molecular. Portanto, meio aquoso, que é o componente principal do fluido de corte, é adotado nesta pesquisa para substituir o fluido de corte à base de água durante a simulação do processo de corte nanométrico. Baseado no modelo MD estabelecido, o processo de corte nanométrico é realizado para estudar o efeito do meio aquoso na remoção de material e mecanismo de formação de defeitos subsuperficiais. A evolução de defeitos subsuperficiais, a variação da força de corte, a distribuição de temperatura da peça de trabalho, e a transformação cristalina de defeitos subsuperficiais são investigadas usando métodos de parâmetro de centro-simetria (CSP), análise de vizinhos comuns (CNA), e algoritmo de extração de discordâncias (DXA).

Métodos

Modelo de Simulação

Para investigar o efeito do meio fluido na remoção de material e evolução de defeitos subsuperficiais no corte nanométrico, os modelos MD com e sem meio aquoso são estabelecidos, como mostrado na Fig. 1. Nos modelos, moléculas de água são construídas de acordo com o modelo TIP4P [23,24,25]. O campo de força CHARMM e função potencial Lennard-Jones (L-J) são usados para calcular precisamente o movimento de moléculas de água. Ele pode analisar compreensivamente o efeito de energia potencial de não-ligação, energia potencial de expansão de ligação, energia potencial de curvatura de ângulo de ligação, e vibração molecular, o que torna a simulação de moléculas de água mais precisa. O material da peça de trabalho é cobre monocristalino, e a ferramenta de usinagem é de material diamante. Contém 62835 moléculas de água, 368208 átomos de Cu e 2452 átomos de C. A peça de trabalho é dividida em três partes, que são camada de Newton, camada de temperatura, e camada de fronteira. Para reduzir o efeito de tamanho, a condição de contorno periódico (PBC) é adotada nas direções [001] e [010]. Para manter a pressão e densidade do meio aquoso, paredes reflexivas são usadas em ambos os lados da direção [001]. No processo de usinagem real, o refrigerante leva a maior parte do calor de corte, então o ambiente aquoso é definido a uma temperatura constante de 300 K neste trabalho. O modelo de simulação MD com ambiente de vácuo é mostrado na Fig. 1b, onde as condições iniciais de simulação são semelhantes ao modelo de ambiente fluido. As diferentes configurações entre os dois modelos são as configurações relevantes para o meio aquoso. Os parâmetros de corte detalhados são mostrados na Tabela 1.

Funções Potenciais Interatômicas

Em simulações MD, a função potencial desempenha um papel decisivo nos resultados da simulação. As propriedades do material são fundamentalmente controladas pela interação entre átomos. Nesta pesquisa, o modelo é dividido em três partes que são peça de trabalho, ferramenta de corte, e meio aquoso, e contém quatro tipos atômicos, que são átomos Cu, C, H, e O. As interações entre diferentes átomos são calculadas por potencial Morse, método de átomo embutido (EAM), potencial Lennard-Jones (L-J), e potencial Tersoff. A introdução detalhada da função potencial selecionada entre diferentes átomos é mostrada na Tabela 2.

Potencial Morse

A interação entre átomos de Cu na peça de trabalho e átomos de C na ferramenta de corte é calculada pelo potencial Morse, mostrado como Eq. (1) [26].

$$ u(r_{ij}) = D[\exp(-2\alpha(r_{ij}-r_0)) - 2\exp(-\alpha(r_{ij}-r_0))] $$ (1)

onde r₀, α, e D são, respectivamente, espaçamento atômico, módulo de elasticidade, e energia de ligação. Os valores de r₀, α, e D são mostrados na Tabela 3.

Potencial EAM

A função interatômica entre átomos de Cu na peça de trabalho é descrita pelo potencial EAM, mostrado como Eqs. (2) e (3) [27, 28].

$$ E = \sum_{i=1}^N [F(\rho_i) + \sum_{j>i}^N u(r_{ij})] $$ (2)

$$ \rho_i = \sum_j f(r_{ij}) $$ (3)

Potencial Lennard-Jones

A função potencial Lennard-Jones é um potencial duplo, que inclui a interação de força de Coulomb de longo alcance e força de van der Waals de curto alcance entre átomos. O potencial L-J é frequentemente usado para simular materiais líquidos. Neste artigo, o potencial Lennard-Jones é usado para calcular a interação entre moléculas de água e outros átomos, mostrado como Eq. (4) [29].

$$ U_{L-J}(r) = 4\varepsilon[(\sigma/r)^{12} - (\sigma/r)^6] $$ (4)

onde σ é a separação de equilíbrio quando a energia potencial de interação é igual a zero e ε é a profundidade da armadilha de energia potencial.

Para diferentes materiais, σ e ε podem ser calculados pelas Eqs. (5) e (6) [29].

$$ \sigma_{\alpha\beta} = (\sigma_{\alpha\alpha} + \sigma_{\beta\beta})/2 $$ (5)

$$ \varepsilon_{\alpha\beta} = \sqrt{\varepsilon_{\alpha\alpha} \cdot \varepsilon_{\beta\beta}} $$ (6)

Os parâmetros de potencial L-J interatômicos usados nesta pesquisa estão listados na Tabela 4.

Potencial Tersoff

A interação entre átomos de carbono na ferramenta de diamante é calculada pelo potencial Tersoff, mostrado como Eqs. (7) e (8) [30].

$$ E = \frac{1}{2}\sum_{i\ne j} V_{ij} $$ (7)

$$ V_{ij} = f_c(r_{ij})[V'_R(r_{ij}) + b_{ij}V_A(r_{ij})] $$ (8)

onde f_c(r_{ij}) é a função de truncamento entre átomos, V_A(r_{ij}) é o potencial duplo de termo de absorção, V_R(r_{ij}) é o potencial duplo de termo de repulsão, e r_{ij} é a distância atômica entre átomo i e átomo j.

Métodos de Análise de Defeitos

No corte nanométrico de cobre monocristalino, deformação e discordâncias são nucleadas no subsuperfície da peça de trabalho. Neste artigo, o parâmetro de centro-simetria (CSP) é introduzido para analisar a nucleação de discordâncias e evolução de defeitos da peça de trabalho. Para materiais cúbicos de face centrada (FCC), o valor CSP pode ser calculado pela Eq. (9) [31].

$$ CSP = \sum_{i=1}^6 |R_i + R_{i+6}|^2 $$ (9)

onde R_i são os átomos vizinhos com a mesma distância e R_{i+6} são os átomos vizinhos com direção oposta. Os valores CSP de cristal FCC, discordância parcial, falhas de empilhamento, e átomos de superfície são 0, 2,1, 8,3, e 24,9, respectivamente [32]. A faixa de valor CSP para estrutura cristalina típica e coloração atômica são mostrados na Tabela 5.

O método CSP é capaz de identificar a configuração atômica, mas não pode reconhecer o estado de estrutura cristalina atômica local da peça de trabalho. Portanto, a análise de vizinhos comuns (CNA) é introduzida para identificar a estrutura cristalina local da peça de trabalho. No método CNA original proposto por Honeycutt [33], as várias estruturas são representadas por diagramas. Atualmente, é melhorado para identificar rapidamente cinco tipos de estruturas no software OVITO [34, 35], que são, respectivamente, cúbico de face centrada (FCC), hexagonal compacto (HCP), cúbico de corpo centrado (BCC), icosaédrico (ICO), e desconhecido. Neste artigo, o algoritmo de extração de discordâncias (DXA) [36] também é introduzido para analisar a evolução de defeitos de discordância. Pelo método DXA, as diferentes estruturas cristalinas na peça de trabalho serão marcadas com diferentes cores e os defeitos de discordância na peça de trabalho serão representados por linhas de diferentes cores.

Resultados e Discussão

Evolução de Defeitos Subsuperficiais no Processo de Corte Nanométrico com Meio Aquoso

A vista seccional do sistema de corte é mostrada na Fig. 2, que contém a ferramenta de corte, peça de trabalho, e meio aquoso durante o processo de corte nanométrico. Para perceber claramente a deformação plástica da peça de trabalho, o método CSP é usado para analisar os resultados. Os instantâneos são coloridos pelo valor de CSP parcialmente como mostrado na Fig. 2, em que a Fig. 2a está a 5 nm de distância de corte e a Fig. 2b a 15 nm de distância de corte. Pode-se ver que uma camada de filme de água compacto é formada na superfície do cobre monocristalino, mostrada como "filme monomolecular de água" na Fig. 2a. O filme de água se espalha por todas as superfícies da ferramenta de corte e peça de trabalho, em que os átomos de oxigênio ocupam o centro da rede de cobre monocristalino. O arranjo regular de moléculas de água é o resultado da ação combinada de força de Coulomb de longo alcance e força de van der Waals entre moléculas de água e átomos de cobre.

No processo de corte nanométrico, a deformação por deslizamento resulta da ação de cisalhamento compressivo inicial da ferramenta de corte e é armazenada na rede cristalina formada como energia de deformação. Quando o acúmulo de energia de deformação atingiu um certo nível, a energia de deformação é liberada. E então, a rede de cobre monocristalino é rearranjada, o que causou nucleação e extensão de discordâncias ao longo da direção [1̄10], como mostrado na Fig. 2a. Pode-se mostrar na Fig. 2a que o filme monomolecular de água é formado na superfície da peça de trabalho. Além disso, as moléculas de água penetram no subsuperfície da peça de trabalho na área de ação da interface ferramenta-cavaco, mostrada como a ilustração superior direita na Fig. 2a. Devido à ação de lubrificação de moléculas de água que existiam entre a ferramenta de corte e a peça de trabalho, a ação de cisalhamento compressivo da ferramenta de corte é atenuada. E o acúmulo de energia de deformação diminui e as discordâncias se estendem insuficientemente. Além disso, o meio aquoso levou embora muito calor de corte, e a energia de expansão de discordância nucleada é insuficiente. Portanto, a extensão de discordância é insuficiente e a linha de discordância no subsuperfície da peça de trabalho é inconspícua, como mostrado na Fig. 2a.

À medida que a ferramenta de corte avança, a peça de trabalho sofre a ação de extrusão e atrito gerada pela face de flanco da ferramenta de corte. Sob a ação de extrusão e esfregamento da ferramenta de corte, um grande número de discordâncias nucleou e se estendeu no subsuperfície da peça de trabalho. Uma parte dessas discordâncias move-se para cima ao longo da face de avanço e finalmente é removida como cavaco de corte, como mostrado na Fig. 2b. Outra parte dessas discordâncias move-se para baixo ao longo da face de avanço da ferramenta de corte e é transformada em superfície usinada rugosa após a ação de extrusão e atrito da face de flanco da ferramenta de corte, mostrada na Fig. 2b como "arranjo de água na superfície usinada". Outras partes das discordâncias movem-se para dentro ao longo dos planos de deslizamento [1̄1̄0] e [1̄10] e desaparecem dentro da peça de trabalho, resultando na formação de discordância de parafuso, como mostrado na Fig. 2b. Devido ao aumento gradual da altura do cavaco, as moléculas de água na frente do cavaco não podem fluir sobre o cavaco para trás da ferramenta de corte no período posterior do processo de corte. E a densidade e pressão do meio aquoso atrás da ferramenta de corte diminuem rapidamente, resultando no calor de corte sendo levado embora intempestivamente durante o processo de corte nanométrico. Portanto, as discordâncias nucleadas têm energia suficiente para se estender dentro da peça de trabalho, como mostrado na Fig. 2b.

Para elucidar a deformação subjacente de discordâncias e estrutura cristalina atômica local do cobre monocristalino durante o processo de corte nanométrico, os métodos de análise CSP e DXA são introduzidos. Os resultados de análise são exibidos como mostrado nas Figs. 3, 4, 5, e 6, entre as quais Figs. 3 e 4 são renderizadas de acordo com o valor CSP e Figs. 5 e 6 são coloridas pelo resultado de análise DXA.

A distribuição de defeitos subsuperficiais da peça de trabalho no processo de corte nanométrico com meio aquoso é mostrada na Fig. 3, em que o meio aquoso não é exibido para observar a evolução de defeitos de discordância mais claramente. As áreas amarela, verde, vermelha, e laranja representam átomos de superfície, átomos de defeito de superfície, átomos de discordância, e átomos de defeito subsuperficial, respectivamente. A distribuição e extensão de discordâncias da peça de trabalho no processo de corte nanométrico sem meio aquoso é mostrada como Fig. 4. Pode-se ver nas duas figuras que as discordâncias nucleadas migram ao longo do vetor de deslizamento [1̄10] durante o processo de corte nanométrico com meio aquoso, mas se estendem ao longo do vetor de deslizamento [1̄1̄0] no corte nanométrico sob meio de vácuo. Como sabemos, a ação de cisalhamento da ferramenta de corte faz as discordâncias se estenderem na direção contrária ao avanço da ferramenta, que é o vetor de deslizamento [1̄10]. A ação de atrito da ferramenta de corte leva à migração de discordâncias na direção ortocinética ao movimento da ferramenta, que é um vetor de deslizamento [1̄1̄0]. Durante o processo de corte nanométrico em ambiente de vácuo, as ações da ferramenta de corte na peça de trabalho são ação de cisalhamento da face de avanço e ação de atrito da face de flanco, enquanto a formação de superfície usinada e defeitos subsuperficiais é desencadeada pela ação de atrito da face de flanco. Portanto, a extensão de discordância se espalha ao longo do vetor de deslizamento [1̄1̄0] durante o processo de corte nanométrico em vácuo. Devido à lubrificação de moléculas de água existentes entre ferramenta e peça de trabalho, a ação de atrito da ferramenta de corte é reduzida. Assim, a ação de cisalhamento desempenha um papel importante na formação de superfície usinada e defeitos subsuperficiais. Portanto, as discordâncias se estendem principalmente ao longo do vetor de deslizamento [1̄10] no corte nanométrico com meio aquoso.

Das Figs. 3 e 4, pode-se encontrar que a escala de defeitos subsuperficiais em meio aquoso é maior que em vácuo durante o processo de corte nanométrico. Na verdade, os defeitos de discordância se espalham por toda a área usinada e se estendem profundamente dentro da peça de trabalho. O calor de corte é levado embora pelo meio aquoso, e a energia do átomo de defeito é diminuída. Portanto, os defeitos subsuperficiais não têm energia suficiente para serem aniquilados. Portanto, o resíduo de defeito de discordância é aumentado. A profundidade da camada de defeito subsuperficial é relativamente maior para o processo de corte nanométrico com meio aquoso. Devido às interações entre moléculas de água, átomos de carbono, e átomos de cobre, a extrusão e atrito entre ferramenta de corte e peça de trabalho é atenuada e a desordem atômica da superfície usinada é agravada no processo de formação da superfície usinada. Além disso, o resíduo de defeito no subsuperfície é exacerbado e a tensão residual subsuperficial é aumentada.

Para melhor revelar o efeito do meio aquoso no processo de evolução de defeitos de discordância, o método DXA é usado para analisar a peça de trabalho no processo de corte nanométrico com meio aquoso, em que o estágio inicial e o período posterior são mostrados como Fig. 5 e 6, respectivamente. Um defeito cristalino estável é encontrado existindo em várias camadas de átomos abaixo da superfície usinada no estágio inicial do processo de corte nanométrico, localizado entre duas falhas de empilhamento, como mostrado na Fig. 5d. A existência dos defeitos cristalinos afetará a qualidade da superfície usinada e até levará à geração de microfissura na superfície usinada. Portanto, o processo de formação da evolução do defeito é estudado. Pode-se ver na Fig. 5a que muitas discordâncias parciais Shockley são nucleadas sob a ação de atrito da face de flanco da ferramenta de corte no instante inicial da formação do defeito. Essas discordâncias Shockley evoluem para um laço de discordância em forma de V durante o avanço da ferramenta de corte, como mostrado na Fig. 5b. Subsequentemente, a discordância em forma de V é gradualmente evoluída em discordâncias parciais Shockley em série. Finalmente, as discordâncias parciais são transformadas em defeito residual no subsuperfície. Devido ao calor de corte ser levado embora pelo meio aquoso, os átomos defeituosos têm pouca energia para serem aniquilados e são transformados em defeito imóvel subjacente à superfície usinada. A rugosidade da superfície usinada será aumentada, e a tensão residual no subsuperfície causará mais agravamento. Além disso, uma microfissura superficial pode ser induzida pelo defeito.

O efeito do meio aquoso na ação de deslizamento de cisalhamento da ferramenta de corte durante o processo de remoção de cavaco é investigado pelo método DXA, mostrado como Fig. 6. Pode-se ver na Fig. 6a que um grande número de discordâncias parciais Shockley são nucleadas na frente da ferramenta de corte. E o plano de deslizamento de cisalhamento é constituído por essas discordâncias. No processo de corte seguinte, falhas de empilhamento em série e discordâncias parciais são nucleadas e estendidas no plano de deslizamento de cisalhamento. Sob a nucleação e movimento das discordâncias na frente da ferramenta de corte, o cavaco de corte é removido gradualmente ao longo do plano de deslizamento de cisalhamento, como mostrado na Fig. 6c. Simultaneamente, o efeito de extrusão e atrito da face de avanço da ferramenta é abatido devido à ação de lubrificação do meio aquoso. A nucleação e propagação de discordância é insuficiente e o resíduo de defeito subsuperficial é inconspícuo durante o processo de corte nanométrico, como mostrado na Fig. 6a–d. Correspondentemente, a ação de cisalhamento da ferramenta de corte na peça de trabalho torna-se mais significativa. Portanto, o cavaco formado é mais facilmente removido sob a participação do meio aquoso no processo de corte nanométrico. E a força de corte principal diminuirá simultaneamente, o que será discutido em detalhes posteriormente neste artigo.

Efeito do Meio Aquoso na Variação da Força de Corte e Calor de Corte

No processo de corte, a remoção de material é realizada pela ação de extrusão e cisalhamento da ferramenta de corte. Devido à resistência, rigidez, e tenacidade do material metálico, a superfície de avanço da ferramenta de corte sofre a força de reação gerada pela resistência à deformação do material da peça de trabalho durante o processo de remoção de material. E a superfície de flanco da ferramenta é afetada pela força de resistência de atrito da superfície usinada. Essas forças compõem a força de corte juntas. Sincronicamente, o trabalho aplicado pela deformação de cisalhamento dos cavacos de corte, bem como a ação de esfregamento entre ferramenta de corte e peça de trabalho, é convertido em calor de corte, resultando no aumento da temperatura da peça de trabalho. Acompanhando o acúmulo e liberação de energia de deformação do material, nucleação e expansão de discordância ocorreram na camada subsuperficial da peça de trabalho, o que induziu a flutuação da força de corte e calor de corte com a distância de corte.

Nesta pesquisa, a participação do meio aquoso faz grande influência na variação da força de corte e calor de corte. As curvas de variação da força de corte com a distância de corte no processo de corte nanométrico com e sem o uso de meio aquoso são mostradas como Figs. 7 e 8, em que as curvas preta, vermelha, e azul são, respectivamente, força de avanço (Fx), força de recuo (Fy), e força tangencial (Fz). Devido à PBC ser adotada na direção Z e a ferramenta de diamante ser columnar ao longo da direção Z na simulação, a força tangencial média (Fz) está no nível de 0 nN em ambas as Figs. 7 e 8.

O processo de corte é dividido em estágio inicial de corte e estável de corte como mostrado na Fig. 7. No estágio inicial de corte, a força de avanço e força de recuo aumentam bruscamente em linha reta. E atingem seus valores máximos quando a ferramenta de corte corta a peça de trabalho completamente. No estágio estável de corte, as forças de corte flutuam para cima e para baixo em sua posição de equilíbrio, e a força de avanço atinge mais de 200 nN e a força de corte média é cerca de 180 nN. A força de recuo é muito pequena e diminui gradualmente no final do estágio estável de corte. O valor máximo da força de recuo é inferior a 100 nN, e o valor médio é em torno de 50 nN. De modo geral, o valor específico entre a força de recuo média e força de avanço média (Fy/Fx) representa o coeficiente de atrito entre material da ferramenta e material da peça de trabalho no processo de usinagem. Nesta pesquisa, o coeficiente de atrito entre diamante e cobre monocristalino é 0,278 sob ambiente de vácuo.

A força de avanço e a força de recuo diminuem no corte nanométrico com meio aquoso comparado com ambiente de vácuo, como mostrado na Fig. 8. A força de avanço máxima atinge 150 nN, e a força de avanço média flutua em 120 nN. A tendência de variação da força de recuo é similar à força de recuo em ambiente de vácuo, e a força média está em cerca de 25 nN. No processo de corte nanométrico com o uso de meio aquoso, o coeficiente de atrito entre a ferramenta de corte e a peça de trabalho é reduzido devido à lubrificação da água. E então a resistência de atrito sofrida pela superfície de flanco da ferramenta de corte é reduzida, o que efetivamente realça a ação de extrusão e cisalhamento da superfície de avanço da ferramenta de corte. A remoção do material da peça de trabalho é mais fácil de ser removida. Portanto, a força de corte é reduzida. Pode-se ver na análise anterior que as moléculas de água atuaram como lubrificante para prevenir o atrito entre a ferramenta de corte e a peça de trabalho. Portanto, os valores de força de avanço e força de recuo são reduzidos no meio aquoso. O valor específico entre a força de avanço e a força de recuo é 0,208. Em outras palavras, o coeficiente de atrito entre diamante e cobre em meio aquoso é 0,208, muito menor do que em ambiente de vácuo (0,278).

Comparado com a flutuação do Fy nas Figs. 7 e 8, indica-se que o componente Fy diminui consideravelmente após 15 nm de distância de corte em ambos os casos com vácuo e meio aquoso enquanto o valor Fx é quase estável até 20 nm de distância de corte. O equilíbrio dinâmico entre nucleação e aniquilação de discordância é alcançado, e o cavaco é removido de forma estável no processo de corte nanométrico, o que resulta na força de corte quase estável com a distância de corte antes de 20 nm. Quando o processo de corte é realizado a uma certa distância (15 nm nesta pesquisa), o equilíbrio dinâmico entre a nova nucleação de discordância e a aniquilação da discordância anterior é estabelecido. E a escala dos defeitos internos da peça de trabalho é estabilizada em um certo nível. A nucleação e aniquilação de discordância aplicaram um efeito na ferramenta de corte na direção +Y, o que leva à diminuição do componente Fy. Além disso, o cavaco de corte estável é removido após 15 nm de distância de corte, e a força aplicada na ferramenta de corte pelo cavaco é diminuída na direção Y. Portanto, o valor de Fy é reduzido. No entanto, quando a distância de corte é maior que 15 nm até 20 nm, a emoção de defeito de discordância e a remoção de cavaco não podem trazer uma influência diferente na ferramenta de corte na direção X. Portanto, o valor da força de corte principal (Fx) é quase estável.

A distribuição de temperatura da peça de trabalho durante o processo de corte nanométrico com e sem o uso de meio aquoso é mostrada como Fig. 9. As distâncias de corte das Figs. 9a e b e Figs. 9c e d são 5 nm e 12 nm, respectivamente. Pode-se ver nas Figs. 9b e d que a temperatura da peça de trabalho é distribuída como um gradiente concêntrico. A temperatura mais alta se espalha por toda a zona de cisalhamento-deslizamento e zona de atrito da peça de trabalho em ambiente de vácuo, que está acima de 420 K. A temperatura do cavaco e superfície usinada é mais alta que outras regiões, variando de 360 a 390 K. Para toda a peça de trabalho, a temperatura está em um nível alto, variando de 340 a 360 K. Das Figs. 9a e c, a temperatura da peça de trabalho também é distribuída como um gradiente concêntrico e a temperatura mais alta é distribuída na área superior do cavaco, que é em torno de 370 K. O valor de temperatura de toda a peça de trabalho está em um nível mais baixo, inferior a 320 K. A temperatura da área de cisalhamento-deslizamento, zona de atrito, e superfície usinada são mais altas que outras áreas, variando de 320 a 340 K.

A área de temperatura mais alta da peça de trabalho é transferida da área de atrito para o cavaco de corte durante o processo de corte nanométrico com meio aquoso como mostrado na Fig 9. E a temperatura mais alta e total da peça de trabalho são significativamente reduzidas com o uso adicional de meio aquoso, e a queda de temperatura atingiu cerca de 40–60 K. Devido ao efeito de lubrificação de moléculas de água, o atrito entre ferramenta de corte e superfície usinada é reduzido durante o processo de corte nanométrico com meio aquoso. Portanto, a temperatura da área de atrito declinou dramaticamente. Simultaneamente, a máxima deformação de cisalhamento ocorreu na área do cavaco e a máxima energia de deformação da rede é armazenada no cavaco, o que faz a temperatura do cavaco ser mais alta que a área de atrito. Portanto, a área de temperatura mais alta é transferida da área de atrito para o cavaco de corte. Sincronicamente, uma grande quantidade de calor de corte é levada embora pelo meio aquoso que desempenha papel no resfriamento da ferramenta, peça de trabalho, e área de corte. E o movimento térmico das moléculas de cobre monocristalino é enfraquecido. Além disso, a energia cinética do movimento térmico atômico e a energia de deformação da rede são diminuídas significativamente. Portanto, a temperatura total e a temperatura mais alta da peça de trabalho é reduzida, cujo grau de redução chegou a 40–60 K. Finalmente, o estresse térmico e deformação térmica da peça de trabalho são significativamente reduzidos. Devido à participação do meio aquoso, a ação de atrito entre a superfície de flanco da ferramenta de corte e peça de trabalho é enfraquecida no processo de corte. Então, a geração de calor por atrito entre ferramenta de corte e peça de trabalho é reduzida. Portanto, a área de temperatura mais alta da peça de trabalho é transferida da área de atrito da superfície de flanco para a área do cavaco. Mais importante, o efeito de resfriamento e lubrificação do meio aquoso afetará a nucleação, expansão, e aniquilação da discordância no subsuperfície da peça de trabalho e, por fim, afetará a formação e evolução das camadas de dano subsuperficial da peça de trabalho.

Efeito do Meio Aquoso na Transformação Estrutural de Defeitos Subsuperficiais

Para identificar claramente os defeitos subsuperficiais da peça de trabalho no corte nanométrico, o método CNA é usado para analisar a peça de trabalho após o corte nanométrico. A peça de trabalho é colorida por diferentes estruturas atômicas. A distribuição estrutural de defeitos da peça de trabalho durante o processo de corte nanométrico com e sem o uso de meio aquoso é mostrada nas Figs. 10 e 11, em que o verde, vermelho, azul, e cinza são estruturas FCC, HCP, BCC, e desconhecida, respectivamente.

No processo de corte nanométrico sob ambiente de vácuo, a nucleação de discordância ocorreu no subsuperfície da peça de trabalho sob a ação de extrusão e cisalhamento da ferramenta de corte, e a estrutura cristalina é transformada em BCC, mostrada como Fig. 10a. A discordância nucleada é estendida na direção [1̄1̄0], e a estrutura cristalina é transformada em HCP. A estrutura cristalina de muitos átomos na região de cisalhamento-deslizamento torna-se BCC, como mostrado na Fig. 10b. Duas discordâncias parciais são estendidas ao longo das direções [1̄1̄0] e [1̄10], se impedem mutuamente, e são compostas de trava de discordância Lomer-Cottrell. Finalmente, um laço de discordância em forma de V típico é formado, como mostrado na Fig. 10c. Parte dos átomos na zona de cisalhamento-deslizamento são movidos para cima ao longo da face de avanço e são removidos como cavaco de corte. A outra parte dos átomos migra para baixo ao longo da face de flanco e é formada em superfície usinada rugosa pela extrusão e atrito da ferramenta de corte, como mostrado na Fig. 10d.

A distribuição de defeitos subsuperficiais e evolução da peça de trabalho no corte nanométrico com o uso de meio aquoso é mostrada como Fig. 11. Pode-se ver na figura que os mecanismos de nucleação de discordância e transformação de estrutura cristalina são semelhantes ao processo de corte em ambiente de vácuo. A principal diferença é que a nucleação e expansão de discordância é insuficiente no processo de corte nanométrico de meio aquoso. Além disso, há muitas falhas de empilhamento nucleadas no subsuperfície da peça de trabalho. A estrutura de falhas de empilhamento é transformada em estrutura HCP. No entanto, um defeito típico "semelhante a fronteira de grão (SGB)" é formado no subsuperfície da peça de trabalho.

No processo de corte nanométrico, sob a ação de extrusão, cisalhamento e atrito pela ferramenta de corte, intensa deformação da peça de trabalho é gerada. Muita energia de deformação e calor de corte são produzidos. A reconfiguração da rede atômica do subsuperfície é produzida pela liberação de calor de corte e energia de deformação. E os defeitos subsuperficiais e transformação de estrutura cristalina local são formados, como mostrado na Fig. 11a e 11b. Quando o meio aquoso participou no processo de corte nanométrico, a maior parte do calor e energia é levada embora. Portanto, os defeitos de discordância têm energia inadequada para extensão e movimento. Além disso, as falhas de empilhamento são aniquiladas no subsuperfície da peça de trabalho onde a estrutura de defeito cristalino ficou para trás, como mostrado na Fig. 11c, após o que estas estruturas de defeito cristalino são conectadas como um todo e são compostas da camada de dano subsuperficial (SSD) junto com as discordâncias recém-formadas, como mostrado na Fig. 11d. Após o seguinte relaxamento MD, alguns defeitos de discordância subsuperficial desaparecem e são transformados em estrutura FCC, e a estrutura semelhante a "grão" é formada entre superfície usinada e camada de defeitos subsuperficiais, como mostrado na Fig. 11e, enquanto os defeitos subsuperficiais originais são transformados em uma estrutura típica "semelhante a fronteira de grão (SGB)", como mostrado na Fig. 11f. Na estrutura SGB, um laço de discordância em forma de V típico é formado, como mostrado na Fig. 11e, f.

A camada metamórfica é obviamente formada pela influência da formação de SGB e estrutura "semelhante a grão" no subsuperfície da peça de trabalho. Além disso, as novas estruturas cristalinas formadas que são semelhantes a material policristalino podem influenciar o desempenho mecânico e processabilidade de materiais monocristalinos. Além disso, afetará até o desempenho dos nancomponentes usinados.

Conclusões

Baseado nos modelos MD estabelecidos de cobre monocristalino com e sem o uso de meio aquoso, a simulação do processo de corte nanométrico é realizada. Os efeitos do meio fluido na remoção de material e evolução de defeitos subsuperficiais são analisados. A evolução de defeitos subsuperficiais, variação da força de corte, distribuição de temperatura, e transformação de estrutura cristalina de defeitos subsuperficiais da peça de trabalho são investigados usando métodos CSP, DXA, e CNA. Os novos resultados podem ser resumidos como segue.

(1) A remoção de material da peça de trabalho é realizada pela ação de cisalhamento e extrusão da ferramenta de corte na peça de trabalho; a participação do meio aquoso não tem efeito no mecanismo de remoção de materiais. Devido à ação de lubrificação de moléculas de água existentes entre a ferramenta de corte e a peça de trabalho, a deformação da peça de trabalho é diminuída, a força de corte é reduzida, e a altura do cavaco de corte e profundidade da camada de dano subsuperficial são reduzidas.

(2) A área de temperatura mais alta é transferida da área de atrito para o cavaco de corte durante o processo de corte nanométrico com o uso adicional de meio aquoso. E a temperatura mais alta e total da peça de trabalho são significativamente reduzidas, e a queda de temperatura atingiu cerca de 40–60 K. Com isso, a deformação térmica da peça de trabalho é reduzida e a quantidade de átomos de defeito subsuperficial é diminuída.

(3) Na camada subsuperficial da peça de trabalho, as estruturas cristalinas de discordâncias nucleadas são transformadas em BCC, e as discordâncias estendidas são transformadas em HCP. As estruturas cristalinas atômicas na região de cisalhamento-deslizamento estão se tornando BCC. Sob o efeito do meio fluido, os defeitos subsuperficiais são transformados em uma estrutura de defeito típica "semelhante a fronteira de grão (SGB)" na camada SSD, que pode influenciar o desempenho mecânico e processabilidade de materiais monocristalinos. Além disso, afetará até o desempenho dos nancomponentes usinados.

Abreviações

MD:

Dinâmica molecular

CSP:

Parâmetro de centro-simetria

CNA:

Análise de vizinhos comuns

DXA:

Algoritmo de extração de discordâncias

PBC:

Condição de contorno periódico

EAM:

Método de átomo embutido

L-J:

Lennard-Jones

FCC:

Cúbico de face centrada

HCP:

Hexagonal compacto

BCC:

Cúbico de corpo centrado

ICO:

Icosaédrico

SGB:

Semelhante a fronteira de grão

SSD:

Dano subsuperficial