Estudo de Dinâmica Molecular da Dinâmica de Corte em Usinagem Híbrida de Silício Monocristalino

Resumo

Neste artigo, simulações de dinâmica molecular são realizadas para investigar o mecanismo de corte durante o processo de usinagem híbrida combinando assistentes térmicos e de vibração. Um modelo de corte modificado é aplicado para estudar o comportamento de remoção de material e formação de dano subsuperficial em um ciclo de vibração. Os resultados indicam que durante o processo de usinagem híbrida, o mecanismo dominante de remoção de material pode transformar de extrusão para cisalhamento em um único ciclo de vibração. Com o aumento da temperatura de corte, a geração e propagação de trincas são efetivamente suprimidas enquanto o inchamento aparece quando o mecanismo dominante de remoção de material torna-se cisalhamento. O mecanismo de formação do dano subsuperficial em um ciclo de vibração pode ser distinto de acordo com a distribuição de tensão. Além disso, a geração de vacâncias na peça torna-se aparente com o aumento da temperatura, que é um fenômeno importante no processo de usinagem híbrida.

Introdução

Silício monocristalino é um material semicondutor importante, amplamente usado em óptica infravermelha, microeletrônica e sistemas optoeletrônicos devido às suas excelentes propriedades ópticas e mecânicas. No entanto, devido à natureza de dureza e fragilidade do silício monocristalino, fratura frágil microscópica e dano subsuperficial podem ser gerados durante usinagem mecânica. Durante processo de micro-fresamento, defeitos de lascamento de borda do tipo interior induzidos por usinagem podem ser gerados na peça. Na usinagem de corte diamante de ponto único (SPDT), uma camada danificada varia de 200 a 600 nm pode ser formada dependendo dos parâmetros de processamento. Embora a camada de dano subsuperficial possa ser diminuída para cerca de 50 nm por retificação e polimento, a eficiência de usinagem e capacidade de fabricar estruturas complexas são limitadas. Para superar estes problemas, várias tecnologias de usinagem assistida têm sido propostas e testadas. Em particular, corte assistido termicamente (TAC) e corte assistido por vibração (VAC) têm atraído atenção generalizada devido ao seu desempenho de corte extraordinário.

Para materiais frágeis como silício monocristalino, a transição frágil-dútil pode ser promovida quando a temperatura de usinagem é aumentada. Durante processo TAC, a peça de silício é termicamente amolecida, o que causa diminuição das forças de corte e energia específica de corte. Enquanto isso, o recozimento de fases de alta pressão em fase de silício cúbico torna-se aparente quando a temperatura de usinagem é aumentada. Com seleção apropriada dos parâmetros de usinagem, superfície usinada desejada com alta pureza de fase e baixo dano subsuperficial pode ser alcançada por TAC. Além de TAC, corte assistido por vibração (VAC) é outro método promotor para alcançar superfície de alta qualidade em silício monocristalino. Esta técnica tem sido aplicada na indústria de manufatura desde 1960. No desenvolvimento inicial desta tecnologia, apenas movimento de vibração linear na direção nominal de corte é praticado na usinagem, denominado corte por vibração linear (LVC). Em 1994, corte por vibração elíptica (EVC) foi proposto por Shamoto e Moriwaki. A seguir, as viabilidades de usinagem de EVC em muitos materiais frágeis como silício, carboneto de silício ligado por reação, carboneto de tungstênio e aço endurecido foram verificadas. Durante processo EVC, o dano subsuperficial pode ser efetivamente suprimido já que a profundidade de corte transiente (DOC) é muito menor que a DOC nominal. Além disso, devido à separação em cada ciclo de vibração, as superfícies de contato entre a ferramenta de corte e peça são expostas ao gás ou fluido circundante, dissipando o calor de corte gerado. Portanto, desgaste da ferramenta de corte como adesão e reação termo-química pode ser efetivamente suprimido.

Para melhorar ainda mais a usinabilidade de materiais frágeis, experimentos de usinagem híbrida (HM) combinando assistentes térmicos e de vibração têm sido conduzidos. Verificou-se que ao cortar Inconel 718 pelo método HM, a rugosidade da superfície usinada pode ser efetivamente diminuída. Através de experimentos e simulações de método de elementos finitos (MEF), uma queda substancial das forças de corte e qualidade de superfície superior de ligas de titânio podem ser alcançadas durante processo HM. Estes resultados demonstram a viabilidade do método HM em usinagem de precisão de materiais frágeis. No entanto, é difícil observar e medir diretamente variáveis físicas durante processo de usinagem já que a ferramenta de corte vibra em alta frequência e a zona de deformação está em alta temperatura. Além disso, na fabricação de superfície nanométrica, a espessura de remoção de material transiente geralmente varia de sub-nanômetros a poucos nanômetros. Portanto, a representação contínua tradicional do problema como MEF é questionável já que efeitos quântico-mecânicos tornam-se aparentes.

Nos últimos anos, simulação de dinâmica molecular (DM) tem sido amplamente aplicada em investigações de processos de usinagem assistida devido às suas vantagens no estudo de processo de corte nanométrico. Baseado em simulações anteriores de TAC, quando a temperatura de corte é aumentada, a anisotropia na força de corte, energia específica de corte e tensão de escoamento torna-se mais óbvia. Enquanto isso, a força de cisalhamento na peça é menor em temperatura de corte mais alta, o que leva a zonas de cisalhamento mais estreitas e maiores magnitudes do ângulo do plano de cisalhamento. Além disso, a taxa de remoção de material pode ser melhorada com aumento da temperatura de corte já que mais cavacos são formados. Para processo EVC, foi descoberto por simulação DM que a tensão compressiva e tensão de cisalhamento na região de deformação podem ser grandemente diminuídas comparadas com corte ordinário, o que é vantajoso para supressão de dano subsuperficial. Além disso, processo EVC mostra adelgaçamento óbvio de cavacos de corte, resultando em aumento na razão de espessura de cavaco não cortado para cavaco cortado. Além disso, foi desvendado que parâmetros de vibração incluindo razões de amplitude, frequências de vibração e diferenças de fase têm grandes influências no desempenho de remoção de material.

Estas conquistas notáveis melhoraram a compreensão do mecanismo de usinagem para processo de usinagem assistida. No entanto, para economizar tempo de computação e memória, os sistemas de simulação são geralmente bastante pequenos. Em simulações anteriores de processo EVC, as amplitudes de vibração e DOC nominal são menores que 5 nm. Portanto, a espessura de remoção de material transiente é geralmente menor que 1 nm, o que falha em descrever o processo real de remoção de material accuradamente. Além disso, simulações DM do processo HM não foram relatadas. O mecanismo do processo de remoção de material e formação de dano subsuperficial durante processo HM ainda é incerto. Portanto, neste artigo, simulação DM é realizada para revelar o mecanismo de corte do processo HM. O modelo de corte clássico é modificado para que os parâmetros de vibração sejam muito mais próximos dos valores experimentais, por exemplo, a amplitude de vibração é ampliada para 40 nm com velocidade nominal de corte de 3,125 m/s. O mecanismo de remoção de material em um ciclo de vibração e a influência do aumento da temperatura de corte são investigados. Simulação DM é conduzida pelo famoso Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). O software de pós-processamento OVITO é empregado para analisar os resultados da simulação.

Método de Simulação

Detalhes do Modelo de Corte

A Figura 1 mostra o diagrama esquemático do processo EVC, originalmente apresentado por Shamoto et al. A trajetória da ferramenta pode ser expressa por equações paramétricas onde x(t) e z(t) representam o deslocamento da ferramenta de corte nas direções x e z. A_c e A_d são as amplitudes de vibração na direção nominal de corte (direção x) e direção nominal de DOC (direção z negativa). Parâmetros f, v, φ e t representam frequência de vibração, velocidade nominal de corte, diferença de fase e tempo de simulação, respectivamente.

De acordo com a relação geométrica, os valores de t₁ e t₃ podem ser determinados. Então, t₆ pode ser obtido quando a direção de movimento transiente da ferramenta diamante é paralela à face de avanço da ferramenta.

O modelo DM é apresentado na Fig. 2. A peça de silício monocristalino é definida como corpo deformável. Enquanto a ferramenta de diamante é considerada como corpo rígido já que o desgaste da ferramenta pode ser negligenciado nesta simulação. A morfologia da peça no modelo de corte clássico é remodelada de acordo com a trajetória da ferramenta no ciclo de vibração anterior com consideração do raio de aresta da ferramenta. A trajetória da ferramenta pode ser determinada como ilustrado. P_o e P_b são o ponto central e o ponto inferior do círculo de aresta da ferramenta. Quando o efeito da aresta da ferramenta é considerado, o ponto de geração de superfície transiente P_c varia ao longo da aresta da ferramenta durante o movimento da ferramenta. A superfície final acabada é gerada pela linha de envelope da aresta da ferramenta de corte. Se a trajetória de P_b é expressa pelas equações, a trajetória de P_c pode ser calculada.

Átomos de silício são divididos em três grupos: átomos de contorno, átomos de termostato e átomos newtonianos. Os átomos de contorno são fixados em suas posições equilibradas para segurar a peça durante simulação. Os átomos de termostato são mantidos na temperatura ambiente para dissipar o calor de corte gerado enquanto átomos newtonianos seguem a segunda lei de Newton.

Detalhes dos parâmetros de simulação estão listados na Tabela 1. O comprimento l e altura h foram determinados para manter distância suficiente entre a zona de corte e os contornos fixos. Condição de contorno periódica é aplicada ao longo da direção y para imitar silício em massa. A direção nominal de corte, ângulo de avanço/folga da ferramenta e diferença de fase foram determinados referindo-se ao arranjo experimental. A amplitude de vibração e DOC nominal são ampliados para abordar a escala experimental com custo de simulação aceitável. Enquanto isso, para garantir a espessura do material removido (átomos verdes na Fig. 2c), a razão de velocidade e frequência de vibração foram definidas como 40 e 500 MHz, respectivamente. Portanto, a velocidade nominal de corte foi determinada como 3,125 m/s. Além disso, simulações com diferentes temperaturas de corte são conduzidas para revelar o efeito do assistente térmico no mecanismo de corte. A temperatura de corte é aumentada de 300 a 1200 K, que é realizável durante TAC como usinagem assistida por laser.

Neste modelo modificado, apenas o estágio de corte durante o ciclo de vibração é simulado e os passos de tempo quando a peça é separada da ferramenta de corte são salvos. Portanto, o poder de computação pode ser concentrado no processo de corte transiente. Mais importante, o processo transiente de remoção de material pode ser descrito accuradamente. Uma comparação entre o modelo modificado e modelo DM clássico é mostrada na Tabela 2.

Função de Potencial

Na simulação DM, é importante adotar um potencial robusto para descrever a interação entre átomos. Para silício monocristalino, estudiosos desenvolveram muitos potenciais como método de átomo embutido modificado (MEAM), Stillinger-Weber (SW), Tersoff e potenciais charge optimized many-body (COMB). Entre estes potenciais, o potencial analítico de ordem de ligação (ABOP) proposto por Erhart e Albe tem atraído atenção crescente. É uma função de potencial de três corpos que permite formação e quebra de ligações durante simulação de usinagem. De acordo com pesquisas anteriores, o ABOP pode descrever tanto propriedades de dimero quanto de silício em massa accuradamente. Enquanto isso, as propriedades mecânicas de silício feitas pelo ABOP são consistentes com experimentos, o que é importante em simulações DM de usinagem nanométrica. Portanto, neste artigo, o potencial ABOP é aplicado para descrever interações silício-silício e carbono-carbono. Enquanto isso, a interação silício-carbono é descrita pelo potencial Morse, que tem sido provado como potencial eficiente em simulação de corte nanométrico. A função de potencial Morse pode ser expressa pela equação com parâmetros D_M = 0,435 eV, a = 46,487 nm⁻¹, R_M = 0,19475 nm.

Resultados e Discussão

Desempenho de Corte

No corte ordinário, o mecanismo dominante de remoção de material pode ser grandemente influenciado pela espessura de cavaco não deformado. Com pequena espessura de cavaco não deformado, o mecanismo dominante de remoção de material é extrusão. A fase metálica estável (Si-II) pode ser gerada pela transição de fase de alta pressão (HPPT), que facilita a deformação dútil de silício. Quando a espessura de cavaco não deformado é aumentada, material pode ser principalmente removido via processo de cisalhamento. Enquanto em processo EVC, já que a espessura de cavaco não deformado está constantemente variando, o mecanismo de remoção de material pode transformar de extrusão para cisalhamento em um ciclo de vibração. A Figura 3 mostra os instantâneos da simulação de corte a 300 K. A estrutura cristalina da peça é determinada pela análise de vizinho comum (CNA). Esta análise encontra átomos arranjados em rede diamantina cúbica ou hexagonal. A estrutura não-diamante na Fig. 3c, e principalmente contém fase amorfa (a-Si), Si-II e outros átomos defeituosos. Estas estruturas são instáveis e se transformarão em a-Si após corte. Pode-se observar da Fig. 3b, c que material é principalmente removido através de extrusão no estágio inicial de corte. Um ponto de estagnação transiente pode ser observado perto da aresta da ferramenta de corte. Similar ao corte ordinário, materiais na região de deformação são divididos pelo ponto de estagnação em cavacos e material comprimido. À medida que a ferramenta de corte prossegue, a espessura de cavaco não deformado aumenta. Planos de cisalhamento e grãos policristalinos são gerados na peça, indicando que cisalhamento torna-se o mecanismo dominante de remoção de material.

A Figura 4 mostra a morfologia da peça em diferentes temperaturas de corte. A 300 K, trinca e fratura óbvias podem ser observadas na peça durante movimento ascendente da ferramenta. Para material frágil como silício monocristalino, o movimento ascendente da ferramenta levaria a arrancamento de materiais e deixaria defeitos na peça, considerado como problema específico em EVC. Embora estas trincas possam ser removidas por ciclos de vibração adicionais, a estabilidade de usinagem será impactada devido à irregularidade da superfície da peça. Quando a temperatura de corte é aumentada, a geração e propagação de trincas é efetivamente suprimida. Nenhuma fratura óbvia é detectada quando a temperatura de corte sobe a 1200 K. No entanto, observa-se que a 900 K e 1200 K, inchamento da superfície usinada torna-se óbvio quando o mecanismo de remoção de material transforma em cisalhamento. Pode-se concluir que à medida que mais grãos cristalinos são gerados no estágio de cisalhamento, o inchamento pode ser causado pela rotação destes grãos cristalinos em alta temperatura.

Para descrição clara desta rotação, as coordenadas de 24 átomos marcados (átomos vermelhos) nos grãos cristalinos são usadas para calcular o ângulo médio de rotação. O ângulo de rotação de 8 grãos cristalinos é resumido. Pode-se observar que o ângulo de rotação é obviamente aumentado em temperatura elevada. Durante processo HM, a viscosidade de a-Si pode ser grandemente diminuída em alta temperatura e o movimento de puxar para cima dos átomos da peça são promovidos pelo movimento ascendente da ferramenta. Portanto, o fluxo atômico na peça é aumentado e a rotação dos grãos cristalinos pode ser facilitada, levando a inchamento da superfície usinada. Para restringir a rotação dos grãos cristalinos, a potência de aquecimento deve ser controlada para evitar superaquecimento da peça. Além disso, os parâmetros de vibração devem ser escolhidos cuidadosamente, por exemplo, menor velocidade nominal de corte e maior frequência de vibração devem ser aplicados para suprimir a geração de grãos cristalinos e remover o inchamento por ciclos de vibração adicionais. Como ilustrado na Fig. 5, com parâmetros de vibração apropriados, P₁ poderia localizar no estágio de extrusão e a superfície final usinada é gerada através de extrusão sem inchamento.

Campo de Tensão na Peça

Para investigar further o mecanismo de corte durante processo HM, a distribuição de tensão na peça foi calculada. Na simulação DM, a tensão hidrostática pode ser expressa como média dos tensores de tensão. A distribuição de tensão hidrostática durante estágios de extrusão e cisalhamento é mostrada. Os valores de pico das tensões nas regiões compressiva e tensil foram marcados. Com o movimento da ferramenta, o ponto de contato entre ferramenta e peça varia ao longo do ciclo da aresta da ferramenta, resultando no movimento da região compressiva da aresta da ferramenta para a face de avanço. Seguindo relatos anteriores, a HPPT de fase de silício monocristalino (Si-I) para Si-II poderia ocorrer em pressões iniciando em 10–12 GPa. Na simulação de corte a 300 K, a tensão compressiva máxima em estágios de extrusão e cisalhamento alcançou 18,1 GPa e 17,6 GPa, respectivamente. Este resultado indica que a fase dúctil Si-II pode ser gerada durante corte e a HPPT ainda existe no estágio de cisalhamento. Além disso, no estágio de extrusão, a tensão tensil principalmente concentra perto da área de contato entre a face de folga da ferramenta e superfície usinada como resultado da adesão de átomos de silício e superfície da ferramenta. À medida que a ferramenta prossegue para estágio de cisalhamento, a região tensil é ampliada e a concentração de tensão tensil na peça subsuperficial é grandemente aumentada, causada pelo movimento de puxar para cima. Quando a temperatura de corte é aumentada, a deformabilidade plástica de silício monocristalino é melhorada e tensão interna na peça é diminuída. À medida que a temperatura aumenta de 300 a 1200 K, a tensão compressiva máxima diminuiu 16,6% e 25% nos estágios de extrusão e cisalhamento. Enquanto isso, embora a concentração de tensão tensil na peça subsuperficial ainda seja óbvia, o valor de pico da tensão tensil é aparentemente diminuído em mais de 30%. Foi relatado que a tenacidade à fratura de silício monocristalino pode ser efetivamente aumentada em temperatura mais alta. Portanto, trincas e fraturas causadas pelo efeito de arrancamento devido ao movimento ascendente da ferramenta podem ser efetivamente suprimidas.

Silício monocristalino tem estrutura cristalina Face Center Cubic (FCC) com 12 sistemas de deslizamento. Baseado no movimento da ferramenta, os principais sistemas de deslizamento para deformação de cisalhamento são os sistemas (111)/[1̄01] e (1̄11)/[1̄01]. Portanto, o componente de tensão de cisalhamento resolvido τ_s no sistema de deslizamento (111)/[1̄01] é calculado. A distribuição da tensão de cisalhamento resolvida τ_s é mostrada. A região com τ_s positivo é definida como região de cisalhamento já que o movimento de deslizamento ao longo da direção [1̄01] é promovido, facilitando remoção de material através de cisalhamento. Enquanto a região com τ_s negativo é considerada região de dano porque o movimento de deslizamento é preferível na direção oposta, levando à formação de dano subsuperficial na peça. No estágio de extrusão, a tensão na região de cisalhamento é menor que na região de dano. Dano subsuperficial causado por deformação de cisalhamento pode ser gerado sob a superfície usinada. À medida que o movimento da ferramenta de corte, a tensão de cisalhamento ao longo da direção [1̄01] é gradualmente aumentada, causando transição de remoção de material de extrusão para cisalhamento. Além disso, como a posição da região de dano move para cima junto com o movimento da ferramenta, o dano gerado pode ser removido através de ciclo de vibração adicional e não permanecerá na peça. Quando a temperatura é aumentada de 300 K a 1200 K, a tensão de cisalhamento na região de dano diminuiu 36,1% e 42,4% nos estágios de extrusão e cisalhamento, respectivamente. Em contraste, devido ao movimento ascendente da ferramenta, a diminuição da tensão de cisalhamento ao longo da direção [1̄01] no estágio de cisalhamento é muito menos aparente. A tensão de cisalhamento resolvida crítica (CRSS) para movimento de deslizamento pode ser expressa por uma equação dependente de temperatura. Pode-se concluir que o CRSS pode ser diminuído obviamente com aumento da temperatura. Portanto, a deformação de cisalhamento na direção [1̄01] pode ser facilitada em temperatura elevada.

Transição de Fase

Quando a temperatura de corte é aumentada, a transição de fase do silício pode ser grandemente influenciada. O relaxamento de a-Si e transição para Si-I pode ser promovido em temperatura apropriada. O padrão de dano nas peças torna-se mais estreito em alta temperatura. Uma observação detalhada do padrão de dano ao cortar a 1200 K mostra que o dano gerado na região de deformação é parcialmente recuperado após corte, indicando que a transição da estrutura não-diamante para Si-I ocorreu. E mais átomos Si-I são gerados quando a temperatura de corte é aumentada. Além disso, a malha de superfície construída da peça usinada a 1200 K mostra que algumas vacâncias são formadas na peça subsuperficial. Como os átomos são mais compactamente empacotados na fase Si-I, a transição para Si-I poderia causar encolhimento do material, o que induz vacâncias na peça. O volume das vacâncias em diferentes temperaturas é calculado. Observa-se que quase nenhuma vacância é gerada a temperatura ambiente. Enquanto aumento óbvio de vacâncias pode ser detectado quando a temperatura de corte aumenta para 900 K e 1200 K.

Análise further das vacâncias mostra que um elemento de material sob a superfície usinada é escolhido para monitorar geração de vacâncias. O número de átomos em estrutura não-diamante e evolução de tensão do elemento de material são apresentados. Conclui-se que durante processo de corte, o elemento de material é primeiramente comprimido e então experimenta tensão tensil devido ao movimento ascendente da ferramenta. Enquanto isso, dois picos de tensão de cisalhamento podem ser observados a 300 K já que a tensão de cisalhamento na região de dano é aumentada à medida que a ferramenta de corte passa. Quando a temperatura de corte é aumentada, a diminuição da tensão de cisalhamento é mais óbvia que tensão tensil. A 1200 K, o segundo pico de tensão de cisalhamento quase desaparece enquanto tensão tensil torna-se dominante no elemento de material durante processo de relaxamento.

Para explorar o efeito da tensão tensil no processo de formação de vacâncias, simulações de relaxamento de amostra de silício em massa foram conduzidas. O modelo inicial compõe de 40% átomos Si-I e 60% átomos a-Si, gerado pelo método fusão-resfriamento. O tamanho do modelo é 21,7 nm × 8,1 nm × 26,1 nm nas direções x, y e z, contendo 230.400 átomos. A interface inicial entre região cristalina e não-cristalina é definida como plano cristalino (001). Condição de contorno periódica é aplicada em três dimensões para imitar materiais em massa. A malha de superfície do modelo relaxado é apresentada. Além disso, para quantificar as vacâncias, a fração de volume sólido é calculada como razão do volume de material sólido e volume total da amostra de simulação. Observa-se que quando temperatura é aumentada, a fração de volume sólido diminuiu obviamente sob tensão tensil. Portanto, para suprimir as vacâncias, a temperatura de corte desejada durante processo HM deve ser menor que aquela em TAC ordinário e os parâmetros de vibração devem ser otimizados para reduzir a tensão tensil na peça subsuperficial.

Conclusões

Neste artigo, simulação DM é realizada para investigar o mecanismo de corte do processo de usinagem híbrida (HM). Um modelo de corte modificado é aplicado para revelar o comportamento de remoção de material e formação de dano subsuperficial em um ciclo de vibração. As principais conclusões foram as seguintes:

1. Durante processo HM, o mecanismo dominante de remoção de material pode transformar de extrusão para cisalhamento em um único ciclo de vibração. Com aumento da temperatura de corte, geração e propagação de trincas podem ser efetivamente suprimidas. No entanto, inchamento aparece quando o mecanismo dominante de remoção de material torna-se cisalhamento, causado pela rotação dos grãos cristalinos na peça.
2. Baseado na análise de tensão, o mecanismo dominante de formação de dano subsuperficial em um ciclo de vibração pode ser distinto. No estágio de extrusão, o dano subsuperficial pode ser gerado pela tensão de cisalhamento na região de dano. Enquanto no estágio de cisalhamento, tensão tensil torna-se dominante na formação de dano subsuperficial. Quando a temperatura de corte é aumentada, embora a concentração de tensão tensil na peça subsuperficial ainda seja óbvia, o valor de pico das tensões é aparentemente diminuído, o que efetivamente suprime trincas e fraturas na peça.
3. Quando a temperatura de corte é aumentada, menos dano subsuperficial é gerado na peça. No entanto, devido à tensão tensil, algumas vacâncias podem ser geradas na peça quando a temperatura de corte é aumentada. Portanto, a temperatura de corte desejada durante processo HM deve ser menor que aquela em TAC ordinário e os parâmetros de vibração devem ser definidos cuidadosamente para suprimir as vacâncias na peça subsuperficial.