بررسی فرآیند ماشین‌کاری فوق‌دقیق با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و آزمایشات تجربی سیلیکون تک‌کریستال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کِیو، یوکوهاما، ژاپن

چکیده

فرآیند ماشین‌کاری فوقدقیق قطعات، روشی بسیار پیشرفته جهت نیل به دقت ابعادی و صافی سطح در حد نانومتر می‌باشد. این فرآیند کاربرد وسیعی در تولید قطعات دقیق صنایع دفاعی، هوافضا، اپتیک و الکترونیک داشته و فقط تعداد محدودی از کشورهای صنعتی به فناوری آن دسترسی دارند. با توجه به دقت بسیار بالای این فرآیند، عوامل زیادی می‌توانند بر کیفیت سطح نهایی تأثیر بگذارند. اجزاء ماشین‌ابزار، شرایط ماشین‌کاری، هندسه و جنس ابزار، شرایط محیطی، جنس قطعه‌کار و ارتعاشات، از جمله این عوامل می‌باشند که در این مقاله به بررسی آنها پرداخته شده است. در ادامه، با استفاده از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به بررسی تأثیر عمق ماشین‌کاری بر مکانیزم برش و کیفیت سطح پرداخته شد. نتایج مشخص کرد هنگامی که نسبت عمق ماشین‌کاری به شعاع لبه ابزار کمتر از 0/5 باشد، زاویه پیشانی مؤثر، بزرگتر از زاویه پیشانی اسمی ابزار خواهد بود. همچنین تحت این شرایط، مکانیزم ماشین‌کاری متفاوت از مکانیزم میکروبراده‌برداری بوده و بصورت اکستروژن می‌باشد. در انتها، با انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های تجربی، تأثیر عمق براده‌برداری بر شکل براده و کیفیت سطح صورت پذیرفت. بدین منظور از میکروسکوپ الکترونی روبشی، دستگاه اندازه‌گیری فوقدقیق دوبعدی و همچنین تداخل‌سنج نور سفید استفاده شد. نتایج نشانده‌نده گسیختگی براده‌ها در عمق براده‌برداری پایین و همچنین تشکیل نانو-ر ُبان‌های سیلیکونی در عمق براده‌برداری 100 نانومتری بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Ultra-Precision Machining on Single Crystal Silicon Using Molecular Dynamics Simulation and Experiments

نویسندگان [English]

  • Seyed Nader Ameli Kalkhoran 1
  • Mehrdad Vahdati 1
  • Jiwang Yan 2
1 Department of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Pardis St., Vanak Sq., Tehran, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, Keio University, Hiyoshi 3-14-1, Kohoku-ku, Yokohama, 223-8522, Japan
چکیده [English]

Ultra-precision machining is an advanced method for production of materials with nanoscale surface roughness. It is widely used in the manufacturing of precision components for defense, aerospace, optics, and electronics industries. For this feature, only a few industrial countries have access to this technology. Due to the high precision of this technology, many factors can affect the final surface quality. Machine components, machining conditions, tool geometry and material, environmental condition, workpiece material as well as vibration, are among the factors that are reviewed in this article. Afterwards, the effect of cutting depth on machining mechanism and surface quality is investigated using molecular dynamics investigation. The results revealed that when the ratio of cutting depth to tool edge radius becomes lower than 0.5, the effective rake angle would be bigger than the nominal rake angle. Furthermore, under this condition, the dominant machining mechanism is extrusion, which is different from the micro cutting mechanism. Finally, a series of experiments was conducted to study the impact of the undeformed chip thickness on the chip morphology and surface topography. For this purpose, field emission scanning electron microscopy, 2D ultra-precision point autofocus probe as well as white light interferometer were exploited. The results indicated that at the lower relative tool sharpness, chip edge tearing occurs. Besides, by increasing this parameter to 100 nm, silicon nano-ribbons is created.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultra-precision machining؛ Nanometric machining
  • Surface roughness
  • single-crystal silicon
  • Molecular Dynamics Simulation
[1]  E. Brinksmeier, Diamond Machining, Encyclopedia of Production Engineering, Eds. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2014.
[2] G. P. H. Gubbels, Diamond turning of glassy polymers, Citeseer, 2006.
[3]  G. Chapman, Ultra-precision Machining Systems; an Enabling Technology for Perfect Surfaces, Moore Nanotechnology System, (2015) 1–9.
[4]    N. Taniguchi, Current status in, and future trends of, ultraprecision machining and ultrafine materials processing, CIRP Annals, 32(2) (1983) 573–582.
[5]    E. Brinksmeier, Ultraprecision Machining, CIRP Encyclopedia of Production Engineering, Berlin, (2014) 1277–1280.
[6]    E. Brinksmeier, Y. Mutlugünes, F. Klocke, J. C. Aurich, P. Shore, H. Ohmori, Ultra-precision grinding, CIRP Annals, 59(2) (2010) 652–671.
[7]    M. Heidari, J. Yan, Ultraprecision surface flattening of porous silicon by diamond turning, Precision Engineering, 49 (2017) 262–277.
[8]    W. A. Gross, Investigation of whirl in externally pressurized air-lubricated journal bearings, Journal of  Basic Engineering, 84(1) (1962) 132–138.
[9]    D. J. Whitehouse, Handbook of surface metrology. CRC Press, 1994.
[10]    M. Moradi, O. Mehrabi, T. Azdast, K. Y. Benyounis, Enhancement of low power CO2 laser cutting process for injection molded polycarbonate, Optics & Laser Technology, 96 (2017) 208–218.
[11]    C. Cheung, W.B . Lee, Characterisation of nanosurface generation in single-point diamond turning, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 41(6) (2001) 851–875.
[12]    Q. Gao, L. Lu, W. Chen, G. Wang, Influence of air-induced vibration of aerostatic bearing on the machined surface quality in ultra-precision flycutting, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J, 232(2) (2017) 117-125.
[13]    M. Akhondzadeh, and M. Vahdati, Air pocket effects on air spindle vibrations in nanomachining, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J, 228 (3) (2013) 328–336.
[14]    M. Akhondzadeh, and M. Vahdati, Study of variable depth air pockets on air spindle vibrations in ultraprecision machine tools, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 73 (5–8) (2014) 681–686.
[15]    M. Vahdati, and S. A. Rasouli, Vibration Simulation of Air Slide Table in Ultra Precision Machines, Applied Mechanics and Materials, 66–68 (2011) 2158–2163.
[16]    A. Mir, X. Luo, and A. Siddiq, Smooth particle hydrodynamics study of surface defect machining for diamond turning of silicon, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 88 (9–12) (2017) 2461–2476.
[17]    A. Mir, X. Luo, K. Cheng, and A. Cox, Investigation of influence of tool rake angle in single point diamond turning of silicon, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 94 (5–8) (2018) 2343–2355.
[18] M. P. Allen and D. J. Tildesley, Computer simulation of liquids. Oxford university press, 1989.
[19] S. Z. Chavoshi, S. Goel, and X. Luo, Influence of temperature on the anisotropic cutting behaviour of single crystal silicon: A molecular dynamics simulation investigation, Journal of Manufacturing Processes, 23 (2016) 201–210.
[20] S. V. Hosseini and M. Vahdati, Modeling the effect of tool edge radius on contact zone in nanomachining, Computational Materials Science, 65 (2012) 29–36.
[21] J. Tersoff, New empirical approach for the structure and energy of covalent systems, Physical Review B, 37(12) (1988) 6991–7000.
[22] S. Plimpton, Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, Journal of Computational Physics, vol. 117, no. 1, pp. 1–19, Mar. 1995.
[23] A. Stukowski, Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 18(1) (2010).
[24] A. V. Outeiro JC, The role of the relative tool sharpness in modelling of the cutting process, Proc Eigth CIRP Int Workshop Model Mach Oper,517–524, 2005.
[25] S. To, C. F. Cheung, and W. B. Lee, Influence of material swelling on surface roughness in diamond turning of single crystals, Journal of Materials Science & Technology, 17(1) (2001) 102–108.
[26] M. A. Rahman, M. R. Amrun, M. Rahman, and A. S. Kumar, Variation of surface generation mechanisms in ultra-precision machining due to relative tool sharpness (RTS) and material properties, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 115 (2017) 15–28.
[27] D. a. Lucca, P. Chou, and R. J. Hocken, Effect of Tool Edge Geometry on the Nanometric Cutting of Ge, CIRP Annals, 47(1) (1998) 475–478.
[28]  M. Heidari and J. Yan, Nanometer-scale chip formation and surface integrity of pure titanium in diamond turning, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 95 (1–4) (2018) 479–492.
[29]  N. Elfström, A. E. Karlström, and J. Linnros, Silicon nanoribbons for electrical detection of biomolecules, Nano Letters, 8 (3) (2008)945–949.
[30]  M. Heidari and J. Yan, Material removal mechanism and surface integrity in ultraprecision cutting of porous titanium, Precision Engineering, 52 (2018).