CN108170901A - 基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，其内容包括：确定研究对象的材料成分和制备方法；在分子动力学中制备工件，设定边界条件；对工件进行区域分类，确定工作区域，工件一般分为边界层、恒温层和牛顿层，工作区域一般为牛顿层；确定切削深度和工件大小；确定网格划分的区域以及网格的大小；利用chunk命令划分网格，编程进行仿真；统计各个分区内原子个数，并绘制相关曲线；利用公式计算得出表面粗糙度数值Ra；根据曲线图和计算出的Ra数值直观表征已加工表面的表面粗糙度。本发明能够较清楚的反映出表面粗糙度的变化，为纳米切削加工领域提供了新的思路。

Description

基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法

技术领域

本发明属于纳米级超精密加工领域，涉及一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法。

背景技术

非晶合金是由超急冷凝固得到的具有长短无序结构并且没有晶粒、晶界存在的固态合金，由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料研究开发的重点。而作为一种材料，它的加工方法必然会用到切削。作为现代制造技术前沿的超精密加工与纳米切削技术，随着加工精度不断提高，可以达到纳米级甚至原子级。在纳米切削技术应用到非晶合金加工过程中，研究对象成为了原子或分子，如何测定加工表面粗糙度是一个亟待解决的问题。

目前对分子动力学仿真模拟主要集中在切削过程中受力、变形、温度、切削力等的分析，并没有对已切削表面粗糙度的分析方法。本发明旨在这一领域提供一种简单、有效、全新的表面粗糙度分析方法，使得从事这方面研究的人员能够有效地测定超精密纳米切削领域已切削材料的表面粗糙度。

发明内容

本发明弥补了现有技术中的不全，提供一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，其目的在于实现纳米切削非晶合金表面粗糙度的测定。

理论上，若纳米切削过程十分精确，加工完成后表面应是十分平整的，每个分区内原子个数相差不大。故而本发明在工件中选取若干个相邻网格并实时测量网格内原子个数，在切削完成之后将各个网格内原子数统计出来，用origin进行数据处理反映出已加工表面的粗糙度情况。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，其内容包括以下步骤：

步骤1.确定研究对象的材料成分和制备方法；

步骤2.在分子动力学中制备工件，设定边界条件；

步骤3.对工件进行区域分类，确定工作区域，工件一般分为边界层、恒温层和牛顿层，工作区域一般为牛顿层；

步骤4.确定切削深度和工件大小；

步骤5.确定网格划分的区域以及网格的大小；

步骤6.利用chunk命令划分网格，编程进行仿真；

步骤7.统计各个分区内原子个数，并绘制相关曲线；

步骤8.利用公式计算得出表面粗糙度数值Ra；式中：y_i为测得的原子个数减去平均原子个数即origin图像中波峰波谷的数值，n为分区组数；

根据曲线图和计算出的Ra数值直观表征已加工表面的表面粗糙度，并方便广大学者通过该方法直接分析各种因素对加工材料表面粗糙度的影响。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明能够较清楚的反映出表面粗糙度的变化，为纳米切削加工领域表面粗糙度的研究提供了新的思路，并且本发明方法不仅限于非晶材料，对于一些晶体类材料同样适用，本发明开创了分子动力学领域的先河，为各种材料表面粗糙度的研究都做出了巨大的贡献。除此之外，该发明方法的出现有望使人们更加深入的了解刀具几何参数和切削参数对加工材料表面粗糙度的影响，为加工各类材料的加工精度提供合理的加工方案。

附图说明

图1为分子动力学仿真纳米切削工件和刀具建模示意图；

图2为牛顿层、边界层、恒温层示意图；

图3为划分45个网格仿真示意图；

图4为划分90个网格仿真示意图；

图5为划分45个网格对应的分区内原子个数分析图；

图6为划分90个网格对应的分区内原子个数分析图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实例对本发明方法作进一步分析说明：

本发明的一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，其内容以下：

确定研究对象的材料成分和制备方法，并在分子动力学中制备工件，设定边界条件；本发明实施例切削的工件材料是非晶合金cu₅₀zr₅₀,工件尺寸为520埃*200埃*13埃，包含76800个原子，切削深度为50埃(工件大小和切削深度根据实际需要可以自由确定)，工件的制备是通过快速熔化-冷却的模拟方法制备而成。

首先，将Cu₅₀Zr₅₀晶体工件加热到2400K使其充分熔化，接着，以10¹²K/s的冷却速率快速冷却高温合金熔体至300K，即获得了Cu₅₀Zr₅₀非晶合金。

用分子动力学Fortran语言建立工件模型和刀具模型如图1所示。

设定牛顿层、边界层、恒温层如图2所示。

根据切削的仿真情况，确定划分网格的区域，为了减小仿真实验的误差，做了两组对比试验。如图3所示，划分45个网格，每个网格大小为4埃*140埃*13埃，实现此命令的语句为：

computeg0newtonchunk/atombin/2dxupper4yupper140nchunkeveryidseverycompressnoboundx20200boundy-8060unitsbox。

如图4所示，划分90个网格，每个网格大小为2埃*140埃*13埃，实现此命令的语句为：

computeg0newtonchunk/atombin/2dxupper2yupper140nchunkeveryidseverycompressnoboundx20200boundy-8060unitsbox。

利用chunk命令划分网格，编程进行仿真；统计各个分区内原子个数，并绘制相关曲线；如图5和图6所示分别为划分45个和90个网格对应的分区内原子个数分析图；根据仿真得到的数据，在origin里面绘制得出可以反映已加工表面的曲线，利用公式计算得出表面粗糙度数值Ra＝4.23。通过与图3和图4对比可以看出：本发明方法可以较好的反映出表面粗糙度的情况。

Claims (1)

1.一种基于分子动力学纳米切削非晶合金表面粗糙度的分析方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：

步骤1.确定研究对象的材料成分和制备方法；

步骤2.在分子动力学中制备工件，设定边界条件；

步骤3.对工件进行区域分类，确定工作区域，工件一般分为边界层、恒温层和牛顿层，工作区域一般为牛顿层；

步骤4.确定切削深度和工件大小；

步骤5.确定网格划分的区域以及网格的大小；

步骤6.利用chunk命令划分网格，编程进行仿真；

步骤7.统计各个分区内原子个数，并绘制相关曲线；

步骤8步骤8利用公式计算得出表面粗糙度数值Ra；式中：y_i为测得的原子个数减去平均原子个数即origin图像中波峰波谷的数值，n为分区组数；

根据曲线图和表面粗糙度Ra数值直观表征已加工表面的表面粗糙度，并直接分析各种因素对加工材料表面粗糙度的影响。