Pengaruh Media Fluida pada Penghilangan Material dan Cacat Bawah Permukaan Evolusi Tembaga Monokristal dalam Proses Pemotongan Nano

Hasil dan Diskusi

Evolusi Cacat Bawah Permukaan dalam Proses Pemotongan Nano dengan Media Berair

Tampilan penampang sistem pemotongan ditunjukkan pada Gambar 2 yang berisi pahat potong, benda kerja, dan media air selama proses pemotongan nano. Untuk melihat dengan jelas deformasi plastis benda kerja, metode CSP digunakan untuk menganalisis hasilnya. Snapshot diwarnai oleh nilai CSP sebagian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, di mana Gambar 2a berada pada jarak pemotongan 5 nm dan Gambar 2 b pada jarak pemotongan 15 nm. Dapat dilihat bahwa lapisan film air kompak terbentuk pada permukaan tembaga kristal tunggal yang ditunjukkan sebagai "film monomolekuler air" pada Gambar 2a. Film air tersebar di seluruh permukaan alat pemotong dan benda kerja, di mana atom oksigen menempati pusat kisi tembaga kristal tunggal. Susunan teratur molekul air adalah hasil dari aksi gabungan gaya Coulomb jarak jauh dan gaya van der Waals antara molekul air dan atom tembaga.

Tampilan bagian dari sistem pemotongan dengan media berair dalam proses pemotongan nano (warna online). a Jarak potong l =5nm. b Jarak potong l =15nm

Pada proses pemotongan nano, deformasi slip dihasilkan oleh aksi geser kompresi awal pahat dan disimpan dalam kisi kristal yang terbentuk sebagai energi regangan. Ketika akumulasi energi regangan mencapai tingkat tertentu, energi regangan dilepaskan. Dan kemudian, kisi-kisi tembaga kristal tunggal diatur ulang, yang menyebabkan nukleasi dan ekstensi dislokasi sepanjang arah \( \left[1\overline{1}0\kanan] \), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Dapat ditunjukkan dari Gambar 2a bahwa film monomolekuler air terbentuk pada permukaan benda kerja. Selanjutnya, molekul air ditembus ke bawah permukaan benda kerja di area aksi antarmuka chip alat, yang ditunjukkan sebagai ilustrasi kanan atas pada Gambar. 2a. Karena aksi pelumasan molekul air yang ada di antara pahat potong dan benda kerja, aksi geser kompresi pahat dipotong. Dan akumulasi energi regangan berkurang dan dislokasi tidak meluas. Selain itu, media berair mengambil banyak panas pemotongan, dan energi ekspansi dislokasi berinti tidak mencukupi. Oleh karena itu, perpanjangan dislokasi tidak mencukupi dan garis dislokasi di bawah permukaan benda kerja tidak mencolok, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a.

Saat pahat bergerak maju, benda kerja mengalami aksi ekstrusi dan gesekan yang dihasilkan oleh permukaan sayap pahat. Di bawah aksi ekstrusi dan gesekan pahat, sejumlah besar dislokasi berinti dan diperpanjang di bawah permukaan benda kerja. Salah satu bagian dari dislokasi ini bergerak ke atas sepanjang permukaan garu dan akhirnya dihilangkan sebagai chip pemotong, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Bagian lain dari dislokasi ini bergerak ke bawah sepanjang permukaan garu dari pahat potong dan ditransformasikan ke permukaan mesin yang kasar setelah aksi gesekan ekstrusi dari permukaan sayap pahat potong, yang ditunjukkan pada Gambar 2b sebagai “pengaturan air pada permukaan mesin. ” Bagian lain dari dislokasi bergerak ke dalam sepanjang \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) dan \( \left[1\overline{1}0\right] \) bidang slip dan menghilang di dalam benda kerja, yang menghasilkan pembentukan dislokasi sekrup, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Karena ketinggian chip meningkat secara bertahap, molekul air di depan chip tidak dapat mengalir di atas chip ke belakang alat pemotong pada periode proses pemotongan selanjutnya. Dan kepadatan dan tekanan media air di belakang alat pemotong berkurang dengan cepat, yang mengakibatkan panas pemotongan hilang sebelum waktunya selama proses pemotongan nano. Oleh karena itu, dislokasi berinti memiliki energi yang cukup untuk meluas ke dalam benda kerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b.

Untuk menjelaskan deformasi yang mendasari dislokasi dan struktur kristal atom lokal tembaga kristal tunggal selama proses pemotongan nano, metode analisis CSP dan DXA diperkenalkan. Hasil analisis dipamerkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, 4, 5, dan 6, di antaranya Gambar. 3 dan 4 dirender sesuai dengan nilai CSP dan Gambar. 5 dan 6 diwarnai dengan hasil analisis DXA.

Distribusi cacat bawah permukaan benda kerja dengan media berair dalam proses pemotongan nano. Jarak potong a , b , c , dan d masing-masing adalah 5 nm, 8 nm, 12 nm, dan 15 nm.

Distribusi cacat bawah permukaan benda kerja selama proses pemotongan nano di lingkungan vakum. Jarak potong a , b , c , dan d masing-masing adalah 5 nm, 8 nm, 12 nm, dan 15 nm.

Gambar DXA benda kerja pada tahap awal pemotongan nano. Dislokasi diwarnai berdasarkan skema berikut:biru tua untuk dislokasi sempurna, hijau untuk dislokasi Shockley, merah muda untuk dislokasi Stair-rod, kuning untuk dislokasi Hirth, biru muda untuk dislokasi Frank, dan merah untuk dislokasi tak dikenal. Jarak potong a , b , c , dan d masing-masing adalah 7 nm, 8 nm, 9 nm, dan 10 nm

Gambar DXA benda kerja pada periode pemotongan nano selanjutnya. Skema pewarnaan dislokasi sama dengan Gambar 5.Jarak potong a , b , c , dan d masing-masing adalah 17 nm, 18 nm, 19 nm, dan 20 nm

Distribusi cacat bawah permukaan benda kerja dalam proses pemotongan nano dengan media berair ditunjukkan pada Gambar. 3, di mana media air tidak ditampilkan untuk mengamati evolusi cacat dislokasi lebih jelas. Area kuning, hijau, merah, dan oranye masing-masing mewakili atom permukaan, atom cacat permukaan, atom dislokasi, dan atom cacat bawah permukaan. Distribusi dislokasi dan perpanjangan benda kerja dalam proses pemotongan nano tanpa media berair ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat dilihat dari dua gambar bahwa dislokasi berinti bermigrasi sepanjang \( \left[\overline{1}10 \kanan] \) vektor slip selama proses pemotongan nano dengan media berair, tetapi memperpanjang sepanjang \( \left[\overline{1}\overline{1}0\kanan] \) vektor slip dalam pemotongan nano di bawah media vakum . Seperti yang kita ketahui, aksi geser pahat membuat dislokasi memanjang sepanjang arah terhadap pahat ke depan, yaitu \( \left[\overline{1}10\right] \) vektor slip. Tindakan gesekan pahat potong menyebabkan dislokasi bermigrasi sepanjang arah gerakan pahat ortokinetik, yang merupakan vektor slip \( \left[\overline{1}\overline{1}0\kanan] \). Selama proses pemotongan nano di lingkungan vakum, tindakan pahat potong pada benda kerja adalah aksi geser permukaan rake dan aksi gesekan permukaan sayap, sedangkan pembentukan cacat permukaan dan bawah permukaan mesin dipicu oleh aksi gesekan permukaan sayap. Oleh karena itu, perpanjangan dislokasi menyebar sepanjang \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) vektor slip selama proses pemotongan nano dalam ruang hampa. Karena pelumasan molekul air yang ada di antara pahat dan benda kerja, aksi gesekan pahat potong berkurang. Dengan demikian, aksi geser memainkan peran penting dalam pembentukan cacat permukaan dan bawah permukaan mesin. Oleh karena itu, dislokasi terutama meluas di sepanjang vektor slip \( \left[\overline{1}10\right] \) dalam pemotongan nano dengan media berair.

Dari Gambar. 3 dan 4, dapat ditemukan bahwa skala cacat bawah permukaan pada media air lebih besar daripada dalam vakum selama proses pemotongan nano. Sebenarnya, cacat dislokasi menyebar ke seluruh area mesin dan meluas jauh ke dalam benda kerja. Panas pemotongan diambil oleh media air, dan energi atom cacat berkurang. Oleh karena itu, cacat bawah permukaan tidak memiliki energi yang cukup untuk dimusnahkan. Oleh karena itu, residu cacat dislokasi meningkat. Kedalaman lapisan cacat bawah permukaan relatif lebih tinggi untuk proses pemotongan nano dengan media air. Karena interaksi antara molekul air, atom karbon, dan atom tembaga, gesekan ekstrusi antara pahat dan benda kerja dilemahkan dan gangguan atom permukaan mesin diperparah dalam proses pembentukan permukaan mesin. Selanjutnya, residu cacat di bawah permukaan diperburuk dan tegangan sisa di bawah permukaan meningkat.

Untuk lebih mengungkapkan pengaruh media air pada proses evolusi cacat dislokasi, metode DXA digunakan untuk menganalisis benda kerja dalam proses pemotongan nano dengan media berair, di mana tahap awal dan periode akhir ditunjukkan sebagai Gambar. 5 dan 6, masing-masing. Cacat kristal yang stabil ditemukan ada di beberapa lapisan atom di bawah permukaan mesin pada tahap awal proses pemotongan nano, yang terletak di antara dua kesalahan susun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d. Adanya cacat kristal akan mempengaruhi kualitas permukaan mesin dan bahkan menyebabkan terjadinya retakan mikro pada permukaan mesin. Oleh karena itu, pembentukan proses evolusi cacat dipelajari. Dapat dilihat dari Gambar 5a bahwa banyak dislokasi parsial Shockley ternukleasi di bawah aksi gesekan permukaan sayap pahat potong pada saat awal pembentukan cacat. Dislokasi Shockley ini dikembangkan menjadi loop dislokasi berbentuk V selama pahat bergerak maju, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Selanjutnya, dislokasi berbentuk V secara bertahap berkembang menjadi dislokasi parsial Shockley serial. Akhirnya, dislokasi parsial ditransformasikan menjadi cacat residual di bawah permukaan. Karena panas pemotongan diambil oleh media air, atom yang rusak memiliki terlalu sedikit energi untuk dimusnahkan dan diubah menjadi cacat tidak bergerak yang mendasari permukaan mesin. Kekasaran permukaan mesin akan meningkat, dan tegangan sisa di bawah permukaan akan menyebabkan lebih banyak kejengkelan. Selain itu, retakan mikro permukaan dapat disebabkan oleh cacat tersebut.

Pengaruh media air pada aksi geser geser pahat selama proses pelepasan chip diselidiki dengan metode DXA, yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Dapat dilihat dari Gambar 6a bahwa sejumlah besar dislokasi parsial Shockley ternukleasi di depan alat potong. Dan bidang geser-slip dibentuk oleh dislokasi ini. Dalam proses pemotongan berikut, kesalahan susun seri dan dislokasi parsial berinti dan diperpanjang pada bidang geser-slip. Di bawah nukleasi dan gerakan dislokasi di depan pahat pemotong, chip pemotong dipindahkan secara bertahap di sepanjang bidang geser-slip, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c. Sementara itu, efek gesekan ekstrusi dari permukaan rake pahat berkurang karena aksi pelumasan media air. Nukleasi dan propagasi dislokasi tidak mencukupi dan sisa cacat bawah permukaan tidak terlihat selama proses pemotongan nano, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a-d. Sejalan dengan itu, aksi geser pahat potong pada benda kerja menjadi lebih signifikan. Oleh karena itu, chip yang terbentuk lebih mudah dihilangkan dengan partisipasi media air dalam proses pemotongan nano. Dan gaya potong utama akan berkurang secara bersamaan, yang akan dibahas secara rinci nanti dalam makalah ini.

Pengaruh Media Air Terhadap Variasi Gaya Pemotongan dan Panas Pemotongan

Dalam proses pemotongan, penghilangan material diwujudkan dengan tindakan ekstrusi dan geser dari alat pemotong. Karena kekuatan, kekakuan, dan ketangguhan material logam, permukaan penggaruk pahat mengalami gaya reaksi yang ditimbulkan oleh ketahanan terhadap deformasi material benda kerja selama proses pemindahan material. Dan permukaan sisi pahat dipengaruhi oleh ketahanan gaya gesekan dari permukaan mesin. Gaya-gaya ini membentuk gaya potong bersama-sama. Secara serempak, kerja yang diterapkan oleh deformasi geser chip pemotong serta aksi gesekan antara pahat dan benda kerja diubah menjadi panas potong yang mengakibatkan peningkatan suhu benda kerja. Seiring dengan akumulasi dan pelepasan energi regangan material, nukleasi dan ekspansi dislokasi terjadi pada lapisan bawah permukaan benda kerja, yang menyebabkan fluktuasi gaya potong dan panas pemotongan dengan jarak pemotongan.

Dalam penelitian ini, partisipasi media air sangat berpengaruh terhadap variasi gaya potong dan panas potong. Kurva variasi gaya potong dengan jarak potong pada proses pemotongan nano dengan dan tanpa menggunakan media air ditunjukkan sebagai Gambar. 7 dan 8, di mana kurva hitam, merah, dan biru, masing-masing, adalah gaya umpan (Fx), gaya balik (Fy), dan gaya tangensial (Fz). Karena PBC diadopsi pada arah Z dan pahat intan berbentuk kolom sepanjang arah Z dalam simulasi, gaya tangensial rata-rata (Fz) berada pada level 0 nN di kedua Gambar. 7 dan 8.

Kurva variasi gaya potong dalam pemotongan nano dengan lingkungan vakum

Variasi kurva gaya potong pada pemotongan nano dengan media air

Proses pemotongan dibagi menjadi tahap pemotongan awal dan tahap pemotongan stabil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Pada tahap pemotongan awal, gaya umpan dan gaya balik meningkat tajam dalam garis lurus. Dan mereka mencapai nilai maksimumnya ketika alat pemotong memotong benda kerja sepenuhnya. Pada tahap pemotongan yang stabil, gaya potong berfluktuasi ke atas dan ke bawah dalam posisi keseimbangannya, dan gaya umpan mencapai lebih dari 200 nN dan gaya potong rata-rata sekitar 180 nN. Gaya balik sangat kecil dan berkurang secara bertahap pada tahap pemotongan stabil akhir. The maximum value of the bake force is under 100 nN, and the average value is around 50 nN. Generally speaking, the specific value between average back force and average feed force (Fy/Fx) represents the friction coefficient between tool material and workpiece material in machining process. In this research, the friction coefficient between diamond and monocrystal copper is 0.278 under vacuum environment.

The feed force and the back force are decreased in nano-cutting with water media compared with vacuum environment, as shown in Fig. 8. The maximum feed force reaches 150 nN, and the mean feed force fluctuates at 120 nN. The variation tendency of back force is similar with the back force in vacuum environment, and the mean force is at about 25 nN. In nano-cutting process with the use of water medium, the friction coefficient between the cutting tool and the workpiece is reduced due to the lubrication of water. And then the frictional resistance suffered by the flank surface of cutting tool is reduced, which effectively enhances the extrusion shearing action of the rake surface of cutting tool. The removal of the workpiece material is easier to be removed. Hence, the cutting force is reduced. It can be seen from the foregoing analysis that the water molecules acted as a lubricant to prevent the friction between the cutting tool and the workpiece. Therefore, the values of feed force and back force are reduced in the water media. The specific value between the feed force and the back force is 0.208. In another words, the frictional coefficient between diamond and copper in water media is 0.208, much fewer than they are in vacuum environment (0.278).

Compared with the fluctuation of the Fy in Figs. 7 and 8, it is indicated that the Fy component decreases considerably after 15 nm of cutting distance in both cases with vacuum and water media while the Fx value is almost stable until 20 nm of cutting distance. The dynamic balance between dislocation nucleation and annihilation is achieved, and the chip is removed steadily in nano-cutting process, which results in the cutting force almost stable with the cutting distance before 20 nm. When the cutting process is carried out at a certain distance (15 nm in this research), the dynamic equilibrium between the new dislocation nucleation and the previous dislocation annihilation is established. And the scale of the internal defects of the workpiece is stabilized at a certain level. The dislocation nucleation and annihilation applied an effect on cutting tool along +Y direction, which leads to the Fy component decrease. Besides, the stable cutting chip is removed after 15 nm of cutting distance, and the applied force on the cutting tool from the chip is decreased along the Y direction. Thereby, the value of Fy is reduced. However, when the cutting distance is greater than 15 nm till 20 nm, the emotion of dislocation defect and the removal of chip cannot bring a different influence on the cutting tool along the X direction. Therefore, the value of main cutting force (Fx) is almost stable.

The temperature distribution of the workpiece during the nano-cutting process with and without the use of aqueous media is shown as Fig. 9. The cutting distances of Figs. 9a and b and Figs. 9c and d are 5 nm and 12 nm, respectively. It can be seen from Figs. 9b and d that the temperature of workpiece is distributed as a concentric gradient. The highest temperature is spread all over shear-slip zone and friction zone of the workpiece in a vacuum environment, which is above 420 K. The temperature of the chip and machined surface is higher than other regions, which is ranged from 360 to 390 K. For the whole workpiece, the temperature is at a high level, which is ranged from 340 to 360 K. From Figs. 9a and c, the temperature of the workpiece is also distributed as a concentric gradient and the highest temperature is distributed at the top area of the chip, which is around 370 K. The temperature value of the whole workpiece is at a lower level which is lower than 320 K. The temperature of the shear-slip area, the friction zone, and the machined surface are higher than other areas, which is ranged from 320 to 340 K.

Temperature distribution of workpiece in nano-cutting. a dan c are in water media, b and d are in vacuum environment

The highest temperature area of workpiece is transferred from the friction area to the cutting chip during nano-cutting process with water media as shown in Fig 9. And the highest and whole temperature of the workpiece are significantly reduced with the additional use of water media, and the temperature drop reached about 40–60 K. Due to the lubrication effect of water molecules, the friction between cutting tool and machined surface is reduced during nano-cutting process with water media. Hence, the temperature of the friction area declined dramatically. Meanwhile, the maximum shearing deformation occurred at the chip area and the maximum lattice deformation energy is stored in the chip, which makes the temperature of the chip higher than the friction area. Therefore, the highest temperature area is transferred from friction area to the cutting chip. Synchronously, a large amount of cutting heat is taken away by the water media which play a role in cooling the tool, workpiece, and cutting area. And the thermal movement of the monocrystal copper molecules is weakened. Furthermore, the kinetic energy of atomic thermal motion and the lattice deformation energy are decreased significantly. Therefore, the overall temperature and the highest temperature of the workpiece is reduced, whose degree of reduction arrived at 40–60 K. Finally, the thermal stress and thermal deformation of the workpiece are significantly reduced. Because of the participation of water media, the friction action between the flank surface of cutting tool and workpiece is weakened in cutting process. Then, the generation of heat by friction between cutting tool and workpiece is reduced. Thereby, the highest temperature area of the workpiece is transferred from the friction area of flank surface to the chip area. More importantly, the cooling effect and lubrication of water media will affect the nucleation, expansion, and annihilation of the dislocation in subsurface of the workpiece and ultimately affect the formation and evolution of the subsurface damage layers of the workpiece.

Effect of Aqueous Media on Subsurface Defects Structural Transformation

In order to clearly identify the subsurface defects of the workpiece in nano-cutting, the CNA method is used to analyze the workpiece after nano-cutting. The workpiece is colored by different atomic structure. The defect structural distribution of the workpiece during nano-cutting process with and without the use of aqueous media is shown as Figs. 10 and 11, in which the green, red, blue, and grey are FCC, HCP, BCC, and unknown structure, respectively.

Subsurface defect evolution of workpiece in nano-cutting without aqueous media. The green, red, blue, and grey area are representative of FCC, HCP, BCC, and unknown structure. The cutting distances of a, b, c, and d are 1 nm, 3 nm, 8 nm, and 15 nm, respectively

Surface and subsurface defect distribution in nano-cutting for workpiece with water media. The green, red, blue, and grey area are representative of FCC, HCP, BCC, and unknown structure. The cutting distances of a, b, c, d, e, and f are 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18nm, and 20nm respectively

In nano-cutting process under vacuum environment, dislocation nucleation occurred at the subsurface of workpiece under the extrusion and shearing action of the cutting tool, and the crystal structure is transformed into BCC, which is shown as Fig. 10a. The nucleated dislocation is extended along \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) direction, and the crystal structure is transformed into HCP. The crystal structure of many atoms in the shear-slip region become BCC, as shown in Fig. 10b. Two partial dislocations are extended along the \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) and \( \left[1\overline{1}0\right] \) directions, hindered each other, and be composed of Lomer-Cottrell dislocation lock. Finally, a typical V-shaped dislocation loop is formed, as shown in Fig. 10c. Part of the atoms in the shear-slip zone are moved upward along the rake face and are removed as cutting chip. The other part of the atoms are migrated downward along the flank face and are formed into the roughness machined surface by the extrusion and friction of the cutting tool, as shown in Fig. 10d.

The subsurface defect distribution and evolution of workpiece in nano-cutting with the use of water media is shown as Fig. 11. It can be seen from the figure that the mechanisms of dislocation nucleation and crystal structure transformation are similar with the cutting process in vacuum environment. The main difference is that the dislocation nucleation and expansion is insufficient in the nano-cutting process of water media. Besides, there are many stacking faults nucleated in the subsurface of the workpiece. The structure of stacking faults is transformed into HCP structure. Nevertheless, a typical defect “similar-to-grain boundary (SGB)” is formed in the subsurface of the workpiece.

In nano-cutting process, under the action of extrusion, shearing and friction by cutting tool, intense deformation of the workpiece is generated. Plenty of deformation energy and cutting heat are produced. The atomic lattice reconfiguration of subsurface is produced by the release of cutting heat and strain energy. And the subsurface defects and local crystal structure transformation are formed, as shown in Fig. 11a and 11b. When the water media participated in the nano-cutting process, most of the heat and energy is taken away. Hence, the dislocation defects have inadequate energy to extension and movement. Furthermore, the stacking faults are annihilated in the subsurface of the workpiece where the crystal defect structure stayed behind, as shown in Fig. 11c, whereafter these crystal defect structures are connected as a whole and are composed of the subsurface damage (SSD) layer together with the newly formed dislocations, as shown in Fig. 11d. After the following MD relaxation, some subsurface dislocation defects are disappeared and transformed into FCC structure, and the structure similar to “grain” is formed between machined surface and subsurface defects layer, as shown in Fig. 11e, while the original subsurface defects are transformed into a typical structure “similar-to-grain boundary (SGB),” as shown in Fig. 11f. On the SGB structure, a typical V shape dislocation loop is formed, as shown in Fig. 11e, f.

The metamorphic layer is obviously formed by the influence of the formation of SGB and “grain” structure in the subsurface of workpiece. Moreover, the new formed crystal structures which are similar with polycrystalline material can influence the mechanical performance and processability of single-crystal materials. Besides, it will affect even the performance of machined nano-components.