Studi Dinamika Molekul tentang Dinamika Pemotongan dalam Pemesinan Hibrida Silikon Tunggal Kristal
Abstrak
Dalam artikel ini, simulasi dinamika molekula dilakukan untuk menyelidiki mekanisme pemotongan selama proses pemesinan hibrida yang digabungkan asisten termal dan getaran. Model pemotongan yang dimodifikasi diterapkan untuk mempelajari perilaku pengelupasan materi dan pembentukan kerusakan subsurface dalam satu siklus getaran. Hasilnya menunjukkan bahwa selama proses pemesinan hibrida, mekanisme pengelupasan materi yang dominan dapat berubah dari ekstrusi menjadi geser dalam satu siklus getaran. Dengan peningkatan suhu pemotongan, pembentukan dan propagasi retakan secara efektif ditekan sementara pembengkakan muncul ketika mekanisme pengelupasan materi yang dominan menjadi geser. Mekanisme pembentukan kerusakan subsurface dalam satu siklus getaran dapat berbeda sesuai dengan distribusi stres. Selain itu, pembentukan rongga dalam workpiece menjadi jelas dengan peningkatan suhu, yang merupakan fenomena penting dalam proses pemesinan hibrida.
Pendahuluan
Silikon tunggal kristal adalah bahan semikonduktor penting yang telah banyak digunakan dalam sistem optika inframerah, mikroelektronika, dan optoelektronika karena properti optik dan mekanis yang unggul [1, 2]. Namun, karena sifat keras dan rapuh silikon tunggal kristal, retakan mikrokritis dan kerusakan subsurface dapat terjadi selama pemesinan mekanis. Proses mikro-milling dapat menghasilkan cacat kerucut tepi tipe interior yang diinduksi oleh pemesinan pada workpiece [3]. Pada pemesinan silikon berlian tunggal (SPDT), lapisan rusak berkisar dari 200 hingga 600 nm dapat terbentuk tergantung pada parameter pemrosesan [4, 5]. Meskipun lapisan rusak subsurface dapat diturunkan hingga sekitar 50 nm dengan penggerus dan pengkilap. Efisiensi pemesinan dan kemampuan dalam memproduksi struktur kompleks terbatas. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai teknologi pemesinan asisten telah diusulkan dan diuji. Khususnya, pemotongan asisten termal (TAC) [6] dan pemotongan asisten getaran (VAC) [7] telah menarik perhatian luas karena kinerja pemotongan luar biasa.
Untuk bahan rapuh seperti silikon tunggal kristal, transisi rapuh-duktile dapat dipromosikan ketika suhu pemesinan ditingkatkan. Proses TAC menyebabkan workpiece silikon melemas secara termal, yang mengakibatkan penurunan gaya pemotongan [8] dan energi pemotongan spesifik [9, 10]. Sementara itu, aneling fase tekanan tinggi menjadi fase kubik silikon menjadi jelas ketika suhu pemesinan ditingkatkan [11]. Dengan pilihan parameter pemesinan yang tepat, permukaan pemesinan yang diinginkan dengan murni fase tinggi dan kerusakan subsurface rendah dapat dicapai dengan TAC [12,13,14]. Selain TAC, pemotongan asisten getaran (VAC) adalah metode promosi lainnya untuk mencapai permukaan berkualitas tinggi pada silikon tunggal kristal. Teknik ini telah diterapkan di industri manufaktur sejak tahun 1960-an [15]. Dalam perkembangan awal teknologi ini, hanya gerakan getaran linear dalam arah pemotongan nominal yang dilakukan dalam pemesinan, yang disebut pemotongan getaran linear (LVC). Pada tahun 1994, pemotongan getaran elips (EVC) diusulkan oleh Shamoto dan Moriwaki [16]. Selanjutnya, kelayakan pemesinan EVC pada banyak bahan rapuh seperti silikon [17, 18], karbida silikon reaksi-bonded [7], karbida tungsten [19, 20], dan baja keras [21] telah diverifikasi. Proses EVC dapat menekan kerusakan subsurface secara efektif karena kedalaman potong transient (DOC) jauh lebih kecil dari DOC nominal [22]. Selain itu, karena pemisahan dalam setiap siklus getaran, permukaan kontak antara alat pemotong dan workpiece terekspos ke gas atau fluida sekitar, yang mengurangi panas pemotongan yang dihasilkan. Oleh karena itu, keausan alat pemotong seperti adhesi dan reaksi termo-kimia [23] dapat ditekan secara efektif.
Untuk meningkatkan lebih lanjut machinability bahan rapuh, eksperimen pemesinan hibrida (HM) yang menggabungkan asisten termal dan getaran telah dilakukan [24, 25]. Ditemukan bahwa saat memotong Inconel 718 dengan metode HM, kekasuran permukaan pemesinan dapat diturunkan secara efektif [26]. Melalui eksperimen dan simulasi elemen hingga (FEM), penurunan yang signifikan pada gaya pemotongan dan kualitas permukaan yang unggul pada titan dapat dicapai selama proses HM [27]. Hasil ini menunjukkan kelayakan metode HM dalam pemesinan presisi bahan rapuh. Namun, sulit untuk secara langsung mengamati dan mengukur variabel fisik selama proses pemesinan karena alat pemotong bergetar pada frekuensi tinggi dan zona deformasi berada pada suhu tinggi. Selain itu, dalam pembuatan permukaan nanometrik, ketebalan pengelupasan materi transient biasanya berkisar dari sub-nanometer hingga beberapa nanometer. Oleh karena itu, representasi kontinue tradisional masalah seperti FEM dipertanyakan karena efek mekanika kuantum menjadi jelas.
Dalam beberapa tahun terakhir, simulasi dinamika molekula (MD) telah banyak digunakan dalam penyelidikan proses pemesinan asisten karena keuntungannya dalam mempelajari proses pemotongan nanometrik [28,29,30]. Berdasarkan simulasi sebelumnya dari TAC [31], saat suhu pemotongan ditingkatkan, anisotropi pada gaya pemotongan, energi pemotongan spesifik, dan stres leleh menjadi lebih jelas. Sementara itu, gaya geser pada workpiece lebih rendah pada suhu pemotongan yang lebih tinggi, yang mengarah pada zona geser yang lebih sempit dan magnitudo sudut bidang geser yang lebih tinggi [32]. Selain itu, laju pengelupasan materi dapat ditingkatkan dengan peningkatan suhu pemotongan karena lebih banyak chip terbentuk [33]. Untuk proses EVC, telah ditemukan oleh simulasi MD bahwa stres kompresif dan stres geser di wilayah deformasi dapat diturunkan secara signifikan dibandingkan pemotongan biasa [34], yang menguntungkan untuk menekan kerusakan subsurface. Selain itu, proses EVC menunjukkan penipisan chip yang jelas, yang mengakibatkan peningkatan rasio ketebalan chip yang tidak terpotong terhadap ketebalan chip yang terpotong [35]. Selain itu, telah terungkap bahwa parameter getaran termasuk rasio amplitudo, frekuensi getaran, dan perbedaan fasa memiliki pengaruh besar terhadap kinerja pengelupasan materi [34, 36].
Pencapaian luar biasa ini telah meningkatkan pemahaman tentang mekanisme pemesinan untuk proses pemesinan asisten. Namun, untuk menghemat waktu komputasi dan memori, sistem simulasi biasanya cukup kecil. Dalam simulasi sebelumnya dari proses EVC, amplitudo getaran dan DOC nominal kurang dari 5 nm [22, 36]. Oleh karena itu, ketebalan pengelupasan materi transient biasanya kurang dari 1 nm, yang gagal untuk menggambarkan proses pengelupasan materi secara akurat. Selain itu, simulasi MD dari proses HM belum pernah dilaporkan. Mekanisme proses pengelupasan materi dan pembentukan kerusakan subsurface selama proses HM masih tidak jelas. Oleh karena itu, dalam artikel ini, simulasi MD dilakukan untuk mengungkap mekanisme pemotongan proses HM. Model pemotongan klasik dimodifikasi sehingga parameter getaran jauh lebih dekat dengan nilai eksperimental, misalnya amplitudo getaran diperbesar menjadi 40 nm dengan kecepatan pemotongan nominal 3,125 m/s. Mekanisme pengelupasan materi dalam satu siklus getaran dan pengaruh peningkatan suhu pemotongan diteliti. Simulasi MD dilakukan oleh Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [37] yang terkenal. Perangkat lunak pemrosesan pasca OVITO [38] digunakan untuk menganalisis hasil simulasi.
Metode Simulasi
Detail Model Pemotongan
Gambar 1 menunjukkan diagram skematik proses EVC, yang awalnya disajikan oleh Shamoto et al. [39]. Trajektori alat dapat dinyatakan sebagai:
$$x\left( t \right) = A_{{\text{c}}} \sin \left( {2\pi ft} \right) - vt$$ (1) $$z\left( t \right) = A_{{\text{d}}} \sin \left( {2\pi ft + \varphi } \right)$$ (2)
di mana x(t) dan z (t) mewakili perpindahan alat pemotong dalam arah x dan z. Ac dan Ad adalah amplitudo getaran dalam arah pemotongan nominal (arah x) dan arah DOC nominal (arah z negatif). Parameter f, v, φ, dan t mewakili frekuensi getaran, kecepatan pemotongan nominal, perbedaan fasa, dan waktu simulasi, masing-masing. Waktu simulasi ti mewakili waktu dari titik Pi pada trajektori alat dari Gambar 1.
Diagram skematik proses EVC
Menurut hubungan geometri [40], nilai dari t1 dan t3 dapat ditentukan oleh:
Model MD ditampilkan pada Gambar 2. Workpiece silikon tunggal kristal ditetapkan sebagai badan deformabel. Sementara alat berlian dianggap sebagai badan keras karena keausan alat dapat diabaikan dalam simulasi ini. Morfologi workpiece dalam model pemotongan klasik diubah bentuk sesuai dengan trajektori alat dalam siklus getaran sebelumnya dengan mempertimbangkan jari-jari tepi alat. Trajektori alat dapat ditentukan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b. Po dan Pb adalah pusat dan titik bawah lingkaran tepi alat. Ketika efek tepi alat dipertimbangkan, titik generasi permukaan transient Pc bervariasi sepanjang tepi alat selama gerakan alat. Permukaan hasil akhir dihasilkan oleh garis envelop tepi alat pemotong. Jika trajektori dari Pb dinyatakan oleh Eqs. (1) dan (2), trajektori dari Pc dapat dihitung melalui [41]:
$$x_{{\text{c}}} \left( t \right) = A_{{\text{c}}} \sin \left( {2\pi ft} \right) - vt - r\sin \theta \left( t \right)$$ (6) $$z_{{\text{c}}} \left( t \right) = A_{{\text{d}}} \sin \left( {2\pi ft + \varphi } \right) + r(1{-}\cos \theta \left( t \right))$$ (7)
Skema model pemotongan MD. a Modifikasi workpiece. b Penentuan trajektori alat. c Morfologi model MD yang dimodifikasi. Atom hijau mewakili wilayah deformasi dalam satu siklus getaran
Atom silikon dibagi menjadi tiga kelompok: atom batas, atom termostat, dan atom Newton. Atom batas tetap pada posisi seimbang mereka untuk memegang workpiece selama simulasi. Atom termostat dijaga pada suhu sekitar untuk mengurangi panas pemotongan yang dihasilkan sementara atom Newton mengikuti hukum kedua Newton.
Detail parameter simulasi tercantum dalam Tabel 1. Panjang l dan tinggi h ditentukan untuk menjaga jarak yang cukup antara zona pemotongan dan batas tetap. Kondisi batas periodik diterapkan sepanjang arah y untuk meniru silikon massa. Arah pemotongan nominal, sudut rak/kecelakaan alat, dan perbedaan fasa ditentukan dengan merujuk pada persiapan eksperimental [42]. Amplitudo getaran dan DOC nominal diperbesar untuk mendekati skala eksperimental dengan biaya simulasi yang dapat diterima. Sementara itu, untuk memastikan ketebalan materi yang dilepaskan (atom hijau pada Gambar 2c), rasio kecepatan dan frekuensi getaran ditetapkan masing-masing 40 dan 500 MHz. Oleh karena itu, kecepatan pemotongan nominal ditetapkan sebagai 3,125 m/s. Selain itu, simulasi dengan berbagai suhu pemotongan dilakukan untuk mengungkap efek asisten termal pada mekanisme pemotongan. Suhu pemotongan ditingkatkan dari 300 hingga 1200 K, yang dapat direalisasikan selama TAC seperti pemesinan bantu laser [4, 11].
Dalam model yang dimodifikasi ini, hanya tahap pemotongan selama siklus getaran yang disimulasikan dan waktu langkah saat workpiece terpisah dengan alat pemotong disimpan. Oleh karena itu, daya komputasi dapat difokuskan pada proses pemotongan transient. Yang terpenting, proses pengelupasan materi transient dapat dijelaskan secara akurat. Perbandingan antara model yang dimodifikasi dan model MD klasik ditampilkan dalam Tabel 2.
Fungsi Potensial
Dalam simulasi MD, penting untuk mengadopsi potensial yang kuat untuk menggambarkan interaksi antara atom. Untuk silikon tunggal kristal, para ahli telah mengembangkan banyak potensial seperti modified embedded-atom method (MEAM) [45], Stillinger–Weber (SW) [46], Tersoff [47] dan charge optimized many-body (COMB) [48] potensial. Di antara potensial ini, potensial urutan ikatan analitis (ABOP) yang diusulkan oleh Erhart dan Albe [49] telah menarik perhatian yang meningkat. Ini adalah fungsi potensial tiga-tubuh yang memungkinkan pembentukan dan pemecahan ikatan selama simulasi pemotongan. Menurut penelitian sebelumnya [50], ABOP dapat menggambarkan properti dimer dan massa silikon secara akurat. Sementara itu, properti mekanis silikon yang dibuat oleh ABOP konsisten dengan eksperimen dengan baik [31], yang penting dalam simulasi MD pemesinan skala nano. Oleh karena itu, dalam artikel ini, potensial ABOP diterapkan untuk menggambarkan interaksi silikon–silikon dan karbon–karbon. Sementara itu, interaksi silikon-karbon digambarkan oleh potensial Morse, yang telah terbukti sebagai potensial yang efisien dalam simulasi pemotongan skala nano [51, 52]. Fungsi potensial Morse dapat dinyatakan sebagai:
di mana DM, a, dan RM mewakili energi kohesi, modulus elastisitas, dan jarak seimbang antara atom, masing-masing. Parameter untuk potensial Morse adalah [53]: DM = 0.435 eV, a = 46.487 nm−1, RM = 0.19475 nm.
Hasil dan Pembahasan
Kinerja Pemotongan
Dalam pemotongan biasa, mekanisme pengelupasan materi yang dominan sangat dipengaruhi oleh ketebalan chip yang tidak terdeformasi [54]. Dengan ketebalan chip yang tidak terdeformasi kecil, mekanisme pengelupasan materi yang dominan adalah ekstrusi. Fase stabil logam (Si-II) dapat dihasilkan oleh transisi fase tekanan tinggi (HPPT), yang memfasilitasi deformasi duktile silikon. Ketika ketebalan chip yang tidak terdeformasi ditingkatkan, materi dapat dilepaskan terutama melalui proses geser. Sementara dalam proses EVC, karena ketebalan chip yang tidak terdeformasi terus berubah, mekanisme pengelupasan materi dapat berubah dari ekstrusi menjadi geser dalam satu siklus getaran. Gambar 3 menunjukkan tangkapan layar simulasi pemotongan pada 300 K. Struktur kristal workpiece ditentukan oleh analisis tetangga umum (CNA) [55]. Analisis ini menemukan atom yang disusun dalam jaringan berlian kubik atau heksagonal. Struktur non-beliran dalam Gambar 3c, e terutama mengandung fase amorf (a-Si), Si-II, dan atom defek lainnya [56]. Struktur-struktur ini tidak stabil dan akan berubah menjadi a-Si setelah pemotongan. Dari Gambar 3b, c dapat diamati bahwa materi terutama dilepaskan melalui ekstrusi pada tahap pemotongan awal. Titik stagnasi transient dapat diamati di dekat tepi alat pemotong. Mirip dengan pemotongan biasa, materi di wilayah deformasi dibagi oleh titik stagnasi menjadi chip dan materi yang ditekan. Seiring berjalannya alat pemotong, ketebalan chip yang tidak terdeformasi meningkat. Dataran geser dan butir polikristal terbentuk dalam workpiece, yang mengindikasikan bahwa geser menjadi mekanisme pengelupasan materi yang dominan.
Transisi mekanisme pengelupasan materi. a Ilustrasi wilayah deformasi. b, d Proses ekstrusi dan geser. c, e Identifikasi struktur kristal dalam workpiece. Atom biru mewakili struktur beliran kubik sementara atom abu-abu berada dalam struktur non-beliran
Gambar 4 menunjukkan morfologi workpiece pada berbagai suhu pemotongan. Pada 300 K, retakan dan pengikisan yang jelas dapat diamati dalam workpiece selama gerakan naik alat. Untuk bahan rapuh seperti silikon tunggal kristal, gerakan naik alat akan menyebabkan pelapisan materi dan meninggalkan cacat dalam workpiece, yang dianggap sebagai masalah spesifik dalam EVC [42]. Meskipun retakan ini dapat dihapus oleh siklus getaran lebih lanjut, stabilitas pemesinan akan terpengaruh karena ketidakteraturan permukaan workpiece. Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, pembentukan dan propagasi retakan secara efektif ditekan. Dari Gambar 4d, tidak ada pengikisan yang terdeteksi saat suhu pemotongan meningkat hingga 1200 K. Namun, diamati bahwa pada 900 K dan 1200 K, pembengkakan permukaan pemesinan menjadi jelas ketika mekanisme pengelupasan materi berubah menjadi geser. Dapat disimpulkan bahwa semakin banyak butir kristal yang dihasilkan pada tahap geser, pembengkakan dapat disebabkan oleh rotasi butir kristal ini pada suhu tinggi.
Morfologi workpiece proses HM pada a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K. Atom biru mewakili struktur beliran kubik sementara atom abu-abu berada dalam struktur non-beliran. e Penentuan sudut rotasi butir kristal. f Sudut rotasi dengan peningkatan suhu pemotongan
Untuk deskripsi yang jelas tentang rotasi ini, koordinat 24 atom yang ditandai (atom merah) dalam butir kristal digunakan untuk menghitung sudut rotasi rata-rata, seperti diilustrasikan pada Gambar 4e. Sudut rotasi 8 butir kristal (dinomor pada Gambar 4a–d) diringkas pada Gambar 4f. Dapat diamati bahwa sudut rotasi jelas meningkat pada suhu yang ditingkatkan. Selama proses HM, viskositas a-Si dapat diturunkan secara signifikan pada suhu tinggi dan gerakan menarik-up atom workpiece dipromosikan oleh gerakan naik alat. Oleh karena itu, aliran atom dalam workpiece ditingkatkan dan rotasi butir kristal dapat dimudahkan, yang mengarah pada pembengkakan permukaan pemesinan. Untuk menekan rotasi butir kristal, daya pemanasan harus dikontrol untuk menghindari overheat workpiece. Selain itu, parameter getaran harus dipilih dengan cermat, misalnya, kecepatan pemotongan nominal yang lebih kecil dan frekuensi getaran yang lebih tinggi harus diterapkan untuk menekan pembentukan butir kristal dan menghapus pembengkakan dengan siklus getaran lebih lanjut. Seperti diilustrasikan pada Gambar 5, dengan parameter getaran yang tepat, P1 dapat berada pada tahap ekstrusi dan permukaan pemesinan akhir dihasilkan melalui ekstrusi tanpa pembengkakan.
Penghapusan pembengkakan dalam proses HM
Bidang Stress dalam Workpiece
Untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme pemotongan selama proses HM, distribusi stres dalam workpiece dihitung. Dalam simulasi MD, stres hidrostatis dapat dinyatakan sebagai:
di mana σx, σy, dan σz, adalah tensor stres dari data keluaran LAMMPS.
Distribusi stres hidrostatis selama tahap ekstrusi dan geser ditampilkan pada Gambar 6. Dan nilai puncak stres di wilayah kompresif dan tarik ditandai. Seiring dengan gerakan alat, titik kontak antara alat dan workpiece bervariasi sepanjang siklus tepi alat, yang mengakibatkan pergerakan wilayah kompresif dari tepi alat ke muka rak. Menurut laporan sebelumnya, HPPT dari fase silikon tunggal kristal (Si-I) ke Si-II dapat terjadi pada tekanan mulai dari 10–12 GPa [57, 58]. Dalam simulasi pemotongan pada 300 K, stres kompresif maksimum pada tahap ekstrusi dan geser masing-masing mencapai 18,1 GPa dan 17,6 GPa. Hasil ini mengindikasikan bahwa fasa Si-II duktile dapat dihasilkan selama pemotongan dan HPPT masih ada pada tahap geser. Selain itu, pada tahap ekstrusi, stres tarik terutama terkonsentrasi di dekat area kontak antara muka flank alat dan permukaan pemesinan sebagai hasil dari adhesi atom silikon dan permukaan alat. Saat alat melangkah ke tahap geser, wilayah tarik diperluas dan konsentrasi stres tarik di workpiece subsurface meningkat secara signifikan, yang disebabkan oleh gerakan menarik-up. Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, deformabilitas plastis silikon tunggal kristal meningkat dan stres internal dalam workpiece menurun. Seiring dengan peningkatan suhu dari 300 hingga 1200 K, stres kompresif maksimum menurun 16,6% dan 25% pada tahap ekstrusi dan geser. Sementara itu, meskipun konsentrasi stres tarik di workpiece subsurface masih jelas, nilai puncak stres tarik jelas menurun lebih dari 30%. Telah dilaporkan bahwa keawetan retakan silikon tunggal kristal dapat ditingkatkan secara efektif pada suhu yang lebih tinggi [59]. Oleh karena itu, retakan dan pengikisan yang disebabkan oleh efek pelapisan karena gerakan naik alat dapat ditekan secara efektif.
Distribusi stres hidrostatis pada: a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K
Silikon tunggal kristal memiliki struktur kristal Face Center Cubic (FCC) dengan 12 sistem geser. Berdasarkan gerakan alat, sistem geser utama untuk deformasi geser adalah sistem (111)/[\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01] dan (1\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)1)/[\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01]. Oleh karena itu, komponen stres geser terpecahkan τs dalam sistem geser (111)/[\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01] dihitung. Seperti diilustrasikan pada Gambar 7, komponen stres geser terpecahkan τs dalam arah M dari bidang geser N dapat dihitung melalui tensor stres oleh:
di mana a1, b1, c1 adalah kosinus arah normal bidang N sementara a2, b2, c2 adalah kosinus arah geser M. Sementara τxy, τxz, dan τyz adalah tensor stres geser dari data keluaran LAMMPS.
Ilustrasi tensor stres
Distribusi stres geser terpecahkan τs ditampilkan pada Gambar 8. Wilayah dengan τs positif didefinisikan sebagai wilayah geser karena gerakan geser sepanjang arah [\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01] dipromosikan, yang memfasilitasi pengelupasan materi melalui geser. Sementara wilayah dengan τs negatif dianggap sebagai wilayah kerusakan karena gerakan geser lebih disukai di arah lawan, yang mengarah pada pembentukan kerusakan subsurface dalam workpiece. Pada tahap ekstrusi, stres di wilayah geser lebih kecil dari pada di wilayah kerusakan. Kerusakan subsurface yang disebabkan oleh deformasi geser dapat dihasilkan di bawah permukaan pemesinan [60]. Seiring dengan gerakan alat pemotong, stres geser sepanjang arah [\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01] bertingkat meningkat, mengakibatkan transisi pengelupasan materi dari ekstrusi menjadi geser. Selain itu, karena posisi wilayah kerusakan bergerak ke atas sepanjang gerakan alat, kerusakan yang dihasilkan dapat dihapus melalui siklus getaran lebih lanjut dan tidak akan tersisa dalam workpiece. Ketika suhu ditingkatkan dari 300 K hingga 1200 K, stres geser di wilayah kerusakan menurun 36,1% dan 42,4% pada tahap ekstrusi dan geser, masing-masing. Sebaliknya, karena gerakan naik alat, penurunan stres geser sepanjang arah [\(\stackrel{\mathrm{-}}{1}\)01] pada tahap geser jauh kurang jelas. Stes geser terpecahkan kritis (CRSS) untuk gerakan geser dapat dinyatakan sebagai [61]:
di mana U dan ε mewakili energi aktivasi gerakan meluncur dan laju regangan. Parameter n dan C adalah konstanta bahan. Dapat disimpulkan bahwa CRSS dapat diturunkan secara jelas dengan peningkatan suhu. Oleh karena itu, deformasi geser dalam arah [\({\overline{\text{1}}}\)01] dapat dimudahkan pada suhu yang ditingkatkan.
Distribusi stres geser terpecahkan pada: a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K
Transisi Fase
Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, transisi fase silikon dapat dipengaruhi secara signifikan. Relaksasi a-Si dan transisi ke Si-I dapat dipromosikan pada suhu yang tepat [62]. Dalam Gambar 4, pola kerusakan pada workpiece menjadi sempit pada suhu tinggi. Observasi terperinci pola kerusakan saat pemotongan pada 1200 K disajikan pada Gambar 9a. Diamati bahwa kerusakan yang dihasilkan di wilayah deformasi sebagian besar dipulihkan setelah pemotongan, yang mengindikasikan bahwa transisi dari struktur non-beliran ke Si-I telah terjadi. Dan lebih banyak atom Si-I dihasilkan saat suhu pemotongan ditingkatkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 9b. Selain itu, jaringan permukaan yang dibuat (warna merah) [63] dari workpiece pemesinan pada 1200 K ditampilkan pada Gambar 9c. Diamati bahwa beberapa rongga terbentuk di workpiece subsurface. Karena atom lebih rapat dalam fase Si-I, transisi ke Si-I dapat menyebabkan penyerut materi, yang menginduksi rongga dalam workpiece. Volume rongga pada berbagai suhu dihitung dan disajikan pada Gambar 9d. Diamati bahwa hampir tidak ada rongga yang dihasilkan pada suhu kamar. Sementara peningkatan yang jelas pada rongga dapat terdeteksi saat suhu pemotongan meningkat menjadi 900 K dan 1200 K.
Proses relaksasi dan rongga dalam workpiece. a Tangkapan layar pola kerusakan workpiece pada 1200 K. b Jumlah atom yang ditransformasikan dari struktur non-beliran ke fase Si-I. c Jaringan permukaan yang dibuat dari workpiece pada 1200 K. d Volume rongga pada berbagai suhu
Analisis lebih lanjut tentang rongga disajikan pada Gambar 10. Elemen materi di bawah permukaan pemesinan dipilih untuk memantau pembentukan rongga. Jumlah atom dalam struktur non-beliran dan evolusi stres elemen materi disajikan. Dapat disimpulkan bahwa selama proses pemotongan, elemen materi pertama kali ditekan dan kemudian mengalami stres tarik karena gerakan naik alat. Sementara itu, dua puncak stres geser dapat diamati pada 300 K karena stres geser di wilayah kerusakan meningkat saat alat pemotong melintasi. Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, penurunan stres geser lebih jelas daripada stres tarik. Pada 1200 K, puncak kedua stres geser hampir menghilang sementara stres tarik menjadi dominan dalam elemen materi selama proses relaksasi.
Relaksasi selama proses HM. a Ilustrasi elemen materi. b Statistik atom dalam struktur non-beliran dalam elemen materi. c, d Evolusi stres elemen materi
Untuk mengeksplorasi efek stres tarik pada proses pembentukan rongga, simulasi relaksasi sampel silikon massa dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11a, model awal terdiri dari 40% atom Si-I dan 60% atom a-Si, yang dihasilkan oleh metode melt-quench [64]. Ukuran model adalah 21,7 nm × 8,1 nm × 26,1 nm di arah x, y, dan z, yang berisi 230.400 atom. Antarmuka awal antara wilayah kristal dan non-kristal ditetapkan sebagai bidang kristal (001). Kondisi batas periodik diterapkan di tiga dimensi untuk meniru bahan massa. Jaringan permukaan yang dibuat dari model relaksasi ditampilkan pada Gambar 11b. Selain itu, untuk mengkuantifikasi rongga, fraksi volume padat dihitung sebagai rasio volume materi padat dan volume total sampel simulasi, seperti ditunjukkan pada Gambar 11c. Diamati bahwa saat suhu ditingkatkan, fraksi volume padat menurun secara jelas di bawah stres tarik. Oleh karena itu, untuk menekan rongga, suhu pemotongan yang diinginkan dalam proses HM harus lebih rendah dari pada TAC biasa. Sementara itu, parameter getaran harus dioptimalkan untuk mengurangi stres tarik di workpiece subsurface.
Simulasi relaksasi silikon. a Skema simulasi relaksasi MD. b Jaringan permukaan model relaksasi pada 1200 K. c Kurva fraksi volume padat
Kesimpulan
Dalam artikel ini, simulasi MD dilakukan untuk menyelidiki mekanisme pemotongan proses pemesinan hibrida (HM). Model pemotongan yang dimodifikasi diterapkan untuk mengungkap perilaku pengelupasan materi dan pembentukan kerusakan subsurface dalam satu siklus getaran. Kesimpulan utama adalah sebagai berikut:
(1)
Selama proses HM, mekanisme pengelupasan materi yang dominan dapat berubah dari ekstrusi menjadi geser dalam satu siklus getaran. Dengan peningkatan suhu pemotongan, pembentukan dan propagasi retakan dapat ditekan secara efektif. Namun, pembengkakan muncul ketika mekanisme pengelupasan materi yang dominan menjadi geser, yang disebabkan oleh rotasi butir kristal dalam workpiece.
(2)
Berdasarkan analisis stres, mekanisme pembentukan utama kerusakan subsurface dalam satu siklus getaran dapat berbeda. Pada tahap ekstrusi, kerusakan subsurface dapat dihasilkan oleh stres geser di wilayah kerusakan. Sementara pada tahap geser, stres tarik menjadi dominan dalam pembentukan kerusakan subsurface. Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, meskipun konsentrasi stres tarik di workpiece subsurface masih jelas, nilai puncak stres jelas menurun, yang secara efektif menekan retakan dan pengikisan dalam workpiece.
(3)
Ketika suhu pemotongan ditingkatkan, kurang kerusakan subsurface dihasilkan dalam workpiece. Namun, karena stres tarik, beberapa rongga dapat dihasilkan dalam workpiece saat suhu pemotongan ditingkatkan. Oleh karena itu, suhu pemotongan yang diinginkan selama proses HM harus lebih rendah dari pada TAC biasa dan parameter getaran harus diatur dengan cermat untuk menekan rongga di workpiece subsurface.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang digunakan dan dianalisis dalam studi saat ini dapat diperoleh dari penulis tanggung jawab atas permintaan yang wajar.
