Simulasi Dinamika Molekuler Mekanisme Pemotongan pada Proses Pemesinan Hibrida Silikon Kristal Tunggal

Abstrak

Dalam makalah ini, simulasi dinamika molekul dilakukan untuk menyelidiki mekanisme pemotongan selama proses pemesinan hibrid yang menggabungkan asisten termal dan getaran. Model pemotongan yang dimodifikasi diterapkan untuk mempelajari perilaku pemindahan material dan pembentukan kerusakan bawah permukaan dalam satu siklus getaran. Hasil penelitian menunjukkan bahwa selama proses pemesinan hibrida, mekanisme penghilangan material yang dominan dapat berubah dari ekstrusi menjadi geser dalam satu siklus getaran. Dengan peningkatan suhu pemotongan, generasi dan penyebaran retakan secara efektif ditekan sementara pembengkakan muncul ketika mekanisme penghilangan material yang dominan menjadi geser. Mekanisme pembentukan kerusakan bawah permukaan dalam satu siklus getaran dapat dibedakan menurut distribusi tegangannya. Selain itu, munculnya kekosongan dalam benda kerja menjadi jelas dengan meningkatnya suhu, yang merupakan fenomena penting dalam proses pemesinan hibrida.

Pengantar

Silikon kristal tunggal adalah bahan semikonduktor penting, yang telah banyak digunakan dalam optik inframerah, mikroelektronika, dan sistem optoelektronika karena sifat optik dan mekaniknya yang sangat baik [1, 2]. Namun, karena sifat kekerasan dan kerapuhan silikon kristal tunggal, patah getas mikroskopis dan kerusakan bawah permukaan dapat dihasilkan selama pemesinan mekanis. Selama proses penggilingan mikro, cacat chipping tepi tipe interior yang diinduksi oleh pemesinan dapat dihasilkan pada benda kerja [3]. Dalam pemesinan pemotongan berlian kristal tunggal (SPDT), lapisan yang rusak berkisar antara 200 hingga 600 nm dapat terbentuk tergantung pada parameter pemrosesan [4, 5]. Meskipun lapisan kerusakan bawah permukaan dapat dikurangi menjadi sekitar 50 nm dengan penggilingan dan pemolesan. Efisiensi dan kemampuan pemesinan dalam membuat struktur kompleks terbatas. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai teknologi mesin bantu telah diusulkan dan diuji. Secara khusus, pemotongan dengan bantuan termal (TAC) [6] dan pemotongan dengan bantuan getaran (VAC) [7] telah menarik perhatian luas karena kinerja pemotongannya yang luar biasa.

Untuk material getas seperti silikon kristal tunggal, transisi getas ke ulet dapat ditingkatkan ketika suhu pemesinan dinaikkan. Selama proses TAC, benda kerja silikon melunak secara termal, yang menyebabkan penurunan gaya potong [8] dan energi pemotongan spesifik [9, 10]. Sementara itu, anil fase tekanan tinggi menjadi fase silikon kubik menjadi jelas ketika suhu pemesinan dinaikkan [11]. Dengan pemilihan parameter pemesinan yang tepat, permukaan mesin yang diinginkan dengan kemurnian fasa tinggi dan kerusakan bawah permukaan yang rendah dapat dicapai dengan TAC [12,13,14]. Selain TAC, pemotongan dengan bantuan getaran (VAC) adalah metode promosi lain untuk mencapai permukaan berkualitas tinggi pada silikon kristal tunggal. Teknik ini telah diterapkan dalam industri manufaktur sejak tahun 1960-an [15]. Dalam perkembangan awal teknologi ini, hanya gerakan getaran linier pada arah pemotongan nominal yang dipraktekkan dalam pemesinan, yang disebut sebagai pemotongan getaran linier (Line Vibration Cutting/LVC). Pada tahun 1994, pemotongan getaran elips (EVC) diusulkan oleh Shamoto dan Moriwaki [16]. Sebagai berikut, kelayakan pemesinan EVC pada banyak bahan rapuh seperti silikon [17, 18], silikon karbida terikat-reaksi [7], tungsten karbida [19, 20], dan baja pengerasan [21] telah diverifikasi. Selama proses EVC, kerusakan bawah permukaan dapat ditekan secara efektif karena kedalaman transien (DOC) jauh lebih kecil daripada DOC nominal [22]. Selain itu, karena pemisahan di setiap siklus getaran, permukaan kontak antara pahat dan benda kerja terpapar ke gas atau cairan di sekitarnya, yang menghilangkan panas pemotongan yang dihasilkan. Oleh karena itu, keausan pahat seperti adhesi dan reaksi termokimia [23] dapat ditekan secara efektif.

Untuk lebih meningkatkan machinability bahan rapuh, percobaan hybrid machining (HM) menggabungkan asisten termal dan getaran telah dilakukan [24, 25]. Ditemukan bahwa ketika memotong Inconel 718 dengan metode HM, kekasaran permukaan mesin dapat dikurangi secara efektif [26]. Melalui eksperimen dan simulasi metode elemen hingga (FEM), penurunan substansial dari gaya potong dan kualitas permukaan yang unggul dari paduan titanium 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 dalam frekuensi tinggi dan zona deformasi berada pada suhu tinggi. Selanjutnya, dalam fabrikasi permukaan nanometri, ketebalan pemindahan material transien biasanya berkisar dari sub-nanometer hingga beberapa nanometer. Oleh karena itu, representasi kontinum tradisional dari masalah seperti FEM dipertanyakan karena efek mekanika kuantum menjadi jelas.

Dalam beberapa tahun terakhir, simulasi dinamika molekul (MD) telah banyak diterapkan dalam penyelidikan proses pemesinan bantu karena keuntungannya dalam mempelajari proses pemotongan nanometrik [28,29,30]. Berdasarkan simulasi TAC sebelumnya [31], ketika suhu pemotongan dinaikkan, anisotropi pada gaya pemotongan, energi pemotongan spesifik, dan tegangan leleh menjadi lebih jelas. Sementara itu, gaya geser pada benda kerja lebih rendah pada suhu pemotongan yang lebih tinggi, yang mengarah ke zona geser yang lebih sempit dan besaran sudut bidang geser yang lebih tinggi [32]. Selanjutnya, laju penghilangan material dapat ditingkatkan dengan meningkatnya suhu pemotongan karena lebih banyak chip yang terbentuk [33]. Untuk proses EVC, telah ditemukan dengan simulasi MD bahwa tegangan tekan dan tegangan geser di daerah deformasi dapat sangat berkurang dibandingkan dengan pemotongan biasa [34], yang menguntungkan untuk menekan kerusakan bawah permukaan. Selain itu, proses EVC menunjukkan penipisan yang jelas dari chip yang dipotong, yang mengakibatkan peningkatan rasio ketebalan chip yang belum dipotong terhadap ketebalan chip yang dipotong [35]. Selanjutnya, telah terungkap bahwa parameter getaran termasuk rasio amplitudo, frekuensi getaran, dan perbedaan fase memiliki pengaruh besar pada kinerja pemindahan material [34, 36].

Pencapaian luar biasa ini telah meningkatkan pemahaman tentang mekanisme pemesinan untuk proses pemesinan bantu. Namun, untuk menghemat waktu komputasi dan memori, sistem simulasi biasanya cukup kecil. Dalam simulasi proses EVC sebelumnya, amplitudo getaran dan DOC nominal kurang dari 5 nm [22, 36]. Oleh karena itu, ketebalan pemindahan material sementara biasanya kurang dari 1 nm, yang gagal menggambarkan proses pemindahan material yang sebenarnya secara akurat. Selain itu, simulasi MD dari proses HM belum dilaporkan. Mekanisme proses pemindahan material dan pembentukan kerusakan bawah permukaan selama proses HM masih belum jelas. Oleh karena itu, pada makalah ini dilakukan simulasi MD untuk mengungkap mekanisme pemotongan pada proses HM. Model pemotongan klasik dimodifikasi sehingga parameter getaran lebih mendekati nilai eksperimental, misalnya amplitudo getaran diperbesar hingga 40 nm dengan kecepatan potong nominal 3,125 m/s. Mekanisme penghilangan material dalam satu siklus getaran dan pengaruh peningkatan suhu pemotongan diselidiki. Simulasi MD dilakukan oleh Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) yang terkenal [37]. Perangkat lunak pasca pemrosesan OVITO [38] digunakan untuk menganalisis hasil simulasi.

Metode Simulasi

Detail Model Pemotongan

Gambar 1 menunjukkan diagram skema proses EVC, yang awalnya disajikan oleh Shamoto et al. [39]. Lintasan alat dapat dinyatakan sebagai:

$$x\left( t \kanan) =A_{{\text{c}}} \sin \left( {2\pi kaki} \kanan) - vt$$ (1) $$z\left( t \ kanan) =A_{{\text{d}}} \sin \left( {2\pi kaki + \varphi } \kanan)$$ (2)

dimana x (t ) dan z (t ) mewakili perpindahan pahat dalam x dan z arah. A _c dan A _d adalah amplitudo getaran dalam arah pemotongan nominal (x arah) dan arah DOC nominal (negatif z arah). Parameter f , v , φ , dan t masing-masing mewakili frekuensi getaran, kecepatan potong nominal, perbedaan fasa, dan waktu simulasi. Waktu simulasi t _i mewakili waktu titik P _i pada lintasan alat dari Gbr. 1.

Diagram skema dari proses EVC

Menurut hubungan geometris [40], nilai t ₁ dan t ₃ dapat ditentukan dengan:

$$x\left( {t_{1} } \kanan){-}x\left( {t_{3} } \kanan) =2\pi v/\omega$$ (3) $$z\left( {t_{1} } \kanan){-}z\left( {t_{3} } \kanan) =0$$ (4)

Lalu, t ₆ dapat diperoleh bila arah gerakan transien pahat berlian sejajar dengan permukaan rake pahat:

$$\frac{{A_{{\text{c}}} \sin (2\pi ft_{6} ) + v}}{{A_{{\text{d}}} \sin (2\pi ft_ {6} + \varphi ) }} =\tan \gamma$$ (5)

dimana γ adalah sudut penggaruk alat pemotong berlian.

Model MD ditunjukkan pada Gbr. 2. Benda kerja silikon kristal tunggal diatur sebagai bodi yang dapat dideformasi. Sedangkan pahat intan dianggap sebagai benda tegar karena keausan pahat dapat diabaikan dalam simulasi ini. Morfologi benda kerja pada model pemotongan klasik dibentuk ulang sesuai dengan lintasan pahat pada siklus getaran sebelumnya dengan pertimbangan radius tepi pahat. Lintasan pahat dapat ditentukan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b. P _o dan P _b adalah titik tengah dan titik bawah lingkaran tepi pahat. Ketika efek tepi pahat dipertimbangkan, titik pembentukan permukaan transien P _c bervariasi di sepanjang tepi pahat selama pergerakan pahat. Permukaan akhir yang sebenarnya dihasilkan oleh garis amplop dari tepi alat pemotong. Jika lintasan P _b diungkapkan oleh Persamaan. (1) dan (2), lintasan P _c 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) $$z_{{\text{c}}} \left( t \right) =A_{{\text{d}}} \sin \left( { 2\pi ft + \varphi } \kanan) + r(1{-}\cos \theta \left( t \kanan))$$ (7)

dimana

$$\sin \theta \left( t \kanan) =\frac{{z^{{\prime }} (t)}}{{\sqrt {x^{{\prime }} (t)^{2 } + z^{{\prime }} (t)^{2} } }}$$ (8) $$\cos \theta \left( t \right) =\frac{{ - x^{{\prime }} (t)}}{{\sqrt {x^{{\prime }} (t)^{2} + z^{{\prime }} (t)^{2} } }}$$ (9 )

Skema model pemotongan MD. a Modifikasi benda kerja. b Penentuan lintasan alat. c Morfologi model MD yang dimodifikasi. Atom hijau mewakili daerah deformasi dalam satu siklus getaran

Atom silikon dibagi menjadi tiga kelompok:atom batas, atom termostat, dan atom Newtonian. Atom batas ditetapkan dalam posisi seimbang untuk menahan benda kerja selama simulasi. Atom termostat disimpan pada suhu sekitar untuk menghilangkan 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 y arah untuk meniru silikon massal. Arah pemotongan nominal, sudut penggaruk/kelonggaran pahat, dan perbedaan fasa ditentukan dengan mengacu pada pengaturan eksperimental [42]. Amplitudo getaran dan nominal DOC diperbesar untuk mendekati skala eksperimen dengan biaya simulasi yang dapat diterima. Sementara itu, untuk memastikan ketebalan material yang dihilangkan (atom hijau pada Gambar 2c), rasio kecepatan dan frekuensi getaran masing-masing ditetapkan sebagai 40 dan 500 MHz. Oleh karena itu, kecepatan potong nominal ditentukan sebagai 3,125 m/s. Selanjutnya dilakukan simulasi dengan temperatur pemotongan yang berbeda untuk mengetahui pengaruh asisten termal terhadap mekanisme pemotongan. Suhu pemotongan ditingkatkan dari 300 menjadi 1200 K, yang dapat direalisasikan selama TAC seperti pemesinan berbantuan laser [4, 11].

Dalam model yang dimodifikasi ini, hanya tahap pemotongan selama siklus getaran yang disimulasikan dan langkah waktu saat benda kerja dipisahkan dengan pahat disimpan. Oleh karena itu, daya komputasi dapat dikonsentrasikan pada proses pemotongan transien. Yang terpenting, proses pemindahan material sementara dapat dijelaskan secara akurat. Perbandingan antara model yang dimodifikasi dan model MD klasik ditunjukkan pada Tabel 2.

Fungsi Potensial

Dalam simulasi MD, penting untuk mengadopsi potensi yang kuat untuk menggambarkan interaksi antar atom. Untuk silikon kristal tunggal, para ahli telah mengembangkan banyak potensi seperti metode atom tertanam yang dimodifikasi (MEAM) [45], Stillinger-Weber (SW) [46], Tersoff [47] dan muatan yang dioptimalkan banyak benda (COMB) [ 48] potensi. Di antara potensi ini, potensi orde ikatan analitis (ABOP) yang diusulkan oleh Erhart dan Albe [49] telah menarik perhatian yang berkembang. Ini adalah fungsi potensial tiga benda yang memungkinkan pembentukan dan pemutusan ikatan selama simulasi pemesinan. Menurut penelitian sebelumnya [50], ABOP dapat menggambarkan sifat dimer dan bulk silikon secara akurat. Sementara itu, sifat mekanik silikon yang dibuat oleh ABOP konsisten dengan eksperimen dengan baik [31], yang penting dalam simulasi MD mesin skala nano. Oleh karena itu, dalam makalah ini, potensi ABOP diterapkan untuk menggambarkan interaksi silikon-silikon dan karbon-karbon. Sementara itu, interaksi silikon-karbon digambarkan oleh potensi Morse, yang telah terbukti sebagai potensi yang efisien dalam simulasi pemotongan skala nano [51, 52]. Fungsi potensial Morse dapat dinyatakan sebagai:

$$E_{{\text{Si - C}}} \left( {r_{ij} } \right) \, =D_{{\text{M}}} \left[ {{\text{e}} ^{{ - 2a(r_{ij} - R_{{\text{M}}} )}} - 2{\text{e}}^{{ - a(r_{ij} - R_{{\text{ M}}} )}} } \kanan]$$ (10)

dimana D _M , a, dan R _M mewakili energi kohesi, modulus elastisitas, dan jarak kesetimbangan antara atom, masing-masing. Parameter untuk potensi Morse adalah [53]:D _M = 0.435 eV, a = 46.487 nm⁻¹ , R _M = 0.19475 nm.

Hasil dan Diskusi

Kinerja Pemotongan

Dalam pemotongan biasa, mekanisme penghilangan material yang dominan dapat sangat dipengaruhi oleh ketebalan chip yang tidak terdeformasi [54]. Dengan ketebalan chip kecil yang tidak terdeformasi, mekanisme penghilangan material yang dominan adalah ekstrusi. Fase stabil logam (Si-II) dapat dihasilkan oleh transisi fase tekanan tinggi (HPPT), yang memfasilitasi deformasi ulet silikon. Ketika ketebalan chip yang tidak terdeformasi ditingkatkan, material dapat dihilangkan terutama melalui proses geser. Sementara dalam proses EVC, karena ketebalan chip yang tidak terdeformasi selalu berubah-ubah, mekanisme pemindahan material dapat berubah dari ekstrusi menjadi geser dalam satu siklus getaran. Gambar 3 menunjukkan snapshot simulasi pemotongan pada 300 K. Struktur kristal benda kerja ditentukan oleh analisis tetangga umum (CNA) [55]. Analisis ini menemukan atom yang tersusun dalam kisi berlian kubik atau heksagonal. Struktur non-berlian pada Gambar. 3c, e terutama mengandung fase amorf (a-Si), Si-II, dan atom cacat lainnya [56]. Struktur ini tidak stabil dan akan berubah menjadi a-Si setelah dipotong. Dapat diamati dari Gambar 3b, c bahwa material terutama dihilangkan melalui ekstrusi pada tahap pemotongan awal. Titik stagnasi sementara dapat diamati di dekat tepi pahat potong. Mirip dengan pemotongan biasa, bahan di daerah deformasi dibagi dengan titik stagnasi menjadi chip dan bahan terkompresi. Saat alat pemotong berjalan, ketebalan chip yang tidak berubah bentuk meningkat. Bidang geser dan butiran polikristal dihasilkan di benda kerja, menunjukkan bahwa geser menjadi mekanisme penghilangan material yang dominan.

Transisi mekanisme pemindahan material. a Ilustrasi daerah deformasi. b , d Proses ekstrusi dan geser. c , e Identifikasi struktur kristal pada benda kerja. Atom biru mewakili struktur berlian kubik sedangkan atom abu-abu berada dalam struktur non-berlian

Gambar 4 menunjukkan morfologi benda kerja pada suhu pemotongan yang berbeda. Pada 300 K, retakan dan patahan yang nyata dapat diamati pada benda kerja selama pahat bergerak ke atas. Untuk bahan rapuh seperti silikon kristal tunggal, gerakan pahat ke atas akan menyebabkan robeknya bahan dan meninggalkan cacat pada benda kerja, yang dianggap sebagai masalah khusus dalam EVC [42]. Meskipun retakan ini dapat dihilangkan dengan siklus getaran lebih lanjut, stabilitas pemesinan akan terpengaruh karena ketidakteraturan permukaan benda kerja. Ketika suhu pemotongan meningkat, generasi dan penyebaran retakan secara efektif ditekan. Dari Gambar 4d, tidak ada patahan yang jelas terdeteksi saat suhu pemotongan naik ke 1200 K. Namun, diamati bahwa pada 900 K dan 1200 K, pembengkakan permukaan mesin menjadi jelas ketika mekanisme pemindahan material diubah menjadi geser. Dapat disimpulkan bahwa semakin banyak butiran kristal yang dihasilkan pada tahap geser, pembengkakan dapat disebabkan oleh rotasi butiran kristal ini pada suhu tinggi.

Morfologi benda kerja dari proses HM di a 300 K. b 600 K. c 900 K. h 1200 K. Atom biru mewakili struktur berlian kubik sedangkan atom abu-abu berada dalam struktur bukan berlian. e Penentuan sudut rotasi butiran kristal. f Sudut rotasi dengan meningkatnya suhu pemotongan

Untuk deskripsi yang jelas tentang rotasi ini, koordinat 24 atom bertanda (atom merah) dalam butiran kristal digunakan untuk menghitung sudut rotasi rata-rata, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4e. Sudut rotasi 8 butir kristal (dinomori pada Gambar 4a–d) diringkas dalam Gambar 4f. Dapat diamati bahwa sudut rotasi jelas meningkat pada suhu tinggi. Selama proses HM, viskositas a-Si dapat sangat berkurang pada suhu tinggi dan gerakan menarik atom benda kerja didorong oleh gerakan ke atas pahat. Oleh karena itu, aliran atom dalam benda kerja ditingkatkan dan rotasi butiran kristal dapat difasilitasi, yang menyebabkan pembengkakan permukaan mesin. Untuk menahan rotasi butiran kristal, daya pemanasan harus dikontrol untuk menghindari panas berlebih pada benda kerja. Selain itu, parameter getaran harus dipilih dengan hati-hati, misalnya kecepatan potong nominal yang lebih kecil dan frekuensi getaran yang lebih tinggi harus diterapkan untuk menekan pembentukan butiran kristal dan menghilangkan pembengkakan dengan siklus getaran lebih lanjut. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5, dengan parameter getaran yang sesuai, P ₁ dapat ditemukan di tahap ekstrusi dan permukaan mesin akhir dihasilkan melalui ekstrusi tanpa pembengkakan.

Menghilangkan pembengkakan dalam proses HM

Medan Tegangan pada Benda Kerja

Untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme pemotongan selama proses HM, distribusi tegangan pada benda kerja dihitung. Dalam simulasi MD, tegangan hidrostatik dapat dinyatakan sebagai:

$$\sigma_{{{\text{hidrostatik}}}} =\, (\sigma_{x} + \sigma_{y} + \sigma_{z} )/3$$ (11)

dimana σ _x , σ _y , dan σ _z , adalah tensor tegangan dari data keluaran LAMMPS.

Distribusi tegangan hidrostatik selama tahap ekstrusi dan geser ditunjukkan pada Gambar. 6. Dan nilai puncak tegangan di daerah tekan dan tarik ditandai. Dengan pergerakan pahat, titik kontak antara pahat dan benda kerja bervariasi sepanjang siklus tepi pahat, yang menghasilkan pergerakan daerah tekan dari tepi pahat ke permukaan rake. Mengikuti laporan sebelumnya, HPPT dari fase silikon kristal tunggal (Si-I) ke Si-II dapat terjadi pada tekanan mulai dari 10-12 GPa [57, 58]. Dalam simulasi pemotongan pada 300 K, tegangan tekan maksimum pada tahap ekstrusi dan geser masing-masing mencapai 18,1 GPa dan 17,6 GPa. Hasil ini menunjukkan bahwa fase daktail Si-II dapat dihasilkan selama pemotongan dan HPPT masih ada pada tahap geser. Selain itu, pada tahap ekstrusi, tegangan tarik terutama terkonsentrasi di dekat area kontak antara permukaan sayap pahat dan permukaan mesin sebagai akibat dari adhesi atom silikon dan permukaan pahat. Saat pahat melanjutkan ke tahap geser, daerah tarik diperbesar dan konsentrasi tegangan tarik di benda kerja bawah permukaan sangat meningkat, yang disebabkan oleh gerakan menarik ke atas. Ketika suhu pemotongan meningkat, deformabilitas plastik silikon kristal tunggal ditingkatkan dan tegangan internal pada benda kerja berkurang. Saat suhu meningkat dari 300 ke 1200 K, tegangan tekan maksimum menurun 16,6% dan 25% pada tahap ekstrusi dan geser. Sementara itu, meskipun konsentrasi tegangan tarik di bawah permukaan benda kerja masih terlihat jelas, nilai puncak tegangan tarik ternyata menurun lebih dari 30%. Telah dilaporkan bahwa ketangguhan patah dari silikon kristal tunggal dapat ditingkatkan secara efektif pada suhu yang lebih tinggi [59]. Oleh karena itu, retak dan patah yang disebabkan oleh efek robek akibat gerakan ke atas pahat dapat ditekan secara efektif.

Distribusi tegangan hidrostatik pada:a 300 K. b 600 K. c 900 K. h 1200 K

Silikon kristal tunggal memiliki struktur kristal Face Center Cubic (FCC) dengan 12 sistem slip. Berdasarkan pergerakan pahat, sistem slip utama untuk deformasi geser adalah (111)/[$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] dan (1$\stackrel{\mathrm{- }}{1}$1)/[$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] sistem. Oleh karena itu, komponen tegangan geser yang diselesaikan τ _s dalam sistem slip (111)/[$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] dihitung. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 7, komponen tegangan geser yang diselesaikan τ _s ke arah M dari bidang slip N dapat dihitung melalui tensor tegangan dengan:

$$\tau_{{\text{s}}} =a_{1} a_{2} \sigma_{x} + b_{1} b_{2} \sigma_{y} + c_{1} c_{2} \sigma_{z} + \left( {a_{1} b_{2} + a_{2} b_{1} } \right)\tau_{xy} + \left( {a_{1} c_{2} + a_{2} c_{1} } \right)\tau_{xz} + \left( {b_{1} c_{2} + b_{2} c_{1} } \right)\tau_{yz}$$ (12)

dimana a ₁ , b ₁ , c ₁ adalah cosinus arah dari arah normal bidang N sementara a ₂ , b ₂ , c ₂ adalah cosinus arah dari arah slip M . Sementara τ _xy , τ _xz , dan τ _yz adalah tensor tegangan geser dari data keluaran LAMMPS.

Ilustrasi tensor tegangan

Distribusi tegangan geser yang diselesaikan τ _s ditunjukkan pada Gambar. 8. Wilayah dengan τ . positif _s didefinisikan sebagai daerah geser karena gerakan slip sepanjang arah [$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] dipromosikan, yang memfasilitasi pemindahan material melalui geser. Sedangkan wilayah dengan τ . negatif _s dianggap sebagai daerah kerusakan karena gerakan slip lebih disukai dalam arah yang berlawanan, yang mengarah pada pembentukan kerusakan bawah permukaan pada benda kerja. Pada tahap ekstrusi, tegangan di daerah geser lebih kecil daripada di daerah rusak. Kerusakan bawah permukaan yang disebabkan oleh deformasi geser dapat dihasilkan di bawah permukaan mesin [60]. Saat pahat bergerak, tegangan geser sepanjang arah [$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] secara bertahap meningkat, menyebabkan transisi pemindahan material dari ekstrusi ke geser. Selain itu, karena posisi daerah kerusakan bergerak ke atas sepanjang pergerakan pahat, kerusakan yang ditimbulkan dapat dihilangkan melalui siklus getaran lebih lanjut dan tidak akan tertinggal di benda kerja. Ketika suhu dinaikkan dari 300 K ke 1200 K, tegangan geser di daerah kerusakan masing-masing menurun 36,1% dan 42,4% pada tahap ekstrusi dan geser. Sebaliknya, karena pahat bergerak ke atas, penurunan tegangan geser sepanjang arah [$\stackrel{\mathrm{-}}{1}$01] dalam tahap geser jauh lebih kecil. Tegangan geser kritis terselesaikan (CRSS) untuk gerakan slip dapat dinyatakan sebagai [61]:

$$\tau_{{\text{c}}} \left( T \right) =C\varepsilon^{1/n} \exp \left( \frac{U}{nkT} \right)$$ (13 )

dimana U dan mewakili energi aktivasi gerakan meluncur dan laju regangan. Parameter n dan C adalah konstanta material. Dapat disimpulkan bahwa CRSS dapat diturunkan secara nyata dengan meningkatnya suhu. Oleh karena itu, deformasi geser dalam arah [${\overline{\text{1}}}$01] dapat difasilitasi pada suhu tinggi.

Distribusi tegangan geser yang diselesaikan pada:a 300 K. b 600 K. c 900 K. h 1200 K

Transisi Fase

Ketika suhu pemotongan meningkat, transisi fase silikon dapat sangat dipengaruhi. Relaksasi a-Si dan transisi ke Si-I dapat ditingkatkan pada suhu yang sesuai [62]. Pada Gbr. 4, pola kerusakan pada benda kerja menjadi lebih sempit pada suhu tinggi. Pengamatan mendetail tentang pola kerusakan saat pemotongan pada 1200 K ditunjukkan pada Gambar. 9a. Diamati bahwa kerusakan yang dihasilkan di wilayah deformasi sebagian pulih setelah pemotongan, menunjukkan bahwa transisi dari struktur non-berlian ke Si-I telah terjadi. Dan lebih banyak atom Si-I yang dihasilkan ketika suhu pemotongan dinaikkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9b. Selanjutnya, mesh permukaan yang dibuat (warna merah) [63] dari benda kerja yang dikerjakan pada 1200 K terdapat pada Gambar. 9c. Diamati bahwa beberapa kekosongan terbentuk di benda kerja bawah permukaan. Karena atom lebih rapat dalam fase Si-I, transisi ke Si-I dapat menyebabkan penyusutan material, yang menyebabkan kekosongan pada benda kerja. Volume kekosongan pada suhu yang berbeda dihitung dan disajikan pada Gambar. 9d. Diamati bahwa hampir tidak ada lowongan yang dihasilkan pada suhu kamar. Sementara peningkatan kekosongan yang nyata dapat dideteksi saat suhu pemotongan meningkat menjadi 900 K dan 1200 K.

Proses relaksasi dan kekosongan pada benda kerja. a Cuplikan pola kerusakan benda kerja pada 1200 K. b Jumlah atom yang diubah dari struktur non-intan menjadi fase Si-I. c Jaring permukaan benda kerja yang dibuat pada 1200 K. d Volume kekosongan pada suhu yang berbeda

Analisis lebih lanjut dari kekosongan disajikan pada Gambar 10. Sebuah elemen material di bawah permukaan mesin dipilih untuk memantau generasi kekosongan. Jumlah atom dalam struktur non-berlian dan evolusi tegangan dari elemen material ada. Disimpulkan bahwa selama proses pemotongan, elemen material pertama-tama dikompresi dan kemudian mengalami tegangan tarik akibat gerakan pahat ke atas. Sementara itu, dua puncak tegangan geser dapat diamati pada 300 K karena tegangan geser di daerah kerusakan meningkat saat pahat lewat. Ketika suhu pemotongan dinaikkan, penurunan tegangan geser lebih jelas daripada tegangan tarik. Pada 1200 K, puncak kedua tegangan geser hampir hilang sedangkan tegangan tarik menjadi dominan di elemen material selama proses relaksasi.

Relaksasi selama proses HM. a Ilustrasi elemen material. b Statistik atom dalam struktur non-berlian dalam elemen material. c , d Evolusi tegangan elemen material

Untuk mengeksplorasi pengaruh tegangan tarik pada proses pembentukan kekosongan, simulasi relaksasi sampel silikon curah dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11a, model awal terdiri dari 40% atom Si-I dan 60% atom a-Si, yang dihasilkan dengan metode pelelehan-quench [64]. Ukuran model adalah 21,7 nm × 8.1 nm × 26.1 nm dalam x , y , dan z arah, yang mengandung 230.400 atom. Antarmuka awal antara wilayah kristal dan non-kristal ditetapkan sebagai (001) bidang kristal. Periodic boundary condition is applied in three dimensions to mimic bulk materials. The constructed surface mesh of the relaxed model is present in Fig. 11b. Furthermore, to quantify the vacancies, the solid volume fraction is calculated as the ratio of the solid material volume and the total volume of the simulation sample, as shown in Fig. 11c. It is observed that when temperature is increased, the solid volume fraction decreased obviously under tensile stress. Therefore, to suppress the vacancies, the desired cutting temperature in HM process should be lower than that in ordinary TAC. Meanwhile, the vibration parameters should be optimized to reduce the tensile stress in subsurface workpiece.

Relaxation simulation of silicon. a Scheme of MD relaxation simulation. b The surface mesh of the relaxed model at 1200 K. c The solid volume fraction curves

Kesimpulan

In this paper, MD simulation is carried out to investigate the cutting mechanism of hybrid machining (HM) process. A modified cutting model is applied to reveal the material removal behavior and subsurface damage formation in one vibration cycle. The main conclusions were as follows:

(1)
During HM process, the dominant material removal mechanism could transform from extrusion to shear in a single vibration cycle. With an increase of the cutting temperature, the generation and propagation of cracks can be effectively suppressed. However, the swelling appears when the dominant material removal mechanism becomes shearing, which is caused by the rotation of the crystal grains in workpiece.
(2)
Based on the stress analysis, the dominant formation mechanism of the subsurface damage in one vibration cycle can be distinct. In the extrusion stage, the subsurface damage can be generated by the shear stress in the damage region. While in the shearing stage, tensile stress becomes dominant in subsurface damage formation. When the cutting temperature is increased, although the tensile stress concentration in the subsurface workpiece is still obvious, the peak value of the stresses is apparently decreased, which effectively suppress the cracks and fractures in workpiece.
(3)
When the cutting temperature is increased, less subsurface damage is generated in the workpiece. However, due to the tensile stress, some vacancies can be generated in the workpiece when the cutting temperature is increased. Therefore, the desired cutting temperature during HM process should be lower than that in ordinary TAC and the vibration parameters should be set carefully to suppress the vacancies in the subsurface workpiece.

Ketersediaan data dan materi

The datasets used and analyzed in the current study can be obtained from the corresponding authors upon reasonable request.

Singkatan

TAC:: Thermal assisted cutting
VAC:: Vibration assisted cutting
LVC:: Linear vibration cutting
EVC:: Elliptical vibration cutting
DOC:: Depth of cut
HM:: Hybrid machining
FEM:: Metode elemen hingga
MD:: Dinamika molekuler
LAMMPS:: Simulator Paralel Besar-besaran Atom/Molekul Skala Besar
MEAM:: Modified embedded-atom method
SW:: Stillinger–Weber
COMB:: Charge optimized many-body
ABOP:: Analytical bond-order potential
Si-II:: Metallic stable phase
HPPT:: High-pressure phase transition
CNA:: Common neighbor analysis
a-Si:: Amorphous phase
Si-I:: Single-crystal silicon phase
FCC:: Face Center Cubic
CRSS:: Critical resolved shear stress

Efek Osteoinduktif Potensial Nanopartikel Hidroksiapatit pada Sel Punca Mesenkim oleh Interaksi Sel Endotel Ikhtisar tentang Kemajuan Terbaru Nanobiosensor Berbasis Oksida Logam/Grafena/CNT

bahan nano