Simulación de dinámica molecular en el mecanismo de corte en el proceso de mecanizado híbrido de silicio monocristalino

Resultados y discusión

Rendimiento de corte

En el corte ordinario, el mecanismo dominante de eliminación de material puede verse muy influido por el grosor de la viruta no deformada [54]. Con un pequeño grosor de viruta no deformada, el mecanismo de eliminación de material dominante es la extrusión. La fase estable metálica (Si-II) puede generarse mediante la transición de fase de alta presión (HPPT), que facilita la deformación dúctil del silicio. Cuando aumenta el grosor de la viruta no deformada, el material se puede eliminar principalmente mediante un proceso de cizallamiento. Durante el proceso de EVC, dado que el grosor de la viruta no deformada varía constantemente, el mecanismo de eliminación de material puede transformarse de extrusión a cizallamiento en un ciclo de vibración. La Figura 3 muestra las instantáneas de la simulación de corte a 300 K. La estructura cristalina de la pieza de trabajo está determinada por el análisis de vecino común (CNA) [55]. Este análisis encuentra átomos que están dispuestos en una red de diamante cúbica o hexagonal. La estructura sin diamante de la Fig. 3c, e contiene principalmente la fase amorfa (a-Si), Si-II y otros átomos defectuosos [56]. Estas estructuras son inestables y se transformarán en a-Si después del corte. Se puede observar en la Fig. 3b, c que el material se elimina principalmente mediante extrusión en la etapa de corte inicial. Se puede observar un punto de estancamiento transitorio cerca del borde de la herramienta de corte. De manera similar al corte ordinario, los materiales en la región de deformación se dividen por el punto de estancamiento en virutas y material comprimido. A medida que avanza la herramienta de corte, aumenta el grosor de la viruta no deformada. Se generan planos de cizallamiento y granos de policristales en la pieza de trabajo, lo que indica que el cizallamiento se convierte en el mecanismo de eliminación de material dominante.

Transición del mecanismo de remoción de material. un Ilustración de la región de deformación. b , d Proceso de extrusión y cizallamiento. c , e Identificación de la estructura cristalina en pieza. Los átomos azules representan la estructura cúbica de diamante, mientras que los átomos grises están en la estructura sin diamante

La figura 4 muestra la morfología de la pieza de trabajo a diferentes temperaturas de corte. A 300 K, se pueden observar grietas y fracturas obvias en la pieza de trabajo durante el movimiento hacia arriba de la herramienta. Para materiales frágiles como el silicio monocristalino, el movimiento ascendente de la herramienta provocaría el desprendimiento de materiales y dejaría defectos en la pieza de trabajo, lo que se considera un problema específico en EVC [42]. Aunque estas grietas pueden eliminarse mediante más ciclos de vibración, la estabilidad del mecanizado se verá afectada debido a la irregularidad de la superficie de la pieza de trabajo. Cuando se aumenta la temperatura de corte, se suprime eficazmente la generación y propagación de grietas. De la Fig. 4d, no se detecta ninguna fractura obvia cuando la temperatura de corte aumenta a 1200 K. Sin embargo, se observa que a 900 K y 1200 K, el hinchamiento de la superficie mecanizada se vuelve obvio cuando el mecanismo de remoción de material se transforma en cizallamiento. Se puede concluir que a medida que se generan más granos de cristal en la etapa de cizallamiento, el hinchamiento puede ser causado por la rotación de estos granos de cristal a alta temperatura.

Morfología de la pieza de trabajo del proceso HM en a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K. Los átomos azules representan la estructura cúbica de diamante, mientras que los átomos grises tienen una estructura que no es de diamante. e Determinación del ángulo de rotación de los granos de cristal. f El ángulo de rotación con el aumento de la temperatura de corte

Para una descripción clara de esta rotación, las coordenadas de 24 átomos marcados (átomos rojos) en los granos de cristal se utilizan para calcular el ángulo de rotación promedio, como se ilustra en la Fig. 4e. El ángulo de rotación de 8 granos de cristal (numerados en las Fig. 4a-d) se resume en la Fig. 4f. Se puede observar que el ángulo de rotación aumenta obviamente a temperatura elevada. Durante el proceso de HM, la viscosidad del a-Si se puede reducir considerablemente a alta temperatura y el movimiento ascendente de la herramienta promueve el movimiento hacia arriba de los átomos de la pieza de trabajo. Por lo tanto, se mejora el flujo atómico en la pieza de trabajo y se puede facilitar la rotación de los granos de cristal, lo que conduce al hinchamiento de la superficie mecanizada. Para restringir la rotación de los granos de cristal, se debe controlar la potencia de calentamiento para evitar el sobrecalentamiento de la pieza de trabajo. Además, los parámetros de vibración deben elegirse con cuidado, por ejemplo, se debe aplicar una velocidad de corte nominal más pequeña y una frecuencia de vibración más alta para suprimir la generación de granos de cristal y eliminar el hinchamiento mediante ciclos de vibración adicionales. Como se ilustra en la Fig.5, con los parámetros de vibración apropiados, P ₁ podría ubicarse en la etapa de extrusión y la superficie mecanizada final se genera mediante extrusión sin hinchamiento.

Eliminación de hinchazón en proceso HM

Campo de tensión en la pieza de trabajo

Para investigar más a fondo el mecanismo de corte durante el proceso HM, se calculó la distribución de esfuerzos en la pieza de trabajo. En la simulación de MD, la tensión hidrostática se puede expresar como:

donde σ _x , σ _y y σ _z , son tensores de tensión de los datos de salida de LAMMPS.

La distribución de la tensión hidrostática durante las etapas de extrusión y cizallamiento se muestra en la Fig. 6. Y se marcaron los valores máximos de las tensiones en las regiones de compresión y tracción. Con el movimiento de la herramienta, el punto de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo varía a lo largo del ciclo del borde de la herramienta, lo que da como resultado el movimiento de la región de compresión desde el borde de la herramienta hasta la cara de desprendimiento. Siguiendo informes anteriores, la HPPT de la fase de silicio monocristalino (Si-I) a Si-II podría ocurrir a presiones que comienzan en 10-12 GPa [57, 58]. En la simulación de corte a 300 K, la tensión máxima de compresión en la etapa de extrusión y cizallamiento alcanzó 18,1 GPa y 17,6 GPa, respectivamente. Este resultado indica que la fase dúctil Si-II se puede generar durante el corte y el HPPT todavía existe en la etapa de corte. Además, en la etapa de extrusión, la tensión de tracción se concentra principalmente cerca del área de contacto entre la cara del flanco de la herramienta y la superficie mecanizada como resultado de la adhesión de los átomos de silicio y la superficie de la herramienta. A medida que la herramienta pasa a la etapa de cizallamiento, la región de tracción se agranda y la concentración de tensión de tracción en la pieza de trabajo subterránea aumenta considerablemente, lo cual es causado por el movimiento de tracción hacia arriba. Cuando se aumenta la temperatura de corte, se mejora la deformabilidad plástica del silicio monocristalino y se reduce la tensión interna en la pieza de trabajo. A medida que la temperatura aumenta de 300 a 1200 K, el esfuerzo de compresión máximo disminuyó 16.6% y 25% en la etapa de extrusión y cizallamiento. Mientras tanto, aunque la concentración de la tensión de tracción en la pieza de trabajo subterránea sigue siendo obvia, el valor máximo de la tensión de tracción aparentemente disminuye en más del 30%. Se ha informado de que la tenacidad a la fractura del silicio monocristalino puede aumentarse eficazmente a temperaturas más altas [59]. Por lo tanto, las grietas y fracturas causadas por el efecto de desprendimiento debido al movimiento hacia arriba de la herramienta se pueden suprimir de manera efectiva.

La distribución de la tensión hidrostática en: a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K

El silicio monocristalino tiene una estructura cristalina Face Center Cubic (FCC) con 12 sistemas de deslizamiento. Según el movimiento de la herramienta, los principales sistemas de deslizamiento para la deformación por cortante son (111) / [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01] y (1 \ (\ stackrel {\ mathrm {- }} {1} \) 1) / [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01] sistemas. Por lo tanto, el componente de esfuerzo cortante resuelto τ _s en el (111) / [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01] se calcula el sistema de deslizamiento. Como se ilustra en la Fig.7, el componente de esfuerzo cortante resuelto τ _s en la dirección M del plano de deslizamiento N se puede calcular mediante tensores de tensión mediante:

donde a ₁ , b ₁ , c ₁ son los cosenos de dirección de la dirección normal del plano N mientras a ₂ , b ₂ , c ₂ son los cosenos de dirección de la dirección de deslizamiento M . Mientras τ _xy , τ _xz y τ _yz son los tensores de esfuerzo cortante de los datos de salida de LAMMPS.

Ilustración de los tensores de tensión

La distribución del esfuerzo cortante resuelto τ _s se muestra en la Fig. 8. La región con τ positivo _s se define como la región de corte ya que se promueve el movimiento de deslizamiento a lo largo de la dirección [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01], lo que facilita la remoción de material a través del corte. Mientras que la región con τ negativo _s se considera la región de daño porque el movimiento de deslizamiento es preferible en la dirección opuesta, lo que lleva a la formación de daños en el subsuelo en la pieza de trabajo. En la etapa de extrusión, la tensión en la región de cizallamiento es menor que en la región de daño. El daño subsuperficial causado por la deformación por cizallamiento puede generarse debajo de la superficie mecanizada [60]. A medida que el movimiento de la herramienta de corte, el esfuerzo cortante a lo largo de la dirección [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01] aumenta gradualmente, provocando la transición de remoción de material de extrusión a corte. Además, dado que la posición de la región dañada se mueve hacia arriba a lo largo del movimiento de la herramienta, el daño generado se puede eliminar mediante un ciclo de vibración adicional y no se dejará en la pieza de trabajo. Cuando la temperatura se incrementa de 300 K a 1200 K, el esfuerzo cortante en la región de daño disminuyó 36.1% y 42.4% en la etapa de extrusión y corte, respectivamente. En contraste, debido al movimiento hacia arriba de la herramienta, la disminución del esfuerzo cortante a lo largo de la dirección [\ (\ stackrel {\ mathrm {-}} {1} \) 01] en la etapa de corte es mucho menos aparente. El esfuerzo cortante resuelto crítico (CRSS) para el movimiento de deslizamiento se puede expresar como [61]:

donde U y ε representan la energía de activación del movimiento de deslizamiento y la velocidad de deformación. Parámetros n y C son constantes materiales. Se puede concluir que el CRSS se puede disminuir obviamente al aumentar la temperatura. Por lo tanto, la deformación por cortante en la dirección [\ ({\ overline {\ text {1}}} \) 01] puede facilitarse a temperatura elevada.

La distribución del esfuerzo cortante resuelto en: a 300 K. b 600 K. c 900 K. d 1200 K

Transición de fase

Cuando se aumenta la temperatura de corte, la transición de fase del silicio puede verse muy influenciada. La relajación del a-Si y la transición a Si-I pueden promoverse a una temperatura adecuada [62]. En la Fig. 4, el patrón de daño en las piezas de trabajo se vuelve más estrecho a alta temperatura. Una observación detallada del patrón de daño al cortar a 1200 K está presente en la Fig. 9a. Se observa que el daño generado en la región de deformación se recupera parcialmente después del corte, lo que indica que se ha producido la transición de la estructura sin diamante a Si-I. Y se generan más átomos de Si-I cuando se aumenta la temperatura de corte, como se muestra en la Fig. 9b. Además, la malla de la superficie construida (color rojo) [63] de la pieza mecanizada a 1200 K está presente en la Fig. 9c. Se observa que se forman algunas vacantes en la pieza de trabajo subterránea. Dado que los átomos están más empaquetados en la fase Si-I, la transición a Si-I podría causar una contracción del material, lo que induce a vacantes en la pieza de trabajo. El volumen de las vacantes a diferentes temperaturas se calcula y se presenta en la Fig. 9d. Se observa que casi no se generan vacantes a temperatura ambiente. Si bien se puede detectar un aumento obvio de las vacantes cuando la temperatura de corte aumenta a 900 K y 1200 K.

Proceso de relajación y vacantes en pieza. un Instantánea del patrón de daño de la pieza de trabajo a 1200 K. b Número de átomos transformados de la estructura sin diamante a la fase Si-I. c Malla de superficie construida de la pieza a 1200 K. d El volumen de las vacantes a diferentes temperaturas

En la Fig. 10 se presenta un análisis más detallado de las vacantes. Se elige un elemento de material debajo de la superficie mecanizada para monitorear la generación de vacantes. Están presentes el número de átomos en la estructura que no es de diamante y la evolución de la tensión del elemento material. Se concluye que durante el proceso de corte, el elemento de material se comprime primero y luego experimenta un esfuerzo de tracción debido al movimiento hacia arriba de la herramienta. Mientras tanto, se pueden observar dos picos del esfuerzo cortante a 300 K ya que el esfuerzo cortante en la región dañada aumenta a medida que pasa la herramienta de corte. Cuando se aumenta la temperatura de corte, la disminución del esfuerzo cortante es más obvia que el esfuerzo de tracción. A 1200 K, el segundo pico del esfuerzo cortante casi desaparece mientras que el esfuerzo de tracción se vuelve dominante en el elemento material durante el proceso de relajación.

Relajación durante el proceso de HM. un Ilustración del elemento material. b Estadísticas de los átomos en estructura no diamantada en el elemento material. c , d Evolución de la tensión del elemento material

Para explorar el efecto de la tensión de tracción en el proceso de formación de las vacantes, se realizaron simulaciones de relajación de una muestra de silicio a granel. Como se muestra en la Fig. 11a, el modelo inicial se compone de un 40% de átomos de Si-I y un 60% de átomos de a-Si, que se genera mediante el método de fusión-enfriamiento [64]. El tamaño del modelo es 21,7 nm × 8,1 nm × 26,1 nm en x , años y z dirección, que contiene 230,400 átomos. The initial interface between crystal and non-crystal region is set as (001) crystal plane. 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. un Scheme of MD relaxation simulation. b The surface mesh of the relaxed model at 1200 K. c The solid volume fraction curves