Impacto de Fluidos Refrigerantes en la Remoción de Material y Formación de Defectos Subsuperficiales en el Nano-Meccanizado de Cobre Monocristalino

Resumen

El efecto de medios fluidos en la remoción de material y la evolución de defectos subsuperficiales en el proceso de nano-mecanizado de cobre monocristalino se investiga mediante simulación de dinámica molecular. En este trabajo, se investigan el mecanismo de remoción de viruta y el mecanismo de formación de superficie mecanizada analizando la migración atómica y la evolución de dislocaciones de la pieza de trabajo durante el nano-mecanizado con medios acuosos. Se investigan la distribución de temperatura y la transformación estructural cristalina de defectos subsuperficiales, analizadas mediante métodos de parámetro de centro-simetría y análisis de vecinos comunes. Los resultados muestran que el material de la pieza de trabajo es removido por la acción de extrusión y cizallamiento de la herramienta de corte. La lubricación de los medios acuosos puede reducir la fuerza de corte y disminuir la altura de la viruta. Particularmente, la acción de enfriamiento del fluido resulta en la formación de un defecto típico "similar a borde de grano" en el subsuperficie de la pieza de trabajo. Y la temperatura de la pieza de trabajo tiene una disminución distinta durante el nano-mecanizado con el uso de medios fluidos.

Antecedentes

El corte con diamante es ampliamente considerado una técnica efectiva para la generación de superficies nanoestructuradas con precisión dimensional submicrónica y acabado superficial nanométrico [1]. El mecanismo de remoción de material y formación de superficie mecanizada a nanoescala es crítico para la mejora de la precisión de mecanizado en procesos de corte nanométrico. En estudios tempranos, los investigadores se enfocaron en la deformación del material [2–4], la evolución de defectos superficiales [5–7], el esfuerzo residual [8, 9] y la transición de fase cristalina [10, 11] durante el proceso de nano-corte en entorno de vacío. Sin embargo, en el corte nanométrico real de material metálico, el papel del fluido refrigerante y lubricante es muy crucial para mejorar el rendimiento del mecanizado [12]. Por tanto, es necesario estudiar la influencia de los medios fluidos en el mecanismo de remoción de material y evolución de defectos subsuperficiales en el proceso de nano-corte.

En años recientes, el mecanismo de mecanizado de nano-corte es ampliamente investigado por simulación de dinámica molecular (MD), que se ha demostrado un método efectivo para estudiar el proceso de corte nanométrico. Por ejemplo, Fang [13] estudió el efecto de la recuperación y flujo lateral en la generación de superficie y transformación de fase en nano-corte, encontrando que la supresión del flujo lateral es una forma efectiva de mejorar la rugosidad de la superficie generada en nano-corte. Urbassek [14] adoptó simulación MD para estudiar el rayado de metales nanocristalinos y encontró que la orientación de grano genera un efecto dominante en la forma de acumulación y también influye fuertemente en el coeficiente de fricción. Sharma [15] investigó el efecto de seis orientaciones cristalinas diferentes en el mecanismo de deformación del material, defectos subsuperficiales, fuerzas de corte, energía de corte específica, efecto de arado y rugosidad superficial en corte a nanoescala. Luo [16] demostró la transferibilidad de forma usando herramientas de diamante multi-punta a nanoescala en torneado de diamante para fabricación a escala de nanoestructuras.

La formación de defectos subsuperficiales y la rugosidad superficial del nano-componente pueden restringirse mediante selección razonable de parámetros de corte, como dirección de corte, profundidad de corte, velocidad de corte y geometría de la herramienta. Sin embargo, no puede tener éxito en inhibir la formación de defectos superficiales y mejorar la calidad de superficie desde el mecanismo de generación. Además, estas investigaciones se enfocan en el proceso de nano-corte en entorno de vacío. En realidad, en corte nanométrico, existen atmósfera y medios líquidos refrigerantes entre herramienta y pieza de trabajo, que pueden afectar el mecanismo de nano-corte y la calidad de superficie de la nanoestructura.

Basado en lo anterior, muchos investigadores realizaron estudios sobre procesos de nano-mecanizado con uso de medios fluidos. Por ejemplo, Mylvaganam [17] exploró el efecto de O₂ en la nano-indentación de silicio cúbico diamantino usando simulación MD y encontró que la molécula de O₂ se disocia en átomos de oxígeno y forma enlaces químicos con átomos de silicio. Rentsch [18] encontró que el fluido de corte tiene gran efecto en la distribución de esfuerzo y temperatura y señaló que el fluido de corte puede reducir el desgaste de la herramienta. Liu [19] estudió la influencia de moléculas atmosféricas en la calidad de superficie y desgaste de herramienta en nano-corte. Los resultados indicaron que la fuerza de corte disminuye y el desgaste de la herramienta se reduce debido a la lubricación de moléculas atmosféricas. Singh [20] investigó la influencia de fluido de corte con nanopartículas en el proceso de remoción de metal. Wang [21] discutió el efecto de moléculas de agua en el comportamiento tribológico y mediciones de propiedades en procesos de nano-indentación y encontró que la participación de moléculas de agua hace que la fuerza de indentación inicial aumente y la fuerza de indentación máxima disminuya. Chavoshi [22] estudió el nano-rayado a alta temperatura de silicio monocristalino bajo condición de oxígeno reducido, y no se observaron remanentes de fases de silicio de alta presión en la simulación.

De la literatura disponible, investigaciones previas sobre procesos de nano-corte usando medios fluidos se basan en modelos de simulación de pocas moléculas o nanopartículas, ubicadas en el área de interfaz herramienta-viruta. Sin embargo, no se añade medio fluido en otras áreas, y la lubricación del medio fluido se analiza de manera restringida. Debido a la insuficiencia de medios fluidos en los modelos, la acción de enfriamiento del medio fluido no afecta el proceso de nano-corte, mientras que la acción de enfriamiento del medio fluido es tan importante como la acción de lubricación en la precisión de mecanizado y calidad de superficie.

Por tanto, en este trabajo, la herramienta de corte y la pieza de trabajo están completamente rodeadas por el medio fluido de corte, que no solo existe en el área de acción de la interfaz herramienta-viruta, sino también en las áreas de superficie de la pieza de trabajo, superficie mecanizada y área posterior de la herramienta. Así, la lubricación adecuada del medio fluido entre herramienta de corte y pieza de trabajo puede investigarse. Además, los medios fluidos se establecen a temperatura constante durante el proceso de nano-corte, y la acción de enfriamiento del medio fluido también puede estudiarse bien. El fluido de corte base agua es ampliamente usado en procesos de mecanizado de ultra-precisión, que contiene no solo agua, sino también aceite base soluble, aceite de ricino, trietanolamina, ácido bórico, surfactante, polietilenglicol y fosfato de sodio. No obstante, el constituyente principal del fluido de corte es el medio agua, y la fracción mássica de agua en fluido de corte alcanza aproximadamente 70 %. Debido a las dificultades en construir modelos MD de todas las demás sustancias y los parámetros de función potencial desconocidos, el estudio sobre nano-corte con uso de fluido de corte base agua no puede realizarse por métodos de simulación computacional de dinámica molecular. Por tanto, el medio agua, que es el componente principal del fluido de corte, se adopta en esta investigación para reemplazar el fluido de corte base agua durante la simulación del proceso de nano-corte. Basado en el modelo MD establecido, el proceso de nano-corte se realiza para estudiar el efecto del medio agua en el mecanismo de remoción de material y formación de defectos subsuperficiales. La evolución de defectos subsuperficiales, la variación de fuerza de corte, la distribución de temperatura de la pieza de trabajo y la transformación cristalina de defectos subsuperficiales se investigan usando métodos de parámetro de centro-simetría (CSP), análisis de vecinos comunes (CNA) y algoritmo de extracción de dislocaciones (DXA).

Métodos

Modelo de Simulación

Para investigar el efecto de medios fluidos en la remoción de material y evolución de defectos subsuperficiales en nano-corte, se establecen modelos MD con y sin medios acuosos, como se muestra en Fig. 1. En los modelos, las moléculas de agua se construyen según el modelo TIP4P [23–25]. El campo de fuerzas CHARMM y la función potencial Lennard-Jones (L-J) se usan para calcular precisamente el movimiento de moléculas de agua. Esto puede analizar comprensivamente el efecto de energía potencial no enlazante, potencial de expansión de enlace, energía potencial de flexión de ángulo de enlace y vibración molecular, lo que hace la simulación de moléculas de agua más precisa. El material de la pieza de trabajo es cobre monocristalino, y la herramienta de mecanizado es de material diamante. Contiene 62 835 moléculas de agua, 368 208 átomos de Cu y 2452 átomos de C. La pieza de trabajo se divide en tres partes: capa de Newton, capa de temperatura y capa de frontera. Para reducir el efecto de tamaño, se adopta la condición de frontera periódica (PBC) en direcciones [001] y [010]. Para mantener la presión y densidad de medios acuosos, se usan paredes reflectantes en ambos lados de la dirección [001]. En el proceso de mecanizado real, el refrigerante se lleva la mayor parte del calor de corte, por lo que el entorno acuoso se establece a temperatura constante de 300 K en este trabajo. El modelo de simulación MD con entorno de vacío se muestra en Fig. 1b, donde las condiciones iniciales de simulación son similares al modelo con fluidos. Los diferentes ajustes entre los dos modelos son los ajustes relevantes para medios acuosos. Los parámetros de corte detallados se muestran en Tabla 1.

Modelos de simulación MD en nano-corte. a Uso de medios acuosos. b Uso de entorno de vacío

Funciones Potenciales Interatómicas

En simulaciones MD, la función potencial juega un papel decisivo en los resultados de simulación. Las propiedades del material son fundamentalmente controladas por la interacción entre átomos. En esta investigación, el modelo se divide en tres partes: pieza de trabajo, herramienta de corte y medios acuosos, y contiene cuatro tipos atómicos: Cu, C, H y O. Las interacciones entre diferentes átomos se calculan mediante potencial Morse, método de átomo empotrado (EAM), potencial Lennard-Jones (L-J) y potencial Tersoff. La introducción detallada de la función potencial seleccionada entre diferentes átomos se muestra en Tabla 2.

Potencial Morse

La interacción entre átomos de Cu en la pieza de trabajo y átomos de C en la herramienta de corte se calcula mediante potencial Morse, mostrado como Ec. (1) [26].

$$ u(r_{ij}) = D[\exp(-2\alpha(r_{ij}-r_0)) - 2\exp(-\alpha(r_{ij}-r_0))] $$ (1)

Donde \( r_0 \), \( \alpha \) y \( D \) son, respectivamente, espaciado atómico, módulo de elasticidad y energía de enlace. Los valores de \( r_0 \), \( \alpha \) y \( D \) se muestran en Tabla 3.

Potencial EAM

La función interatómica entre átomos de Cu en la pieza de trabajo se describe mediante potencial EAM, mostrado como Ecs. (2) y (3) [27, 28].

$$ E = \sum_i^N [F(\rho_i) + \sum_{j>i}^N u(r_{ij})] $$ (2) $$ \rho_i = \sum_j f(r_{ij}) $$ (3)

Potencial Lennard-Jones

La función potencial Lennard-Jones es un potencial dual, que incluye la interacción de fuerza de Coulomb de largo alcance y fuerza de van der Waals de corto alcance entre átomos. El potencial L-J se usa a menudo para simular materiales líquidos. En este trabajo, el potencial Lennard-Jones se usa para calcular la interacción entre moléculas de agua y otros átomos, mostrado como Ec. (4) [29].

$$ U_{L-J}(r) = 4\varepsilon[(\sigma/r)^{12} - (\sigma/r)^6] $$ (4)

Donde \( \sigma \) es la separación de equilibrio cuando la energía potencial de interacción es igual a cero y \( \varepsilon \) es la profundidad de la trampa de energía potencial.

Para diferentes materiales, \( \sigma \) y \( \varepsilon \) pueden calcularse mediante Ecs. (5) y (6) [29].

$$ \sigma_{\alpha\beta} = (\sigma_{\alpha\alpha} + \sigma_{\beta\beta})/2 $$ (5) $$ \varepsilon_{\alpha\beta} = \sqrt{\varepsilon_{\alpha\alpha}\cdot\varepsilon_{\beta\beta}} $$ (6)

Los parámetros de potencial interatómico L-J usados en esta investigación se listan en Tabla 4.

Potencial Tersoff

La interacción entre átomos de carbono en la herramienta de diamante se calcula mediante potencial Tersoff, mostrado como Ecs. (7) y (8) [30].

$$ E = \frac{1}{2}\sum_{i\ne j} V_{ij} $$ (7) $$ V_{ij} = f_c(r_{ij})[V_R'(r_{ij}) + b_{ij}V_A(r_{ij})] $$ (8)

Donde \( f_c(r_{ij}) \) es la función de truncamiento entre átomos, \( V_A(r_{ij}) \) es el potencial dual de término de absorción, \( V_R(r_{ij}) \) es el potencial dual de término de repulsión, y \( r_{ij} \) es la distancia atómica entre átomo \( i \) y átomo \( j \).

Métodos de Análisis de Defectos

En el nano-corte de cobre monocristalino, la deformación y dislocaciones se nuclean en el subsuperficie de la pieza de trabajo. En este trabajo, se introduce el parámetro de centro-simetría (CSP) para analizar la nucleación de dislocaciones y evolución de defectos de la pieza de trabajo. Para materiales cúbicos centrados en las caras (FCC), el valor CSP puede calcularse mediante Ec. (9) [31].

$$ CSP = \sum_{i=1}^6 |R_i + R_{i+6}|^2 $$ (9)

Donde \( R_i \) son los átomos vecinos con la misma distancia y \( R_{i+6} \) son los átomos vecinos en dirección opuesta. Los valores CSP de cristal FCC, dislocación parcial, fallas de apilamiento y átomos de superficie son 0, 2,1, 8,3 y 24,9, respectivamente [32]. El rango de valor CSP para estructura cristalina típica y coloreado atómico se muestra en Tabla 5.

El método CSP puede identificar la configuración atómica, pero no puede reconocer el estado de estructura cristalina atómica local de la pieza de trabajo. Por tanto, se introduce el análisis de vecinos comunes (CNA) para identificar la estructura cristalina local de la pieza de trabajo. En el método CNA original propuesto por Honeycutt [33], las diversas estructuras se representan mediante diagramas. Actualmente, se ha mejorado para identificar rápidamente cinco tipos de estructuras en el software OVITO [34, 35], que son, respectivamente: cúbico centrado en las caras (FCC), hexagonal compacto (HCP), cúbico centrado en el cuerpo (BCC), icosahédrico (ICO) y desconocido. En este trabajo, también se introduce el algoritmo de extracción de dislocaciones (DXA) [36] para analizar la evolución de defectos de dislocación. Mediante el método DXA, las diferentes estructuras cristalinas en la pieza de trabajo se marcan con diferentes colores y los defectos de dislocación en la pieza de trabajo se representan por líneas de diferentes colores.

Resultados y Discusión

Evolución de Defectos Subsuperficiales en Proceso de Nano-Corte con Medios Acuosos

La vista seccional del sistema de corte se muestra en Fig. 2, que contiene la herramienta de corte, pieza de trabajo y medios acuosos durante el proceso de nano-corte. Para percibir claramente la deformación plástica de la pieza de trabajo, se usa el método CSP para analizar los resultados. Las instantáneas se colorean por el valor de CSP parcialmente como se muestra en Fig. 2, donde Fig. 2a está a 5 nm de distancia de corte y Fig. 2b a 15 nm. Se puede ver que se forma una capa compacta de película de agua en la superficie de cobre monocristalino, mostrada como "película monomolecular de agua" en Fig. 2a. La película de agua se extiende sobre todas las superficies de la herramienta de corte y la pieza de trabajo, donde los átomos de oxígeno ocupan el centro de la red de cobre monocristalino. El arreglo regular de moléculas de agua es el resultado de la acción combinada de fuerza de Coulomb de largo alcance y fuerza de van der Waals entre moléculas de agua y átomos de cobre.

Vista seccional del sistema de corte con medios acuosos en proceso de nano-corte (color en línea). a Distancia de corte l = 5 nm. b Distancia de corte l = 15 nm

En el proceso de nano-corte, la deformación por deslizamiento resulta de la acción de cizallamiento compresivo temprano de la herramienta de corte y se almacena en la red cristalina formada como energía de deformación. Cuando la acumulación de energía de deformación alcanza cierto nivel, la energía de deformación se libera. Entonces, la red de cobre monocristalino se reordena, lo que causa nucleación y extensión de dislocaciones a lo largo de la dirección \( [1\bar{1}0] \), como se muestra en Fig. 2a. Se puede mostrar en Fig. 2a que la película monomolecular de agua se forma en la superficie de la pieza de trabajo. Además, las moléculas de agua penetran en el subsuperficie de la pieza de trabajo en el área de acción de la interfaz herramienta-viruta, mostrado como la ilustración superior derecha en Fig. 2a. Debido a la acción de lubricación de moléculas de agua existentes entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo, la acción de cizallamiento compresivo de la herramienta de corte se atenúa. Y la acumulación de energía de deformación disminuye y las dislocaciones se extienden insuficientemente. Además, los medios acuosos se llevan mucho calor de corte, y la energía de expansión de dislocación nucleada es insuficiente. Por tanto, la extensión de dislocación es insuficiente y la línea de dislocación en el subsuperficie de la pieza de trabajo es inconspicua, como se muestra en Fig. 2a.

A medida que la herramienta de corte avanza, la pieza de trabajo sufre la acción de extrusión y fricción generada por la cara de flanco de la herramienta de corte. Bajo la acción de extrusión y rozamiento de la herramienta de corte, se nuclean y extienden un gran número de dislocaciones en el subsuperficie de la pieza de trabajo. Una parte de estas dislocaciones se mueve hacia arriba a lo largo de la cara de rake y finalmente se remueve como viruta de corte, como se muestra en Fig. 2b. Otra parte de estas dislocaciones se mueve hacia abajo a lo largo de la cara de rake de la herramienta de corte y se transforma en superficie mecanizada rugosa tras la acción de extrusión y fricción de la cara de flanco de la herramienta de corte, mostrada en Fig. 2b como "arreglo de agua en superficie mecanizada". Otras partes de las dislocaciones se mueven hacia adentro a lo largo de los planos de deslizamiento \( [\bar{1}\bar{1}0] \) y \( [1\bar{1}0] \) y desaparecen dentro de la pieza de trabajo, resultando en la formación de dislocación de tornillo, como se muestra en Fig. 2b. Debido al aumento gradual de la altura de la viruta, las moléculas de agua frente a la viruta no pueden fluir sobre la viruta hacia detrás de la herramienta de corte en el período posterior del proceso de corte. Y la densidad y presión de medios acuosos detrás de la herramienta de corte disminuyen rápidamente, lo que resulta en que el calor de corte sea llevado prematuramente durante el proceso de nano-corte. Por tanto, las dislocaciones nucleadas tienen suficiente energía para extenderse dentro de la pieza de trabajo, como se muestra en Fig. 2b.

Para elucidar la deformación subyacente de dislocaciones y la estructura cristalina atómica local de cobre monocristalino durante el proceso de nano-corte, se introducen los métodos de análisis CSP y DXA. Los resultados de análisis se exhiben como se muestra en Figs. 3, 4, 5 y 6, entre los cuales Figs. 3 y 4 se renderizan según el valor CSP y Figs. 5 y 6 se colorean por resultado de análisis DXA.

Distribución de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo con medios acuosos en proceso de nano-corte. Las distancias de corte de a, b, c y d son 5 nm, 8 nm, 12 nm y 15 nm, respectivamente.

Distribución de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo durante proceso de nano-corte en entorno de vacío. Las distancias de corte de a, b, c y d son 5 nm, 8 nm, 12 nm y 15 nm, respectivamente.

Imagen DXA de la pieza de trabajo en etapa temprana de nano-corte. Las dislocaciones se colorean según el siguiente esquema: azul oscuro para dislocación perfecta, verde para dislocaciones Shockley, rosa para dislocación Stair-rod, amarillo para dislocaciones Hirth, azul claro para dislocaciones Frank, y rojo para dislocaciones no identificadas. Las distancias de corte de a, b, c y d son 7 nm, 8 nm, 9 nm y 10 nm, respectivamente.

Imagen DXA de la pieza de trabajo en período tardío de nano-corte. El esquema de coloreado de dislocaciones es el mismo que Fig. 5. Las distancias de corte de a, b, c y d son 17 nm, 18 nm, 19 nm y 20 nm, respectivamente.

La distribución de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo en proceso de nano-corte con medios acuosos se muestra en Fig. 3, donde los medios acuosos no se muestran para observar la evolución de defectos de dislocación más claramente. Las áreas amarilla, verde, roja y naranja representan átomos de superficie, átomos de defecto de superficie, átomos de dislocación y átomos de defecto subsuperficial, respectivamente. La distribución y extensión de dislocaciones de la pieza de trabajo en proceso de nano-corte sin medios acuosos se muestra en Fig. 4. Se puede ver en las dos figuras que las dislocaciones nucleadas migran a lo largo del vector de deslizamiento \( [\bar{1}10] \) durante el proceso de nano-corte con medios acuosos, pero se extienden a lo largo del vector de deslizamiento \( [\bar{1}\bar{1}0] \) en nano-corte bajo medios de vacío. Como se sabe, la acción de cizallamiento de la herramienta de corte hace que las dislocaciones se extiendan en dirección contraria al avance de la herramienta, que es el vector de deslizamiento \( [\bar{1}10] \). La acción de fricción de la herramienta de corte conduce a la migración de dislocaciones en dirección ortocinética al movimiento de la herramienta, que es un vector de deslizamiento \( [\bar{1}\bar{1}0] \). Durante el proceso de nano-corte en entorno de vacío, las acciones de la herramienta de corte sobre la pieza de trabajo son acción de cizallamiento de cara de rake y acción de fricción de cara de flanco, mientras que la formación de superficie mecanizada y defectos subsuperficiales es desencadenada por la acción de fricción de cara de flanco. Por tanto, la extensión de dislocación se propaga a lo largo del vector de deslizamiento \( [\bar{1}\bar{1}0] \) durante el proceso de nano-corte en vacío. Debido a la lubricación de moléculas de agua existentes entre herramienta y pieza de trabajo, la acción de fricción de la herramienta de corte se reduce. Así, la acción de cizallamiento juega un papel importante en la formación de superficie mecanizada y defectos subsuperficiales. Por tanto, las dislocaciones se extienden principalmente a lo largo del vector de deslizamiento \( [\bar{1}10] \) en nano-corte con medios acuosos.

De las Figs. 3 y 4, se puede encontrar que la escala de defectos subsuperficiales en medios acuosos es mayor que en vacío durante el proceso de nano-corte. En realidad, los defectos de dislocación se extienden por toda el área mecanizada y se profundizan dentro de la pieza de trabajo. El calor de corte es llevado por medios acuosos, y la energía de átomos de defecto disminuye. Por tanto, los defectos subsuperficiales no tienen suficiente energía para ser aniquilados. Por consiguiente, el residuo de defectos de dislocación aumenta. La profundidad de capa de defectos subsuperficiales es relativamente mayor para el proceso de nano-corte con medios acuosos. Debido a las interacciones entre moléculas de agua, átomos de carbono y átomos de cobre, la extrusión y fricción entre herramienta de corte y pieza de trabajo se atenúa y el desorden atómico de la superficie mecanizada se agrava en el proceso de formación de superficie mecanizada. Además, el residuo de defectos en subsuperficie se exacerba y el esfuerzo residual subsuperficial aumenta.

Para revelar mejor el efecto de medios acuosos en el proceso de evolución de defectos de dislocación, se usa el método DXA para analizar la pieza de trabajo en proceso de nano-corte con medios acuosos, donde la etapa temprana y el período tardío se muestran en Fig. 5 y 6, respectivamente. Se encuentra un defecto cristalino estable existiendo en varias capas atómicas debajo de la superficie mecanizada en la etapa temprana del proceso de nano-corte, ubicado entre dos fallas de apilamiento, como se muestra en Fig. 5d. La existencia de los defectos cristalinos afectará la calidad de la superficie mecanizada e incluso puede llevar a la generación de microgrieta en la superficie mecanizada. Por tanto, se estudia el proceso de formación de la evolución del defecto. Se puede ver en Fig. 5a que se nuclean muchas dislocaciones parciales Shockley bajo la acción de fricción de la cara de flanco de la herramienta de corte en el instante temprano de la formación del defecto. Estas dislocaciones Shockley evolucionan en un bucle de dislocación en forma de V durante el avance de la herramienta de corte, como se muestra en Fig. 5b. Posteriormente, la dislocación en forma de V evoluciona gradualmente en dislocaciones parciales Shockley en serie. Finalmente, las dislocaciones parciales se transforman en defecto residual en subsuperficie. Debido a que el calor de corte es llevado por medios acuosos, los átomos defectuosos tienen muy poca energía para ser aniquilados y se transforman en defecto inmóvil subyacente a la superficie mecanizada. La rugosidad de la superficie mecanizada aumentará, y el esfuerzo residual en subsuperficie causará mayor agravamiento. Además, una microgrieta superficial puede ser inducida por el defecto.

El efecto de medios acuosos en la acción de deslizamiento por cizallamiento de la herramienta de corte durante el proceso de remoción de viruta se investiga mediante el método DXA, mostrado en Fig. 6. Se puede ver en Fig. 6a que se nuclean un gran número de dislocaciones parciales Shockley frente a la herramienta de corte. Y el plano de deslizamiento por cizallamiento está constituido por estas dislocaciones. En el siguiente proceso de corte, fallas de apilamiento en serie y dislocaciones parciales se nuclean y extienden en el plano de deslizamiento por cizallamiento. Bajo la nucleación y movimiento de dislocaciones frente a la herramienta de corte, la viruta de corte se remueve gradualmente a lo largo del plano de deslizamiento por cizallamiento, como se muestra en Fig. 6c. Mientras tanto, el efecto de extrusión y fricción de la cara de rake de la herramienta se abate debido a la acción de lubricación de medios acuosos. La nucleación y propagación de dislocaciones es insuficiente y el residuo de defectos subsuperficiales es inapreciable durante el proceso de nano-corte, como se muestra en Fig. 6a–d. Correspondientemente, la acción de cizallamiento de la herramienta de corte sobre la pieza de trabajo se vuelve más significativa. Por tanto, la viruta formada se remueve más fácilmente bajo la participación de medios acuosos en el proceso de nano-corte. Y la fuerza de corte principal disminuirá simultáneamente, lo cual se discutirá en detalle más adelante en este trabajo.

Efecto de Medios Acuosos en la Variación de Fuerza de Corte y Calor de Corte

En el proceso de corte, la remoción de material se realiza por la acción de extrusión y cizallamiento de la herramienta de corte. Debido a la resistencia, rigidez y tenacidad del material metálico, la superficie de rake de la herramienta de corte sufre la fuerza de reacción generada por la resistencia a la deformación del material de la pieza de trabajo durante el proceso de remoción de material. Y la superficie de flanco de la herramienta es afectada por la fuerza de resistencia de fricción de la superficie mecanizada. Estas fuerzas componen la fuerza de corte juntas. Sincrónicamente, el trabajo aplicado por la deformación por cizallamiento de virutas de corte, así como la acción de rozamiento entre herramienta de corte y pieza de trabajo, se convierte en calor de corte, resultando en el aumento de temperatura de la pieza de trabajo. Acompañando la acumulación y liberación de energía de deformación del material, la nucleación y expansión de dislocaciones ocurren en la capa subsuperficial de la pieza de trabajo, lo que induce la fluctuación de fuerza de corte y calor de corte con la distancia de corte.

En esta investigación, la participación de medios acuosos tiene gran influencia en la variación de fuerza de corte y calor de corte. Las curvas de variación de fuerza de corte con distancia de corte en proceso de nano-corte con y sin uso de medios acuosos se muestran en Figs. 7 y 8, donde las curvas negra, roja y azul son, respectivamente, fuerza de avance (Fx), fuerza de retroceso (Fy) y fuerza tangencial (Fz). Debido a que se adopta PBC en dirección Z y la herramienta de diamante es columnar a lo largo de la dirección Z en la simulación, la fuerza tangencial promedio (Fz) está en el nivel de 0 nN en ambas Figs. 7 y 8.

Curva de variación de fuerza de corte en nano-corte con entorno de vacío

Curva de variación de fuerza de corte en nano-corte con medios acuosos

El proceso de corte se divide en etapa inicial de corte y etapa de corte estable como se muestra en Fig. 7. En la etapa inicial, la fuerza de avance y la fuerza de retroceso aumentan bruscamente en línea recta. Y alcanzan sus valores máximos cuando la herramienta de corte penetra completamente en la pieza de trabajo. En la etapa de corte estable, las fuerzas de corte fluctúan arriba y abajo en su posición de equilibrio, y la fuerza de avance alcanza más de 200 nN y la fuerza de corte promedio es de unos 180 nN. La fuerza de retroceso es muy pequeña y disminuye gradualmente en la etapa tardía de corte estable. El valor máximo de la fuerza de retroceso es inferior a 100 nN, y el valor promedio es alrededor de 50 nN. En general, el valor específico entre la fuerza de retroceso promedio y la fuerza de avance promedio (Fy/Fx) representa el coeficiente de fricción entre material de herramienta y material de pieza de trabajo en el proceso de mecanizado. En esta investigación, el coeficiente de fricción entre diamante y cobre monocristalino es 0,278 bajo entorno de vacío.

La fuerza de avance y la fuerza de retroceso disminuyen en nano-corte con medios acuosos comparado con entorno de vacío, como se muestra en Fig. 8. La fuerza de avance máxima alcanza 150 nN, y la fuerza de avance promedio fluctúa en 120 nN. La tendencia de variación de la fuerza de retroceso es similar a la de vacío, y la fuerza promedio está en unos 25 nN. En el proceso de nano-corte con uso de medio agua, el coeficiente de fricción entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo se reduce debido a la lubricación del agua. Y entonces la resistencia de fricción sufrida por la cara de flanco de la herramienta de corte se reduce, lo que efectivamente realza la acción de extrusión y cizallamiento de la cara de rake de la herramienta de corte. La remoción del material de la pieza de trabajo es más fácil. Por tanto, la fuerza de corte se reduce. Se puede ver del análisis anterior que las moléculas de agua actuaron como lubricante para prevenir la fricción entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo. Por tanto, los valores de fuerza de avance y fuerza de retroceso se reducen en medios acuosos. El valor específico entre la fuerza de avance y la fuerza de retroceso es 0,208. En otras palabras, el coeficiente de fricción entre diamante y cobre en medios acuosos es 0,208, mucho menor que en entorno de vacío (0,278).

Comparado con la fluctuación de Fy en Figs. 7 y 8, se indica que el componente Fy disminuye considerablemente después de 15 nm de distancia de corte en ambos casos con vacío y medios acuosos, mientras que el valor Fx es casi estable hasta 20 nm de distancia de corte. El equilibrio dinámico entre nucleación y aniquilación de dislocaciones se alcanza, y la viruta se remueve establemente en el proceso de nano-corte, resultando en la fuerza de corte casi estable con la distancia de corte antes de 20 nm. Cuando el proceso de corte se lleva a cabo a cierta distancia (15 nm en esta investigación), el equilibrio dinámico entre la nueva nucleación de dislocaciones y la aniquilación de dislocaciones previas se establece. Y la escala de defectos internos de la pieza de trabajo se estabiliza en cierto nivel. La nucleación y aniquilación de dislocaciones aplicaron un efecto en la herramienta de corte a lo largo de la dirección +Y, lo que conduce a la disminución del componente Fy. Además, la viruta de corte estable se remueve después de 15 nm de distancia de corte, y la fuerza aplicada en la herramienta de corte desde la viruta disminuye a lo largo de la dirección Y. Por tanto, el valor de Fy se reduce. Sin embargo, cuando la distancia de corte es mayor que 15 nm hasta 20 nm, la emoción de defectos de dislocación y la remoción de viruta no pueden traer una influencia diferente en la herramienta de corte a lo largo de la dirección X. Por tanto, el valor de la fuerza de corte principal (Fx) es casi estable.

La distribución de temperatura de la pieza de trabajo durante el proceso de nano-corte con y sin uso de medios acuosos se muestra en Fig. 9. Las distancias de corte de Figs. 9a y b y Figs. 9c y d son 5 nm y 12 nm, respectivamente. Se puede ver en Figs. 9b y d que la temperatura de la pieza de trabajo se distribuye como un gradiente concéntrico. La temperatura más alta se extiende por toda la zona de cizallamiento-deslizamiento y zona de fricción de la pieza de trabajo en entorno de vacío, que es superior a 420 K. La temperatura de la viruta y la superficie mecanizada es más alta que otras regiones, que oscila entre 360 y 390 K. Para toda la pieza de trabajo, la temperatura está en un nivel alto, que oscila entre 340 y 360 K. De las Figs. 9a y c, la temperatura de la pieza de trabajo también se distribuye como un gradiente concéntrico y la temperatura más alta se distribuye en el área superior de la viruta, que es alrededor de 370 K. El valor de temperatura de toda la pieza de trabajo está en un nivel más bajo, inferior a 320 K. La temperatura del área de cizallamiento-deslizamiento, zona de fricción y superficie mecanizada son más altas que otras áreas, que oscilan entre 320 y 340 K.

Distribución de temperatura de la pieza de trabajo en nano-corte. a y c son en medios acuosos, b y d son en entorno de vacío

El área de temperatura más alta de la pieza de trabajo se transfiere del área de fricción a la viruta de corte durante el proceso de nano-corte con medios acuosos como se muestra en Fig. 9. Y la temperatura más alta y la temperatura total de la pieza de trabajo se reducen significativamente con el uso adicional de medios acuosos, y la caída de temperatura alcanzó unos 40–60 K. Debido al efecto de lubricación de moléculas de agua, la fricción entre herramienta de corte y superficie mecanizada se reduce durante el proceso de nano-corte con medios acuosos. Por tanto, la temperatura del área de fricción disminuyó drásticamente. Mientras tanto, la máxima deformación por cizallamiento ocurrió en el área de la viruta y la máxima energía de deformación de red se almacena en la viruta, lo que hace que la temperatura de la viruta sea más alta que el área de fricción. Por tanto, el área de temperatura más alta se transfiere del área de fricción a la viruta de corte. Sincrónicamente, una gran cantidad de calor de corte es llevado por los medios acuosos que juegan un papel en enfriar la herramienta, la pieza de trabajo y el área de corte. Y el movimiento térmico de las moléculas de cobre monocristalino se debilita. Además, la energía cinética del movimiento térmico atómico y la energía de deformación de red disminuyen significativamente. Por tanto, la temperatura total y la temperatura más alta de la pieza de trabajo se reducen, cuyo grado de reducción llegó a 40–60 K. Finalmente, el esfuerzo térmico y la deformación térmica de la pieza de trabajo se reducen significativamente. Debido a la participación de medios acuosos, la acción de fricción entre la cara de flanco de la herramienta de corte y la pieza de trabajo se debilita en el proceso de corte. Entonces, la generación de calor por fricción entre herramienta de corte y pieza de trabajo se reduce. Por tanto, el área de temperatura más alta de la pieza de trabajo se transfiere del área de fricción de la cara de flanco al área de la viruta. Más importante aún, el efecto de enfriamiento y lubricación de medios acuosos afectará la nucleación, expansión y aniquilación de la dislocación en el subsuperficie de la pieza de trabajo y finalmente afectará la formación y evolución de las capas de daño subsuperficial de la pieza de trabajo.

Efecto de Medios Acuosos en la Transformación Estructural de Defectos Subsuperficiales

Para identificar claramente los defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo en nano-corte, se usa el método CNA para analizar la pieza de trabajo después del nano-corte. La pieza de trabajo se colorea por diferente estructura atómica. La distribución estructural de defectos de la pieza de trabajo durante el proceso de nano-corte con y sin uso de medios acuosos se muestra en Figs. 10 y 11, donde el verde, rojo, azul y gris son estructuras FCC, HCP, BCC y desconocida, respectivamente.

Evolución de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo en nano-corte sin medios acuosos. Las áreas verde, rojo, azul y gris son representativas de estructuras FCC, HCP, BCC y desconocida. Las distancias de corte de a, b, c y d son 1 nm, 3 nm, 8 nm y 15 nm, respectivamente.

Distribución de defectos superficiales y subsuperficiales en nano-corte para pieza de trabajo con medios acuosos. Las áreas verde, rojo, azul y gris son representativas de estructuras FCC, HCP, BCC y desconocida. Las distancias de corte de a, b, c, d, e y f son 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18 nm y 20 nm, respectivamente.

En el proceso de nano-corte bajo entorno de vacío, la nucleación de dislocaciones ocurrió en el subsuperficie de la pieza de trabajo bajo la acción de extrusión y cizallamiento de la herramienta de corte, y la estructura cristalina se transforma en BCC, como se muestra en Fig. 10a. La dislocación nucleada se extiende a lo largo de la dirección \( [\bar{1}\bar{1}0] \), y la estructura cristalina se transforma en HCP. La estructura cristalina de muchos átomos en la región de cizallamiento-deslizamiento se vuelve BCC, como se muestra en Fig. 10b. Dos dislocaciones parciales se extienden a lo largo de las direcciones \( [\bar{1}\bar{1}0] \) y \( [1\bar{1}0] \), se obstaculizan mutuamente y se componen en un cerrojo de dislocación Lomer-Cottrell. Finalmente, se forma un bucle de dislocación en forma de V típico, como se muestra en Fig. 10c. Parte de los átomos en la zona de cizallamiento-deslizamiento se mueven hacia arriba a lo largo de la cara de rake y son removidos como viruta de corte. La otra parte de los átomos migran hacia abajo a lo largo de la cara de flanco y se forman en superficie mecanizada rugosa por la extrusión y fricción de la herramienta de corte, como se muestra en Fig. 10d.

La distribución y evolución de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo en nano-corte con uso de medios acuosos se muestra en Fig. 11. Se puede ver en la figura que los mecanismos de nucleación de dislocaciones y transformación de estructura cristalina son similares al proceso de corte en entorno de vacío. La diferencia principal es que la nucleación y expansión de dislocaciones es insuficiente en el proceso de nano-corte con medios acuosos. Además, hay muchas fallas de apilamiento nucleadas en el subsuperficie de la pieza de trabajo. La estructura de fallas de apilamiento se transforma en estructura HCP. No obstante, se forma un defecto típico "similar a borde de grano (SGB)" en el subsuperficie de la pieza de trabajo.

En el proceso de nano-corte, bajo la acción de extrusión, cizallamiento y fricción por la herramienta de corte, se genera intensa deformación de la pieza de trabajo. Se producen abundante energía de deformación y calor de corte. La reconfiguración de la red atómica del subsuperficie se produce por la liberación de calor de corte y energía de deformación. Y se forman los defectos subsuperficiales y la transformación de estructura cristalina local, como se muestra en Figs. 11a y 11b. Cuando los medios acuosos participan en el proceso de nano-corte, la mayor parte del calor y energía es llevada. Por tanto, los defectos de dislocación tienen energía inadecuada para extensión y movimiento. Además, las fallas de apilamiento son aniquiladas en el subsuperficie de la pieza de trabajo donde la estructura de defecto cristalino se quedó atrás, como se muestra en Fig. 11c, tras lo cual estas estructuras de defecto cristalino se conectan como un todo y se componen de la capa de daño subsuperficial (SSD) junto con las dislocaciones recién formadas, como se muestra en Fig. 11d. Después de la siguiente relajación MD, algunos defectos de dislocación subsuperficiales desaparecen y se transforman en estructura FCC, y la estructura similar a "grano" se forma entre la superficie mecanizada y la capa de defectos subsuperficiales, como se muestra en Fig. 11e, mientras que los defectos subsuperficiales originales se transforman en una estructura típica "similar a borde de grano (SGB)", como se muestra en Fig. 11f. En la estructura SGB, se forma un bucle de dislocación en forma de V típico, como se muestra en Figs. 11e, f.

La capa metamórfica se forma obviamente por la influencia de la formación de estructuras SGB y "grano" en el subsuperficie de la pieza de trabajo. Además, las nuevas estructuras cristalinas formadas, similares a material policristalino, pueden influir en el rendimiento mecánico y la procesabilidad de materiales monocristalinos. Además, afectará incluso el rendimiento de los nano-componentes mecanizados.

Conclusiones

Basado en los modelos MD establecidos de cobre monocristalino con y sin uso de medios acuosos, se realiza la simulación del proceso de nano-corte. Se analizan los efectos de medios fluidos en la remoción de material y evolución de defectos subsuperficiales. Se investigan la evolución de defectos subsuperficiales, la variación de la fuerza de corte, la distribución de temperatura y la transformación de estructura cristalina de defectos subsuperficiales de la pieza de trabajo usando métodos CSP, DXA y CNA. Los resultados novedosos se resumen como sigue.

1. La remoción de material de la pieza de trabajo se realiza por la acción de cizallamiento por extrusión de la herramienta de corte sobre la pieza de trabajo; la participación de medios acuosos no afecta el mecanismo de remoción de materiales. Debido a la acción de lubricación de moléculas de agua existentes entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo, la deformación de la pieza de trabajo disminuye, la fuerza de corte se reduce, y la altura de la viruta de corte y la profundidad de la capa de daño subsuperficial se reducen.
2. El área de temperatura más alta se transfiere del área de fricción a la viruta de corte durante el proceso de nano-corte con el uso adicional de medios acuosos. Y la temperatura más alta y la temperatura total de la pieza de trabajo se reducen significativamente, y la caída de temperatura alcanzó unos 40–60 K. Por tanto, la deformación térmica de la pieza de trabajo se reduce y la cantidad de átomos de defecto subsuperficial disminuye.
3. En la capa subsuperficial de la pieza de trabajo, las estructuras cristalinas de dislocaciones nucleadas se transforman en BCC, y las dislocaciones extendidas se transforman en HCP. Las estructuras cristalinas atómicas en la región de cizallamiento-deslizamiento se vuelven BCC. Bajo el efecto de medios fluidos, los defectos subsuperficiales se transforman en una estructura de defecto típica "similar a borde de grano (SGB)" en la capa SSD, que puede influir en el rendimiento mecánico y la procesabilidad de materiales monocristalinos. Además, afectará incluso el rendimiento de los nano-componentes mecanizados.

Abreviaturas

MD:

Dinámica molecular

CSP:

Parámetro de centro-simetría

CNA:

Análisis de vecinos comunes

DXA:

Algoritmo de extracción de dislocaciones

PBC:

Condición de frontera periódica

EAM:

Método de átomo empotrado

L-J:

Lennard-Jones

FCC:

Cúbico centrado en las caras

HCP:

Hexagonal compacto

BCC:

Cúbico centrado en el cuerpo

ICO:

Icosahédrico

SGB:

Similar a borde de grano

SSD:

Daño subsuperficial