Πρόβλεψη των δυνάμεων κοπής και των θερμοκρασιών στην κοπή σε νανοκλίμακα με τη μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής

Abstract

Η προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής, όπως και άλλες τεχνικές προσομοίωσης κατέχουν σημαντικό ρόλο στην μελέτη αρκετών περιπτώσεων κατεργασίας σε ατομικό επίπεδο. Η προσομοίωση των κατεργασιών σε ατομικό επίπεδο, παρέχουν νέα δεδομένα για διάφορες κατεργασίες, τα οποία δε θα μπορούσαν να ληφθούν με κανέναν άλλο τρόπο-θεωρητικά ή πειραματικά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η μέθοδος προσομοίωσης Μοριακής Δυναμικής και συγκεκριμένα αναλύεται η εφαρμογή της σε κοπές νανοκλίμακας. Αρχικά τίθενται οι θεωρητικές βάσεις του μοντέλου της Μοριακής Δυναμικής και πιο συγκεκριμένα όλων των θεμελιωδών παραγόντων που το απαρτίζουν και το επηρεάζουν, όπως οι υπολογισμοί των τροχιών, η επιλογή ενέργειας δυναμικού και ο καθορισμός της ταχύτητας κοπής, άρα και της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια αναλύεται πιο ειδικά η χρήση της Μοριακής Δυναμικής στις νανοκοπές, τα πλεονεκτήματα, οι περιορισμοί της και οι παράμετροι διεργασίας που την επηρεάζουν. Επιπλέον γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση διαφόρων προσομοιώσεων άλλων μελετητών. Η κατασκευή μινιατούρων υψηλής ακρίβειας μέσω της μικροτεχνολογίας και νανοτεχνολογίας απαιτεί βαθιά κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν την διαδικασία της κατεργασίας. Η συνεισφορά της παρούσας εργασίας προς αυτή την κατεύθυνση είναι η διερεύνηση των θερμικών φαινομένων κατά τη νανοκοπή σε τεμάχιο κατεργασίας από χαλκό με εργαλείο διαμαντιού. Η προσομοίωση γίνεται με τη βοήθεια της γλώσσας προγραμματισμού Matlab. Μελετάται η εξέλιξη της διαδικασίας αποβολής υλικού και η μεταβολή των θερμοκρασιών εντός του όγκου του υλικού για διαφορετικά βάθη κοπής. Πέραν αυτού, με τη χρήση κατάλληλης συνάρτησης στον κώδικα, είναι δυνατή η επιλογή οποιουδήποτε πλήθους ατόμων του υλικού κατεργασίας και η μελέτη των θερμοκρασιών του κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης της κοπής. Όπως ήταν αναμενόμενο, η μέση θερμοκρασία του υλικού αυξάνεται με αύξηση του βάθους κοπής και πρακτικά δεν επηρεάζεται αν χρησιμοποιηθεί το δυναμικό Lennard Jones, αντί για το δυναμικό Morse. Τέλος, όσον αφορά στις δυνάμεις κοπής, προκύπτει ότι αυξάνονται με το βάθος κοπής, και βρέθηκε ότι η χρήση του δυναμικού Lennard Jones οδηγεί σε μεγαλύτερες δυνάμεις σε σύγκριση με το δυναμικό Morse.

Molecular dynamics (MD) simulation, like other simulation techniques can play a significant role in addressing a number of machining problems at the atomic scale. It may be noted that atomic simulations are providing new data for various manufacturing processes that cannot be obtained readily in any other way—theory, or experiment. In this thesis, the principles of MD simulation, relative advantages and current limitations, and its application to a range of machining problems and materials are presented. Moreover, a literature review of other researchers’ simulations is included. The fabrication of high precision miniaturized components in micro- and nano-technologies requires a deep understanding of the physical mechanisms governing the nanomachining process. To aid with this need, the current thesis employs molecular dynamics to investigate the thermal aspects of nanometric machining in a copper workpiece with diamond tool. We study the evolution of the material removal process and the variation of the temperature within the workpiece for different cutting depths. Furthermore, we employed a certain function in the matlab algorithm, which allow us to choose any group of atoms we prefer and study their developed temperatures during the whole simulation of nanocutting. As expected, the mean temperature rises with increasing cutting depth and is practically the same when we employed the Lennard Jones potential. Finally, concerning the cutting forces for different cutting depths, results showed that they are practically increased with increasing depth, and we found that they are bigger with the use of the Lennard- Jones potential instead of the Morse potential.