基于分子动力学的三维纳米级切削加工模拟方法

摘要

本发明属于纳米级超精密加工领域，涉及一种基于分子动力学方法的三维纳米切削加工模拟方法。该方法包括下列步骤：(1)建立刀具和工件的三维模型；(2)确定势能函数；(3)三维纳米切削加工模拟。本发明三维模型形貌更接近于实际单点金刚石刀具形貌，因此能更有效的仿真实际切削过程，从而更真实展现纳米级切削加工机理。

主权项

一种基于分子动力学方法的三维纳米切削加工模拟方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)定义表达分子动力学仿真模型的数据结构，在该模型中，每一个原子是由其三维点信息构成的，用三个精确到小数点后三位单位为埃的数，来表示原子的空间坐标对每个原子赋予唯一的原子序数，根据待模拟工件的各个原子所属的层数，区分各个原子所属的原子类型。(2)根据单点金刚石的空间结构排列，建立一个由长方体的点信息的集合构成的第一模块；(3)在x‑y平面内建立前刀面在y轴上，刃口半圆的圆心在(a，a)处，并与前刀面相切，后刀面后角为11°，并与刃口半圆相切的二维刀具模型；(4)将该二维刀具模型，绕Y＝b直线旋转，这样得到一个指环状的实体，其圆弧半径为刀鼻半径b，称为第二模块；(5)将第一模块和第二模块进行交集处理，即得到三维刀具模型；(6)根据待仿真工件的材料性质确定其原子的空间排布和势能函数；(7)建立工件实体，并确定刀具与工件在空间的相对位置；(8)待仿真工件的材料性质，确定待仿真工件自身的势能函数，根据刀具和待仿真工件的材料性质，确定两种之间相互作用的势能函数；(9)定义包括工件材料类型、工件尺寸长宽高、切削方向、切削速度在内的切削参数；(10)按照下列步骤进行三维纳米切削加工模拟：(a)初始化金刚石刀具和待仿真工件的原子位置；赋予待仿真工件的初始势能U；进而初始化金刚石刀具的原子速度；定义截断半径参数和仿真时间步长；(b)执行仿真循环，对于每一次循环，利用步骤(6)所确定的待仿真工件自身的势能函数，计算待仿真工件的原子间的作用力和原子的势能；根据所设定的切削速度和仿真时间步长，计算刀具的位移，利用步骤(6)所确定的刀具和待仿真工件之间相互作用的势能函数，计算刀具对工件的作用和切削力；根据上述的计算，更新原子的位置和速度；(c)执行仿真循环后，存储当前时刻原子的位置坐标和速度、工件的势能、刀具的切削力。