Αριθμητική μοντελοποίηση κατεργασιών αποβολής υλικού σε μικρο και νανοκλίμακα

Abstract

The continuous advancements in various high end industries, such as the automotive, aerospace and electronics industries lead to the necessity of continuous development and improvement in the field of Micromachining with a view to produce a large variety of essential microparts with high quality and dimensional accuracy while at the same time ensuring the high productivity level as well. For that reason, it is required that thorough theoretical studies are carried out based on experimental findings, in order to increase the level of understanding regarding various phenomena occurring in the microscale, so as to adopt suitable machining strategies and achieve the aforementioned goals. More specifically, regarding the micromachining processes, the size effects occurring when the size of produced microparts or cutting tools are comparable to the grain size, as well as when the selected process parameters values are lower than specific threshold values affect the machine tool power consumption, cutting tool wear, surface quality and stress condition of the produced parts negatively. Furthermore, as the materials used usually for in microelectronics applications are brittle, the necessity of machining them in ductile mode leads to the need for determining the most appropriate process conditions, in order to ensure this favorable condition and at the same time maintain high levels of productivity. During the last decades, various researchers developed simulation models for microscale and nanoscale machining processes in order to understand and sufficiently explain the phenomena occurring during these processes, something that is almost impossible or ineffective to be performed exclusively by experimental investigations. More specifically, regarding nanoscale machining processes, due to many phenomena being dependent on the crystal structure of materials and the possibility of directly studying the fundamental material removal mechanisms via atomic scale simulations, Molecular Dynamics method plays a considerable role in the field of nanomachining simulations. In Molecular Dynamics simulations, the computational model can be developed based on its crystal structure, the thermo-mechanical and tribological behavior of materials is modeled using a potential energy function and after imposing initial and boundary conditions, the process outcome is determined by solving the Newton’ second law of motion for every unconstrained atom in the system. Postprocessing of the results leads to the determination of process forces, workpiece temperature, chip and burr morphology as well as workpiece structure alterations, in order to detect and explain the occurring phenomena during nanomachining and determine optimum process conditions. During the last three decades, several studies regarding various nanomachining processes were conducted by Molecular Dynamics simulation models, both for monocrystalline and polycrystalline materials, as well as alloys. Although various models for nanomachining processes are already developed and several important subjects, such as the effect of process parameters, cutting tool characteristics, and workpiece microstructure on the process outcome, the brittle to ductile cutting mode transition, the suitability of using hybrid machining techniques and cutting tool wear were studied using these models, it is necessary that the studies are also directed towards other nanomachining processes or that more realistic models are developed. For that reason, in the present thesis, the nano-grinding and nano-milling processes were mainly studied by using Molecular Dynamics simulation models. At first, the effect of various fundamental process parameters, such as cutting speed and rake angle was investigated by developing a general nanocutting model in order to draw necessary conclusions for facilitating the analysis of the two different nanomachining processes studied in this thesis. Afterwards, peripheral nano-grinding process was thoroughly investigated by a model including multiple grains and realistic trajectory of the abrasive grains, due to both translational and rotational speed, in contrast to the models used in the relevant literature, which include a simplified linear grain trajectory, neglecting the fact that the undeformed chip thickness during nano-grinding is variable. Thus, this computational model was employed to study the effect of various process parameters, such as depth of cut, the size of the abrasive grain, the effect of using multiple rows of grains and their distance, the preheating temperature of the workpiece and the appropriateness of using different types of boundary conditions in the model. Finally, the nano-milling process was also studied by the use of two different models, with a cutting tool resembling an end mill and a cutting tool resembling a milling head cutter. As nano-milling is not adequately investigated in the relevant literature, a systematic work of investigating the effect of various parameters on the outcome this process was carried out for a wide range of parameters values. Thus, the effect of an important parameter for an intermittent cutting processes such as nano-milling, namely the rotational speed of the cutting tool was studied, as well as the number of cutting edges and the depth of cut and afterwards, simulation results, such as the cutting forces, chip morphology and workpiece structure alterations were analyzed. Regarding simulations of nano-milling with a milling head cutter, a category of simulations not yet examined in the relevant literature, the effect of milling head rotational speed, the number of cutting inserts, the depth of cut and feed speed were also studied, in order to determine the appropriate range of process parameters which can be used for ensuring increased productivity levels during nano-milling while maintaining workpiece integrity.

Οι συνεχείς εξελίξεις σε βιομηχανίες αιχμής όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροδιαστημική βιομηχανία και η βιομηχανία ηλεκτρονικών υπαγορεύουν μεταξύ άλλων την ανάγκη για συνεχή ανάπτυξη και εξέλιξη του πεδίου των Μικροκατεργασιών ώστε να παράγεται ένα μεγάλο πλήθος απαραίτητων μικροεξαρτημάτων με υψηλή ποιότητα και διαστατική ακρίβεια και να εξασφαλίζεται η υψηλή αποτελεσματικότητα της παραγωγής. Για το σκοπό αυτό, πρέπει να διεξάγονται εμπεριστατωμένες θεωρητικές μελέτες βασισμένες σε πειραματικά στοιχεία, ώστε να κατανοηθούν σε μεγάλο βαθμό τα ιδιαίτερα φαινόμενα που προκύπτουν στη μικροκλίμακα και να σχεδιαστούν κατάλληλα οι στρατηγικές κατεργασίας προκειμένου να επιτευχθούν οι προαναφερθέντες στόχοι. Ειδικότερα για τις μικροκατεργασίες αποβολής υλικού, τα φαινόμενα κλίμακας που προκύπτουν όταν οι διαστάσεις των μικροαντικειμένων ή των κοπτικών εργαλείων είναι συγκρίσιμες με το μέγεθος των κόκκων αλλά και όταν οι τιμές των παραγόντων της κατεργασίας που επιλέγονται είναι κατώτερες ορισμένων οριακών τιμών, επηρεάζουν δυσμενώς τις σχετικές απαιτήσεις ισχύος των εργαλειομηχανών, τη φθορά των κοπτικών εργαλείων, την ποιότητα επιφανείας και την εντατική κατάσταση των παραγόμενων αντικειμένων. Επιπλέον καθώς τα κυριότερα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων είναι ψαθυρά, η ανάγκη για πραγματοποίηση της κατεργασίας τους υπό συνθήκες «όλκιμης» κοπής οδηγεί στην ανάγκη διερεύνησης των κατάλληλων συνθηκών που εξασφαλίζουν αυτή την ευνοϊκή κατάσταση, διατηρώντας παράλληλα όσο το δυνατόν μεγαλύτερη παραγωγικότητα. Τις τελευταίες δεκαετίες διάφοροι ερευνητές ανέπτυξαν μοντέλα προσομοίωσης για τις κατεργασίες σε επίπεδο μικροκλίμακας και νανοκλίμακας προκειμένου να κατανοήσουν και να εξηγήσουν ικανοποιητικά τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τις κατεργασίες αυτές, κάτι που είναι είτε πρακτικά αδύνατο είτε αναποτελεσματικό να πραγματοποιηθεί αποκλειστικά μέσω πειραματικών διερευνήσεων. Ειδικότερα για την περίπτωση των κατεργασιών της νανοκλίμακας, λόγω της εξάρτησης πολλών φαινομένων από την κρυσταλλική δομή των υλικών και την αμεσότερη δυνατότητα μελέτης των θεμελιωδών μηχανισμών αποβολής υλικού μέσω προσομοιώσεων που λαμβάνουν υπόψη την ύλη σε ατομικό επίπεδο, η μέθοδος της Μοριακής Δυναμικής έχει τον σημαντικότερο ρόλο αναφορικά με τις προσομοιώσεις των νανοκατεργασιών. Μέσω αυτής της μεθόδου το μοντέλο προσομοίωσης δημιουργείται με βάση την κρυσταλλική του δομή, η θερμομηχανική και τριβολογική συμπεριφορά των υλικών μοντελοποιείται με βάση κατάλληλη συνάρτηση δυναμικής ενέργειας και το αποτέλεσμα της κατεργασίας μετά την επιβολή αρχικών και οριακών συνθηκών προκύπτει μέσω της επίλυσης του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα για κάθε άτομο του συστήματος που επιτρέπεται να κινηθεί ελεύθερα. Η μετεπεξεργασία των αποτελεσμάτων οδηγεί στον προσδιορισμό των δυνάμεων της κατεργασίας, της θερμοκρασίας του τεμαχίου, της εντατικής κατάστασης, του συντελεστή τριβής αλλά και των μεταβολών στη μορφή του αποβλίττου και του γρεζιού που σχηματίζεται και της μεταβολής της δομής του υλικού του τεμαχίου προκειμένου μετά από ανάλυση να εντοπιστούν και να εξηγηθούν τα φαινόμενα που εμφανίζονται κατά τις νανοκατεργασίες και να προσδιοριστούν οι καταλληλότερες συνθήκες κατεργασίας. Κατά τις τρεις προηγούμενες δεκαετίες πραγματοποιήθηκαν αρκετές μελέτες για διάφορες νανοκατεργασίες με χρήση της Μοριακής Δυναμικής, τόσο για μεταλλικά όσο και για κεραμικά υλικά ή κράματα. Παρότι έχουν μελετηθεί αρκετά είδη νανοκατεργασιών και έχουν αναδειχθεί διάφορα σημαντικά θέματα, όπως η επίδραση των παραγόντων της κατεργασίας, των χαρακτηριστικών των κοπτικών εργαλείων και της μικροδομής του τεμαχίου στο αποτέλεσμα της κατεργασίας, οι συνθήκες μετάβασης από ψαθυρή σε όλκιμη κοπή, η καταλληλότητα της χρήσης υβριδικών τεχνικών κατεργασίας και η φθορά των κοπτικών εργαλείων, μεταξύ άλλων, είναι αναγκαίο να βελτιωθεί το επίπεδο κατανόησης των νανοκατεργασιών με χρήση πιο ρεαλιστικών μοντέλων ή με την μελέτη άλλων ειδών κατεργασιών. Γι ’αυτό το σκοπό, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν κυρίως η νανο-λείανση και το νανο-φρεζάρισμα με χρήση μοντέλων προσομοίωσης Μοριακής Δυναμικής. Αρχικά, διερευνήθηκε η επίδραση ορισμένων θεμελιωδών παραμέτρων των κατεργασιών, όπως η ταχύτητα κοπής και η γωνία αποβλίττου μέσω ενός γενικού μοντέλου νανοκοπής προκειμένου να εξαχθούν απαραίτητα συμπεράσματα που θα διευκολύνουν την ανάλυση των δύο βασικών κατηγοριών προσομοιώσεων που προαναφέρθηκαν. Στη συνέχεια μελετήθηκε διεξοδικά η κατεργασία της περιφερικής νανο-λείανσης, με μοντέλο πολλαπλών κόκκων οι οποίοι ακολουθούν ρεαλιστική τροχιά λόγω τόσο της μεταφορικής όσο και περιστροφικής ταχύτητας σε αντίθεση με τα υπάρχοντα μοντέλα που απλοποιούν την τροχιά σε ευθύγραμμη, αγνοώντας ότι στην πράξη κατά τη λείανση το πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου είναι μεταβλητό. Επομένως, με χρήση αυτού του υπολογιστικού μοντέλου μελετήθηκαν διάφορες παράμετροι όπως το βάθος κοπής, το μέγεθος του λειαντικού κόκκου, η επίδραση περισσότερων σειρών λειαντικών κόκκων και της απόστασής τους, το σχήμα και η γωνία αποβλίττου του λειαντικού κόκκου, η θερμοκρασία προθέρμανσης του τεμαχίου αλλά και η καταλληλότητα των οριακών συνθηκών που επιβάλλονται στο μοντέλο. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η κατεργασία του νανο-φρεζαρίσματος με δύο διαφορετικά είδη κοπτικών εργαλείων, δηλαδή ένα εργαλείο που προσομοιάζει το κονδύλι και ένα εργαλείο που προσομοιάζει τη φρεζοκεφαλή με ένθετους κοπτήρες. Καθώς το νανο-φρεζάρισμα με κονδύλι έχει μελετηθεί ελάχιστα στη βιβλιογραφία, έγινε μια προσπάθεια συστηματικής διερεύνησης της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων στην κατεργασία αυτή για μεγάλο εύρος τιμών. Έτσι, διερευνήθηκε η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής του κοπτικού εργαλείου, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική στο νανοφρεζάρισμα που αποτελεί μια κατεργασία διακοπτόμενης κοπής, του αριθμού των κοπτικών ακμών και του βάθους κοπής και αναλύθηκαν τα αποτελέσματα τόσο αναφορικά με τις δυνάμεις κατεργασίας όσο και με τη μορφολογία του αποβλίττου και τις μεταβολές της δομής του τεμαχίου. Όσον αφορά το νανο-φρεζάρισμα με φρεζοκεφαλή, το οποίο δεν είχε μελετηθεί προηγουμένως στη βιβλιογραφία, διερευνήθηκε η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής του κοπτικού εργαλείου, του αριθμού των κοπτήρων, του βάθους κοπής και της ταχύτητας πρόωσης προκειμένου να προσδιοριστεί το εύρος των κατάλληλων συνθηκών ώστε να εξασφαλίζεται η αποδοτικότερη κατεργασία με τη μικρότερη επιβάρυνση στο τεμάχιο.