بررسی فرآیند ماشین‌کاری فوق‌دقیق با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و آزمایشات تجربی سیلیکون تک‌کریستال

فرآیند ماشین‌کاری فوق دقیق قطعات، روشی بسیار پیشرفته جهت نیل به دقت ابعادی و صافی سطح در حد نانومتر می‌باشد. این فرآیند کاربرد وسیعی در تولید قطعات دقیق صنایع دفاعی، هوافضا، اپتیک و الکترونیک داشته و فقط تعداد محدودی از کشورهای صنعتی به فناوری آن دسترسی دارند. با توجه به دقت بسیار بالای این فرآیند، عوامل زیادی می‌توانند بر کیفیت سطح نهایی تاثیر بگذارند. اجزاء ماشین‌ابزار، شرایط ماشین‌کاری، هندسه و جنس ابزار، شرایط محیطی، جنس قطعه‌کار و ارتعاشات، از جمله این عوامل می‌باشند که در این مقاله به بررسی آنها پرداخته شده است. در ادامه، با استفاده از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به بررسی تاثیر عمق ماشین‌کاری بر مکانیزم برش و کیفیت سطح پرداخته شد. نتایج مشخص کرد هنگامی که نسبت عمق ماشین‌کاری به شعاع لبه ابزار کمتر از 0/5 باشد، زاویه پیشانی موثر، بزرگتر از زاویه پیشانی اسمی ابزار خواهد بود. همچنین تحت این شرایط، مکانیزم ماشین‌کاری متفاوت از مکانیزم میکروبراده‌برداری بوده و بصورت اکستروژن می‌باشد. در انتها، با انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های تجربی، تاثیر عمق براده‌برداری بر شکل براده و کیفیت سطح صورت پذیرفت. بدین منظور از میکروسکوپ الکترونی روبشی، دستگاه اندازه‌گیری فوق دقیق دوبعدی و همچنین تداخل‌سنج نور سفید استفاده شد. نتایج نشان دهنده گسیختگی براده‌ها در عمق براده‌برداری پایین و همچنین تشکیل نانو-رُبان‌های سیلیکونی در عمق براده‌برداری 100 نانومتری بود.

Investigation of Ultra-Precision Machining on Single Crystal Silicon Using Molecular Dynamics Simulation and Experiments

Ultraprecision machining is an advanced method for production of materials with nanoscale surface roughness. It is widely used in the manufacturing of precision components for defense, aerospace, optics, and electronics industries. For this feature, only a few industrial countries have access to this technology. Due to the high precision of this technology, many factors can affect the final surface quality. Machine components, machining conditions, tool geometry and material, environmental condition, workpiece material as well as vibration, are among the factors that are reviewed in this article. Afterwards, the effect of cutting depth on machining mechanism and surface quality is investigated using molecular dynamics investigation. The results revealed that when the ratio of cutting depth to tool edge radius becomes lower than 0.5, the effective rake angle would be bigger than the nominal rake angle. Furthermore, under this condition, the dominant machining mechanism is extrusion, which is different from the micro cutting mechanism. Finally, a series of experiments was conducted to study the impact of the undeformed chip thickness on the chip morphology and surface topography. For this purpose, field emission scanning electron microscopy, 2D ultraprecision point autofocus probe as well as white light interferometer were exploited. The results indicated that at the lower relative tool sharpness, chip edge tearing occurs. Besides, by increasing this parameter to 100 nm, silicon nanoribbons is created.