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自由曲面銅表面におけるナノスケール加工プロセスのマルチスケール評価
Multiscale Assessment of Nanoscale Manufacturing Process on the Freeform Copper Surface.
PMID: 32674370 DOI: 10.3390/ma13143135.
抄録
ナノカッティングは、ナノメートルレベルの加工精度と表面品質を持つことから、超精密加工や高封止機械装置などで注目されています。しかし、有限要素法（FE）や分子動力学法（MD）のように切削加工を数値的に再現する従来の手法では、シミュレーション規模の制限や計算コストの問題から、ナノ切削加工の切削加工メカニズムを解明することは困難でした。ここでは、改良された準連続法(QC)を用いて、銅試料の動的なナノ切断挙動(10nm以下)を解析した。銅リボン上での波動伝播による効果を予備的に検証した後、銅試料のナノカットプロセスにおける切削力、応力分布、表面変成層の深さに対する切削工具のパラメータとバックエンゲージメントの影響を評価した。その結果，切削力と表面変成層の深さは，バックエンゲージメントの影響を受けやすく，工具ランク角や工具の丸みを帯びた刃先径などの切削工具パラメータに対する耐性が高いことがわかった．また、QC法で得られた結果は、MD法で得られた結果と同等であり、ナノ切断プロセスにおける修正QC法の有効性と適用可能性を示している。以上のことから、本研究は、大型ワークのナノ切削加工メカニズムを調査するための応用可能で効率的な方法を提供し、超精密・高表面品質デバイスへの応用に光を当てるものである。
The nanocutting has been paid great attention in ultra-precision machining and high sealing mechanical devices due to its nanometer level machining accuracy and surface quality. However, the conventional methods applicable to reproduce the cutting process numerically such as finite element (FE) and molecular dynamics (MD) are challenging to unveil the cutting machining mechanism of the nanocutting due to the limitation of the simulation scale and computational cost. Here a modified quasi-continuous method (QC) is employed to analyze the dynamic nanocutting behavior (below 10 nm) of the copper sample. After preliminary validation of the effectiveness via the wave propagation on the copper ribbon, we have assessed the effects of cutting tool parameters and back-engagement on the cutting force, stress distribution and surface metamorphic layer depth during the nanocutting process of the copper sample. The cutting force and depth of the surface metamorphic layer is susceptible to the back-engagement, and well tolerant to the cutting tool parameters such as the tool rank angle and tool rounded edge diameter. The results obtained by the QC method are comparable to those from the MD method, which indicate the effectiveness and applicability of the modified QC method in the nanocutting process. Overall, our work provides an applicable and efficient strategy to investigate the nanocutting machining mechanism of the large-scale workpiece and shed light on its applications in the super-precision and high surface quality devices.