단결정 구리의 나노 절삭 공정에서 유체 매체가 재료 제거와 표면 하부 결함 진화에 미치는 영향을 분자 동역학 시뮬레이션으로 조사했습니다. 수용액 매체를 사용한 나노 절삭 공정 중 공작물의 원자 이동과 전위 진화를 분석하여 칩 제거 메커니즘과 가공 표면 형성 메커니즘을 연구했습니다. 중심 대칭 매개변수(CSP)와 공통 이웃 분석(CNA) 방법을 사용하여 온도 분포와 표면 하부 결함 결정 구조 변화를 분석했습니다. 결과는 공작물 재료가 절삭 공구의 압출 전단 작용에 의해 제거됨을 보여줍니다. 수용액 매체의 윤활 작용은 절삭력을 감소시키고 칩 높이를 낮춥니다. 특히 유체 매체의 냉각 작용으로 공작물 표면 하부에 전형적인 결함인 '유사 결정립계'가 형성됩니다. 또한 유체 매체 사용 시 나노 절삭 공정 중 공작물 온도가 현저히 감소합니다.
다이아몬드 절삭은 서브미크론 치수 정밀도와 나노미터 표면 마감으로 나노구조 표면을 생성하는 효과적인 기술로 널리 인정받습니다[1]. 나노스케일에서 재료 제거 메커니즘과 가공 표면 형성은 나노미터 절삭 공정의 가공 정밀도 향상에 중요합니다. 초기 연구들은 진공 환경에서 나노 절삭 공정 중 재료 변형[2-4], 표면 결함 진화[5-7], 잔류 응력[8, 9], 결정 상 전이[10, 11]에 초점을 맞췄습니다. 그러나 실제 금속 나노미터 절삭에서 냉각 및 윤활 유체의 역할은 가공 성능 향상에 매우 중요합니다[12]. 따라서 유체 매체가 나노 절삭 공정에서 재료 제거 메커니즘과 표면 하부 결함 진화에 미치는 영향을 연구할 필요가 있습니다.
최근 분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 나노 절삭 공정의 가공 메커니즘을 연구하는 효과적인 방법으로 입증되어 널리 조사되고 있습니다. 예를 들어, Fang[13]은 나노 절삭에서 복원과 측면 흐름이 표면 생성과 상 전이에 미치는 영향을 연구했으며, 측면 흐름 억제가 나노 절삭에서 생성된 표면 거칠기 개선에 효과적임을 발견했습니다. Urbassek[14]은 MD 시뮬레이션으로 나노결정 금속의 스크래칭을 연구하여 결정립 방향이 파일업 형태에 지배적 영향을 미치고 마찰 계수에도 강하게 영향을 미침을 발견했습니다. Sharma[15]는 나노스케일 절삭에서 여섯 가지 다른 결정 방향이 재료 변형 메커니즘, 표면 하부 결함, 절삭력, 비절삭 에너지, 플러우 효과, 표면 거칠기에 미치는 영향을 조사했습니다. Luo[16]는 나노스케일 멀티팁 다이아몬드 공구를 사용하여 다이아몬드 터닝에서 형태 전이 가능성을 입증했습니다.
나노부품의 표면 하부 결함 형성과 표면 거칠기는 절삭 방향, 절삭 깊이, 절삭 속도, 공구 형상과 같은 절삭 매개변수의 합리적 선택으로 억제할 수 있습니다. 그러나 이는 결함 형성과 표면 품질 개선의 생성 메커니즘에서 성공적이지 못합니다. 게다가 이러한 연구들은 진공 환경에서의 나노 절삭 공정에 초점을 맞췄습니다. 실제 나노미터 절삭에서는 공구와 공작물 사이에 대기 및 냉각 액체 매체가 존재하여 나노 절삭 메커니즘과 나노구조 표면 품질에 영향을 미칩니다.
위 고려사항을 바탕으로 많은 학자들이 유체 매체를 사용한 나노 가공 공정을 연구했습니다. 예를 들어, Mylvaganam[17]은 MD 시뮬레이션으로 O₂가 다이아몬드 입방 실리콘의 나노 인덴테이션에 미치는 영향을 탐구하여 O₂ 분자가 산소 원자로 해리되어 실리콘 원자와 화학 결합을 형성함을 발견했습니다. Rentsch[18]는 절삭 유체가 응력과 온도 분포에 큰 영향을 미치며 공구 마모를 감소시킬 수 있음을 지적했습니다. Liu[19]는 대기 분자가 나노 절삭에서 표면 품질과 공구 마모에 미치는 영향을 연구했으며, 대기 분자의 윤활로 인해 절삭력이 감소하고 공구 마모가 줄어듦을 보여주었습니다. Singh[20]은 나노입자 절삭 유체가 금속 제거 공정에 미치는 영향을 연구했습니다. Wang[21]은 나노 인덴테이션 공정에서 물 분자가 마찰 거동과 특성 측정에 미치는 영향을 논의하여 물 분자 참여로 초기 인덴테이션 힘이 증가하고 최대 인덴테이션 힘이 감소함을 발견했습니다. Chavoshi[22]는 저산소 조건에서 단결정 실리콘의 고온 나노스크래칭을 연구하여 시뮬레이션에서 고압 실리콘 상의 잔재가 관찰되지 않음을 보고했습니다.
기존 문헌에서 유체 매체를 사용한 나노 절삭 공정 연구는 공구-칩 인터페이스 영역에 위치한 몇 개의 분자나 나노입자 기반 시뮬레이션 모델에 기초하며, 다른 영역에는 유체 매체가 추가되지 않아 유체 매체의 윤활이 제한적으로 분석되었습니다. 모델 내 유체 매체의 불충분으로 인해 유체 매체의 냉각 작용이 나노 절삭 공정에 영향을 미치지 못하지만, 냉각 작용은 윤활 작용만큼 가공 정밀도와 표면 품질에 중요합니다.
따라서 본 연구에서는 절삭 공구와 공작물을 절삭 유체 매체로 완전히 둘러싸도록 하여 공구-칩 인터페이스 작용 영역뿐만 아니라 공작물 표면, 가공 표면, 공구 후면 영역에도 존재하게 했습니다. 이로써 절삭 공구와 공작물 사이의 적절한 유체 매체 윤활을 조사할 수 있습니다. 또한 유체 매체를 나노 절삭 공정 중 일정한 온도로 설정하여 냉각 작용도 잘 연구할 수 있습니다. 수계 절삭 유체는 초정밀 가공 공정에서 널리 사용되며, 물뿐만 아니라 수용성 베이스 오일, 피마자유, 트리에탄올아민, 붕산, 계면활성제, 폴리에틸렌 글리콜, 인산나트륨 등을 포함합니다. 그럼에도 불구하고 절삭 유체의 주성분은 물 매체이며, 절삭 유체 중 물의 질량 분율은 약 70%에 달합니다. 다른 모든 물질의 MD 모델 구축 어려움과 퍼텐셜 함수 매개변수 미지로 인해 수계 절삭 유체를 사용한 나노 절삭 연구를 분자 동역학 계산 시뮬레이션 방법으로 수행할 수 없습니다. 따라서 절삭 유체의 주성분인 물 매체를 채택하여 나노 절삭 공정 시뮬레이션에서 수계 절삭 유체를 대체했습니다. 구축된 MD 모델을 기반으로 나노 절삭 공정을 수행하여 물 매체가 재료 제거와 표면 하부 결함 형성 메커니즘에 미치는 영향을 연구했습니다. 표면 하부 결함 진화, 절삭력 변화, 공작물 온도 분포, 표면 하부 결함 결정 변환을 중심 대칭 매개변수(CSP), 공통 이웃 분석(CNA), 전위 추출 알고리즘(DXA) 방법을 사용하여 조사했습니다.
나노 절삭에서 유체 매체가 재료 제거와 표면 하부 결함 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해 수용액 매체가 있는 경우와 없는 경우의 MD 모델을 구축했습니다(Fig. 1). 모델에서 물 분자는 TIP4P 모델[23-25]에 따라 구축했습니다. CHARMM 힘장과 레나드-존스(L-J) 퍼텐셜 함수를 사용하여 물 분자 운동을 정밀하게 계산했습니다. 이는 비결합 퍼텐셜 에너지, 결합 신장 퍼텐셜, 결합 각도 굽힘 퍼텐셜 에너지, 분자 진동을 종합적으로 분석하여 물 분자 시뮬레이션을 더 정확하게 만듭니다. 공작물 재료는 단결정 구리이며, 가공 공구는 다이아몬드 재료입니다. 모델은 62835개 물 분자, 368208개 Cu 원자, 2452개 C 원자를 포함합니다. 공작물은 뉴턴 층, 온도 층, 경계 층의 세 부분으로 나뉩니다. 크기 효과를 줄이기 위해 [001]과 [010] 방향에 주기적 경계 조건(PBC)을 적용했습니다. 물 매체의 압력과 밀도를 유지하기 위해 [001] 방향 양쪽에 반사 벽을 사용했습니다. 실제 가공 공정에서 냉각수가 대부분의 절삭 열을 가져가므로, 본 연구에서 물 환경을 300 K의 일정한 온도로 설정했습니다. 진공 환경의 MD 시뮬레이션 모델은 Fig. 1b에 표시되어 있으며, 초기 시뮬레이션 조건은 유체 환경 모델과 유사합니다. 두 모델 간 차이는 수용액 매체 관련 설정입니다. 자세한 절삭 매개변수는 표 1에 나와 있습니다.
MD 시뮬레이션에서 퍼텐셜 함수는 시뮬레이션 결과에 결정적인 역할을 합니다. 재료 특성은 원자간 상호작용에 의해 근본적으로 제어됩니다. 본 연구에서 모델은 공작물, 절삭 공구, 수용액 매체의 세 부분으로 나뉘며 Cu, C, H, O 네 가지 원자 유형을 포함합니다. 서로 다른 원자간 상호작용은 모스 퍼텐셜, 매립 원자법(EAM) 퍼텐셜, 레나드-존스(L-J) 퍼텐셜, 테르소프 퍼텐셜로 계산합니다. 서로 다른 원자간 선택된 퍼텐셜 함수의 자세한 소개는 표 2에 나와 있습니다.
공작물의 Cu 원자와 절삭 공구의 C 원자 간 상호작용은 식 (1)과 같이 모스 퍼텐셜로 계산합니다[26].
$$ u(r_{ij}) = D[\exp(-2\alpha(r_{ij}-r_0)) - 2\exp(-\alpha(r_{ij}-r_0))] $$ (1)
여기서 \( r_0 \), \( \alpha \), \( D \)는 각각 원자 간격, 탄성 계수, 결합 에너지입니다. \( r_0 \), \( \alpha \), \( D \) 값은 표 3에 나와 있습니다.
공작물 내 Cu 원자간 상호작용 함수는 식 (2), (3)과 같이 EAM 퍼텐셜로 기술합니다[27, 28].
$$ E = \sum_i^N[F(\rho_i) + \sum_{j>i}^N u(r_{ij})] $$ (2)
$$ \rho_i = \sum_j f(r_{ij}) $$ (3)
레나드-존스 퍼텐셜 함수는 원자간 장거리 쿨롱 힘과 짧은 범위 반데르발스 힘의 상호작용을 포함하는 이중 퍼텐셜입니다. L-J 퍼텐셜은 액체 물질 시뮬레이션에 자주 사용됩니다. 본 논문에서는 물 분자와 다른 원자간 상호작용을 계산하기 위해 레나드-존스 퍼텐셜을 사용하며, 식 (4)와 같습니다[29].
$$ U_{L-J}(r) = 4\varepsilon[(\sigma/r)^{12} - (\sigma/r)^6] $$ (4)
여기서 \( \sigma \)는 상호작용 퍼텐셜 에너지가 0이 되는 평형 분리 거리이고 \( \varepsilon \)은 퍼텐셜 에너지 트랩의 깊이입니다.
서로 다른 재료에 대해 \( \sigma \)와 \( \varepsilon \)은 식 (5), (6)으로 계산할 수 있습니다[29].
$$ \sigma_{\alpha\beta} = (\sigma_{\alpha\alpha} + \sigma_{\beta\beta})/2 $$ (5)
$$ \varepsilon_{\alpha\beta} = \sqrt{\varepsilon_{\alpha\alpha}\cdot\varepsilon_{\beta\beta}} $$ (6)
본 연구에서 사용된 원자간 L-J 퍼텐셜 매개변수는 표 4에 나와 있습니다.
다이아몬드 공구 내 탄소 원자간 상호작용은 식 (7), (8)과 같이 테르소프 퍼텐셜로 계산합니다[30].
$$ E = \frac{1}{2}\sum_{i\neq j} V_{ij} $$ (7)
$$ V_{ij} = f_c(r_{ij})[V_R'(r_{ij}) + b_{ij}V_A(r_{ij})] $$ (8)
여기서 \( f_c(r_{ij}) \)는 원자간 절단 함수, \( V_A(r_{ij}) \)는 인력 항의 이중 퍼텐셜, \( V_R(r_{ij}) \)는 반발 항의 이중 퍼텐셜, \( r_{ij} \)는 원자 i와 j 사이의 원자 거리입니다.
단결정 구리의 나노 절삭에서 변형과 전위는 공작물 표면 하부에서 핵생성됩니다. 본 논문에서는 중심 대칭 매개변수(CSP)를 도입하여 공작물의 전위 핵생성과 결함 진화를 분석했습니다. 면심입방(FCC) 재료의 경우 CSP 값은 식 (9)로 계산할 수 있습니다[31].
$$ CSP = \sum_{i=1}^6 |R_i + R_{i+6}|^2 $$ (9)
여기서 \( R_i \)는 같은 거리의 이웃 원자이고 \( R_{i+6} \)은 반대 방향의 이웃 원자입니다. FCC 결정, 부분 전위, 적층 결함, 표면 원자의 CSP 값은 각각 0, 2.1, 8.3, 24.9입니다[32]. 전형적인 결정 구조와 원자 색상에 대한 CSP 값 범위는 표 5에 나와 있습니다.
CSP 방법은 원자 배치를 식별할 수 있지만 공작물의 국소 원자 결정 구조 상태를 인식할 수는 없습니다. 따라서 공통 이웃 분석(CNA)을 도입하여 공작물의 국소 결정 구조를 식별했습니다. Honeycutt[33]이 제안한 원래 CNA 방법에서 다양한 구조는 다이어그램으로 표현됩니다. 현재 OVITO 소프트웨어[34, 35]에서 5가지 구조를 빠르게 식별하도록 개선되었는데, 각각 면심입방(FCC), 조밀 육방(HCP), 체심입방(BCC), 이코사헤드럴(ICO), 미지입니다. 본 논문에서는 전위 추출 알고리즘(DXA)[36]도 도입하여 공작물의 전위 결함 진화를 분석했습니다. DXA 방법으로 공작물의 다른 결정 구조를 다른 색상으로 표시하고 공작물의 전위 결함을 다른 색상의 선으로 표현합니다.
나노 절삭 공정 중 절삭 시스템의 단면도는 Fig. 2에 나와 있으며, 절삭 공구, 공작물, 물 매체를 포함합니다. 공작물의 소성 변형을 명확히 인지하기 위해 CSP 방법을 사용하여 결과를 분석했습니다. 스냅샷은 CSP 값에 따라 부분적으로 착색되어 Fig. 2에 표시되어 있으며, Fig. 2a는 절삭 거리 5 nm, Fig. 2b는 15 nm입니다. 단결정 구리 표면에 조밀한 물막이 형성되어 Fig. 2a에 '물 단분자막'으로 표시됩니다. 물막은 절삭 공구와 공작물 표면 전체에 퍼지며, 산소 원자가 단결정 구리 격자의 중심을 차지합니다. 물 분자의 규칙적 배열은 물 분자와 구리 원자 사이의 장거리 쿨롱 힘과 반데르발스 힘의 결합 작용 결과입니다.
나노 절삭 공정에서 절삭 공구의 초기 압축 전단 작용에 의해 미끄럼 변형이 발생하며 형성된 결정 격자에 변형 에너지로 저장됩니다. 변형 에너지 축적이 일정 수준에 도달하면 변형 에너지가 방출되고 단결정 구리 격자가 재배열되어 [1-10] 방향으로 전위 핵생성과 신장이 발생합니다(Fig. 2a). Fig. 2a에서 공작물 표면에 물 단분자막이 형성됨을 볼 수 있습니다. 또한 물 분자가 공구-칩 인터페이스 작용 영역에서 공작물 표면 하부로 침투하는 것이 Fig. 2a 오른쪽 상단 그림에 표시되어 있습니다. 절삭 공구와 공작물 사이에 존재하는 물 분자의 윤활 작용으로 절삭 공구의 압축 전단 작용이 감쇠됩니다. 이에 따라 변형 에너지 축적이 감소하고 전위가 충분히 신장되지 않습니다. 또한 수용액 매체가 많은 절삭 열을 가져가서 핵생성된 전위 확장에 필요한 에너지가 부족합니다. 따라서 전위 신장이 불충분하고 공작물 표면 하부의 전위 라인이 눈에 띄지 않습니다(Fig. 2a).
절삭 공구가 앞으로 이동함에 따라 공작물은 절삭 공구 측면의 압출 및 마찰 작용을 받습니다. 절삭 공구의 압출 및 마찰 작용 하에서 공작물 표면 하부에 많은 전위가 핵생성되고 신장됩니다. 이 전위의 일부는 경사면을 따라 위로 이동하여 결국 칩으로 제거됩니다(Fig. 2b). 다른 일부는 경사면을 따라 아래로 이동하여 절삭 공구 측면의 압출 마찰 작용 후 거친 가공 표면으로 변환됩니다(Fig. 2b의 '가공 표면상 물 배열'). 나머지 전위는 [1-10]과 [1-10] 미끄럼면을 따라 공작물 내부로 이동하여 나사 전위 형성을 초래합니다(Fig. 2b). 칩 높이가 점차 증가함에 따라 칩 앞의 물 분자가 후기 절삭 공정에서 칩을 넘어 공구 뒤로 흐르지 못합니다. 공구 뒤 물 매체의 밀도와 압력이 급격히 감소하여 나노 절삭 공정 중 절삭 열이 제때 제거되지 않습니다. 따라서 핵생성된 전위가 공작물 내부로 신장할 충분한 에너지를 가집니다(Fig. 2b).
나노 절삭 공정 중 단결정 구리의 전위 변형과 국소 원자 결정 구조를 더 명확히 밝히기 위해 CSP와 DXA 분석 방법을 도입했습니다. 분석 결과는 Figs. 3, 4, 5, 6에 표시되어 있으며, Figs. 3과 4는 CSP 값에 따라 렌더링되었고 Figs. 5와 6은 DXA 분석 결과에 따라 착색되었습니다.
수용액 매체에서 나노 절삭 공정 중 공작물의 표면 하부 결함 분포는 Fig. 3에 나와 있으며, 물 매체는 공작물의 전위 결함 진화를 더 명확히 관찰하기 위해 표시하지 않았습니다. 노란색, 녹색, 빨간색, 주황색 영역은 각각 표면 원자, 표면 결함 원자, 전위 원자, 표면 하부 결함 원자를 나타냅니다. 진공 매체에서 나노 절삭 공정 중 공작물의 전위 분포와 신장은 Fig. 4에 나와 있습니다. 두 그림에서 수용액 매체에서 나노 절삭 공정 중 핵생성된 전위가 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 이동하지만, 진공에서 나노 절삭 시 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 신장함을 알 수 있습니다. 절삭 공구의 전단 작용은 공구 전진 방향과 반대인 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 전위가 신장되게 합니다. 절삭 공구의 마찰 작용은 공구 운동과 정방향인 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 전위가 이동하게 합니다. 진공 환경에서 나노 절삭 공정 중 공구의 공작물에 대한 작용은 경사면의 전단 작용과 측면의 마찰 작용이며, 가공 표면과 표면 하부 결함 형성은 측면의 마찰 작용에 의해 촉발됩니다. 따라서 진공에서 나노 절삭 공정 중 전위 신장은 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 퍼집니다. 공구와 공작물 사이에 존재하는 물 분자의 윤활로 인해 절삭 공구의 마찰 작용이 감소합니다. 따라서 전단 작용이 가공 표면과 표면 하부 결함 형성에 중요한 역할을 합니다. 따라서 수용액 매체에서 나노 절삭 공정 중 전위는 주로 [1-10] 미끄럼 벡터를 따라 신장합니다.
Figs. 3과 4에서 나노 절삭 공정 중 물 매체에서 표면 하부 결함의 규모가 진공보다 큼을 알 수 있습니다. 실제로 전위 결함은 가공 영역 전체에 퍼지고 공작물 깊숙이 신장합니다. 절삭 열이 물 매체에 의해 제거되어 결함 원자의 에너지가 감소합니다. 따라서 표면 하부 결함이 소멸할 충분한 에너지를 가지지 못합니다. 따라서 전위 결함 잔류가 증가합니다. 물 매체에서 나노 절삭 공정의 표면 하부 결함 층 깊이가 상대적으로 더 깊습니다. 물 분자, 탄소 원자, 구리 원자 간 상호작용으로 인해 절삭 공구와 공작물 사이의 압출 마찰이 감쇠되고 가공 표면 형성 과정에서 가공 표면의 원자 무질서가 악화됩니다. 또한 표면 하부의 결함 잔류가 악화되고 표면 하부 잔류 응력이 증가합니다.
물 매체가 전위 결함 진화 공정에 미치는 영향을 더 잘 드러내기 위해 DXA 방법을 사용하여 수용액 매체에서 나노 절삭 공정 중 공작물을 분석했습니다. 초기 단계와 후기 단계는 Fig. 5와 6에 각각 나와 있습니다. 나노 절삭 공정 초기 단계에서 가공 표면 아래 몇 원자 층에 안정한 결정 결함이 존재하며, 이는 두 적층 결함 사이에 위치합니다(Fig. 5d). 이 결정 결함의 존재는 가공 표면 품질에 영향을 미치고 가공 표면에 미세 균열 생성을 초래할 수 있습니다. 따라서 결함 진화 형성 과정을 연구했습니다. Fig. 5a에서 결함 형성 초기 순간에 절삭 공구 측면의 마찰 작용으로 많은 쇼클리 부분 전위가 핵생성됨을 볼 수 있습니다. 이 쇼클리 전위는 절삭 공구가 전진함에 따라 V자형 전위 루프로 진화합니다(Fig. 5b). 이후 V자형 전위는 점차 연속적인 쇼클리 부분 전위로 진화합니다. 마지막으로 부분 전위는 표면 하부의 잔류 결함으로 변환됩니다. 절삭 열이 물 매체에 의해 제거되어 결함 원자가 소멸할 에너지가 너무 적고 가공 표면 아래에 고정 결함으로 변환됩니다. 가공 표면 거칠기가 증가하고 표면 하부의 잔류 응력이 더 악화됩니다. 또한 표면 미세 균열이 결함에 의해 유도될 수 있습니다.
칩 제거 공정 중 절삭 공구의 전단 미끄럼 작용에 대한 물 매체의 영향을 DXA 방법으로 조사했으며, Fig. 6에 나와 있습니다. Fig. 6a에서 절삭 공구 앞에 많은 쇼클리 부분 전위가 핵생성됨을 볼 수 있습니다. 그리고 이 전위들로 전단-미끄럼면이 구성됩니다. 이후 절삭 공정에서 연속적인 적층 결함과 부분 전위가 핵생성되어 전단-미끄럼면에서 신장합니다. 절삭 공구 앞의 전위 핵생성과 운동으로 칩이 전단-미끄럼면을 따라 점차 제거됩니다(Fig. 6c). 한편, 물 매체의 윤활 작용으로 공구 경사면의 압출 마찰 효과가 완화됩니다. 전위 핵생성과 전파가 불충분하고 나노 절삭 공정 중 표면 하부 결함 잔류가 눈에 띄지 않습니다(Fig. 6a-d). 이에 따라 공작물에 대한 절삭 공구의 전단 작용이 더 중요해집니다. 따라서 물 매체 참여 하에서 형성된 칩이 더 쉽게 제거됩니다. 동시에 주 절삭력도 감소하며, 이는 뒤에서 자세히 논의하겠습니다.
절삭 공정에서 재료 제거는 절삭 공구의 압출 및 전단 작용에 의해 실현됩니다. 금속 재료의 강도, 강성, 인성으로 인해 재료 제거 공정 중 공작물 재료의 변형 저항에 의해 생성된 반작용력이 절삭 공구의 경사면에 작용합니다. 또한 공구 측면은 가공 표면의 마찰력 저항에 영향을 받습니다. 이 힘들이 합쳐져 절삭력을 구성합니다. 동시에 절삭 칩의 전단 변형에 의한 가공 일과 절삭 공구와 공작물 사이의 마찰 작용이 절삭 열로 변환되어 공작물 온도 상승을 초래합니다. 공작물 재료의 변형 에너지 축적과 방출에 수반되어 공작물 표면 하부 층에서 전위 핵생성과 신장이 발생하며, 이는 절삭 거리와 함께 절삭력과 절삭 열의 변동을 유도합니다.
본 연구에서 물 매체의 참여는 절삭력과 절삭 열 변화에 큰 영향을 미칩니다. 수용액 매체 사용 유무에 따른 나노 절삭 공정 중 절삭 거리별 절삭력 변화 곡선은 Figs. 7과 8에 나와 있으며, 검은색, 빨간색, 파란색 곡선은 각각 이송력(Fx), 배력(Fy), 접선력(Fz)입니다. Z 방향에 PBC를 적용하고 다이아몬드 공구가 시뮬레이션에서 Z 방향으로 기둥 모양이므로, 평균 접선력(Fz)은 Figs. 7과 8 모두에서 0 nN 수준입니다.
Fig. 7에 표시된 바와 같이 절삭 공정은 초기 절삭 단계와 안정 절삭 단계로 나뉩니다. 초기 절삭 단계에서 이송력과 배력은 직선으로 급격히 증가합니다. 절삭 공구가 공작물에 완전히 절입될 때 최대값에 도달합니다. 안정 절삭 단계에서 절삭력은 평형 위치 주변에서 위아래로 변동하며, 이송력은 200 nN 이상에 도달하고 평균 절삭력은 약 180 nN입니다. 배력은 매우 작으며 후기 안정 절삭 단계에서 점차 감소합니다. 배력의 최대값은 100 nN 미만이고 평균값은 약 50 nN입니다. 일반적으로 평균 배력과 평균 이송력의 비율(Fy/Fx)은 가공 공정에서 공구 재료와 공작물 재료 사이의 마찰 계수를 나타냅니다. 본 연구에서 진공 환경에서 다이아몬드와 단결정 구리 사이의 마찰 계수는 0.278입니다.
Fig. 8에 표시된 바와 같이 물 매체에서 나노 절삭 공정 중 이송력과 배력이 진공 환경에 비해 감소합니다. 최대 이송력은 150 nN에 도달하고 평균 이송력은 120 nN에서 변동합니다. 배력의 변동 경향은 진공 환경에서의 배력과 유사하며 평균 힘은 약 25 nN입니다. 물 매체에서 나노 절삭 공정 중 물의 윤활로 인해 절삭 공구와 공작물 사이의 마찰 계수가 감소합니다. 이에 따라 절삭 공구 측면에 작용하는 마찰 저항이 감소하여 절삭 공구 경사면의 압출 전단 작용이 효과적으로 강화됩니다. 공작물 재료가 더 쉽게 제거됩니다. 따라서 절삭력이 감소합니다. 앞서 분석한 바와 같이 물 분자가 절삭 공구와 공작물 사이의 마찰을 방지하는 윤활제 역할을 했습니다. 따라서 물 매체에서 이송력과 배력 값이 감소합니다. 이송력과 배력의 비율은 0.208입니다. 즉, 물 매체에서 다이아몬드와 구리 사이의 마찰 계수는 0.208로, 진공 환경(0.278)보다 훨씬 낮습니다.
Figs. 7과 8에서 Fy 변동을 비교하면, 진공과 물 매체 모두에서 절삭 거리 15 nm 이후 Fy 성분이 상당히 감소하는 반면 Fx 값은 20 nm 절삭 거리까지 거의 안정적임을 알 수 있습니다. 전위 핵생성과 소멸 사이의 동적 평형이 달성되고 칩이 나노 절삭 공정에서 안정적으로 제거되어 20 nm 이전까지 절삭 거리에 따라 절삭력이 거의 안정적입니다. 절삭 공정이 일정 거리(본 연구에서 15 nm)에서 수행되면 새로운 전위 핵생성과 이전 전위 소멸 사이의 동적 평형이 확립됩니다. 공작물 내부 결함의 규모가 일정 수준에서 안정화됩니다. 전위 핵생성과 소멸이 절삭 공구에 +Y 방향으로 영향을 미쳐 Fy 성분이 감소합니다. 또한 15 nm 절삭 거리 이후 안정적인 칩이 제거되어 칩에서 절삭 공구에 작용하는 힘이 Y 방향에서 감소합니다. 따라서 Fy 값이 감소합니다. 그러나 절삭 거리가 15 nm에서 20 nm 사이일 때 전위 결함의 운동과 칩 제거가 절삭 공구에 X 방향으로 다른 영향을 미치지 않습니다. 따라서 주 절삭력(Fx) 값은 거의 안정적입니다.
수용액 매체 사용 유무에 따른 나노 절삭 공정 중 공작물의 온도 분포는 Fig. 9에 나와 있습니다. Figs. 9a, b와 Figs. 9c, d의 절삭 거리는 각각 5 nm와 12 nm입니다. Figs. 9b, d에서 공작물 온도가 동심 원형 기울기로 분포함을 볼 수 있습니다. 진공 환경에서 최고 온도는 공작물의 전단-미끄럼 영역과 마찰 영역 전체에 퍼져 420 K 이상입니다. 칩과 가공 표면의 온도는 다른 영역보다 높아 360~390 K 범위입니다. 전체 공작물은 340~360 K의 높은 온도 수준입니다. Figs. 9a, c에서 공작물 온도도 동심 원형 기울기로 분포하며 최고 온도는 칩 상단 영역에 분포하여 약 370 K입니다. 전체 공작물 온도 값은 320 K 미만의 낮은 수준입니다. 전단-미끄럼 영역, 마찰 영역, 가공 표면의 온도는 다른 영역보다 높아 320~340 K 범위입니다.
Fig. 9에 표시된 바와 같이 물 매체에서 나노 절삭 공정 중 공작물의 최고 온도 영역이 마찰 영역에서 절삭 칩으로 이동합니다. 물 매체 추가 사용으로 공작물의 최고 온도와 전체 온도가 현저히 감소하며 온도 강하는 약 40~60 K에 달합니다. 물 분자의 윤활 효과로 물 매체에서 나노 절삭 공정 중 절삭 공구와 가공 표면 사이의 마찰이 감소합니다. 따라서 마찰 영역의 온도가 급격히 감소합니다. 동시에 최대 전단 변형이 칩 영역에서 발생하고 최대 격자 변형 에너지가 칩에 저장되어 칩 온도가 마찰 영역보다 높아집니다. 따라서 최고 온도 영역이 측면 마찰 영역에서 절삭 칩 영역으로 이동합니다. 동시에 많은 절삭 열이 물 매체에 의해 제거되어 공구, 공작물, 절삭 영역을 냉각하는 역할을 합니다. 단결정 구리 분자의 열 운동이 약화되고 원자 열 운동의 운동 에너지와 격자 변형 에너지가 현저히 감소합니다. 따라서 공작물의 전체 온도와 최고 온도가 감소하며 감소 정도는 40~60 K에 달합니다. 마지막으로 공작물의 열 응력과 열 변형이 현저히 감소합니다. 물 매체 참여로 절삭 공정 중 절삭 공구 측면과 공작물 사이의 마찰 작용이 약화됩니다. 그러면 절삭 공구와 공작물 사이의 마찰에 의한 열 발생이 감소합니다. 이로써 공작물의 최고 온도 영역이 측면 마찰 영역에서 칩 영역으로 이동합니다. 더 중요한 것은 물 매체의 냉각 효과와 윤활이 공작물 표면 하부의 전위 핵생성, 신장, 소멸에 영향을 미치고 궁극적으로 공작물 표면 하부 손상 층의 형성과 진화에 영향을 미친다는 것입니다.
나노 절삭 공정 중 공작물의 표면 하부 결함을 명확히 식별하기 위해 CNA 방법을 사용하여 나노 절삭 후 공작물을 분석했습니다. 공작물을 서로 다른 원자 구조에 따라 착색했습니다. 수용액 매체 사용 유무에 따른 나노 절삭 공정 중 공작물의 결함 구조 분포는 Figs. 10과 11에 나와 있으며, 녹색, 빨간색, 파란색, 회색은 각각 FCC, HCP, BCC, 미지 구조를 나타냅니다.
진공 환경에서 나노 절삭 공정 중 공작물 표면 하부에서 절삭 공구의 압출 및 전단 작용으로 전위 핵생성이 발생하고 결정 구조가 BCC로 변환됩니다(Fig. 10a). 핵생성된 전위는 [1-10] 방향으로 신장하며 결정 구조가 HCP로 변환됩니다. 전단-미끄럼 영역의 많은 원자 결정 구조가 BCC가 됩니다(Fig. 10b). 두 부분 전위가 [1-10]과 [1-10] 방향으로 신장하여 서로 방해하며 로머-코트렐 전위 록을 구성합니다. 마지막으로 전형적인 V자형 전위 루프가 형성됩니다(Fig. 10c). 전단-미끄럼 영역의 일부 원자가 경사면을 따라 위로 이동하여 칩으로 제거됩니다. 다른 일부 원자는 측면면을 따라 아래로 이동하여 절삭 공구의 압출 및 마찰에 의해 거친 가공 표면으로 형성됩니다(Fig. 10d).
물 매체 사용 시 나노 절삭 공정 중 공작물의 표면 하부 결함 분포와 진화는 Fig. 11에 나와 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 전위 핵생성과 결정 구조 변환 메커니즘은 진공 환경에서의 절삭 공정과 유사합니다. 주요 차이점은 물 매체에서 나노 절삭 공정 중 전위 핵생성과 신장이 불충분하다는 것입니다. 또한 공작물 표면 하부에 많은 적층 결함이 핵생성됩니다. 적층 결함 구조는 HCP 구조로 변환됩니다. 그럼에도 불구하고 공작물 표면 하부에 전형적인 결함 '유사 결정립계(SGB)'가 형성됩니다.
나노 절삭 공정에서 절삭 공구의 압출, 전단, 마찰 작용 하에 공작물의 강한 변형이 발생합니다. 많은 변형 에너지와 절삭 열이 생성됩니다. 절삭 열과 변형 에너지 방출에 의해 표면 하부의 원자 격자 재배열이 발생합니다. 표면 하부 결함과 국소 결정 구조 변환이 형성됩니다(Fig. 11a, b). 물 매체가 나노 절삭 공정에 참여하면 대부분의 열과 에너지가 제거됩니다. 따라서 전위 결함이 신장과 이동할 에너지가 부족합니다. 또한 공작물 표면 하부에서 적층 결함이 소멸하며 결정 결함 구조가 남습니다(Fig. 11c). 이후 이러한 결정 결함 구조가 전체적으로 연결되어 새로 형성된 전위와 함께 표면 하부 손상(SSD) 층을 구성합니다(Fig. 11d). 이후 MD 이완 후 일부 표면 하부 전위 결함이 사라지고 FCC 구조로 변환되며, 가공 표면과 표면 하부 결함 층 사이에 '결립'과 유사한 구조가 형성됩니다(Fig. 11e). 기존 표면 하부 결함은 전형적인 '유사 결정립계(SGB)' 구조로 변환됩니다(Fig. 11f). SGB 구조 위에 전형적인 V자형 전위 루프가 형성됩니다(Fig. 11e, f).
SGB와 '결립' 구조 형성의 영향으로 표면 하부에 변질 층이 명확히 형성됩니다. 또한 단결정 재료와 유사한 새로 형성된 결정 구조는 단결정 재료의 기계적 성능과 가공성에 영향을 미칠 수 있습니다. 게다가 가공된 나노부품의 성능에도 영향을 미칠 수 있습니다.
수용액 매체 사용 유무에 따른 단결정 구리의 구축된 MD 모델을 기반으로 나노 절삭 공정 시뮬레이션을 수행했습니다. 유체 매체가 재료 제거와 표면 하부 결함 진화에 미치는 영향을 분석했습니다. CSP, DXA, CNA 방법을 사용하여 공작물의 표면 하부 결함 진화, 절삭력 변화, 온도 분포, 표면 하부 결함 결정 구조 변환을 조사했습니다. 새로운 결과는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
(1) 공작물 재료 제거는 절삭 공구의 전단 압출 작용에 의해 실현되며, 물 매체 참여는 재료 제거 메커니즘에 영향을 미치지 않습니다. 절삭 공구와 공작물 사이에 존재하는 물 분자의 윤활 작용으로 공작물 변형이 감소하고 절삭력이 줄어들며 칩 높이와 표면 하부 손상 층 깊이가 낮아집니다.
(2) 물 매체 추가 사용 시 나노 절삭 공정 중 최고 온도 영역이 마찰 영역에서 절삭 칩으로 이동합니다. 공작물의 최고 온도와 전체 온도가 현저히 감소하며 온도 강하는 약 40~60 K에 달합니다. 이로써 공작물의 열 변형이 감소하고 표면 하부 결함 원자량이 감소합니다.
(3) 공작물 표면 하부 층에서 핵생성된 전위의 결정 구조는 BCC로 변환되고, 신장된 전위는 HCP로 변환됩니다. 전단-미끄럼 영역의 원자 결정 구조는 BCC가 됩니다. 유체 매체 효과로 표면 하부 결함이 SSD 층에서 전형적인 결함 구조 '유사 결정립계(SGB)'로 변환되며, 이는 단결정 재료의 기계적 성능과 가공성에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 가공된 나노부품의 성능에도 영향을 미칠 수 있습니다.
나노물질
산소-연료 절단이란? 산소-연료 용접과 산소-연료 절단은 연료 가스(또는 가솔린/휘발유 같은 액체 연료)와 산소를 사용하여 금속을 용접하거나 절단하는 공정입니다. 프랑스 엔지니어 에드몽 푸슈(Edmond Fouche)와 샤를 피카르(Charles Picard)가 1903년 산소-아세틸렌 용접을 처음 개발했습니다. 공기 대신 순수 산소를 사용하여 실온 환경에서 공작물 재료(예: 강철)의 국부적 용융을 허용하도록 화염 온도를 높입니다. 일반적인 프로판/공기 화염은 약 2,250K(1,980°C, 3,590°F), 프로판/산소 화염은 약
머시닝은 광범위한 기술·기법을 아우르는 제조 용어. 동력 구동 공작기계로 공작물에서 재료 제거해 원하는 형상 만드는 공정으로 정의. 대부분 금속 부품은 제조 과정 중 어떤 형태든 머시닝 거침. 플라스틱, 고무, 종이 제품도 머시닝으로 제작. 머시닝 정의·공정·공구·기술을 상세히 알아봅니다. 머시닝(Machining)이란? 머시닝은 시제품·제조 공정으로, 큰 소재에서 불필요 재료 제거해 최종 형상 만듦. 재료 제거로 부품 제작→감산 제조(Subtractive Manufacturing), 재료 제어적 추가 방식인 적층 제조(Additi
