マイクロマシニングにおけるトライボロジー現象の分子動力学的検討

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08650163
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 前川 克廣 茨城大学, 工学部, 助教授 (20126329)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大島 郁也 茨城大学, 工学部, 助手 (80007632)
• Keywords: マイクロマシニング / ナノトライボロジー / コンピュータシミュレーション / 分子動力学法 / マイクロマシン / 格子欠陥 / 転位 / 泡模型

Research Abstract

本研究は,ナノメータレベルの材料除去加工におけるマイクロトライボロジー現象の物理モデルを構築し,分子動力学法を適用して現象を解明することを目的としている.原子論的アプローチによって,表面および界面での弾塑性変形,破壊,化学反応をともなう摩擦・摩耗および潤滑のダイナミックな現象を扱っている.研究の結果をまとめると,以下のようになる.
(1)不完全結晶のマイクロマシニングにおけるトライボロジー現象の解析
完全結晶ではなく格子欠陥や結晶粒界を含む実在材料,および一度切削して欠陥が導入された材料を再切削する場合のナノ切削機構を検討した.いずれも銅をダイヤモンド工具で二次元切削する場合を想定し,切りくず生成,切削抵抗,仕上げ面性状や最小切取り厚さに及ぼす工具-被削材間の摩擦や工具摩耗の影響を明らかにした.結論としては,結晶を完全結晶に近づけ,かつできるだけ鋭利な工具を用いることが良好な加工面を得るための必須条件である.
(2)気泡模型を用いたマイクロトライボロジー現象のモデリング
気泡の並びを原子配列にみたてた気泡模型切削実験装置を開発し,原子レベルの切削シミュレーション実験を行った.切削条件や工具形状,結晶の不完全性が切りくず生成や仕上げ面創成に及ぼす影響を検討し,転位の増殖,伝播を主体とするナノ切削機構を可視化した.また現象的には分子動力学シミュレーション結果とも一致した.気泡間および気泡と工具間のポテンシャルが決定できれば,さらに定量的な比較が行える.
(3)マイクロマシニングにおけるトライボロジー現象の三次元分子動力学解析
より実際的な3次元の機械的マイクロシニング現象をシミュレートするために,2次元モデルを拡張した解析プログラムを作成するとともに,グラフィックス表示法も開発した.工具切れ刃によって一旦は除去された被削材原子が加工面に再堆積する「まわり込み現象」や、工具の摩耗原子が表面に再付着する過程が明らかになった.シミュレーションプログラムの開発と実行は,東大大型計算機センターのス-パコンピュータを用い,可視化処理はWindows95上で行った.

Research Products

• [Publications] K.Maekawa, Y.Hojo, I.Ohshima: "Fundamental Study of Nano-Scale Machining Using Bubble Raft Model" “Elastohydrodynamics-'96",Eds.D.Dowson et al.,Elsevier. 579-586 (1996)
• [Publications] 前川克廣: "結晶の不完全性がナノ切削機構に及ぼす影響の分子動力学シミュレーション" 材料. 46・3. 250-255 (1997)
• [Publications] K.Maekawa: "Molecular Dynamics Simulation of the Influence of Crystal Imperfection on Nano-Machining Mechanism" Materials Science Research International. 3・4. 225-230 (1997)
• [Publications] 前川克廣, 大島郁也: "ナノ切削機構の基礎研究(第4報)-泡模型による二次元切削の可視化-" 1997年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 1023-1024 (1997)