塑性伝播速度域における材料除去過程の分子動力学解析

背 景

図1に示すように，ひずみ速度，すなわちここでいう加工速度の上昇とともに，材料の(相当応力)－(相当ひずみ)曲線の傾きは大きくなり，次第に塑性ひずみの割合は減少し，それに対して弾性ひずみの割合は増加す．この傾向は材料の静的な塑性波の伝播速度を越えた領域において顕著に現れる．したがって，そのような超塑性伝播速度領域における加工では，塑性流動およびそれに起因する残留応力の小さい高品位の加工表面を得られることが期待できる．

これらのことは，加工実験から現象的に確認済みである（図2）．しかしながら，加工速度と材料変形メカニズムの関係の解明や，塑性変形低減の有効限界速度の把握などについては，実験による検討を行なうにしても限界があり，理論などによるサポートが必要である．

目 的

・ 工作物材料の静的な塑性波の伝播速度を超えた速度領域における材料除去メカニズムを原子レベルで解明

・ 塑性流動低減が期待できる加工条件の把握

分子動力学解析の概要

図3にシミュレーションモデルを示す．工作物にアルミニウム単結晶，砥粒に完全剛体のダイヤモンドを想定する．原子間相互作用の記述にはモースポテンシャルを用いる．三次元的な原子間相互作用が考慮できる平面ひずみ問題を扱い，アルミニウムの(111)表面に対応する平面の原子の動きをシミュレーションする．工作物は原子レベルで完全な表面を持っているものとする．ここでは，砥粒と工作機械との間の剛性は考慮しない．

解析の概要

表1にシミュレーション条件を示す．工作物の静的な塑性伝播速度は引張り試験から得られるσ‐ε線図の塑性領域の傾きを利用することによって図1中の関係式から，vsp≒200m/sと求められる．研削速度はVs=50-5000m/s として，材料変形の過程を研削速度の影響を調べる．砥粒の直径をD＝10.4nm，工作物の送りは与えないものとする．砥粒を50m/sの速度で工作物表面から8番目の原子層（Alは2nm）の深さまで押し込んだ後，工作物表面に水平な方向に移動させることにより，単粒研削する．

得られた成果

・ 分子動力学シミュレーションより研削速度と材料変形挙動の関係を明らかにした（図4～6）．

・ 材料の静的塑性伝播速度を超え，溶融を生じない速度（Alの場合は280<Vs<1500m/s程度）において加工を行なえば，塑性流動，ひいては加工変質層の軽減に有効であることを明らかにした．

日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(C)(2) H11～12年度 No. 11650115

「600m/s超高速・ナノメータオーダ超精密加工機械の開発に関する研究」 （代表 清水 淳）

現在の状況

・ 超塑性伝播速度加工におけるエネルギー分配や残留応力の定量的把握を検討中

参考論文

(1) J. Shimizu, H. Eda, L. Zhou, A. Muroya and Y. Nakazawa: Microscopic Analysis of Material Deformation in Ultra High-Speed Grinding Process, Proc. Int. Conf. ITC2000, Nagasaki, (2001.12) pp.769-774

(2) J. Shimizu, L. Zhou, A. MUROYA and H. Eda: Simulation and Experimental Analysis of Abrasive Wear in Ultra High-Speed Grinding, 2nd Int. Conf. WTC2001, Austria, (2001.9.6) 151 (Abstract) M-14-04-156-SHIMIZU.pdf (Proc.)

(3) L. Zhou, J. Shimizu, A. Muroya and H. Eda: Material Removal Ultrahigh Speed - Material Removal Mechanism Below and Beyond Plastic Propagation Speed - , Proc. Int. Conf. ISAAT2000 (Advances in Abrasive Technology III), Hawaii, (2000.11.1) pp.438-443

(4) 清水 淳(代表者), 600m/s超高速・ナノメータオーダ超精密加工機械の開発に関する研究(11650115), 日本学術振興会科学研究費研究成果報告書平成11-12年度, (2001.3)

(5) J.Shimizu, L.Zhou, H.Eda: Simulation and Experimental Analysis of Super High-Speed Grinding of Ductile Material, Journal of Materials Processing Technology, 129, 1-3 (2002) pp.19-22

(6) L. Zhou, J. Shimizu, A. Muroya, H. Eda: Material Removal Mechanism Beyond Plastic Wave Propagation Rate, Precision Engineering, 27, 2 (2003）pp.109-116