纳米切削基础理论及相关关键技术研究

纳米级精度制造技术已成为各国在制造领域的竞争焦点，和传统的切削方法不同，纳米切削过程中将会出现尺寸效应、量子效应等新的物理现象；其加工时的材料去除机制、热的传递与分布、加工环境将极大地影响被加工表面的形成。申请者从建立典型材料的势函数出发，利用微细宏嵌合理论对纳米切削加工过程进行建模与介观尺度模拟，从微观力学角度研究材料纳米级去除机理和超光滑表面形成机制，创立新的纳米级切削加工及切削表面形成机理等理论体系；研究在温度、静力、振动及电磁等多物理场的作用下，刀具材料与工件材料的力学、物理、化学相互作用及加工工具与工件之间的微摩擦、刀具磨损机理的影响规律，建立提高工具精度保持性和加工表面质量的理论基础；探索低温激光诱导交变电磁能量耦合降低刀具磨损的途径；建立FIB微刀具纳米刃口制造的基础技术，并通过系统的纳米切削实验验证完善所建立纳米切削理论体系，从而实现对实际纳米级超精密切削加工技术的理论指导

基于第一性原理，建立典型材料原子间相互作用的势函数；对纳米切削加工过程进行分子动力学建模与介观尺度模拟，从微观力学及材料晶态结构演变等角度研究材料纳米级去除机理和超光滑表面形成机制，提出纳米切削过程中材料去除的纳米推挤模型，系统地研究加工过程中的尺寸效应，认为材料的去除源于推挤变形，有效地解释了纳米级加工表面形成原因。开展了基于聚焦离子束的纳米刃口刀具的制备方法研究，实现了纳米刃口微刀具的高效高精度制备。并进行了纳米切削极限的理论和实验研究，成功实现了材料纳米尺度稳定可控去除；对典型材料在纳米级切削中的表层晶态演变及机械特性进行离线、在线的测试与表征，验证并完善所建立的纳米切削理论。提出离子注入表面改性脆性材料纳米切削新方法（NiIM），提高了脆性材料的脆塑转变深度，减小了刀具的磨损，成功实现复杂形面的纳米切削。针对金刚石切削黑色金属存在的问题，开展了表面渗氮辅助加工方法和超声辅助切削方法的理论及工艺研究，有效减小了金刚石刀具磨损，成功实现了碳钢材料的超精密切削。采用开发的装置直接切削Nak80及Stavax模具钢的表面粗糙度Ra<8nm。本项目研究过程中共发表科技论文38篇，其中SCI/EI收录31篇，国际会议论文5篇；授权发明专利7项，申请国际PCT专利2项、发明专利6项；出版英文专著1册，应邀在国外专著撰写2章，签订英文专著合同1本；主办国际会议2次（nanoMan2010、2012）、国际纳米制造学会（ISNM）冬令营1次；获省部级技术发明一等奖1项。