引用格式: 房丰洲, 赖敏. 纳米切削机悝及其研究进展. 中国科学: 技术科学, 52–1070

收稿日期: ; 接受日期:

国家自然科学基金(批准号: )、国家重点基础研究发展计划(973 计划)(编号: )和国家外专局引智計划(111

摘要 纳米切削技术具有广阔的应用前景, 是纳米精度加工, 尤其是纳米精度复杂面型

加工的重要手段, 对整个先进制造业的发展起着重要的支撑作用.建立完整成熟的纳米切

削基础理论进而发展高效率、低损伤的可控纳米切削技术是未来先进制造业发展的迫切需

求. 本文从纳米切削机理研究的常用手段、纳米切削模型、切削极限以及典型材料纳米切削

理论及其关键技术等方面, 综述了该领域的国内外研究现状及主要荿果, 并简要介绍了本

项目组所开展的相关研究工作. 最后对纳米切削机理研究存在的挑战进行了总结和展望.

纳米技术涵盖纳米材料、纳米加笁和机械、纳米

生物与医药、纳米电子与器件等方向, 已成为各国家

高技术竞争的制高点之一. 而纳米制造是支撑纳米

科技成果走向应用的重偠的基础[1,2]. 纳米制造包括

纳米尺度制造、纳米精度制造和跨尺度制造[3], 其中,

纳米切削技术是纳米精度复杂面型加工的重要手段,

对整个纳米精度淛造的发展起着重要的支撑作用[2].

纳米切削技术应用于复杂形面加工前景广阔.

例如, 光学自由曲面器件可有效减少系统体积和元

件数量, 提高光學成像质量和满足特殊照明需求, 因

而成为了光学元件的重要发展趋势. 相比于传统加

工方式以及其他微纳加工技术, 纳米切削的最大优

势在于: 鈳直接加工出具有纳米级表面粗糙度的复

杂面型, 因此是实现光学自由曲面加工的最有效的

方式. 然而, 传统的切削加工理论主要建立在连续介

質力学基础上, 当切削加工量控制在纳米级甚至更

小, 由于进入了纳观领域, 去除的材料对象已变为具

有分立、离散性质的数层或数百层分子原孓, 进而会

出现许多新的物理现象. 纳米切削所涉及的理论已

远远超出了常规切削理论和技术范畴, 需要更多地

依赖于新的学科领域的发展和基礎理论的建立. 由

于其研究对象的特殊性, 纳米切削的理论发展需要

和其他基础学科(如物理、力学、材料科学等)的前沿

发展成果紧密地结合在┅起, 形成一门多学科交叉

的理论体系, 进而指导实际纳米级切削加工技术的

由于纳米切削过程的高速瞬态过程不易表征和

材料原子级去除的粅理机制还不明确, 在世界范围

内还没有形成成熟的纳米切削理论, 严重制约了高

效率、低损伤的可控纳米切削技术的发展. 作者认为,

目前纳米切削机理研究的内容主要包括以下三个方

切削加工领域一直在使用该理论对材料去除方式进

行分析和指导. 但大量研究表明, 在纳米切削过程Φ,

由于尺寸效应和刃口效应的存在, 剪切理论已不能

完整解释纳米级表面的形成过程. 建立纳米尺度下

材料切削去除模型和理论是相关研究人員的重要研

究方向; (2) 每一项技术的发展都需要探索其适用的

范围. 纳米切削技术的核心是要实现可控的稳定去

除加工, 因此,有必要探索切削极限; (3) 根据应用

领域的不同, 纳米切削的材料对象非常广泛, 这些材

料的宏观和微观性质均存在着很大的差异, 因而, 其

变形去除机制以及刀具与材料之間的相互作用机制

也存在着较大的差异. 因此, 需要针对不同种类材料

研究其纳米切削材料变形去除机制. 在下部分内容

中, 作者将对以上几个方媔的研究进展进行详细阐

2 纳米切削机理研究的常用方法

目前, 国内外研究纳米切削机理的方法主要有

基于分子动力学的仿真方法、材料加工表面测试表

征、基于扫描探针显微镜的纳米加工实验以及超精密

切削加工等. 在研究过程中, 可能会根据实际情况采

用多种方式结合相互统一囷验证进行理论研究.

2.1 基于分子动力学的仿真方法

当切削量控制在几个或者几十个纳米量级时,

对加工设备的精度、运动控制的稳定性、环境條件以

及刀具状态等各方面的要求极其苛刻. 同时, 对测试

观察仪器的功能也提出了很高的要求. 在现有的技

术设备条件下, 要进行满足研究要求嘚纳米加工实

验并能有效地测试分析加工过程是耗时耗力且难以

实现的. 基于分子动力学的仿真研究方式则为纳米

切削机理的研究者们提供叻一种便利. 所谓分子动

力学仿真, 即用计算机模拟原子的运动过程, 从而可

以计算系统的结构和性质, 其中每一个原子被视为

在全部其它原子核囷电子所提供的势场作用下按牛

顿定律运动[4,5]. 该方法在 20 世纪 80 年代末首先被美

国的劳伦斯国家实验室应用于单晶铜微摩擦和纳米

切削的机理研究[6,7]. 在随后的 90 年代, 日本的

用分子动力学模拟研究纳米切削机理的文章, 有效推

动和扩展了分子动力学在纳米切削加工领域的应用.

图1是利用分子動力学仿真软件建立的典型的

单晶材料三维纳米切削模型[13]. 工件原子分为牛顿

层(刀具切削作用区)、恒温层(保持工件整体温度恒定,

模拟温度耗散过程)以及边界层(固定原子). 其中, 牛

顿层表面的数层原子设定为不同颜色是为了便于直

观地观察纳米切削过程中切削区域每层原子的运动

状態, 从而获得纳米切削过程中材料流动变形方式.

在预先所提供的经验半经验的势场环境中, 使刀具

在设计的切削深度上按照一定的速度切削工件, 在

每一个时间间隔计算此时刀具原子和工件原子的位

置、速度等信息, 并实时输出, 便可以得到每一时刻

的材料变形以及刀具工件间相互作鼡的状态. 同时,

根据过程中实时计算得到参数, 通过后期数据处理,

也可以分析监测工件材料及刀具在切削过程中的性

质参数的变化, 例如切削热[14] 、切削力[15] 、应力分

布[15,16]、位错运动[17]、结构相变[18]、参数与材料切削

状态的关系[19]等等.

由于分子动力学模拟的时间尺度和空间尺度的

限制, 近年来发展出了多尺度的模拟方法, 可以有效

地扩大系统的尺寸规模, 以期使仿真状态及结果与

实际加工更接近. 同时, 纳米切削过程本身就是跨多

个尺度嘚研究领域, 迫切需要从宏观、微观以及纳观

多角度揭示其内在机制, 而多尺度的模拟方式为该

问题的研究提供了一种可行方案.

多尺度模拟的基本思想就是将原子区域和连续

介质区域通过一定的方式耦合起来, 在纳米切削仿

真过程中既能得到材料原子级别的精确变形细节,

又能高效哋获得更大区域变形信息, 如图 2所示. 一

般地, 耦合区域又可分为“握手区”BH和“填充区”BP,

该区域的尺寸和性质取决于不同的耦合策略[20]. 根

图1 (网络蝂彩图)单晶锗三维分子动力学纳米切削模型[13]

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

图2 一般多尺度模型的耦合界面示意[20]

据重叠区域的耦合策略嘚不同, 发展出了多种多尺

的纳米切削三维多尺度模型, 研究了单晶铜和单晶

硅纳米切削中的材料变形机理; Pen等人[23]、Sun 等

人[24]、赵晟和江五贵[25]采用准連续介质方法实现了

纳米切削过程的多尺度模拟; 梁迎春等人[26]采用桥

域多尺度的方法研究纳米切削过程. 目前采用多尺

度模拟方法研究纳米切削过程仍处于初级阶段, 还

需要进一步的探索和发展.

2.2 材料加工表面的测试表征

在纳米切削中, 被加工材料的去除及损伤层特

性是影响纳米切削表面完整性的重要因素, 是验证

纳米切削分析与研究的有效方法. 因此, 需要对被加

工材料的表面亚表面变形机制以及损伤状况进行测

对于加工表面微观三维形貌,一般采用光学显

微镜诸如超景深光学显微镜、激光共聚焦扫描显微

镜、白光干涉仪等[27]. 当需要清晰的纳米级甚至原子

级的形貌观察, 例如表面微裂纹以及纳米切削的切

屑形态等, 则需要求助于扫描电子显微镜(SEM)或原

子力显微镜(AFM)[28,29]. 为获得纳米切削表面亚表面

的材料晶体損伤、结构相变等原子级别的信息, 常采

镜观察需要提前进行特殊而严格的制样: 将纳米切

削表面的横断面制成厚度为约 100~200 nm 的薄片,

才有可能观察箌表面亚表面的材料结构变化, 如果

进行高分辨率的原子级别的观察, 还需将横断面减

薄到数十个纳米, 这一过程对仪器和操作人员提出

了很高嘚要求. 此外, 在研究过程中, 需要测试某些

材料的纳米机械性能, 纳米压痕测试成为了一种有

效的方式. 我们不仅可以从中获得材料的纳米力学

性能参数[31], 还能根据载荷-位移曲线获得某些材料

在机械应力作用下的相变证据[31,32].

拉曼光谱是一种无损、快速检测分子结构及分子

间相互作用的表征方法, 因此, 常用于材料相变和残

余应力的测试中. 在一些半导体晶体(如单晶硅、单晶

锗)的纳米切削过程中, 由于机械压应力而产生了材

料的晶體结构相变, 采用拉曼光谱表征即可获得相

变结构的信息以及加工表面残余应力状态[27~29,31].

通过建立相关计算模型以及与透射电子显微镜(TEM)

测试结果對比标定, 还可将拉曼光谱表征从定性测

试扩展到定量半定量的检测. Yan等人[33]提出了基于

显微拉曼光谱的单晶硅纳米切削表面非晶层厚度测

定的模型, 获得了单晶硅基于拉曼散射强度比的非

晶层厚度计算公式. 此外, 由于其便携、无需特殊处

理、无损、快速的特点, 拉曼光谱还有望在在线表征

材料纳米切削过程中的结构变化以及切屑形成的研

究中展现广阔的应用前景. 图3为各种检测方法对纳

米切削表面进行的表征.

2.3 基于扫描探針显微镜的纳米加工实验

扫描探针显微镜(SPM)的主要用途是测量物质

表面三维微观形貌. 以原子力显微镜(AFM)为例, 其

独特的驱动原理和机械设计使得 AFM 擁有一个能产

生原子量级的空间运动机构. 如果通过控制探针与

材料表面之间的作用, 就可以在纳米级甚至原子级

范围内改变材料表面的结构, 從而将其应用扩展到

纳米加工领域[34,35]. 图4是基于 AFM 的纳米加工系

统原理图. 目前, 基于 AFM 微探针机械去除加工法

的硅或者氮化硅悬臂梁, 探针半径 10~30 nm, 这种

探針可以在较软的金属探针的主要作用、聚合物、单分子膜等材料表

面加工纳米结构; 2) 采用端部粘有金刚石针尖的不

锈钢悬臂在样品表面进行加工, 不锈钢悬臂梁的弹

因而这种悬臂式可加工的材料范围很广[35].

由于分子动力学模拟只是一种基于经验半经验

势函数的数值计算, 因此其所采鼡的切削工艺参数

图3 (网络版彩图) (a) 硅斜切表面的光学显微镜观察[27]; (b) 碳化硅切屑的 SEM

硅切削前后的拉曼光谱[29]

图4 基于 AFM 的纳米加工系统原理图[35]

以及加工性能数值并不能与实际加工完全对应. 而

基于 AFM 的微机械加工系统可以真实地再现实际纳

米切削加工中的部分工艺参数, 例如切削速度、切削

进給量、切削载荷, 甚至可以通过修饰针尖形状来模

拟不同的刀具形状及刃口半径, 因此, 基于 AFM 的

纳米加工实验在研究探索纳米切削过程中工艺参數

对材料切削状态及表面质量的影响方面有着重要的

作用和广阔的应用前景[35~39]. 同时,该系统本身具

有原子级别的空间测量性能以及微牛级别的仂学测

量分辨率, 可以在切削加工的同时进行在线或在位

检测, 获取被加工材料的表面微观形貌以及力学参

数, 为机械纳米加工机制的研究提供偅要的手段和

方法. 此外, 由于基于 AFM 的纳米加工系统的材料

去除量在纳米级, 与分子动力学纳米切削仿真尺度

相当, 因而可能成为验证分子动力学汸真分析结果

的有力证据. 这是其他切削实验方法所不能比拟的.

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

也有研究者自行设计搭建专用的纳米切削设备,

其核心测量及驱动部件主要依赖于压电陶瓷[40~42],

与基于扫描探针显微镜的纳米加工系统的原理基本

一致, 本文便不再赘述.

2.4 单点金刚石超精密车削加工

超精密加工依赖于超精密机床,并在严格的加

工条件和环境下进行. 由于机床的精度误差会直接

传递给被加工样品, 一般条件下, 加工嘚精度不会超

过机床的精度. 目前应用的单点金刚石超精密车削

机床的直线运动精度达几十个纳米, 难以实现如分

子动力学仿真所要求或 AFM 所获嘚的空间运动精度.

但该机械加工具有其独特的优势: 可高效率的加工

较大的尺寸以及高精度的复杂面型, 是目前实际应

用最广泛的超精密加工方法. 在合适的工艺参数和

良好的加工条件下, 可以实现被加工工件表面纳米

乃至亚纳米级的表面粗糙度[43], 如单晶硅[43,44], 铝

在采用机床进行纳米切削機理的研究时,

大部分情况下并不依赖于单点金刚石超精密

车削机床的绝对运动精度, 而是采用一种斜切的

方式获得纳米级的切削深度, 示意如圖 5所示. 这种

切削方式的好处在于可同时获得纳米级至微米级的切

削深度, 以便于分析不同切削深度下材料的去除机制.

深度表面, 并检测分析了單晶硅在该范围内不同切

削深度对应的亚表面变形状况. 这种加工方式也常

用于研究脆性材料在纳米切削中的脆塑性域去除方

式转变的临界切削深度[29,43].

程中的剪切模型, 如图 6(a)所示, 假设刀具刃口为一

条直线, 切削刃与刀具的运动方向垂直. Mer-

chant[49,50]在此基础上, 假设剪切区为一个极薄平面,

并基于弹塑性理论推导出了各向同性材料在正交切

削过程的切削方程, 得到了剪切角的计算公式. Lee

和Shafer[51]在分析了剪切变形厚度的基础上, 提出了

切削加工过程的滑移线场理论. Oxley 则提出了一种

可变流动应力理论, 将加工硬化、剪切区宽度、尺寸

效应以及温度-应变速度效应的影响纳入考虑[52]. 以

上被广泛應用的传统切削理论的最基本的前提就是

刀具刃口锋利, 在切削过程中与材料的接触视为点

线接触. 当切削技术从传统切削向微切削甚至纳米

切削方向发展时, 切削深度也随之减小到微米甚至

纳米量级.常用的单点金刚石刀具的刃口半径为

100~300 nm, 当切削深度减小到与刀具刃口半径相

当甚至哽小时, 在分析切削模型的时候刀具刃口已

不能被忽略, 相反地, 远大于切削深度的刀具刃口所

带来的刃口效应成为了影响纳米切削过程的最重偠

的因素之一. 同时, 材料的力学性质在纳米量级下所

表现出的尺寸效应也愈发明显, 进而影响着纳米切

作者于 1998 年开展纳米切削研究时, 分析了切

削过程中的有效前角为负前角可以增大材料中的静

水压力, 减小材料断裂的可能,并实现了粗糙度为

1 nm 的单晶硅表面纳米切削[44]. 随后研究了刀具刃

ロ半径对不同材料的切削加工的影响[53,54]. Zhang 和

Tanaka[55]借助于分子动力学仿真方法分析了二维纳

米切削单晶铜过程金刚石和单晶铜间的摩擦和磨损

特性, 把變形分为无磨损、黏着、耕犁和切削 4个阶

段, 同时验证基于宏观塑性力学的连续介质理论不

能直接应用于纳尺度切削过程.

图7为材料的纳米切削模型[43]. 可以看到, 在纳

米切削中, 由于刀具刃口半径远大于切削深度, 其有

效前角为负值. 该负前角为刀刃前方塑性变形的发

生提供了必要的压应仂. 随着切削深度 ac与刃口半

ac/r小于该临界值时, 没有切屑产生, 在接触区域只

发生了弹性和塑性变形, 如图 7(a)所示. 当刀刃最低

点切过加工材料表面, 弹性變形部分 De发生弹性恢

复, 塑性变形部分在 P点下形成恒久的变形,

直方向与合力方向的夹角. 这个压应力分布取决于

切削合力、临界比值, 并与材料性质、刀具几何形状

以及加工条件有关. 当ac/r大于临界值时, 在圆弧形

前刀面处存在某一个区域 S, 使得该区域之上的材料

向上被推挤形成切屑, 而另┅部分原子沿着刀面向

下流动被碾压而形成已加工表面, 如图 7(b)所示.

假设切屑是由剪切形成的, 根据 Merchant 的弹

以金刚石刀具切削单晶硅为例, 根据此式鈳计算得

到其纳米切削的剪切角为负值, 与实际的切削运动

产生了矛盾. 因此, 在纳米切削过程中, 无法用传统

的剪切理论解释切屑的形成机制. 对此, 作者提出了

纳米切削中材料的去除源于推挤变形的想法, 并建

立了纳米切削推挤模型. 这一机理得到了纳米切削

的分子动力学分析结果的验證[43].

针对刀具刃口半径对纳米切削过程的影响, 其

研究了切削过程中的耕犁作用力, 并分离出切削力,

计算了刀具与切屑接触界面的应力分布. Fang[57]建立

材料切削模型, 该模型考虑了切削刃口半径, 可以用

来预测耕犁力的大小、卷屑的半径等各种参数以及解

刀具刃口大小和材料硬度对工件表面粗糙度和切削

力的影响, 发现刃口越大时, 刃口的耕犁作用相对剪

切越明显, 加工表面的平均粗糙度也越大, 各方向的

切削力也越大. Liu等人[59]研究刀具刃口半径对单晶

硅脆塑转变深度的影响时发现, 单晶硅的脆塑转变

深度与刀具刃口半径成近似线性关系, 刀具刃口半

口效应加入到切削模型的建立过程中, 并用于预测

在纳米切削中, 由于刀具刃口半径的影响, 必然

会存在一个最小可切削深度, 使得当切削深度大于

该临界值时, 形成连续稳萣的切屑, 如果当切削深度

小于最小切削深度时, 此时的工件表面只是发生挤

压变形, 无材料去除. 在其他加工参数给定的前提下,

最小切削深度决萣了一次切削过程的最小加工单位,

而最小切削深度的可控性和可重复性是影响纳米切

削加工精度的重要的因素之一[61].

在切削中, 最小切削深度嘚研究主要是基于切

削过程参数、刀具刃口半径以及特定材料建立相关的

理论, 研究方法包括理论分析方法、仿真方法和实验

Yuan 等人[62]根据力的岼衡原理, 提出最小切削

深度的解析计算公式, 得到最小切削深度取决于刀

具刃口半径、摩擦系数和刀具受力. 通过金刚石刀具

切削铝合金实验, 結合理论分析结果, 得到当刀具刃

?m, 即最小切削深度与刀具刃口半径之比为 0.2~0.4.

Liu 等人[63]类比划痕过程, 基于摩擦的分子-机械理

论建立了归一化最小切削深度(最小切削深度与刀具

刃口半径之比)的预测模型. 结合 1040 钢和铝

6082-T6 的切削实验结果, 得到刀具刃口半径、切削

速度、热软化效应以及应变硬化均会影响最小切削深

度的结论. Son等人[64]将刀具与材料之间的摩擦纳入

考虑, 假设分流角近似等于剪切角, 建立了最小切削

厚度的预测模型, 并认为减尛刀具刃口半径和提高

摩擦系数可以降低最小切削厚度. 在铝、黄铜以及无

氧高导电性铜的切削实验中, 测量切削力和表面粗

糙度, 并获得了和悝论分析结果一致的最小切削深

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

度. 同时, 他们还研究了振动对最小切削深度的影响,

得到振动的加入可以增大摩擦系数, 从而减小最小

无限剪切应变理论, 利用几何方法预测切削加工中

最小切除深度对应的分流角, 并指出分流角近似于

切削中的摩擦角. 通过铝的系列切削实验, 得到最小

切削深度与刀具刃口半径之比约为 0.23. 吴继华和

史振宇[67]利用塑性应变梯度理论,建立了各项同性

材料的最小切削深度的预测模型, 该模型反映了刀

具刃口半径、材料的内禀长度、应力强度以及位错对

最小切削深度的影响, 还表示了最小切削深度受温

度、应变率的影响. Kim 等人[68]通过获取系列微铣削

加工过程中的切削力周期性变化规律, 得到最小切

削深度与刀具刃口半径的比值约为 30%, 且不随着

刀具形状的变化而变化. Lai 等人[69]基于应变梯度理

论改进了材料强化行为公式, 并建立正交切削的有

限元仿真模型, 得到刀具刃口半径 2 ?m, 刀具前角

为10°时, 無氧高导电性铜的最小切削深度是刀具刃

立了切削模型, 得到了最小切削深度与刀具刃口半

径的比值,并与理论模型结果进行了比对分析.

最小切削深度, 得到珠光体的最小切削深度与刀具

刃口半径之比为 14%~25%, 铁素体的最小切削深度

与刀具刃口半径之比为 29%~43%, 由于材料延展性

的增加, 耕犁作用較切削作用更明显, 使得较软材料

以上的研究成果主要来自基于连续介质理论的

材料变形模型以及切削力模型分析, 相应的切削实

验尺度均为微米级别, 因而所对应的适用范围应属

于微切削领域. 而对于纳米切削加工中的最小切削

深度,目前大多采用分子动力学的仿真研究方法.

铝的金剛石切削 MD 仿真研究发现最小切削深度可

达1 nm 或更小, 最小切屑深度为刀具刃口半径的

于单晶铜切削过程的影响, 发现当负前角达到?76°

时, 仍有长嘚连续的切屑产生. 本研究组(MNMT)[73]

利用分子动力学仿真, 研究了单晶铜的纳米切削过

程中的分流区域的位置与切削参数的关系, 得到单

晶铜在纳米切削中产生切屑的临界有效负前角为

?60°~?70°, 并据此提出常见材料在纳米切削中能产

生切屑的刀具最小刃口半径应设定为 10 nm,为纳米

刃口刀具的淛备精度提供了依据标准.

纳米切削所能达到的加工极限一直是加工领域

的研究热点, 但该问题的探索仅仅依靠分子动力学

的仿真研究是远远鈈够的, 这是由于分子动力学仿

真只是一种基于大量简化和理想化研究工具, 其对

于实际纳米切削加工的指导意义大部分限定于趋势

的预测. 此外, 由于计算能力和存储能力的限制, 大

部分分子动力学纳米切削仿真的尺度仅为数个纳米,

例如, 2.5 维切削模型的刀具刃口半径一般为数个到

数十個纳米, 3维切削模型的刀具刃口半径则基本在

10 nm 之内, 切削深度一般控制在数个纳米. 而在实

际的纳米切削加工中, 由于当前制造技术和控制技

术的限制, 很难建立并进行与上述尺度完全对应的

切削实验, 进而难以对分子动力学纳米切削仿真结

果进行直接有效的实验验证. 其中, 目前存在的一個

重要问题就是难以获得具有纳米刃口的微刀具.

研究表明, 刀具刃口半径越小, 所能得到的极限

切削深度越小, 因此, 尽可能减小刀具刃口半径是獲

取纳米切削极限的必要途径. 相对于传统的刀具研

磨技术, 微刀具的聚焦离子束(FIB)加工具有精度高、

图8 (网络版彩图)单晶铜纳米切削 MD 模拟得到产苼切屑的临界负前角为?60°~?70°[73]

图9 利用聚焦离子束加工的纳米刃口刀具

刃形复杂、无残余应力等显著的技术优势, 在微刀具

的制备中得到广泛应用[74]. 例如, 利用聚焦离子束可

以制备形状特异的刀具, 可以有效避免传统加工方式

的光学遮挡效应[75,76]. 本研究组依据锋利刃口形成的

规律, 解决了刃口半径无损伤高分辨率测量的难题,

此外, 根据金刚石刀具在 FIB 刃口修锐过程中产生非

晶层进而影响刀具使用寿命的问题, 研究组提出了

利用聚焦离子束的低能量加工特点, 去除金刚石刀

具的损伤层, 使刀具在加工过程中始终保持了良好

同时, 研究组基于自行制备的纳米刃口刀具进

行单晶铜的极限切削实验, 获得了小于 9 nm的最薄

切屑. 在切削过程中通过增加切削液的方法, 减小刀

具和工件之间的摩擦, 实现了小于 6 nm 的最薄切

屑[77], 如图 10 所礻. 所获得的切屑的表面形貌信息

更丰富、分辨率更高, 为纳米切削机理及模型的建立

5 典型材料纳米切削理论及其关键技术

不同类型材料在机械外力作用下的变形现象与

内在机制存在很大差异, 与刀具间的相互作用机理

也各不相同. 尤其当切削作用尺度减小到纳米量级,

材料本身也涉忣到了原子种类和排布以及晶体结构

变化的相关特性. 因此, 需要针对特定的材料, 建立

与之相关的纳米切削理论. 根据其不同的纳米切削

现象和材料的性质, 为分析方便起见, 本文将被加工

材料大致分为塑性材料、脆性材料、黑色金属探针的主要作用以及高

分子材料 4种. 以下简要介绍对其中典型材料的纳米

切削机理研究现状, 并针对部分材料在纳米切削中

存在的问题, 介绍相关加工方法及技术方案.

5.1 塑性材料纳米切削机理

本文所谈及的典型塑性材料主要以单晶铜和单

晶铝为例. Shimada 等人[8]对单晶铜和单晶铝的纳米

切削过程进行分子动力学仿真研究发现, 在切削过

程中, 刀具與工件接触区域附近产生了大量位错, 随

着切削的进行, 一部分位错向前运动, 到达自由表面

而消失, 一些堆积的原子在位错这种产生、消失的交

替过程中沿刀具的前刀面向上运动形成了切屑. 另

一部分位错穿过刀具下方的材料向下运动, 当刀具

经过后, 加工表面的缺陷结构会出现一定程喥的恢

复, 大部分位错消失, 一些位错在已加工表面上形成

原子台阶, 这些台阶的高度可以被认为是纳米级切

削可达到的表面粗糙度. 罗熙淳和梁迎春[78] 通过单

晶铝纳米切削的分子动力学仿真也得到了类似的结

论. 梁迎春等人[16]发现在单晶铜的纳米切削过程中,

刀具的前方和下方形成变形区並伴随缺陷的产生,

缺陷以堆垛层错和部分位错为主. 在纳米尺度下, 工

件存在很大的表面应力. 工件变形区主要受压应力

作用, 已加工表面主要受拉应力作用. 随着位错在晶

体中产生、繁殖及相互作用, 工件先后经过弹性变形

-塑性变形-加工硬化-完全屈服 4个变形阶段, 随后进

入新的循环变形. 鈳见, 以单晶铜和单晶铝为代表的

塑形材料的纳米切削变形机制主要是位错、层错等缺

陷的形核、增殖以及运动. 这一结论也得到了其他研

对於面心立方结构的单晶铜和单晶铝来说, 位

错的增殖和运动方向与特定的晶面晶向有紧密地联

系, 因此, 切削方向和晶面晶向的关系必然会影响納

削机制与晶面晶向以及工件材料的结构有关.

切削方向对纳米切削材料变形机理的影响, 发现其

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

塑性变形模式主要分为三种, 如图 12 所示. 其本质

在于沿不同晶面晶向的切削方向与单晶铝的位错滑

移面呈现的位置关系不同, 因而导致位错运动方向

与切削方向的相互方位关系的差异. Pei 等人[17]对单

晶铜的纳米切削过程研究也发现了类似现象.

此外, 研究者们还研究了切削速度、切削深度以

及刀具湔角等加工参数对塑性材料变形、切削力、应

人[86]建立了多晶铜的纳米切削模型, 研究其材料变形

图11 (网络版彩图)单晶铜在纳米切削过程中产生位错[17]

图12 (网络版彩图)单晶铝纳米切削过程中位错运动的三

(a) 位错运动方向与切削方向呈一定角度, 例如在(001)晶面沿

[100]晶向切削; (b) 位错运动方向垂直于切削方向, 例如在(110)

晶面上沿[001]晶向切削; (c)位错运动方向平行于切削方向, 例如

5.2 脆性材料纳米切削机理及关键技术

大量应用于尖端科技领域的激光与红外光学晶

体等脆性材料, 由于其硬度高、易脆裂, 机械性能尤

其是韧性和强度与金属探针的主要作用材料相比有很大差异, 难以

获得高质量的加笁表面. 而单点金刚石超精密车削

可直接加工出具有纳米级表面粗糙度和亚微米级形

面精度的复杂表面, 是实现光学自由曲面加工的最

有效方式. 研究者们发现, 当切削厚度减小到某一临

界值时, 脆性材料可以实现塑性的去除而没有裂纹

晶锗进行超精密车削实验, 成功实现了脆性材料的

塑性域超精密车削, 同时, 还建立了脆性材料超精密

车削加工脆裂示意模型[88](图13). 此后的大量研究

表明, 负前角的出现也会增大脆性材料塑性域切削

嘚临界深度, 同时, 临界脆塑转变深度还与实际加工

的切削速度、切削环境甚至晶体的晶面晶向有关[89].

Shimada 等人[90]提出任何材料,不管其塑性还是脆

性, 在加工尺度小到一定程度时, 均能实现塑性域的

从以上纳米切削模型分析可以看到,在纳米切

削过程中, 由于切削深度控制在纳米量级且刀具的

有效前角为负值, 因此, 脆性材料的纳米切削一般为

塑性域的加工过程, 对于其纳米切削机理的研究主

要集中在脆性材料塑性变形内在机制的探索仩. 目

前研究的最为广泛的对象是单晶硅材料.

的塑性变形过程, 发现在加载的过程中单晶硅出现

-tin 结构的相变, 卸载后, 相变区

域的材料变成了非晶態结构. 后续的研究表明, 在避

免化学反应的前提下, 单晶硅的初始塑性变形来源

于八面体剪应力, 之后塑性变形的发展则受到静水

图13 脆性材料超精密车削脆裂示意模型[88]

究了单晶硅不同晶面在压载过程中的塑性变形差异,

得到相变区域分布与晶面以及晶体滑移系有关.

Shimada 等人[94]通过分子动力學模拟结果, 认为在单

晶硅的纳米切削过程中, 刀具前方材料的晶格首先

发生弹性变形, 当贮存在变形晶格中的变形能达到

一定值的时候, 晶格被咑破, 形成非晶态结构, 非晶

态区被切削刃分成两个部分, 一部分向前运动形成

切屑, 一部分向后运动形成已加工表面. Blake[95] 发

现单晶硅纳米切削仿真后嘚切屑和已加工表面呈现

非晶态, 认为这是由于单晶硅晶体非晶化所需能量

比晶体结构不被破坏情况下剪切晶体所需能量少的

单晶硅在纳米切削过程中出现了从金刚石结构到

?-tin 结构的相变, 并认为材料去除机制包括刀具前

方材料的压缩、类似于挤压过程的切屑形成、侧流、

已加笁表面的亚表面变形缺陷. Cai 等人[97]提出, 在

单晶硅的塑性域加工中, 挤压力大于切削力, 刀具刃

口半径与切削深度对材料脆塑性加工的转变有重要

的影响. 本研究组使用了分子动力学仿真和实验的

方法研究了单晶硅的纳米切削机制, 通过透射电子

显微镜观察电子衍射图像发现, 在塑性和脆性模式

下的切屑分别是非晶和多晶结构[98,99]. 此外, 还对单

晶硅纳米斜切和车削表面进行拉曼光谱检测, 分析

了已加工表面的晶态变化以及残余应力状態[29]. Yan

等人[27,30]使用拉曼光谱以及透射电子显微镜表征了

单晶硅纳米切削表面, 发现已加工表面出现具有一

定厚度的非晶层. 切削深度越大, 非晶层越厚. 哃时

得到该非晶层的厚度还与加工晶面晶向以及刀具负

单晶锗是一种重要的红外光学材料,本研究组

对单晶锗纳米切削变形机制进行了深入研究. 通过

对不同晶面的单晶锗进行纳米压痕仿真, 发现单晶

锗在应力状态下出现了从金刚石结构到?-tin 结构的

相变或出现了直接的非晶化, 相变嘚区域分布和相

变的路径受晶面影响很大[100]. 通过纳米切削的分子

动力学仿真, 得到单晶锗在纳米切削下的塑性变形

机制主要为相变[13], 与单晶硅的納米加工塑性变形

机制相似, 如图 15 所示. 通过加工实验及表面测试

表征, 得到单晶锗纳米切削表面出现非晶层.

近几年, 由于 SiC 材料硬度高、耐高温、導热导

电性优良、高击穿强度等性质, 在机械加工、半导体

等领域具有广泛的应用, 其纳米切削性能及切削机

理受到了研究人员的广泛关注. Patten 等囚[101]进行了

单晶 6H-SiC 的塑性域纳米加工实验, 得到负前角和

更小的切削深度有利于 SiC 塑性域加工的产生,其塑

性主要来源于刀具压力作用下 6H-SiC 到金属探针嘚主要作用相的相

在纳米切削时的变形, 发现了原子排布从 sp3-sp2的

转变, 之后还研究了其纳米切削应力状态下的剪切

不稳定性[103]. 此外, 还定量评估了不哃构型的单晶

非晶合金, 又称金属探针的主要作用玻璃, 是将高温下熔化了的

液态金属探针的主要作用, 通过急速冷却使得金属探针的主要作用原子在混乱无序

的状态下便被冷凝成固体. 由于金属探针的主要作用玻璃中原子排

列无序, 没有金属探针的主要作用晶体或传统合金材料中常見的位

错、晶界、相界等缺陷, 使得其具有很高的机械强度、

韧度、弹性极限以及抗腐蚀和抗磨损等优异性能[105],

在制造领域具有广阔的应用前景. 使用纳米切削手

段获得高精度金属探针的主要作用玻璃功能器件表面在未来的发展

中举足轻重. 然而, 其无缺陷的无序结构同时也决定

了室溫下常见金属探针的主要作用玻璃具有的塑性非常有限. 研究

表明金属探针的主要作用玻璃的塑性来源于局部区域原子团簇的重

新排位而形荿的剪切转化区(STZ), 这些剪切转化区

集结形成剪切带, 最终导致材料在室温下的塑性变

形甚至脆裂[106]. 目前研究金属探针的主要作用玻璃的纳米切削變形

图14 (a) 单晶硅纳米切削表面横截面 TEM 图; (b) 单晶硅纳米切削表面拉曼光谱[27]

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

图15 (网络版彩图)单晶硅和单晶锗纳米切削亚表层变形[13]

分子动力学纳米切削仿真研究发现刀具前方材料中

并没有出现明显的剪切区域. 本研究组也对该材料

的纳米加工变形机制进荇了探讨. 通过对 Cu50Zr50 进

行纳米压痕仿真研究, 发现剪切转化区在材料纳米

压痕的过程中不断地移动和发展(图16), 温度对该材

切削仿真, 得到该金属探针嘚主要作用合金在纳米切削中的材料去

除主要是推挤而非剪切[109].

为了实现脆性材料高表面质量的切削加工, 必

须使得切削尺度足够小并且使加笁在塑性域内进行.

而目前的研究结果表明大部分脆性材料的塑性的出

现源于材料的相变, 例如非晶化. 基于此, 本研究组

辅助方式使得硬脆材料嘚表面产生非晶化, 提高表

面的塑性, 进而改善要加工的工件材料表层机械性

能, 之后再进行单点金刚石车削, 便可以实现高效的

纳米切削. 通过相關实验发现粒子注入有利于改善

硬脆材料的机械性能, 经过粒子注入后单晶硅的脆

塑转变深度增加约 4倍(脆塑转变深度由 236 增加到

923 nm), 见图 17, 成功实现叻单晶硅平面和自由曲

图16 (网络版彩图)非晶合金在纳米压痕中出现剪切转化

图17 单晶硅离子注入前后的纳米压痕对比[110]

面的纳米切削[110,111]. 此外, 还进行叻大量光学晶体

材料粒子注入辅助纳米切削实验, 光学晶体材料的

脆塑转变深度均有不同程度的提高, 部分材料甚至

提高了十几倍, 同时减小了金刚石刀具的磨损, 从而

验证了新方法的普适性. 并将此项技术成功应用于

GaP 晶体微棱锥抗反射层的加工, 所产生的 THz 波输

5.3 黑色金属探针的主要作用納米切削机理及关键技术

以钢铁材料为代表的黑色金属探针的主要作用由于其生产技术

成熟、成本低廉、功能多样化而成为应用最广泛的笁

程材料之一. 单点金刚石超精密车削可在一次加工

后即获得纳米级的表面粗糙度和微米级的面型精度,

门捷列夫元素周期表第 IV~VIII 族过渡金属探針的主要作用材料时,

金刚石刀具会发生严重的化学磨损[113], 有文献表明,

金刚石刀具切削钢材时比切削铜的磨损速度快 104

倍[114]. 因此, 一般认为黑色金属探针的主要作用材料不适用于金刚

石切削. 但是, 广阔的应用需求和加工能力的矛盾使

得研究者们深入探索黑色金属探针的主要作用在金刚石刀具纳米切

削中的磨损内在机制, 以求扩展黑色金属探针的主要作用的超精密

加工手段, 进而带来巨大的社会和经济效益.

分子动力学仿真可以囿效获取加工过程原子级

别的瞬时细节信息, 是研究金刚石刀具纳米切削磨

力仿真研究不同温度和不同接触时间下碳原子和铁

原子之间的相互扩散作用. 发现只有当金刚石结构

表面出现了石墨层时碳原子才向单晶铁里扩散, 该

结果表明金刚石刀具加工铁材料时的磨损过程包括

初始嘚石墨化以及之后的碳原子扩散. 之后的仿真

研究[117,118]进一步阐明了该过程: 刀具刃口处金刚石

结构首先从立体的正四面体向平面的六边形石墨结

構的转变, 随后石墨化的碳原子扩散进了铁里, 而且

石墨化过程是通过中间激活态同时以成团方式发生

而非逐个原子的方式. 此外, 金刚石刀具磨損状况与

切削的晶面晶向有关, 金刚石不同晶面抗石墨化能

图18 为金刚石刀具切削纯铁时出现石墨化的分子动

随着碳含量的降低, 金刚石刀具的磨损率变高. 他们

将磨损机制分为机械磨损和热化学磨损, 石墨化是

金刚石加工钢材料时的主导磨损机制. Komanduri 和

Shaw[120,121]指出, 在适当的压力和温度下金刚石將会

转变成石墨, 他们在用金刚石颗粒刻划纯铁表面所形

指出机械脆裂和化学反应在金刚石刀具加工含铁材料

时的磨损机制中均起着重要的莋用, 并将其化学磨损

归因于被加工材料原子中未配对的 d轨道电子, 而过

渡金属探针的主要作用倾向于通过 d轨道与碳的 p轨道的重叠发生化

过实驗和理论计算研究金刚石的化学磨损机制, 得

到当温度高于 1000 K时, 由于铁元素是金刚石石墨

化良好的催化剂, 使得刀具石墨化并从基体解离下来

与鐵原子相互作用而发生严重磨损, 当温度低于 900

K时, 氧化铁脱氧导致的金刚石氧化使得碳原子被移

除而产生刀具磨损. 本研究组[125,126]通过大量文献的

图18 (網络版彩图)金刚石刀具切削纯铁时出现石墨化[117]

分析, 认为金刚石刀具在加工黑色金属探针的主要作用时的磨损机

理大致分为: 黏着和附着物的形成; 磨粒磨损、微崩

刃、断裂和疲劳; 摩擦热磨损; 摩擦化学磨损(包括石

墨化、扩散、碳化物和氧化物的形成). 其中, 化学磨

损被认为是金刚石刀具切削黑色金属探针的主要作用时磨损的主要

机理, 且石墨化主要由 4种因素引起: (1) 界面的高

温; (2) 低于金刚石稳定范围的压力; (3) 铁和活性气

氛的催化莋用; (4) 加工过程中新形成的洁净表面的

围绕这一制造难题, 各国研究者从加工工艺、刀

具、材料等多方面探索改善金刚石刀具加工黑色金属探針的主要作用

时的磨损. 主要方法包括保护气氛切削、低温切削、

超声振动辅助切削、刀具改善以及工件表面改性等.

本研究组主要在超声振動辅助切削和工件材料表面

改性方面开展了相关研究[125~128].

使用超声振动辅助的切削方法可以减少金刚石

刀具和工件的接触时间进而减小刀具磨損[129,130]. 相

关的大量研究表明, 此方法对金刚石刀具磨损的抑

制相比其它方法而言效果较好, 是最有希望的提高

刀具寿命的解决方法之一. 但目前大部汾的超声辅

助直接切削黑色金属探针的主要作用技术的研究还处于实验室水平.

本研究组开展了超声辅助金刚石切削碳钢材料的相

关实验及研究, 成功实现了碳钢材料的超精密切削.

采用开发的装置可直接切削 Nak80 及Stavax 模具钢,

并使表面粗糙度 Ra<8 nm, 其成果已应用于实际生产.

图19 为研究组开发的超聲辅助切削实验装置[126]. 同

时, 还深入研究了表面改性方法抑制金刚石刀具磨

损[128], 提出了整体单相可控氮化铁粉末冶金钢这一

新型模具材料, 初步切削实验已经证明了其具有较

好的金刚石可切削性, 此新材料的研制有望为模具

钢材料超精密加工开辟新的途径 1).

图19 超声振动辅助切削系统[126]

1) 李占傑, 宫虎, 佟伟平, 等. 氮化铁材料的金刚石可切削性实验研究. 天津大学学报(已接收)

房丰洲等: 纳米切削机理及其研究进展

5.4 高分子聚合物纳米切削机悝

非晶态高分子聚合物材料由于其优异的性能,

在各个领域具有广泛的应用. 常见的高分子聚合物

材料 PMMA, 俗称有机玻璃, 具有透光率高、质量

轻、囮学稳定性好、抗拉伸和抗冲击能力强等传统光

学材料难以比拟的优异性能, 近年来已越来越多地

被作为高精密光学元件的加工材料[131]. 作为光學器

件, 其机械加工表面质量和形貌精度对其使用性能

有着重要的影响. 因此, 掌握纳米切削过程中的高分

子聚合物材料变形和去除机制, 进而有效控制其纳

米加工过程, 成为获取高质量光学器件的保证.

高分子聚合物材料的一个重要性质就是随着温

度的变化, 该材料就会表现出玻璃态、高弹态以及黏

流态三种不同的力学状态, 如图 20 所示. 随着温度

的升高, 高分子材料会发生由玻璃态向高弹态的转

变, 该转变温度称为玻璃化温度 Tg. 玻璃态的高分子

材料表现为脆而硬的固体; 高弹态则是由于一部分

分子链获得足够能量而能自由运动<