为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

为了探究硅片器件精密磨削加工的切削特征与机理, 运用三棱锥形状的金刚石磨粒以不同加载压力划刻单晶硅材料表面模拟磨削加工过程, 分析了划痕形貌特征、切削力与切削深度的演变规律, 阐释了单晶硅的微米级切削加工机理。单晶硅微破碎去除发生的临界条件为法向切削力80 mN, 临界切削深度2.03 μm; 剥落去除发生的临界条件为法向切削力800 mN, 切削深度5.65 μm。切削深度、切削力比在不同切削机理条件下具备可区分的差异化特征。平均切削深度随加载压力的变化规律呈现出鲜明的自相似性特征。此外, 还分别构建了塑性去除、微破碎去除、剥落去除三个阶段的切削力方程, 更准确地描述了切削力与切削深度的密切关系。

为解决快点火分解物理研究中锥丝靶的整体成型问题，基于超精密车削技术，提出了制备无缝、无胶锥丝靶的方法。通过建立的Au丝超精密切削成型过程中的微切削力模型，研究了相关工艺条件下微切削力对锥丝靶成型的影响。采用有限元分析方法和实验验证手段研究多种参数Au丝的切削变形问题，获得了微切削力条件下Au丝的变形规律。研究结果表明:微切削力对丝径 10 μm附近锥丝靶的成型影响较大，对丝径更大的锥丝靶则无明显影响。

利用磨粒流的流变特性, 通过对应力张量的分析, 研究了磨粒流加工中的微切削力。提出了磨粒流加工是兼挤压与微去除方式为一体的复合加工, 微切削动力主要来自于磨粒挤压力、磨粒的犁削力及磨料介质的剪切力。建立了磨粒流动力学模型, 通过改变磨粒流流道的加工条件和测试加工过程的接触区压力、去除量及表面粗糙度等参数, 用量化的方式揭示了磨粒流加工中抽象微切削力的变化规律。最后, 结合COMSOL Multiphysics软件的CFD模块数值仿真了剪切力。结果显示: 基于加模芯的方法有效地提高了磨粒流加工的微切削力, 滑块4经15次循环后表面粗糙度由加工前的2.918 μm下降为1.027 μm, 而去除量下降了0.09 g。实验表明, 磨粒流加工中去除量确有变化, 但随着加工次数增加去除作用迅速削弱, 而表面粗糙度在挤压力的作用下仍有所降低。

为了实现液压碳石墨密封环的高效车削加工，采用激光辅助加工方法，进行了碳石墨密封环材料的激光辅助车削加工研究。考虑到碳石墨密封环材料具有高强度、高硬度等特点，利用激光束对工件进行局部加热，以提高加工效率、减小切削力和刀具磨损。针对碳石墨M104密封环的车削加工过程，进行了常规切削和激光辅助切削的对比实验研究。设计了激光辅助加工的实验流程，并进行了工艺参量的合理选择，得到了较高的切削效率。结果表明，激光辅助切削的主切削力和径向力分别比常规切削下降了23.5%和19.9%；激光辅助切削的切削区温度分布与常规切削相近；刀具磨损和破损的程度较小，能获得较好的表面加工质量。

微切削过程中的切削力严重影响刀具寿命及零件的加工精度,因此,深入研究微切削过程中的切削力变化规律及影响因素是确定合理的加工参数、加工工艺及提高加工系统性能的基础。本文在考虑刀具钝圆半径存在的条件下,采用轴对称原理建立了微切削力理论公式及微切削模型,实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响,验证了理论分析的正确性。研究结果表明:在切深ap为0.002～0.032 mm,进给量f为0.01～0.20 mm/r,切削速度v为20～120 m/min情况下,切削力Fz的变化范围为100～1030 N,Fy的变化范围为40～700 N;减小刀具钝圆半径会减小刀具后刀面与工件的接触长度,并且会减小切削刃以下部分金属的变形,有利于获得高质量的加工表面;控制切削速度对切削力的影响可以通过控制切削层厚度与刀具钝圆半径的比值来实现,控制切削力比值Fz/Fy则可以通过控制走刀量、切深与刀具钝圆半径的比值来实现。

由于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)在微小零件加工中存在不足,微细铣削加工作为一项补充技术正在日益受到人们的重视.介绍了研制的微型精密三轴联动立式铣床(300 mm×300 mm×290 mm)的系统构成,开发了中文控制软件并集成了视频采集系统,此设备在薄膜型工件(膜厚65 μm)的微槽加工中取得了满意的效果(膜厚方向上材料去除率90.7%,成品率大于80%).对微径端铣刀进行了力学特性分析,并通过刀具磨损试验分析了微径硬质合金TiA1N涂层及非涂层铣刀的磨损机理.最后通过槽铣硬铝2A12的试验研究了切削用量(主轴转速、背吃刀量和每齿进给量)对微细铣削力的影响,为微细铣削切削机理的深入研究奠定了基础.