项目名称：    微纳米切削加工基础及相关技术

推荐单位：    教育部

项目简介：    科学技术领域：切削理论

超精密加工精度和表面质量要求已达到纳米尺度，因此研究超光滑表面形成机理、加工表面评价理论、金刚石刀具的刃磨机制及微纳制造新工艺与新方法等是实现微纳米切削加工的重要理论基础。

该项目主要研究内容为：（1）采用分子动力学理论揭示了不同材料不同变形区域内的原子势能变化规律，由此提出了刀具刃口"临界钝圆半径"的概念，并获得极薄切削厚度与刀具钝园半径间的定量关系，这个结论从理论上验证了世界著名学者N. Ikawa的推测。（2）提出了超光滑表面形成机制及加工方法，并通过对各向异性等光学晶体材料的加工性能进行理论分析与计算，为这类光学晶体材料超光滑表面的获得提供了最佳切削晶向，成功解决了激光核聚变装置（国家重大科学工程）中光学晶体零件加工的技术难题。（3）提出了均方根斜率、均方根波长等表面粗糙度参数的谱矩算法，系统地建立了表面完整性评价与加工表面质量预报体系，这项研究成果被国际知名学者Siniawski M. T.及Stephen J.等人多次引用。（4）提出了金刚石晶体研磨气-固、固-固表面机械化学作用机制。在国际上首先理论计算了金刚石刀具刃口极限锋利度。提出了特殊的刀具刃磨新工艺，并刃磨出锋利度为2-9nm的金刚石刀具，为微纳米切削提供了技术保证。该项成果已成功应用于我国多种战略、战术武器型号关键零部件的制造中。（5）建立了基于扫描探针显微镜的微纳米加工系统并进行了相关的理论与实验研究，提出了扫描探针显微镜与自组装技术相结合的加工新原理，开辟了微纳复合系统制造的新工艺。该项成果发表在国际著名杂志《Ultramicroscopy》（IF：2.490）等上。

在国内外发表论文逾430 篇，其中在著名国际杂志上发表文章71 篇，大型国际会议发表40 余篇。SCI 收录71 篇；EI 收录176 篇；总计他引612 次，其中国际他引共152次，包括SCI 他引70 次，SCOPUS 数据库他引82 次，CNKI 数据库他引460 次。有多项国家自然科学基金被评为优秀。

主要发现点：  （1）采用分子动力学理论揭示了不同材料不同变形区域内的原子势能变化规律，由此提出了纳米加工时刀具刃口"临界钝圆半径"的概念，并获得了纳米加工时能否产生切屑的新判据，定量地验证了极薄切削厚度与刀具钝园半径间的关系，并成功解决了激光核聚变装置（国家重大科学工程）中靶的制造难题。（学科：切削理论。该发现点主要体现在代表性论文[5-6]、[8]等中）

（2）提出了多场耦合作用下超光滑表面形成机制及加工方法，并通过对各向异性功能晶体材料加工性能的理论分析与计算，为各向异性光学晶体等材料超光滑表面的获得提供了最佳切削晶向，成功解决了激光核聚变装置中光学晶体零件加工的技术难题。（学科：切削理论。该发现点主要体现在代表性论文[4]、[10]等中）

（3）提出了均方根斜率、均方根波长等表面粗糙度参数的谱矩算法，系统地建立了表面完整性评价与加工表面质量预报体系。（学科：切削理论。该发现点主要体现在代表性论文[2]、[9]等中）

（4）提出了金刚石晶体研磨气-固、固-固表面机械化学作用机制，研究了刃口各向异性刃磨机理。在国际上首先理论计算了金刚石刀具刃口极限锋利度，结果表明：前刀面为(110)晶面时，其刀具刃口的极限锋利度可达到1-6nm，前刀面为(100)晶面时，其值可达到2-5nm。基于理论推导的结果，提出了特殊的刀具刃磨新工艺，并刃磨出锋利度为2-9nm的金刚石刀具，为微纳米切削提供了技术保证。（学科：切削理论。该发现点主要体现在代表性论文[3]等中）

（5）建立了基于扫描探针显微镜的微纳米加工系统并进行了相关的理论与实验研究，提出了扫描探针显微镜与自组装技术相结合的加工新原理，开辟了微纳复合系统制造的新工艺。（学科：切削理论。该发现点主要体现在代表性论文[1]、[7]等中）

主要完成人：  1.   梁迎春

本人是本项目的负责人，在发现点1 至5 上做出重要贡献。

在微纳米加工系统的建立与加工机理分析、AFM 与自组装组合的新工艺、微纳米切削加工理论研究及表面完整性评价技术等多方面成果突出。（本人在该研究中的工作量占本人工作量的70%）

2.   董申

在微纳米切削加工基础理论分析、表面质量完整性评价技术、基于AFM 微纳米加工的理论研究、超低频隔振原理及金刚石刀具的刃磨机理与技术等多方面成果突出。

（在主要发现点1、2、5上做出重要贡献，本人在该研究中的工作量占本人工作量的60%）

3.   孙涛

在基于微探针与自组装相结合的纳米结构加工方法、基于AFM 机械刻划的纳米加工机理、基于AFM的微小结构纳米测量机制及金刚石刀具的刃磨机理等多方面做出了重要成绩。

（在主要发现点2、4上做出重要贡献，本人在该研究中的工作量占本人工作量的50%）

4.   张飞虎

在多场耦合作用下超光滑表面的形成机理、磁流变抛光工艺、金刚石砂轮在线电解修整（ELID）工艺、非球曲面磨削加工工艺等多方面成果众多。

（在主要发现点3上做出重要贡献，本人在该研究中的工作量占本人工作量的40%）

5.   陈明君

在脆性材料微纳米加工时的去除机制、非球曲面及复杂曲面插补算法与加工工艺、KDP 晶体的超光滑表面获取机理及超低频隔振技术等方面成果突出。

（在主要发现点3上做出重要贡献，本人在该研究中的工作量占本人工作量的40%）

10篇代表性论文：  1.   A Multi-Wall Carbon Nanotube (MWCNT) Relocation Technique for Atomic Force Microscopy (AFM) Samples. Ultramicroscopy. 103 (2005) : 103-108.

2.   Evaluation of the root-mean-sguare Wavelength of machined 3D surface topography. Wear, 1999, 232(1) 76~83. (SCI249QB-index 4)

3.   The Material Removal Mechanism in Mechanical Lapping of Diamond Cutting Tools. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2005, 45(7~8): 783~788.

4.   Study of the ELID Grinding for Nano Ceramics, Key Engineering Materials, 2003, 257-258: 119-122.

5.   3D force components measurement in AFM scratching tests. Ultramicroscopy. 2005, 105, 62-71

6.   Processing Technique of Target Capsules Micro Inflation Hole with the Scanning Probe. Science in China (Series E). 2004.47(1): 77~84 (SCI 773XQ)

7.   Phase contrast imaging of SEBS triblock copolymer studied by carbon nanotubes probe. Ultramicroscopy. Vol.105, 2005:72-78.

8.   Nontraditional manufacturing technique-Nano machining technique based on SPM. SCIENCE IN CHINA SERIES G-PHYSICS MECHANICS & ASTRONOMY Vol.47, 2004: 51-58

9.   Evaluation of the anisotropg of machined 3d surface topography. Wear. 2000.2 (SCI 295AV-index 2 )

10.  The critical conditions of brittle-ductile transition and the factors influencing the surface quality of brittle materials in ultra-precision grinding. Journal of Materials Processing Technology. 2005