单晶硅具有高强度、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、耐磨损等独特的力学和物理性能,在不同领域的集成应用中起着重要的作用,例如半导体器件、传感器、机械元件和电子产品。此类产品的制造无不对零件性能有极高要求。要提高零件性能,就需要降低加工过程中的表面损伤。纳米切削因为其在表面粗糙度、形状精度控制以及加工效率方面具有优势而被应用于单晶硅零件的纳米加工。因此本文利用分子动力学方法,从微观尺度入手,分别从切削参数、微结构刀具以及水环境三个方面,探究单晶硅纳米切削中去除行为变化规律和表面损伤机理。纳米加工中的材料去除状态深刻影响工件表面质量。单晶硅的去除状态分为脆性去除,脆塑性去除和塑性去除,其中塑性去除最有利于高质量加工表面的生成。在满足塑性切削参数条件下建立切削模型,对比分析了切削深度和切削速度两种参数对单晶硅材料去除效率以及表面完整性的影响,发现切削深度增大时,材料去除效率以近似指数级的趋势相应增大,而工件亚表面损伤深度和加工表面粗糙度均以近似线性趋势相应增大;切削速度增大时,材料去除效率增长的同时,工件亚表面损伤以及加工表面粗糙度以震荡形式缓慢增长。文章还选取适当的切削参数建立单晶硅纳米切削模型,进行纳米切削并分析了使用微结构金刚石刀具进行纳米切削的有利条件和不利条件。选取的刀具微结构为V形沟槽结构,揭示了沟槽结构能够给相变原子提供更大自由空间,有利于减小工件亚表面损伤深度,但是当沟槽结构尺寸过大时,工件加工表面质量大幅降低。此外,大尺寸V形沟槽结构会影响刀具抗磨损性能,会造成刀具机械磨损。综合考虑得出结论,沟槽尺寸为h=0.75nm的微结构刀具表现出最好的性能。文章还讨论了水环境对单晶硅纳米切削过程的影响,模拟结果显示:由于刀具切削刃与工件界面的高剪切应力,水分子在挤压作用下被挤出,只有少数水分子残留,所以拥有润滑作用的水膜只在切削初期的短时间内存在。此外,相较于真空环境,水环境中的工件在切削过程硅原子静水应力更大,有利于塑性模式切削但是会产生更大深度的亚表面损伤,工件表面完整性降低。