随着科技水平的不断发展,超精密加工技术被广泛应用于航空航天、军事、国防等高新领域。目前,超精密加工技术的精度要求已达到微纳米尺度,而在微纳米尺度下的加工机理和切削特性与材料在宏观加工下存在显著的差异。因此有必要对微纳米尺度下材料的切削特性、加工机理和力学性能进行深入研究,以便指导和改善超精密加工技术。单晶锗作为重要的红外光学材料,近年来广泛应用于微电子、航空航天、新能源等领域。但单晶锗是一种典型的具有各向异性的硬脆材料,在加工过程中极易形成裂纹和凹坑,很难得到高质量的光学表面。为了得到高质量的光学表面,在加工单晶锗时必须使材料去除量控制在微纳米尺度,使其在塑性域内完成切削加工。本课题主要采用分子动力学仿真、纳米划痕实验、单点金刚石车削实验等方法,探索单晶锗在微纳米尺度塑性域切削时的切削特性,研究不同切削工艺参数对单晶锗切削特性的影响,为单晶锗等硬脆材料微纳米尺度塑性域切削提供理论依据和技术指导。首先,利用分子动力学仿真方法对单晶锗进行了纳米切削仿真,研究单晶锗纳米切削机理,得到了单晶锗(100)晶面在切削速度为100m/s时的弹塑转变临界切削深度为0.75nm。然后从沟槽形貌、表面切屑堆积、切削力和势能等的变化分析不同的切削工艺参数对单晶锗纳米切削特性的影响。其次,利用纳米压痕仪对单晶锗进行了纳米划痕实验,研究不同划痕速度对单晶锗不同晶面发生脆塑转变时临界状态和切削特性的影响。研究发现:在一定范围内,随着划痕速度增大,单晶锗三个晶面发生脆塑转变时的临界深度和临界载荷都呈现先增大后减小的规律,而三个晶面发生脆塑转变临界切削力呈现的规律具有各向异性。并且修正了单晶锗(110)晶面在固定实验参数下发生脆塑转变临界深度计算公式。最后,利用单点金刚石车床对单晶锗零件进行塑性域车削加工,研究切削三要素对表面质量的影响。研究发现:在一定范围内,零件的面型精度和表面粗糙度都随切削深度的增大而增大;随进给量的增大而增大;随主轴转速的增大呈现先减小后增大的规律。并且得到了切削加工单晶锗零件的最优加工方案为切削深度a_p=5μm,主轴转速n=2200r/min,进给量f=3mm/min。