当切削用量控制在纳米级甚至更小尺度，进入了纳观领域时，去除的材料对象已变为具有分立、离散性质的单层、数层或数百层分子及原子，进而会出现许多新的物理现象。

切削技术从传统切削发展到微切削，再到纳米切削，进化过程中加工精度一直在提高，切削厚度也在不断减小（图1）。纳米切削不是常规尺度切削理论加工尺寸的简单微小化，当加工特征尺寸减小至纳米尺度时，宏观世界中的许多物理现象和基础规律将不再适用。如随着摩擦作用尺度的微型化，传统的摩擦定律即摩擦力的大小仅仅与正压力成正比（体积占主导地位而与接触面大小无关）已经失效。在纳米切削加工中，切削厚度为纳米量级，存在刀具负前角、切削比能显著增加等加工尺寸效应，取而代之的是一些物理学的新现象和新规律。因此必须研究微观领域中的纳米摩擦学、纳米力学、晶体学等。传统剪切理论已无法有效地解释和分析纳米切削加工结果和现象，亟需深入系统地针对纳米切削机理中存在的新现象与新规律开展相关研究。

图1 传统切削、微切削及纳米切削示意图

纳米切削机理研究的内容主要包括以下三个方面。

1881年Mallock建立材料剪切去除模型（图2），Lee和Shafer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（图3）。切削加工领域一直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，在纳米切削过程中，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切削加工表面的形成过程。建立纳米尺度下材料切削去除模型和理论是纳米切削机理的重要研究方向。

图2 Mallock的剪切模型

图3 Lee-Shaffe的滑移线切削模型

②纳米切削技术的核心是要实现可控的稳定的材料去除，因此，有必要探索纳米切削极限。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。当切削深度大于该临界值时，形成连续稳定的切屑；当切削深度小于最小切削深度时，工件表面只发生挤压变形，无材料去除。在其他加工参数给定的前提下，最小切削深度决定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因素之一。

③根据应用领域不同，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差异，因而，其变形去除机制以及刀具与材料之间的相互作用机制也存在着较大的差异。因此，需要根据不同种类材料研究其纳米切削变形去除机制。

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，需根据实际情况结合多种方式开展研究。

纳米切削技术在未来制造业发展中具有广阔的应用前景。例如，单晶硅片作为常用的半导体材料被广泛应用于集成电路的制作中，其材料表层的加工质量直接影响器件的性能。单晶硅棒在加工成最终硅片的切、磨、抛等工序中会引入一定厚度的加工损伤层，包括非晶层、多晶层、弹性畸变、微裂纹、错位及残余应力等缺陷。这些损伤无疑会影响器件的性能和使用寿命，因此对加工过程中的损伤进行研究，找出有效减小和控制损伤的方法，提高功能器件纳米加工的完整性显得尤为重要。对纳米切削机理进行深入探索，建立成熟完整的纳米切削理论体系，可为纳米切削表面质量的改善和纳米制造技术发展提供理论基础，对提高切削加工水平具有重要意义。