前言

超精密加工技术是评价一个国家制造技术水平高低的标准。随着技术的进步，国防、航空及其他高新技术领域对加工材料高表面质量的需求越来越迫切。通过研究超精密加工和纳米加工，利用新的理论来提高加工精度，将是未来的研究趋势和热点。

单晶硅是半导体集成电路产业的载体，其应用领域极为广泛。研究表明，半导体器件的表面质量会影响其使用性能。单晶硅的超精密加工过程以及纳米切削过程不能再用传统切削理论来诠释加工机理，而是要从原子或分子的角度来分析研究。使用传统方法研究纳米加工过程时，需要进行大量的加工实验，对加工设备和加工环境的要求极为严格，而且当切削深度仅为若干个原子层时，不仅会加大实验本身的难度，同时也会增加实验时间和成本。本书提出采用有限元和分子动力学模拟方法来仿真单晶硅超精密切削过程，可以避免上述困难。

本书共分8章，每一章的内容前后呼应，总体叙述了利用有限元和分子动力学两种仿真技术分析硬脆单晶硅材料的超精密加工过程，并建立超精密加工系统进行实验，进而对有限元的仿真结果进行验证，既有基本原理和公式的阐述，也有对该领域国内外现状的分析介绍。书中数据是著者本人及所带研究生研究工作的汇集，同时对一些科学现象加以挖掘，对一些基本原理进行深入浅出的解释。

各章题目和内容简介如下：第1章绪论，介绍单晶硅超精密加工及其仿真技术的发展现状，提出利用有限元和分子动力学对加工过程进行模拟分析的优势；第2章超精密切削有限元理论研究及模型建立，介绍了金刚石超精密切削单晶硅的切削机理、有限元法的基本思想和计算流程，利用大型商业有限元软件Marc，建立了金刚石超精密切削单晶硅的二维有限元仿真模型；第3章单晶硅二维精密切削过程的有限元仿真和结果分析，运用大型有限元分析软件Marc对平面应变状态下的单晶硅塑性域加工下的超精密切削模型进行了分析研究，分析刀具几何参数和切削参数对切屑形成的影响，预测切削力、切削温度以及应力受刀具几何参数和切削参数改变的影响；第4章单晶硅超精密切削实验及有限元模型的验证，建立了一套微加工系统，由于实验条件和加工成本的限制，本实验主要研究了刀具前角和切削刃钝圆半径对超精密切削加工表面质量的影响；第5章单晶硅纳米加工的三维仿真，基于前面二维有限元Marc超精密切削模型得到的结论，使用优化后的切削加工参数对单晶硅的三维正交超精密切削过程进行研究；第6章单晶硅超精密切削的分子动力学建模，对分子动力学模拟方法进行了简单介绍，讨论确定了模拟的初始条件，并建立了单晶硅纳米切削的三维仿真模型；第7章硅表面超精密切削的分子动力学仿真与分析，使用LAMMPS软件并借助分子动力学方法来进行仿真计算，在三维图像中从原子瞬时位置、温度和原子间势能等方面探讨单晶硅切削过程中材料去除方式与已加工表面的成形机理；第8章加工参数对硅表面切削过程的影响，主要研究切削深度、切削速度、刀尖几何形状和刀具前角等几方面因素的影响。

本书得到了国家自然科学基金委员会、浙江省自然科学基金委员会（项目编号Y20E050069）、先进水利装备浙江省工程研究中心、浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，以及著者的工作单位浙江水利水电学院机械与汽车工程学院的支持，在此一并表示感谢！

尽管著者为本书付出了十分的心血和努力，但书中难免存在一些疏漏和欠妥之处，敬请广大读者批评指正。

史立秋

2020年4月