纳米切削是纳米精度复杂面型加工的主要技术之一。对纳米切削机理的深入探索可为材料的纳米级切削技术的发展提供必要的理论基础,对提高超精密切削加工技术的水平具有重要的意义。单晶锗是重要的红外光学材料,广泛应用于国防及民用高科技产品领域。掌握单晶锗纳米切削加工的材料去除机理以及损伤层特性进而改善其加工性能对于制造高质量的锗光学器件有着重要的指导作用。本文基于分子动力学分析、超精密切削加工实验以及纳米切削表面的测试表征等手段,对单晶锗纳米切削机理和与刀具刃口半径相关的纳米切削极限进行深入探索,具体内容包括:1.对单晶锗的单点金刚石纳米切削过程进行分子动力学仿真分析,研究其切削过程中的表层晶态结构演变、切削区域的材料流动状态、切削力及单位去除能量变化等。并与单晶硅、单晶铜和铝合金的纳米切削材料变形机制进行对比分析,得到单晶锗与其他材料的切削变形机制的共性和特殊性。2.研究单晶锗不同晶面纳米压痕和不同晶面不同晶向纳米切削时的亚表层变形损伤的差异,确定典型晶面上获得最薄的非晶损伤层的切削加工晶向。3.研究纳米切削的材料流动去除模型和滞流层位置,提出仿真中产生切屑的新判断方法,得到脆性材料单晶锗和塑性材料单晶铜在纳米切削过程中产生切屑的临界负前角为-60°~-70°之间,与纳米切削极限实验结果有很好的吻合。并进而提出10nm为具有实际意义的最小刀具刃口半径。4.对单晶锗不同晶面晶向的塑性切削性能进行实验研究。采用拉曼光谱和透射电镜对单晶锗纳米切削表面亚表面的晶态结构变化进行表征,并与分子动力学分析结果进行相互补充和验证。基于硬脆性材料纳米切削的推挤机理,提出基于机械表面改性的单晶脆性材料纳米切削辅助新工艺,并从分子动力学仿真分析和实验测试两方面初步验证了其可行性和有效性。