本文通过微磨气射流大角度冲蚀和切割单晶硅片实验,研究了微磨料气射流切割加工单晶硅的微观冲蚀机理、切割加工参数对加工能力和加工质量的影响,提出了“有效磨料通量效应”的概念,建立了考虑有效磨料通量效应的冲蚀率模型,以及切割宽度、切割深度、切割深宽比和切口横截面轮廓形状模型。本文的研究结果对于深入了解各向异性硬脆单晶材料冲蚀机理,推广应用微磨料气射流切割技术,解决单晶硅等硬脆薄板小热影响区和小加工力的切割及刻划加工问题,具有十分重要的理论指导作用和实际应用价值。通过微磨料气射流大角度冲蚀单晶硅片实验,研究了冲蚀凹坑特征,分析了单颗磨粒冲击下硅片表面加工痕迹的种类和特征,计算了各类冲蚀痕迹的数量在大尺度冲蚀痕迹总数量中所占比例,研究了径向/中位裂纹、侧向裂纹和赫兹裂纹产生的磨粒临界速度条件,以及裂纹形核和扩展与应力场及工件材料晶向的关系。结果表明,加工痕迹可以分为冲蚀凹痕、冲蚀划痕和冲蚀微点坑三种基本类型,冲蚀凹痕可以分为CC、CCR、CCC和CCCR四种类型,冲蚀划痕可以分为SC、SCR、SCC和SCCR四种类型;CC、CCR、SC、和SCR型冲蚀痕迹不能导致明显的工件材料去除,而侧向裂纹扩展形成的CCC、CCCR、SCC和SCCR型冲蚀痕迹能够导致工件材料的大片剥落,但是没有见到赫兹裂纹扩展形成的冲蚀痕迹;随着气压的增加,含有解理断裂面的冲蚀痕迹数量在大尺度单颗磨粒冲蚀痕迹总数量中所占比例增大,随着射流角度的增加,凹痕型冲蚀痕迹数量在整个大尺度单颗磨粒冲蚀痕迹总数量中所占比例增大;多数磨粒冲击工件表面后弹离工件,含有解理断裂面的冲蚀凹痕是硅片去除的主要形式;各向异性硅片的硬度、弹性模量和断裂韧度,以及磨粒形状均影响裂纹形核位置和扩展方向,应力场对裂纹形核和扩展影响较大,晶向对裂纹形核和扩展方向的影响较小。研究了微磨料气射流切割单晶硅片时切割加工参数对硅片冲蚀率的影响,提出了“有效磨料通量效应”的概念,建立了有效磨料通量效应模型和考虑有效磨料通量效应的硅片冲蚀率模型,并进行了实验验证。结果表明,工件冲蚀率随着气压、射流角度和喷嘴横移速度的增加而增大,随着磨料流量的增加而减小;反弹磨料与入射磨料碰撞干涉引起的后续有效入射磨料数量减少是冲蚀率随磨料流量和喷嘴横移速度变化而改变的主要原因;考虑了有效磨料通量效应的工件冲蚀率模型可以较好地预测硅片冲蚀率。研究了微磨料气射流切口边缘形貌和切口横截面轮廓形状特征,分析了切割加工参数对切口上边缘平整度、切割宽度、切割深度、切割深宽比和切口横截面轮廓形状的影响。结果表明,切口上缝基本平直,切口边缘有损伤区,随着气压的增加和射流角度的减小,切口平整度降低,而磨料流量和喷嘴横移速度对切口平整度的影响较小;切割宽度随着气压和磨料流量的增加而增大,随着喷嘴横移速度的增加而减小,当名义靶距相同,射流角度是60°时切割宽度最小,射流角度是30°时切割宽度最大,要获得较小的切割宽度,可选择较小的气压和磨料流量及较大的喷嘴横移速度;切割深度随着气压、磨料流量和射流角度的增加而增大,随着喷嘴横移速度的增加而减小,要获得较大的切割深度,可以选用较大的气压、磨料流量和射流角度及较小的喷嘴横移速度;随着气压、磨料流量和喷嘴横移速度的增加,切口横截面轮廓底部的平坦度减小,轮廓线曲率增加,随着射流角度的减小,切口横截面轮廓底部的平坦度增加,轮廓线曲率减小;切割深宽比随着气压、磨料流量和射流角度的增加而增大,随着喷嘴横移速度的增加而减小。建立了微磨料气射流切割宽度、切割深度、切割深宽比和切口横截面轮廓形状模型。基于准静态压痕断裂力学中的侧向裂纹长度模型和磨料流质量分布规律,建立了切割宽度模型;根据冲蚀率、切口纵轴线位置的磨料质量和工件材料体积去除量三者之间的关系,建立了切割深度模型;切割深宽比与气压、磨料流量、射流角度、喷嘴横移速度和工件材料力学性能等因素有关,用量纲分析法建立了深宽比模型;构造了切口横截面轮廓线形状函数,用量纲分析法,建立了轮廓线形状模型。实验验证表明,切割宽度、切割深度、切割深宽比和切口横截面轮廓形状模型均可以有效地预测相应的切割加工质量指标。