刀具表面微织构与微量润滑协同技术研究进展

Research Progresses on Synergistic Technology of Micro-textured and Minimum Quantity Lubrication on Tool Surfaces

摘要

回顾了近年来微量润滑（MQL）与微织构刀具技术在难加工金属材料（DMMs）切削加工中的研究进展，重点分析了两者的协同机理及其对DMMs切削加工性能的影响。相较于干切削，微织构+MQL协同作用可使平均切削力减小25%~48.3%，切削温度下降20%~50%，表面粗糙度减小15%~40%，刀具寿命延长1.5~2.4倍。总结了现有研究在以下方面尚待加强：一是协同机制的定量理论模型；二是针对不同材料的适应性分析；三是工业化条件下长期稳定性的实验验证。未来的研究应集中于构建基于热力学和摩擦学行为的定量协同模型，特别是在钛基合金和铝基合金等高强度、高温材料加工中的应用优化，并通过实际工况下的长期效能评估来验证其工业应用价值。

Abstract

This paper systematically reviewed the research progresses of MQL and micro-textured tool technology in DMMs cutting in recent years， and focused on analyzing the synergistic mechanism and the influences on DMMs cutting performance. Compared with dry cutting， the synergistic effects of micro-textured+MQL may reduce the average cutting force by 25% to 48.3%， reduce the cutting temperature by 20% to 50%， improve the surface roughness by 15% to 40%， and extend the tool life by 1.5 to 2.4 times. The existing research is yet to be strengthened in the following aspects： first， quantitative theoretical model of synergistic mechanism； second， adaptability analysis for different materials； and third， experimental verification of long-term stability under industrialized conditions. Future research should focus on the construction of quantitative synergistic models based on thermodynamic and tribological behaviors， especially the optimization of the applications in the machining of high-strength and high-temperature materials such as titanium-based alloys and aluminum-based alloys， and the verification of the industrial application value through the evaluation of the long-term performance under actual working conditions.

Graphical abstract

关键词

难加工金属材料 / 微量润滑 / 微织构刀具 / 协同机制 / 切削性能

Key words

difficult-to-machine metallic material（DMM） / minimum quantity lubrication（MQL） / micro-textured tool / synergistic mechanism / cutting performance

0 引言

难加工金属材料（DMMs）以其优异的强度、刚度、耐高温等机械性能被广泛应用于航空航天、汽车、电子及国防领域^［1］，如航天器框架、飞机机翼和起落架、火箭推进系统关键部件以及高性能涡轮机械等核心构件，此类零部件的加工质量直接影响装备的整体性能。然而，DMMs的高强度、高硬度及耐磨性也带来了加工难题，包括刀具磨损加剧、寿命缩短、切削力增大和加工表面质量下降。这些难题导致DMMs加工成本、加工质量和加工精度难以满足需求^［2-3］。

微织构刀具因在改善切削界面摩擦学特性方面的独特优势逐渐成为先进制造领域的研究热点^［4］，其作用机理主要体现在三个方面：①通过几何减摩效应减小刀具-切屑接触面积^［5］；②促进切削界面润滑膜形成，显著降低摩擦因数^［6］；③有效调控切削热分布，抑制刀具磨损^［7］。需注意的是，微织构刀具在降低切削温度及抑制磨粒磨损等方面仍存在局限性。虽然微织构能略微增大刀具与工件之间的散热面积，并辅助剪切界面的热扩散，但它对整体切削区温度的降低通常在10%以下^［8］，在高切削速率或活性高的难加工材料上，这点改善往往不足以抑制高温^［9］。在干切削时织构容易被切屑填塞，导致织构的储屑与润滑功能下降。同时，织构边缘棱角易发生应力集中，成为黏屑点从而引发局部磨损^［10］。微量润滑（minimum quantity lubrication， MQL）技术通过精准供给润滑介质，在刀具-工件界面形成高效润滑膜来实现减少刀具磨损、提高刀具寿命^［11］、减小工件表面热损伤和残余应力。因此，MQL可以与微织构刀具形成技术互补，从而达到提高加工质量的协同效果。

近年来，国内外学者已逐步开展MQL与微织构刀具的协同效应研究。ALI等^［12］利用数值建模和Taguchi分析预测了微织构刀具在加工AISI 630时的切削力和主剪切行为，发现微织构刀具的几何参数与切削力之间存在显著的非线性关系。SARAF等^［13］研究发现，在MQL条件下，微织构能显著改善切削性能，包括减少切屑黏结、减小切屑曲率半径和刀具-切屑接触面积、显著降低切削温度、减小进给力和表面粗糙度、显著延长刀具寿命。REDDY等^［14］研究发现，在车削AISI304时，MQL与微织构刀具的协同可以显著减小表面粗糙度。MUSAVI等^［15］研究了7075铝合金在MQL和微织构刀具协同作用下的切削机理，并构建了相应的加工粗糙度模型。WANG等^［16］发现仿生鲨鱼皮微织构可以储存并均匀分布润滑剂，周期性释放润滑剂形成二次润滑。KANNAN等^［17］分析了MQL条件下微织构刀具在DMMs切削中的摩擦和磨损行为，指出两者的结合能有效降低摩擦因数，延长刀具寿命。以上研究表明，MQL与微织构刀具在加工AISI 630、AISI304、7075铝合金等常用材料时具有良好的协同切削效果，目前的研究主要集中于MQL与微织构刀具协同加工方法或切削加工性的探索和总结，缺少面向典型难加工材料，特别是DMMs高性能制造的MQL与微织构刀具协同切削加工基本原理、切削性能方面的总结。

本文围绕刀具表面微结构与微量润滑高效协同技术，从DMMs高强度、高硬度加工面临的刀具磨损、切削力不稳定以及表面质量不高等挑战出发，阐述了微织构刀具与微量润滑技术的互补优势，并系统回顾了两者在降低摩擦因数、优化切屑排出、冷却润滑和延长刀具寿命等方面的研究进展，深入剖析了其在摩擦润滑、切削力与温度调控、切屑形成及减摩机制等多维度的协同机理。通过对比不同工况下的切削性能，总结了当前定量模型、材料适应性及工业应用验证中的不足，展望了基于多场耦合仿真、数字孪生与标准化体系构建的刀具表面微结构与微量润滑高效协同技术。

1 DMMs材料特性及其加工挑战

典型难加工金属材料主要涵盖钛合金、超高强度钢、镁合金以及金属基复合材料等。除金属基复合材料（metal matrix composites，MMCs）外，其他DMMs的核心构成是以金属基体为基础，部分通过合金化元素（如钛合金中的Al、V）或微观组织调控，实现性能强化^［18］。其核心特性为：高温强度高、热导率小、加工硬化效应显著、化学活性高且高温下易与刀具材料产生氧化反应与黏结磨损^［19］。DMMs中MMCs材料则是通过增强相来强化，MMCs主要由轻质金属基体（铝、镁、钛等）与增强相（陶瓷纤维、碳纤维、碳化物或氧化物等）组成。根据基体金属的不同，MMCs可以进一步细分为铝基、镁基、钛基和镍基等复合材料^［20-22］。与单一金属材料相比，MMCs展现出优异的物理力学性能，包括可控制的密度、高比强度、可调节的热膨胀系数，以及显著提高的强度、硬度和耐磨性^［23］。

DMMs的性能特点及其与传统材料性能的对比分别如图1和表1所示，这些优异性能使DMMs在兼顾高力学性能与轻量化需求的领域具有广泛应用前景，有助于减轻结构自重、提高运载效率并降低能耗。同时，DMMs展现出的卓越性能同样给零件的机械加工带来了挑战。

在DMMs传统车削、铣削、钻削与磨削等加工中，刀具需要同时克服基体剪切阻力与增强相断裂阻力，常规刀具（如硬质合金）磨损严重，而PCD/CBN刀具虽耐磨却因硬脆而导致切削力和温度大幅升高^［23］。DMMs因高硬度高温下刀具-工件界面化学反应（如钛合金与刀具材料黏结）和加工硬化层而导致切削力波动、刀具磨损加剧、表面质量下降^［24-29］。针对这一难题，必须选择更耐磨的刀具材料并采用先进辅助技术，从而为实现高品质制造提供选择方案和途径，为推动DMMs在航空航天、汽车和电子等关键领域的应用与发展提供帮助。

2 微织构刀具类型与切削特性

微织构刀具技术是一种新兴技术，通过在刀具表面制备微米级纹理结构来改善切削性能^［5-7］。微织构刀具技术是指利用电火花加工^［30］、激光加工^［31］等先进技术，在刀具表面制造出具有特定大小、形状和规则的微小结构。图2所示为常见的4类典型微织构，即凹坑阵列微织构^［32］、孔洞微织构^［33］、沟槽阵列微织构^［34］和仿生微织构^［16］等。这些微结构的加工主要通过电火花加工、激光加工以及机械能加工来实现，如图3所示^［35-36］。微织构刀具虽然问世时间不长，但已在多个领域得到广泛应用，如内燃机缸套-活塞环等^［37］。在加工领域，关于微织构刀具设计、制备与应用的研究日益增多，众多研究致力于在刀具前刀面加工出微米级的特定尺寸和形状的结构。

已有研究表明，微织构刀具可显著改善切削性能：一方面降低摩擦因数，从而减小切削力；另一方面有效抑制磨损并延长刀具寿命，同时通过表面纹理引导切屑流动，抑制黏附现象^［38］。微织构刀具可分为两类：①纹理型微织构，包括直线型、曲线型、网格型和螺旋型等；②结构型微织构，如凹槽、凸台、孔洞和金字塔形状等三维结构^{［35，39］}。许多学者对微织构刀具进行了深入研究。KHANI等^［40］研究发现，随着微织构宽度的增大，切削力先减小后增大，表明存在一个最佳的微织构宽度使切削力达到最小，但这一最优宽度仍需进一步优化以确定微织构切削工件材料的最佳尺寸。PRADHAN等^［41］利用加权聚合和积评估法（weighted aggregated sum product assessment， WASPAS）确定了输出响应复合效应下的最佳切削参数，揭示了织构尺寸是影响切削加工性能的最重要参数，并识别出加工过程中最重要的参数。表2^{［3，42-43］}总结了典型微织构刀具的最佳织构尺寸参数区间。

3 微量润滑与微织构协同切削作用机制

3.1 传统条件下微织构刀具切削的润滑与热控局限

干切削时刀具-工件界面几乎无冷却、无润滑介质，摩擦因数和切削温度显著升高，碎屑易堵塞微织构，导致刀尖黏结、磨粒磨损、氧化磨损以及热裂纹等的快速演进，严重制约刀具寿命与已加工表面质量^［44］；在传统浇注式冷却下，虽然冷却液可带走大量切削热并润滑界面，但大量使用切削液不仅增加切削成本，更会造成环境污染，与绿色制造理念背道而驰^［45］。此外，浇注式冷却会削弱微织构刀具表面微沟槽的润滑剂储存与输送作用，使微织构在断屑与均布润滑方面的优势难以发挥，从而无法进一步优化摩擦热场与切屑断裂行为^［46］。

3.2 微量润滑与微织构刀具的界面润滑与热控增强机制

MQL技术通过将压缩空气与极少量的润滑剂混合雾化成纳米油雾，并将其喷射到加工区域，来实现有效的润滑，如图4所示^［47］。其中，{\sigma }_{\mathrm{n}}为法向应力；{\tau }_{\mathrm{0}}为黏结区的剪切应力；\mu为摩擦因数；L_{\mathrm{1}}\mathrm{、}{L}_{\mathrm{2}}为黏结区与滑动区长度。MQL技术替代了传统的浇注式冷却润滑方式，大幅减少了润滑剂的使用，更加符合绿色环保的理念^［48］。MQL技术通过将纳米油雾精确地喷入加工区域，可有效降低刀具与切屑接触面的摩擦因数，从而减小切削力，并抑制切削温度，显著延长刀具的使用寿命^［11］。然而，对于物理力学性能更优的工件材料加工，普通MQL在高速铣削时，铣刀高速旋转会影响周围的气流，在喷射微量润滑剂时会产生类似于“水龙卷”的效应，将润滑剂吸附在铣刀周围，导致润滑剂难以进入切削区域，从而影响润滑和冷却效果，甚至可能导致油膜破裂^［20］。

对此，考虑到微织构沟槽可使切削区域均匀分布润滑油，更好地保持切削液，从而提高润滑剂在切削区的使用效率，国内外学者尝试结合MQL与微织构刀具技术，探索其在切削过程中的协同效应。图5为不同切削条件下MQL辅助微织构刀具切削原理示意图^［49］。表3^{［32，34，38，40-41，46，48-59］}列出了3种技术相比干切削的优势。

研究结果表明，微织构作为微润滑剂储槽，MQL辅助微织构刀具可持续释放润滑油，形成稳定的微润滑膜，显著降低刀具-切屑界面的摩擦因数，减小切削力^［60］。由于摩擦因数与温度双重降低，微织构刀具在MQL下的磨损速率显著减缓，刀具寿命延长。两种技术可实现优势互补，实现DMMs的高效高质加工。

3.3 微量润滑与微织构协同作用下DMMs切削机理

均质DMMs切削过程多呈现塑性主导的剪切去除特征，通常伴随明显的力-热耦合效应和严重的黏结磨损，切屑生成多通过绝热剪切带（adiabatic shear band， ASB）的形成实现塑性-熔融态断裂，其形态多为锯齿状或波纹状^［23］。在微观破坏机制层面，刀具-工件界面经历基体强烈的塑性流动、界面黏附区的剪切分离以及刀尖的局部塑性软化，同时高温高压诱发的黏附/剥落循环导致刀具表面产生黏附层与局部划痕^［28］。

MMCs切削机理区别于均质难加工以及传统金属材料，呈现出明显的多尺度、多机制协同特征，其核心特点源于材料本身的两相异质性与强界面效应^［61-62］。

在宏观去除行为层面，MMCs切削过程可划分为塑性主导与脆性主导两大类。HAN等^［63］研究发现，基体相通常发生塑性变形，而增强相主要经历半脆性或脆性断裂。去除机理受增强相体积分数影响显著，当体积分数低于50%时，材料总体呈塑性去除特征，反之，材料整体表现出脆性去除行为^［64］。此时，钢、铝、钛等金属基体仅作为黏结相存在，主要起颗粒连接作用。在微观破坏机制层面，切削过程涉及基体塑性流动、颗粒压裂、界面脱黏及二次犁削等多种破坏模式^［65］。增强相与刀具之间频繁发生高频冲击，形成磨粒磨损^［66］。在切屑形成与表面损伤机制方面，颗粒断裂、基体剪切带滑移与界面破坏共同决定切屑形貌、表面粗糙度及加工表层完整性^［67］。典型现象包括颗粒压入、脱落、基体撕裂及界面脱黏等^［68］，这些行为是区别于单相难加工金属材料切削机理的重要特征。

为了解决传统刀具在DMMs切削中所面临的高切削力与高温度问题，研究人员在微量润滑以及微织构技术的基础上开发了微量润滑辅助微织构刀具技术，并揭示其切削机理。MQL通过在刀-屑界面输送微量润滑剂，结合微织构来形成“储存-输送-截流”网络^［69］，不仅大幅减缓了工件与刀具的黏着磨损，还在边界润滑状态下有效控制了切削区摩擦热生成^［70］。润滑剂渗入工件-刀具界面与基体-颗粒界面，既促进剪切带内切屑的连续断裂及脆性颗粒的断裂，又能抑制界面脱黏现象，使切屑更短且更光滑，减少二次犁削与表面拉伤^［71］。同时，微织构截留破碎切屑以及颗粒并维持润滑供给，协同抑制黏着、磨粒及氧化磨损，显著延长刀具寿命^［72］。

当前，关于微量润滑辅助微织构刀具加工MMCs的研究很少，本文主要针对微量润滑与微织构协同机制对切削性能的提高进行综述，更多的是关于均质难加工材料的研究。笔者认为MQL辅助微织构切削在MMCs领域大有可为，故仍梳理单独研究MQL或微织构刀具切削MMCs的文献。

4 微量润滑与微织构协同作用对DMMs切削性能的影响

基于上述对微织构刀具类型、切削特性及MQL与微织构刀具协同作用机制的分析可知：微织构通过几何减摩、切屑引导及构建储润空间为切削性能优化奠定坚实基础^［52-53］，MQL通过精准供油与局部冷却，弥补微织构干切削时冷却不足、易堵塞的缺陷^{［47，49，60］}，两者形成的“储油-释油-润滑-冷却”闭环可从摩擦学、热力学层面协同调控切削过程^［53］。这种协同机制直接作用于切削力、切削温度、切屑形态及刀具磨损等核心指标。

4.1 减摩耐磨效果

程锐等^［54］在MQL辅助下进行了钛合金凹坑阵列织构车削试验，发现合理增大织构面积可有效提高凹坑储存黏结物的能力，降低切屑与已加工表面的摩擦概率。JIANG等^［55］发现微织构可增强空化现象，单对称取向的织构阵列对提高油膜承载能力的效果最好，当织构倾角为26.6°时，承载性能最好。非对称取向织构阵列的摩擦因数比非织构样本的摩擦因数低29.4%，承载力F_y通过压力积分定义：

F_y=\iint p(x,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}z

其中，p(x,z)为接触面的局部油膜压力。为比较不同工况下的性能，引入量纲一承载能力{\overline{F}}_y：

{\overline{F}}_y=F_y/(p_{\mathrm{0}}{S}_{\mathrm{d}})

式中：p_{\mathrm{0}}为大气压；S_{\mathrm{d}}为承载面积。

油膜整体承载能力是各局部压力在接触面积上的积分，而局部压力分布则直接受流体动力学条件和表面微织构结构影响。空化现象发生时，局部液压降到低于液体中气体饱和压力，润滑剂中气体析出形成气泡，从而在织构区域内形成空化区域。此时，空化区内压力急剧下降，由于织构的几何作用和区域空化，流体在空化区出现压力恢复和局部加强。尽管空化区压力较低，但紧邻区域流线汇聚和速度变化会使流体产生一个较高的压力峰值，使得总承载力增加。切向摩擦力F_x定义为

F_x=\iint {\tau }^{\mathrm{\text{'}}}(x,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}z

其中，{\tau }^{\mathrm{\text{'}}}(x,z)为局部剪切应力。则摩擦因数

f=F_x/F_y

在润滑油膜中，剪切力主要由流体的黏性和速度梯度决定，可表示为

\tau =\eta \partial u/\partial y

式中：\eta为润滑剂的动态黏度；\partial u/\partial y为沿法向的速度梯度。

空化发生时，气泡会迅速充满黏性更高的液体区域，使得局部润滑剂从液体向气体转变。由于气体的黏度远低于液体，故气泡区域的局部黏性阻力大大降低，从而减小局部剪切应力。正常情况下，油膜中较为稳定的剪切层结构会积累较大剪切应力，而气泡会破坏这种层状速度梯度，使得原本集中于某些区域的高剪切速率被分散和弱化，从而使整体摩擦力下降，即F_y增大，F_x减小，使得摩擦因数减小。

在高压流体润滑下，织构能提供额外的动压力，增强刀具的载荷能力^［56］。MQL下润滑机理如图6所示^［73］，MQL与微织构刀具协同作用润滑机理如图7所示^［72］。相较于图6，图7中的织构可均布润滑剂，提高润滑剂的储存量，延长润滑剂的保留时间，形成均匀的润滑油膜，降低刀具与切屑、工件间的摩擦因数^［57-58］。ELLERSIEK等^［59］在切削钛合金和高强度钢时发现，润滑流体在切屑上产生的射流力和机械冲击可有效减小接触长度，从而减轻切屑与前刀面的摩擦。刘朝伟等^［72］在研究微量润滑辅助微织构刀具切削钛合金时发现，一定压力下润滑剂可渗入刀-屑界面接触区域形成润滑油膜，织构中的润滑剂可周期性释放到接触表面，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而达到减摩目的，如图7所示。

相较于干切削与单独使用MQL或微织构刀具技术，MQL辅助微织构刀具技术通过增大织构储油面积、优化织构取向以诱发空化-动压润滑耦合，并结合低黏度气泡相变破坏层状速度梯度，可以显著提高油膜承载能力和减摩效率。该技术能够在DMMs高效切削中实现摩擦热与界面剪切应力的多维度抑制。

4.2 切削力与切削温度调控

由于织构的引入，微织构刀具的切削力和等效摩擦因数均低于普通刀具^［6］。凹坑、沟槽、复合、仿生、孔洞以及凸台织构都通过改变前（后）刀面形状而达到减摩目的，因此可用统一理论框架来阐述减摩原理。XU等^［39］、KANG等^［74］、SU等^［75］在理论上详细阐述了接触面积减小机制。微织构刀具切削过程中刀-屑接触示意图^［76］见图8。其中，t为切削厚度；t_{\mathrm{c}}为切屑厚度；F_{\mathrm{c}}\mathrm{、}{F}_{\mathrm{f}}\mathrm{、}{F}_{\mathrm{s}}分别为主切削力、摩擦力以及背切削力；F_{\mathrm{r}}为切削合力；F_{\mathrm{n}}\mathrm{、}{F}_{\mathrm{t}}为法向和切向力；\beta为摩擦角；a为剪切角；l_{\mathrm{e}}\mathrm{、}{l}_{\mathrm{w}}\mathrm{、}{l}_{\mathrm{f}-\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}分别为名义接触长度、织构宽度以及切削刃总长；h_{\mathrm{t}}为织构深度。

工具和工件之间的实际接触长度为

L=L_{\mathrm{f}}-n{L}_{\mathrm{w}}

式中：L_{\mathrm{f}}实际切割长度；n微织构的数量。

因此，微织构刀具与工件实际接触面积为

A=WL

其中，W切削宽度。由接触面积公式可知，相较于无织构刀具，微织构刀具前刀面与切屑的接触面积会减小。摩擦力大小为

F_f=Aτ_b

式中：{\tau }_{\mathrm{b}}为接触点剪切强度。

相同剪切强度下织构刀具接触面积小，所产生摩擦力会相应减小。主切削力和进给力计算公式如下：

F_{\mathrm{c}}=F_{\mathrm{r}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\beta -\alpha )=\frac{A{\tau }_{\mathrm{0}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\beta -\alpha )}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }

F_y=F_{\mathrm{r}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\beta -\alpha )=\frac{A{\tau }_{\mathrm{0}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\beta -\alpha )}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }

式中：α为刀具前角。

由计算公式可知，随着实际接触面积减小，主切削力和进给力均会减小，最终表现切削力减小。

刘朝伟等^［72］利用ABAQUS软件对不同工况下的刀具切削力进行仿真分析发现，在织构条件下最大等效应力值为1.08 GPa，平均应力值为0.605 GPa，与无织构相比，最大等效应力值降低26.4%，平均应力值降低22.3%，织构的存在使应力集中区域上移且区域面积减小，应力集中现象得到明显缓解，如图9所示^［72］。图10^［7］显示织构几何结构可以使得润滑剂在刀具表面均匀分布，实现刀具与工件及切屑间摩擦均匀化^［77］，最终体现在切削力更加均匀、局部应力集中减少、切削力峰值降低和刀具磨损更加均匀。GE等^［7］在研究车削模具钢时进一步发现，MQL下织构有助于在较长时间内降低工作区域的摩擦因数，持续减小切削力，并随着接触面积减小，切削力不断减小。从图10中可以观察到，槽宽越大，切削力越小，且切削力的波动越加稳定。有微织构的切削力相较于无微织构的情况更为稳定，这进一步证实微织构可有效增长润滑剂的储存时间。同时织构几何结构能够容纳碎屑和脱落的硬质颗粒，抑制二次犁削和切削力波动，从而提高切削过程的稳定性，使得表面加工质量更高^［7］。

微织构刀具通过减小实际接触面积并在凹坑、沟槽等织构内均匀分布润滑剂，结合MQL形成的持续油雾润滑膜，不仅使切削力和等效摩擦因数显著低于普通刀具，还有效抑制了切削力峰值及波动，提高了切削过程的稳定性与表面质量。这一多层次、多机制的协同减摩框架验证了MQL辅助微织构刀具在DMMs高效切削中的技术优势。

针对微织构刀具切削过程中的切削热，LIU等^［78］在切削铝合金时发现，由于摩擦减少，织构刀具切削消耗的能量降低，因摩擦而产生的热量减少。MQL可提高切削区域的冷却和润滑效果。因此，两者协同作用可从源头上抑制热量产生，并增强冷却效果，从而有效降低切削温度。SHAN等^［79］参考文献［80］和文献［7］，并考虑刀具后角的影响，提出了一种基于移动热源法的改进分析模型，并用于预测切削温度分布。该模型通过计算剪切面和摩擦热源在工件、切屑和刀具中的温升来预测温度分布，如图11所示。具体分析如下。

剪切面热源的热强度为

q_{\mathrm{s}}=F_{\mathrm{s}}{v}_{\mathrm{s}}/(a_{\mathrm{p}}L)

式中：q_{\mathrm{s}}为剪切面上单位面积产生的热量；F_{\mathrm{s}}为剪切力；v_{\mathrm{s}}为剪切速度；a_{\mathrm{p}}为背吃刀量。

工件侧温度分布表达式为

T_work-shear=\frac{q_{\mathrm{s}}}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{k}_{\mathrm{w}}}{\int }_{\mathrm{0}}^L\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-\frac{(x-l_i\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi )v}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{w}}})·

[K_{\mathrm{0}}(\frac{v{R}_{\mathrm{1}}}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{w}}})+K_{\mathrm{0}}(\frac{v{R}_{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{w}}})]\mathrm{d}{l}_i

切屑侧温升表达式为

T_{chip-friction}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{\pi }{k}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}}{\int }_{\mathrm{0}}^{L_c}B(l_i)q_f(l_i)exp(-\frac{(x\text{'}-l_i)v_c}{\mathrm{2}{a}_{ch}})·

[K_{\mathrm{0}}(\frac{v_{\mathrm{c}}{R}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{\text{'}}}}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}})+K_{\mathrm{0}}(\frac{v_{\mathrm{c}}{R}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{\text{'}}}}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}})]\mathrm{d}{l}_i

刀具侧温升表达式为

T_{tool-friction}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{k}_{\mathrm{t}}}{\int }_{\mathrm{0}}^{L_{\mathrm{c}}}(\mathrm{1}-B(x_i))q_{\mathrm{f}}(x_i)\mathrm{d}{x}_i{\int }_{-\frac{a_{\mathrm{p}}}{\mathrm{2}}}^{\frac{a_{\mathrm{p}}}{\mathrm{2}}}(\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}\mathrm{\text{'}}}}+\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{2}}^{\mathrm{\text{'}}\mathrm{\text{'}}}})\mathrm{d}{y}_i

式中：v为剪切区的滑移速度；v_c为切削速度；l_i 为积分路径的微元长度；q_{\mathrm{f}}(x)为摩擦热强度；k_{\mathrm{w}}\mathrm{、}{k}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}\mathrm{、}{k}_{\mathrm{t}}分别为工件、切屑和刀具的热导率；a_{\mathrm{w}}\mathrm{、}{a}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}分别为工件和切屑的热扩散系数；ϕ为剪切角；B(x)为热分配比，是摩擦热在刀具和切屑之间的分配比例；L_{\mathrm{c}}为刀-屑接触长度；K_{\mathrm{0}}(x)为零阶修正Bessel函数，用于积分计算热源引起的温度分布；R_{\mathrm{1}}\mathrm{、}{R}_{\mathrm{2}}\mathrm{、}{R}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{\text{'}}}\mathrm{、}{R}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{\text{'}}}\mathrm{、}{R}_{\mathrm{1}}^{″}\mathrm{、}{R}_{\mathrm{2}}^{″}为热源点到观察点的距离。

SHAN等^［79］通过实验验证表明，随着进给量和切削速度的变化，模型能够准确预测切削温度，最大误差在0.49%到9.00%之间。

MQL通过在刀-屑接触面形成薄层润滑油雾，可有效减小摩擦力和热强度q_{\mathrm{f}}(x)，并调节热分配比B(x)，使更多热量由切屑带走。织构通过增大刀具比表面积进一步增强冷却液渗透和热交换，提高散热效率，并改变热传导路径，促使热量更快散失^［81］。协同作用可抑制刀具温升，延缓刀具磨损。

刘朝伟等^［72］发现在微量润滑与微织构刀具协同作用下切削温度降幅达39.5%。不同切削条件下的切削温度如图12所示^［82］，可以看出，协同作用的切削温度低于干切削、单独使用MQL或微织构刀具时的温度，进一步证实了SHAN等^［79］的理论模型。戚宝运等^［83］发现织构布局会对切削温度产生影响，平行于切削刃沟槽可使润滑剂顺畅流动并覆盖整个刀-屑界面，提供更好的冷却效果。垂直主切削刃沟槽会阻碍润滑剂的流动，冷却效果相对较差，最终平行微沟槽的冷却效果优于垂直沟槽的冷却效果^［84］。

综上，相较于干切削与单独使用MQL或微织构刀具技术，MQL与微织构刀具的协同作用通过减小实际接触面积、均匀分布润滑剂并增大比表面积，可以有效降低摩擦因数和切削力峰值，同时通过调节热分配比与增强冷却效能将更多切削热带离刀-屑界面，显著抑制了切削温度。这一多维度、系统化的机理研究不仅验证了MQL与微织构在DMMs切削中的优势互补，也为MQL辅助微织构刀具切削DMMs提供了理论基础和发展方向。

4.3 切屑形态优化

MQL与微织构刀具协同作用可促进切屑的卷曲和断裂，形成更小、更短的切屑，并且织构可有效引导切屑流动，减少切屑与前刀面之间的摩擦，使切屑顺畅流出^［85］。SUGIHARA等^［86］在切削铝时发现，在刀-屑界面处的剧烈摩擦会导致非定常切屑流动的冗余变形，具体表现为主剪切区出现大量塑性变形，织构通过减少刀-屑界面摩擦，将切屑从分段流动转变为更稳定的均匀流动，可显著减小法向力和切削能耗。在MQL下使用织构刀具时，由于摩擦减小，刀-工件接触区的温度较低，材料剪切变形更集中，切屑在第一变形区内产生均匀、稳定的塑性变形，更容易从工件材料中分离，通常形成连续切屑^［87］。

AGARI等^［88］在切削不锈钢时发现，在切削加工时使用微织构刀具更容易形成连续切屑，而不是间断或烧焦的切屑。MERCHANT^［89］在研究金属切削力时给出具体模型，据图13^［90］分析其表达式为

\varphi =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }{\mathrm{1}-(t_{\mathrm{u}}/t_{\mathrm{c}})\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha })

式中：t_{\mathrm{u}}为未变形切屑厚度；t_{\mathrm{c}}为切屑厚度。

剪切应力\tau和剪切应变\gamma分别表示为

\tau =F_{\mathrm{s}}/A_{\mathrm{s}}

\gamma =\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\varphi +\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\varphi -\alpha )

MQL通过减少刀-屑界面的摩擦，减小摩擦角，进而增大剪切角，促进形成更薄且延展性更高的切屑^［90］。

上文所述织构可减小切削力和剪切应变，从而降低材料的塑性变形程度，使切屑表面更加光滑^［88-89］。润滑剂的润滑作用、织构刀具自润滑以及织构延长润滑剂吸附时间的协同作用极大减少了切屑与刀具间的摩擦，抑制了力热耦合作用，避免切屑在高温高压下产生积屑瘤^［87］。不同切削条件下产生的切屑如图14所示^［91］，可以看出，织构的断屑效果比MQL好，两者协同下的断屑效果最好。织构的加入可视为在前刀面引入微刃，切屑与织构接触时产生应力集中，达到一定阈值时会在切屑最薄弱处产生裂纹并扩展，从而促进断屑^［92］。协同作用下织构在切削时可捕获并蓄积MQL喷入的润滑剂，在刀-屑界面形成持续、低剪切强度的润滑膜，从而显著降低摩擦因数和黏附倾向，有助于切屑在高应力区域发生脆性断裂^［91］。

综上，微织构刀具与MQL协同作用不仅可通过减少刀-屑界面摩擦、降低切削温度和诱发应力集中来促进切屑的卷曲与断裂，而且借助持续释放的润滑膜与微刃效应，可有效改善切屑的形态与流动特性。

4.4 刀具磨损的抑制

4.4.1 传统条件下刀具磨损形式

干切削时，由于缺乏润滑剂，普通刀具在切削时产生的切屑和磨损颗粒不能及时释放，停留在摩擦副表面，刀具与工件之间的摩擦因数较高，导致工件表面产生二次磨损，刀具磨损加剧，表现为黏结磨损、磨粒磨损和氧化磨损^［93］，从而导致切削力的波动，切削质量下降^［81］。

1）黏结磨损。在加工DMMs时，刀具与工件接触产生高温和剧烈摩擦，切屑易黏附在刀具前刀面形成积屑瘤，增加刀具与工件接触面积，增大切削力^［94］。ZHANG等^［95］的实验表明，在干切削时，刀具表面积屑瘤的高度可达0.2~0.3 mm，这会加剧切削力波动，导致刀具产生黏结磨损。这种磨损在前刀面上最为显著，且随着切削力的增大，刀具表面温度的升高，在力热耦合下刀具黏结磨损会加剧。

2）磨粒磨损。干切削时，工件中硬质颗粒与刀具表面直接接触，导致刀具产生磨粒磨损。由于缺乏润滑剂，磨粒在刀具表面流动时产生磨削效应，会划伤已加工表面、增大表面残余应力、降低加工精度。实验结果表明，磨粒磨损占干切削刀具总磨损的30%~40%^［7］，尤其在高硬度的DMMs加工中，磨粒磨损对刀具寿命影响更为显著。

3）氧化磨损。干切削时切削区温度升高，刀具表面易发生氧化。表面氧化层会降低表面硬度，使低硬度刀具更容易发生塑性变形，从而加剧刀具磨损^［69］。CHEN等^［96］研究发现，切削钛基合金和镍基合金等难加工材料时氧化磨损会加剧刀具失效，显著缩短刀具寿命，尤其在高温下刀具寿命缩短25%~30%。

4.4.2 协同作用下的刀具磨损抑制机制

MQL技术可在刀-屑界面形成稳定润滑油膜，不仅能显著降低摩擦因数与摩擦热，有效抑制黏结磨损，还能通过良好的冷却效果降低切削温度，进而抑制刀具氧化磨损^［48］；此外，润滑油膜可隔绝硬质颗粒冲击，缓解磨粒磨损；最终在MQL下，切削过程中温度场更稳定，能显著减轻热循环效应引发的刀具热裂纹问题，最终延长刀具使用寿命^［45］。

织构通过降低刀具与工件静摩擦因数来减少摩擦热产生，从而缓解因高温引起的热磨损和热疲劳现象^［7］；同时通过减小刀-屑界面接触面积来防止切屑黏附在刀具表面导致刀具磨损，从而提高表面抗黏附性；此外织构可优化热传导路径，使热量更快地从切削区域散发，从而降低切削温度，减少热疲劳引起的裂纹扩展和刀具失效^［42］。

不同条件下刀具磨损如图15所示^［72］，可以看出，相较于干切削和单独使用MQL或织构，协同作用下刀具磨损面积最小。MQL可形成润滑油膜，减小刀具与工件间的摩擦力，织构则进一步优化润滑剂的分布和储存，从而大幅减少刀具表面磨损^［72］。HOU等^［97］通过研究发现，前刀面织构可以存储磨损碎屑和润滑液，在往复摩擦过程中会不断补充润滑剂，从而实现二次润滑。刀具磨损机理如图16所示^［97］，可知，由于润滑剂具有较高的动能，故一部分碎屑会被润滑剂带走，另一部分进入织构内部形成“堤坝”阻碍液体的正常流动。根据流体力学公式，可得

P_{\mathrm{1}}-P_{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\rho (v_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}})+\rho g(h_{\mathrm{2}}-h_{\mathrm{1}})

式中：P_{\mathrm{1}}-P_{\mathrm{2}}为形成的负压差；\rho为液体密度；v_{\mathrm{1}}\mathrm{、}{v}_{\mathrm{2}}分别为液体回流前后的速度；h_{\mathrm{2}}\mathrm{、}{h}_{\mathrm{1}}分别为液体流动高度。

由于回流液体在顺流液体上，且回流速度小于顺流速度，导致回流和顺流产生压差，故微织构上部表面与底部之间的压力差会增大液体的压力，从而产生液体动水压力润滑效果，即在刀-屑接触表面形成一层动压润滑膜。动压润滑膜的承载能力比单独使用MQL形成的润滑油膜更高，从而更抗摩擦和磨损^［97］。

1）对黏结磨损的抑制。MQL在刀具表面形成一层持续润滑膜，显著抑制刀具与切屑间的黏结，减少积屑瘤形成概率，较无MQL时积屑瘤更少^［93］。HOU等^［97］发现，对织构表面进行氟化处理时，试样表现出疏水性，可有效减轻切屑在刀尖表面的黏附，从而抑制积屑瘤的产生。织构可减小刀具与工件接触面积，与MQL协同作用时当量摩擦因数更低^［98］，进一步抑制黏结磨损。MUSAVI等^［15］的实验表明，在MQL与微织构刀具协同作用下，黏结磨损显著减少，刀具寿命显著延长。

2）对磨粒磨损的抑制。微织构刀具微沟槽和凹坑结构能捕捉切削过程中脱落的磨粒，防止其在刀具与工件表面间自由流动，从而抑制积屑瘤的形成，避免因积屑瘤和硬质颗粒剥落而造成磨粒磨损^［99］。MQL通过高压液体及时清除碎屑，并在接触表面形成润滑油膜，为刀具表面提供保护。微织构与MQL的协同作用可有效缓解磨粒磨损问题，协同作用下刀具磨粒磨损减少30%，显著延长刀具使用寿命^［99］。

3）对氧化磨损的抑制。 MQL因其出色的冷却效果，能显著降低切削区的温度，抑制刀具表面的氧化反应^［45］，尤其在钛合金加工中，可有效减轻工件的热损伤。织构刀具通过其特有的结构特征增大散热面积，进一步提高散热效率，有效抑制氧化磨损^［81］。程锐等^［54］的实验结果表明，在MQL与微织构刀具的协同作用下，氧化磨损减少40%~50%，刀具的整体寿命提高了25%~40%。

不同条件下刀具磨损情况如图17^［82］和图18^［100］所示，可知，MQL与微织构刀具的协同作用下，刀具磨损降至最小，有效缓解磨损问题，尤其是黏结磨损和氧化磨损得到显著改善，从而大幅延长刀具使用寿命。在刀具磨损预测领域，学者们也开展了大量的研究工作。如MUSAVI等^［15］建立了用于预测在MQL条件下碳化钨微织构刀具磨损和表面粗糙度的模型。

综上所述，微织构刀具与MQL的协同作用通过构建稳定润滑膜、优化力-热传导路径与微刃效应，有效抑制了黏结磨损、磨粒磨损与氧化磨损，并为DMMs切削过程提供了更加均衡的切屑形成与排出环境。

5 总结

1）微织构刀具通过减小刀-屑接触面积，引导切屑流动，并在刀具表面构建微米级储槽，来降低摩擦因数及局部应力集中，从而有效减小切削力和切削热。

2）在MQL条件下，微织构表面可形成稳定的纳米油雾润滑膜，织构沟槽不断释放润滑剂，显著抑制黏结磨损与磨粒磨损，氧化磨损可减少40%~50%，刀具整体寿命延长25%~40%。

3）协同加工下的切屑形成更为连续且尺寸更短。织构引导切屑并优化流出路径，MQL减小摩擦角并增大剪切角，两者共同降低切削能耗，避免积屑瘤生成，提高加工表面质量。

4）当前研究尚缺乏基于热力学与摩擦学行为的定量协同理论模型，且对不同材料，尤其是MMCs的适应性和工业化条件下的长期稳定性验证仍需进一步加强。

6 展望

为全面推动微织构与微量润滑协同技术的智能化与产业化，未来应构建涵盖微观机理、制造工艺、应用拓展与标准规范的创新体系。具体可从以下5个方面展开。

1）进行多场耦合机理分析与原位表征。通过开展原位观测，深入研究MQL辅助微织构切削区的力-热-化学耦合作用机制。探索构建从纳米到宏观尺度的多场耦合数值仿真框架，为精准设计织构形貌和润滑参数提供支撑。

2）探索新型微织构制造工艺。开发超精密激光微纳制造、纳米压印、等离子体刻蚀等微织构加工技术，实现高性价比。研究微织构可再生/表面修复技术，延长刀具使用寿命，降低维护成本，进而推动商业应用。

3）建立数字孪生与闭环自适应切削平台。基于工艺大数据与机器学习，构建基于数字孪生的MQL辅助微织构刀具切削仿真与优化闭环，实时预测切削力、温度以及刀具磨损。研发具备在线调整功能的智能切削系统，实现对工艺参数的动态优化。

4）研究跨材料类比与复杂薄壁件/结构件切削适用性。拓展微织构与微量润滑协同技术在极端材料切削中的应用，尤其是加工MMCs的应用研究，评估适用策略。讨论微织构刀具在复杂曲面、深腔、微孔等高难度加工中工艺适配与优化。

5）搭建标准评价体系。推动微织构几何参数、MQL的流量和喷入角度等工业标准制定，形成可量产、可互换的工艺规范。依托航空航天等重点领域开展大规模示范工程，验证工艺的稳定性、可靠性以及效益。

参考文献

[1] 张晓宇， 李纪龙， 慈世伟， 等. 激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基复合材料研究进展［J］. 热喷涂技术， 2024， 16（1）： 18-34.

[2] ZHANG Xiaoyu， LI Jilong， Shiwei CI， et al. Research Progress of Laser Cladding Ceramic Particle Reinforced Metal Matrix Composites［J］. Thermal Spray Technology， 2024， 16（1）： 18-34.

[3] HAO Zhaopeng， XU Yongshuo， FAN Yihang， et al. Overview of Research on Machining Mechanism of Aluminum-based Silicon Carbide Composites （SiCp/Al）［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2024， 133（7）： 3133-3149.

[4] KISHAWY H A， SALEM A， HEGAB H， et al. Micro-textured Cutting Tools： Phenomenological Analysis and Design Recommendations［J］. CIRP Annals， 2021， 70（1）： 65-68.

[5] PALANISAMY D， JAYASURYA S， MANIKANDAN N， et al. Performance Evaluation of Textured Inserts with MQL in Machining of pH Stainless Steel［J］. Materials Today： Proceedings， 2021， 39： 279-284.

[6] GAJRANI K K， PAVAN KUMAR REDDY R， RAVI SANKAR M. Tribo-mechanical and Surface Morphological Comparison of Untextured， Mechanical Micro-textured （MμT）， and Coated-MμT Cutting Tools during Machining［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2019， 233（1）： 95-111.

[7] FOUATHIYA A， MEZIANI S， SAHLI M， et al. Experimental Investigation of Microtextured Cutting Tool Performance in Titanium Alloy via Turning［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2021， 69： 33-46.

[8] GE Dongliang， DENG Jianxin， DUAN Ran， et al. Effect of Micro-textures on Cutting Fluid Lubrication of Cemented Carbide Tools［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 103（9）： 3887-3899.

[9] SARAF G， SHARMA G， KUMAR R， et al. Experimental and Numerical Investigation on Heat Dissipation Capability of Micro-pillar Textured Cutting Tools［J］. Scientific Reports， 2025， 15： 12282.

[10] RANJAN P， HIREMATH S S. Role of Textured Tool in Improving Machining Performance： a Review［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2019， 43： 47-73.

[11] ROSAS J， LOPES H， GUIMARÃES B， et al. Influence of Micro-textures on Cutting Insert Heat Dissipation［J］. Applied Sciences， 2022， 12（13）： 6583.

[12] ASLANTAS K， HASÇELIK A， ERÇETIN A， et al. Effect of Cutting Conditions on Tool Wear and Wear Mechanism in Micro-milling of Additively Manufactured Titanium Alloy［J］. Tribology International， 2024， 193： 109340.

[13] ALI S， ABDALLAH S， PERVAIZ S. Predicting Cutting Force and Primary Shear Behavior in Micro-textured Tools Assisted Machining of AISI 630： Numerical Modeling and Taguchi Analysis［J］. Micromachines， 2022， 13（1）： 91.

[14] SARAF G， IMAM S， NIRALA C K. Machinability Analysis of Additively Manufactured Ti₆Al₄V Using Micro-pillar Textured Tool under Various Cutting Fluid Strategies［J］. Wear， 2024， 556： 205514.

[15] REDDY V C， VENKAIAH T， NISHKALA T， et al. Effect of Textured Tools in Turning Operation： a Comparison with Conventional Tools［J］. Transactions of the Indian National Academy of Engineering， 2021， 6（3）： 697-708.

[16] MUSAVI S H， SEPEHRIKIA M， DAVOODI B， et al. Performance Analysis of Developed Micro-textured Cutting Tool in Machining Aluminum Alloy 7075-T6： Assessment of Tool Wear and Surface Roughness［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2022， 119（5）： 3343-3362.

[17] WANG Yu， PENG Wenxin， TONG He， et al. A Biomimetic Micro-texture Based on Shark Surface for Tool Wear Reduction and Wettability Change［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2024， 129： 202-214.

[18] KANNAN S， KISHAWY H A. Tribological Aspects of Machining Aluminium Metal Matrix Composites［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2008， 198（1/2/3）： 399-406.

[19] ZHAO Qinyang， SUN Qiaoyan， XIN Shewei， et al. High-strength Titanium Alloys for Aerospace Engineering Applications： a Review on Melting-forging Process［J］. Materials Science and Engineering： A， 2022， 845： 143260.

[20] 罗欢， 张定华， 罗明. 航空难加工材料切削刀具磨损与剩余寿命预测研究进展［J］. 中国机械工程， 2021， 32（22）： 2647-2666.

[21] LUO Huan， ZHANG Dinghua， LUO Ming. Tool Wear and Remaining Useful Life Estimation of Difficult-to-machine Aerospace Alloys： a Review［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（22）： 2647-2666.

[22] WU Shixiong， LIU Guangdong， ZHANG Wenfeng， et al. High-speed Milling of Hardened Steel under Minimal Quantity Lubrication with Liquid Nitrogen［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 95： 351-368.

[23] DADBAKHSH S， MERTENS R， VANMEENSEL K， et al. In Situ Transformations during SLM of an Ultra-strong TiC Reinforced Ti Composite［J］. Scientific Reports， 2020， 10： 10523.

[24] ARORA G S， SAXENA K K， MOHAMMED K A， et al. Manufacturing Techniques for Mg-based Metal Matrix Composite with Different Reinforcements［J］. Crystals， 2022， 12（7）： 945.

[25] YU Chengtao， ZHEN Yu， ZHAO Jing， et al. Microstructures， Mechanical Properties， and Oxidation Behavior of In-situ Ultra-fine Duplex Carbides Reinforced Ni-based Superalloy Composites［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2023， 965： 171321.

[26] SAJI V S. Advances in Plasma Electrolytic Oxidation （PEO） on Metal-matrix Composites （MMCS） – a Critical Review［J］. Chemical Engineering Journal， 2024， 498： 155066.

[27] SAMAL P， VUNDAVILLI P R， MEHER A， et al. Reinforcing Effect of Multi-walled Carbon Nanotubes on Microstructure and Mechanical Behavior of AA5052 Composites Assisted by In-situ TiC Particles［J］. Ceramics International， 2022， 48（6）： 8245-8257.

[28] ESCAICH C， SHI Zhongde， BARON L， et al. Machining of Titanium Metal Matrix Composites： Progress Overview［J］. Materials， 2020， 13（21）：5011.

[29] SARMAH P， GUPTA K， SARMAH P， et al. A Review on the Machinability Enhancement of Metal Matrix Composites by Modern Machining Processes［J］. Micromachines， 2024， 15（8）： 947.

[30] NAGARAJA， ADHIKARI R， YASIR T. An Investigation into Tapping of Al6061/SiC Metal Matrix Composite with Straight Flute HSS Machine Tap［J］. Journal of Mechanical Engineering and Sciences， 2019， 13（1）： 4575-4595.

[31] SEKHAR R， SHARMA D， SHAH P， et al. State of the Art in Metal Matrix Composites Research： a Bibliometric Analysis［J］. Applied System Innovation， 2021， 4（4）：86.

[32] KOSHY P， TOVEY J. Performance of Electrical Discharge Textured Cutting Tools［J］. CIRP Annals， 2011， 60（1）： 153-156.

[33] MAHARANA H S， KUMAR R， NARAYANA MURTY S V S， et al. Surface Micro-texturing of Dual Phase Steel and Copper by Combining Laser Machining and Electrochemical Dissolution［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2019， 273： 116260.

[34] SIVAIAH P， BODICHERLA U. Effect of Surface Texture Tools and Minimum Quantity Lubrication （MQL） on Tool Wear and Surface Roughness in CNC Turning of AISI 52100 Steel［J］. Journal of the Institution of Engineers （India）： Series C， 2020， 101（1）： 85-95.

[35] GE Fengrong， YU Zhanjiang， LI Yiquan， et al. Tool-chip Contact Characteristics during Micro-cutting of Compacted Graphite Iron （CGI） with Textured Tools［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 99： 592-604.

[36] SUGIHARA T， NISHIMOTO Y， ENOMOTO T. Development of a Novel Cubic Boron Nitride Cutting Tool with a Textured Flank Face for High-speed Machining of Inconel 718［J］. Precision Engineering， 2017， 48： 75-82.

[37] NIU Qiulin， WU Meiyi， LIU Lipeng， et al. A Comprehensive Review of Advances in Design of Micro-texture on Tool Surface and Its Cutting Performance［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2024， 135（1）： 1-24.

[38] 郭江， 王兴宇， 赵勇， 等. 微织构刀具制备技术及加工性能研究新进展［J］. 机械工程学报， 2021， 57（13）： 172-200.

[39] GUO Jiang， WANG Xingyu， ZHAO Yong， et al. Recent Progress on Fabrication Technologies and Machining Performance of Textured Cutting Tools［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2021， 57（13）： 172-200.

[40] 李丹， 杨学锋， 王守仁， 等. 工件表面微/纳织构的研究现状与进展［J］. 机械强度， 2020（6）： 1348-1355.

[41] LI Dan， YANG Xuefeng， WANG Shouren， et al. Research Status and Development of Micro/Nano Texture［J］. Journal of Mechanical Strength， 2020（6）： 1348-1355.

[42] LIU Yayun， DENG Jianxin， WU Fengfang， et al. Wear Resistance of Carbide Tools with Textured Flank-face in Dry Cutting of Green Alumina Ceramics［J］. Wear， 2017， 372： 91-103.

[43] XU Tiantian， MA Chunlu， SHI Hu， et al. Effect of Composite Bionic Micro-texture on Cutting Performance of Tools［J］. Lubricants， 2023， 12（1）： 4.

[44] KHANI S， RAZFAR M R， HAGHIGHI S S， et al. Optimization of Microtextured Tools Parameters in Thread Turning Process of Aluminum 7075 Aerospace Alloy［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2020， 35（12）： 1330-1338.

[45] PRADHAN S， INDRANEEL S， SHARMA R， et al. Optimization of Machinability Criteria during Dry Machining of Ti-2 with Micro-groove Cutting Tool Using WASPAS Approach［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 33： 5306-5312.

[46] ZHOU Xiaorong， HE Lin， ZHOU Tao， et al. A Comprehensive Review of Tool Surface Texturing in the Cutting Process［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2022， 123（7）： 2427-2467.

[47] WAKUDA M， YAMAUCHI Y， KANZAKI S， et al. Effect of Surface Texturing on Friction Reduction between Ceramic and Steel Materials under Lubricated Sliding Contact［J］. Wear， 2003， 254（3/4）： 356-363.

[48] ZHENG Guoqiang， LAI Fuqiang， LIN Youxi， et al. Study on the Friction-reducing Mechanisms of Surface Texture Cemented Carbide under Dry Sliding［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2023， 32（5）： 2074-2083.

[49] DUAN Zhenjing， LI Changhe， ZHANG Yanbin， et al. Milling Surface Roughness for 7050 Aluminum Alloy Cavity Influenced by Nozzle Position of Nanofluid Minimum Quantity Lubrication［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（6）： 33-53.

[50] WU Ze， XING Youqiang， CHEN Jiansong， et al. Improving the Performance of Micro-textured Cutting Tools in Dry Milling of Ti-6Al-4V Alloys［J］. Micromachines， 2021， 12（8）：945.

[51] DU Feilong， ZHOU Tao， TIAN Pengfei， et al. Cutting Performance and Cutting Fluid Infiltration Characteristics into Tool-chip Interface during MQL Milling［J］. Measurement， 2024， 225： 113989.

[52] 王晓铭， 刘纪新， 杨敏， 等. 超声赋能仿生微织构刀具微量润滑车削钛合金Ti-6Al-4V力模型与实验验证［J/OL］. 机械工程学报.

[53] WANG Xiaoming， LIU Jixin， YANG Min， et al. Force Model and Experimental Verification of Micro-lubrication Turning Titanium Alloy Ti-6Al-4V with Ultrasonic Energized Bionic Micro-texture Tool［J/OL］. Journal of Mechanical Engineering.

[54] JIA Shilong， HAN Jian， LIU Yude， et al. Comparative Study on Cutting Performance of Different Micro-texturing Milling Tools for Preparing the L-PBF-formed TC4 Workpieces［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 108： 596-609.

[55] 杨简彰， 王成勇， 袁尧辉， 等. 微量润滑复合增效技术及其应用研究进展［J］. 中国机械工程， 2022， 33（5）： 506-528.

[56] YANG Jianzhang， WANG Chengyong， YUAN Yaohui， et al. State-of-the-art on MQL Synergistic Technologies and Their Applications［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（5）： 506-528.

[57] 刘明政， 李长河， 曹华军， 等. 低温微量润滑加工技术研究进展与应用［J］. 中国机械工程， 2022， 33（5）： 529-550.

[58] LIU Mingzheng， LI Changhe， CAO Huajun， et al. Research Progresses and Applications of CMQL Machining Technology［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（5）： 529-550.

[59] LI Suyang， ZHANG Liye， MENG Xianna， et al. Enhancing Cutting Performance of Micro-textured and Coated Tool by Synergistically Improving Coating Adhesion Strength and Debris Capture-storage Capacities［J］. Tribology International， 2025， 202： 110357.

[60] NIKETH S， G L S. Drilling Performance of Micro Textured Tools under Dry， Wet and MQL Condition［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2018， 32： 254-268.

[61] 程锐， 艾兴， 葛栋良， 等. MQL条件下微织构刀具车削钛合金的切削加工性试验分析［J］. 工具技术， 2018， 52（11）： 36-39.

[62] CHENG Rui， AI Xing， GE Dongliang， et al. Experimental Analysis of Machinability of Micro-texture Tool Turning Titanium Alloy under Condition of MQL［J］. Tool Engineering， 2018， 52（11）： 36-39.

[63] JIANG Yuanyuan， YAN Zhijun， ZHANG Shengwei， et al. Research on Cavitation Effect of Microtextured Array［J］. Scientific Reports， 2022， 12： 13455.

[64] ZHANG Yanbin， LI Liuyang， CUI Xin， et al. Lubricant Activity Enhanced Technologies for Sustainable Machining： Mechanisms and Processability［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2025， 38（6）： 103203.

[65] KUMAR MISHRA S， GHOSH S， ARAVINDAN S. Machining Performance Evaluation of Ti₆Al₄V Alloy with Laser Textured Tools under MQL and Nano-MQL Environments［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2020， 53： 174-189.

[66] GUO Dalin， GUO Xuhong， CHEN Junbao， et al. Improving Lubrication Performance of Cemented Carbide Tools Combined Fe₃O₄ Nanofluids Lubricating and Micro-groove Textures in High-speed Milling Ti₆Al₄V［J］. Journal of Advanced Mechanical Design， Systems， and Manufacturing， 2022， 16（1）： JAMDSM0004.

[67] ELLERSIEK L， MENZE C， SAUER F， et al. Evaluation of Methods for Measuring Tool-chip Contact Length in Wet Machining Using Different Approaches （Microtextured Tool， In-situ Visualization and Restricted Contact Tool）［J］. Production Engineering， 2022， 16（5）： 635-646.

[68] YANG Gang， FENG Wei. Short Communication： Experiment Study on Micro-textured Tool with Internal Cooling［J］. Mechanical Sciences， 2022， 13（2）： 619-623.

[69] CHEN Zhigao， DING Fei， ZHANG Zhichao， et al. A Review on Machining SiCp/Al Composite Materials［J］. Micromachines， 2024， 15（1）：107.

[70] LIU Junwei， CHENG Kai， DING Hui， et al. Simulation Study of the Influence of Cutting Speed and Tool–Particle Interaction Location on Surface Formation Mechanism in Micromachining SiCp/Al Composites［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2018， 232（11）： 2044-2056.

[71] HAN Xiao， XU Dongdong， AXINTE D， et al. On Understanding the Specific Cutting Mechanisms Governing the Workpiece Surface Integrity in Metal Matrix Composites Machining［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2021， 288： 116875.

[72] SUN Wei， DUAN Chuanzheng， YIN Wendian. Chip Formation Mechanism in Machining of Al/SiCp Composites Based on Analysis of Particle Damage［J］. Journal of Manufacturing Processes，2021，64：861-877.

[73] 史红艳， 赵先锋， 王自勤， 等. 断裂力学在塑性金属材料切削过程中应用的研究现状［J］. 西北工业大学学报， 2019， 37（6）： 1209-1222.

[74] SHI Hongyan， ZHAO Xianfeng， WANG Ziqin， et al. Research of Fracture Mechanics Applied in the Cutting Process of Plastic Metals［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2019， 37（6）： 1209-1222.

[75] UMER U， KISHAWY H， GHANDEHARIUN A， et al. On Modeling Tool Performance while Machining Aluminum-based Metal Matrix Composites［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 92（9）： 3519-3530.

[76] AURICH J C， ZIMMERMANN M， SCHINDLER S， et al. Turning of Aluminum Metal Matrix Composites： Influence of the Reinforcement and the Cutting Condition on the Surface Layer of the Workpiece［J］. Advances in Manufacturing， 2016， 4（3）： 225-236.

[77] TENG Xiangyu， HUO Dehong， CHEN Wanqun， et al. Finite Element Modelling on Cutting Mechanism of Nano Mg/SiC Metal Matrix Composites Considering Cutting Edge Radius［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2018， 32： 116-126.

[78] 田初春， 蒋宏婉， 袁森， 等. 微纳织构涂层刀具切削性能研究进展［J］. 中国表面工程， 2024， 37（2）： 137-160.

[79] TIAN Chuchun， JIANG Hongwan， YUAN Sen， et al. Progress on Cutting Performance of Micro-nano Texture Coated Tools［J］. China Surface Engineering， 2024， 37（2）： 137-160.

[80] LAGHARI RALI， HE Ning， JAMIL M， et al. A State-of-the-art Review on Recently Developed Sustainable and Green Cooling/Lubrication Technologies in Machining Metal Matrix Composites （MMCs）［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology， 2023， 10（6）： 1637-1660.

[81] ZHANG Huiping， WANG Bowen， QU Liqiang， et al. Optimization of Tool Wear and Cutting Parameters in SCCO₂-MQL Ultrasonic Vibration Milling of SiCp/Al Composites［J］. Machines， 2024， 12（9）： 646.

[82] 刘朝伟， 杨发展， 姜芙林， 等. 微量润滑工况下纳米粒子协同微织构对刀具切削性能的影响［J］. 表面技术， 2024， 53（10）： 183-195.

[83] LIU Zhaowei， YANG Fazhan， JIANG Fulin， et al. Synergistic Effect of Nano Particles and Micro-texture on Tool Cutting Performance under Micro Lubrication Conditions［J］. Surface Technology， 2024， 53（10）： 183-195.

[84] DUAN Zhenjing， WANG Shuaishuai， WANG Ziheng， et al. Tool Wear Mechanisms in Cold Plasma and Nano-lubricant Multi-energy Field Coupled Micro-milling of Al-li Alloy［J］. Tribology International， 2024， 192： 109337.

[85] KANG Zhengyang， FU Yonghong， CHEN Yun， et al. Experimental Investigation of Concave and Convex Micro-textures for Improving Anti-adhesion Property of Cutting Tool in Dry Finish Cutting［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology， 2018， 5（5）： 583-591.

[86] SU Yongsheng， LI Zhen， LI Liang， et al. Cutting Performance of Micro-textured Polycrystalline Diamond Tool in Dry Cutting［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2017， 27： 1-7.

[87] NI Jing， SU Zhongyue， MENG Zhen， et al. Research on the Correlation between Hybrid Microstructural Parameters and Tool Stability Performance［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2024， 119： 878-887.

[88] CAO Tongkun， LI Zonggao， ZHANG Siguo， et al. Cutting Performance and Lubrication Mechanism of Microtexture Tool with Continuous Lubrication on Tool-chip Interface［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2023， 125（3）： 1815-1826.

[89] LIU Guoliang， ZHENG Jintao， HUANG Chuanzhen， et al. Coupling Effect of Micro-textured Tools and Cooling Conditions on the Turning Performance of Aluminum Alloy 6061［J］. Advances in Manufacturing， 2023， 11（4）： 663-681.

[90] SHAN Chenwei， ZHANG Xu， SHEN Bin， et al. An Improved Analytical Model of Cutting Temperature in Orthogonal Cutting of Ti₆Al₄V［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（3）： 759-769.

[91] KOMANDURI R， HOU Z B. Thermal Modeling of the Metal Cutting Process Part I—Temperature Rise Distribution Due to Shear Plane Heat Source［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2000， 42（9）： 1715-1752.

[92] TONG He， LIU Xu， ZHANG Ning， et al. A Superspreading Bioinspired Micro-texture with the Function of Self-priming Liquid for Enhancing Boiling Heat Transfer of Cutting-fluid on Tool Surface［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2025， 133： 556-565.

[93] SIVAIAH P， SUDHEERA M， MURALIDHAR SINGH M， et al. Performance Evaluation of Developed New Textured Tools during Turning of AISI 321 Material［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2024， 39（5）： 688-699.

[94] 戚宝运， 李亮， 何宁， 等. 表面织构在刀具减磨技术中的应用［J］. 工具技术， 2010， 44（12）： 3-6.

[95] QI Baoyun， LI Liang， HE Ning， et al. Application of Surface Texture in Tool Antifriction Technology［J］. Tool Engineering， 2010， 44（12）： 3-6.

[96] WANG Xiaoming， LI Changhe， ZHANG Yanbin， et al. Influence of Texture Shape and Arrangement on Nanofluid Minimum Quantity Lubrication Turning［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2022， 119（1）： 631-646.

[97] VENKATA AJAY KUMAR G， RAMAA A， SHILPA M. Comparative Study of Dry Machining Performance Using Hybrid Textured Cutting Insert［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2024， 39（12）： 1775-1783.

[98] SUGIHARA T， KOBAYASHI R， ENOMOTO T. Direct Observations of Tribological Behavior in Cutting with Textured Cutting Tools［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2021， 168： 103726.

[99] DARSHAN C， JAIN S， DOGRA M， et al. Influence of Dry and Solid Lubricant-assisted MQL Cooling Conditions on the Machinability of Inconel 718 Alloy with Textured Tool［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 105（5）： 1835-1849.

[100] AGARI S R， LAKSHMIKANTHAN A， SELVAN C P， et al. Improvement in the Machining Processes by Micro-textured Tools during the Turning Process［C］∥ICPPM 2023. Chennai， 2024： 2.

[101] MERCHANT M E. Basic Mechanics of the Metal-cutting Process［J］. Journal of Applied Mechanics， 1944， 11（3）： A168-A175.

[102] ZHANG Kedong， LI Zhihao， WANG Shanshan， et al. Study on the Cooling and Lubrication Mechanism of Magnetic Field-assisted Fe₃O₄@CNTs Nanofluid in Micro-textured Tool Cutting［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 85： 556-568.

[103] SARAF G， NIRALA C K. Experimental Investigation of Micro-pillar Textured WC Inserts during Turning of Ti₆Al₄V under Various Cutting Fluid Strategies［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2024， 113： 61-75.

[104] 陈德雄， 林梦晗， 赵亚文， 等. 微织构刀具对钛合金切屑形成影响的仿真研究［J］. 宇航材料工艺， 2023， 53（5）： 15-24.

[105] CHEN Dexiong， LIN Menghan， ZHAO Yawen， et al. The Simulation Study on the Effect of Micro-textured Tools on Chip Formation of Titanium Alloy［J］. Aerospace Materials & Technology， 2023， 53（5）： 15-24.

[106] LIANG Xiaoliang， ZHANG Canbin， WANG Chunjin， et al. Tool Wear Mechanisms and Surface Quality Assessment during Micro-milling of High Entropy Alloy FeCoNiCrAl［J］. Tribology International， 2023， 178： 108053.

[107] CHOWDHURY M S I， BOSE B， RAWAL S， et al. Investigation of the Wear Behavior of PVD Coated Carbide Tools during Ti₆Al₄V Machining with Intensive Built up Edge Formation［J］. Coatings， 2021， 11（3）： 266.

[108] ZHANG Yali， ZHANG Quanli， WU Mingtao， et al. High-pressure Cooling Effects on Tool Wear Mechanism and Chip Formation in GH4169 Superalloy Turning［J］. Wear， 2025， 564/565： 205675.

[109] CHEN Tao， SONG Lixing， LI Suyan， et al. Experimental Study on Wear Characteristics of PCBN Tool with Variable Chamfered Edge［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2019， 32（1）： 37.

[110] HOU Qimin， YANG Xuefeng， LI Dan， et al. Tribological Performance of Hydrophobic and Micro/Nano Triangle Textured Rake Face of Cutting Tools［J］. Applied Surface Science， 2022， 571： 151250.

[111] WU Fenghe， ZHANG Ning， PENG Wenxin， et al. A Novel Hybrid Micro-texture for Improving the Wear Resistance of PCD Tools on Cutting SiCp/Al Composites［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 101： 930-942.

[112] DUAN Ran， DENG Jianxin， LEI Shuting， et al. Effect of Derivative Cutting on Machining Performance of Micro Textured Tools［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2019， 45： 544-556.

[113] ELIAS J V， VENKATESH N P， LAWRENCE K D， et al. Tool Texturing for Micro-turning Applications – an Approach Using Mechanical Micro Indentation［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2021， 36（1）： 84-93.

基金资助

湖南省自然科学基金(2025JJ50275)

国家自然科学基金(52075168)