绿色制造技术是当今制造业的发展潮流，迎合了可持续发展理念的发展要求。金属刀具切削加工也朝着绿色、无污染、高效、低耗、节能的绿色干切削加工方向发展。基于该理念，介观几何特征刀具概念被提出。介观几何特征(刃口、微织构)是介于宏观和微观尺度的微小特征。刀具表面置入微织构能减小刀-屑接触长度、捕获磨粒和切屑等杂质，从而改善刀具切削性能、提高工件表面上的质量；刀具刃口处理一样能提高刀具耐磨性、改善切削状态及已加工表面质量。研究发现，介观几何特征对加工过程中力-热特性、工件表面质量以及刀具寿命等产生重要影响。因此，总结归纳了介观几何特征对刀具各方面切削性能影响的研究现状，探讨介观几何特征对刀具综合切削性能的影响规律，并为后续介观几何特征刀具的优化设计及制备提供参考 。
本文作为《机械工程学报》2024年第5期的封面文章发表，期望相关工作为刀具介观几何特征成形技术发展提供参考 。
近年来，制造业的快速发展推动了难加工材料（如钛合金、超高强度钢和高温合金）的广泛应用，这些材料被广泛用于航空航天、海洋工程、生物医疗等领域。随着这些材料的应用，对金属刀具的切削加工技术提出了更高要求。绿色干切削技术因此得以发展，其中刀具表面织构技术和刃口钝化技术起着重要作用。
刀具的微织构通过激光或电火花技术加工，刃口钝化处理能大大的提升刀具寿命和稳定性，同时改善切削性能。此外，将微织构与刃口钝化结合能有效减少切削力、降低温度、提高工件表面上的质量。但要实现两者的协同效应，还需考虑其相互作用，特别是在刀具切削动态特性上的影响。
本文系统总结了刀具微织构及刃口的最新研究进展，重点分析了其对切削性能的影响。并提出未来研究应关注不同形状的微织构刀具及其协同效应，为进一步优化刀具性能提供指导。
微织构刀具的发展与应用：微织构技术近年来逐步应用于金属刀具表面，通过改善界面摩擦性能，提高刀具的减摩抗磨能力。
微织构的制备方法：常见的制备方法包括激光加工、电火花加工、微磨削、光刻等，各种方法各有优缺点。例如，激光加工操作简单、效率高，但可能对材料表面造成破坏；电火花加工适合加工复杂形状的微织构，但效率较低。
减摩抗磨：微织构能够减少刀具与工件表面的接触面积，减少摩擦力和切削力，延长刀具寿命。
捕获磨粒和存储润滑液：微织构还能捕获磨屑并存储润滑液，从而改善润滑效果，进一步减少刀具磨损。
不同环境下的作用机制：微织构在流体润滑、微量润滑和干摩擦条件下表现不同，能够通过增强润滑、减少磨损等多种途径提升刀具性能。
微织构形状和参数的优化：不同形状和几何参数的微织构对刀具性能的影响不同，研究表明，微沟槽和微坑结构在提高刀具耐磨性和切削性能方面表现尤为优异。
复合加工技术：结合多种制备方法，如激光与超声复合技术，能够进一步优化微织构刀具的加工质量和性能。
刃口钝化的必要性：刀具制造过程中易产生微观缺陷，如毛边、微缺口等。刃口钝化能够有效去除这些缺陷，提高刀具表面完整性和加工稳定性，延长刀具寿命，改善加工表面质量。
刀具刃口分为锋利刃、钝圆刃和倒角刃，钝圆刃有单钝圆、喇叭刃和瀑布刃，倒角刃有多种形态。
不同类型的刃口采用不同参数表征，如钝圆刃使用k因子、h和γe等，倒角刃使用lβ和γβ表征。
每种钝化方式有其优缺点，如微喷砂能够实现均匀钝化，而激光钝化效率高，但设备昂贵。
不同类型的刃口（如钝圆刃、倒角刃）适用于不同的加工场合，合理设计刃口几何参数可提高刀具性能。
随着技术进步，复合钝化方式逐渐兴起，如超声辅助磨料流钝化等，能够进一步提升钝化效果。
钝圆刃口与表面微织构技术：刀具在使用过程中刃口逐渐钝化，因此刃口的钝化处理与表面微织构技术是提升刀具性能的关键。这两种几何特征属于介观尺度，即介于宏观和微观之间。研究表明，刃口参数和微织构参数之间存在交互作用，二者的协同作用能够有效改善刀具切削性能。
实验与理论研究：杨树财团队及其他学者通过实验和仿真研究了介观几何特征对刀具寿命、切削力、温度及磨损的影响。结果显示，刃口钝圆处理和微织构在刀具寿命延长、工件表面粗糙度减小方面有显著作用。例如，钝圆刃口和倒棱微织构刀具切削钛合金的实验显示，刀具寿命提高了33%和25%。
刀具微纳复合织构的应用：结合纳米和微米级织构的自润滑陶瓷刀具显著降低了切削力和温度，延缓了刀具磨损。微纳结构在降低刀屑接触面摩擦的同时，也提高了刀具的热传导能力。
研究前景：未来的研究应进一步探索微织构与刃口形式的结合对不同加工工况下的刀具切削性能的影响。现有研究表明，二者的协同作用具有显著的应用潜力，对刀具设计与工件加工质量提升具有重要意义。
对近年来国内外学者关于介观几何特征的制备方式、作用机理和对刀具切削性能的相关研究进行总结与归纳。不难看出，在刀具表面加工出适当的介观几何特征对于刀具的切削性能具有不同程度的改善与提高作用。
（1）关于微织构刀具，微织构制备工艺应用最为广泛的是激光制备，因其能量密度高、加工效率高及工艺流程污染小等优点而被广泛应用，但存在加工时有熔融物喷溅，周围出现毛刺的问题。建立激光烧蚀与目标截面轮廓函数关系、抑制毛刺和熔融物喷溅、辅助激光加工方法、保证加工精准度都是未来研究的热点和难点。
（2）微织构刀具通过减小刀-屑接触面积，收集磨粒、切屑等杂质，降低摩擦系数，从而改善力-热特性、延长刀具寿命；在润滑情况下，微织构存储润滑液，形成润滑膜，从而改善刀具切削性能和加工表面上的质量。但是后期微织构失效，会出现“二次切削”和切屑粘结的问题，如何避免磨粒、杂质等堵塞微织构也是亟待解决的问题。
（3）从微织构类型角度看，目前都集中在沟槽和微坑织构的研究。沟槽置入方向格外重要，当沟槽织构方向与切削刃垂直时，性能最优。沟槽织构可改变切屑流向，微坑织构在断屑方面更有优势。未来更多的微织构类型值得被考虑，比如波纹型、凸包型织构。
（4）现阶段微织构对加工动态特性、切屑流向、毛刺抑制等方面的研究较少。此外，微织构分布形式停留在几何意义的均匀分布形式，未采用合理的数学分布密度函数进行表征。对于微织构变密度分布还未涉及。
（5）关于刀具刃口，刃口钝化的表征方法随着刃口类型的增多需要更多的参数去表征；刀具钝化方式较多，但是缺乏标准钝化设备；刃口检测方法不精确，无法进行定量测量。
（6）刀具刃口钝化可以改善刀具刃口的微观缺陷，使刀具刃口具有良好的均匀一致性；能大大的提升刀具表面的光洁度，使刀具排屑更加顺畅，加快散热，减少积屑瘤的产生；可以改变刀具表面残余应力的分布，增加刀具表面的残余压应力，提高刀具表面强度。就目前而言，对刃口作用机理、刃口微观效应、刃口参数与其他参数协同作用影响的相关研究较少，针对不同的加工工况与被加工材料，也缺乏关于刃口形式与钝化参数的优化研究。此外，复合刃口还有待拓展研究。
（7）目前关于介观几何特征的研究在初步探索阶段，研究集中在介观几何特征对于刀具力-热特性、刀具磨损和已加工表面完整性的影响，缺乏刃口与微织构协同作用时对刀具切削性能影响机理的研究，以及不一样的材料、工况下，微织构形式与刃口形式优化的研究等。这些对于深入研究介观几何特征对刀具切削性能的影响都是至关重要的，需要相关科研人员给予重视。
[1]郭江,王兴宇,赵勇,许永波,崔海龙,魏兆成,金洙吉,康仁科.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.
刘献礼， 男，哈尔滨理工大学，机械动力工程学院，教授，博士生导师。龙江学者特聘教授，先进制造智能化技术教育部重点实验室、高效切削及刀具国家地方联合工程实验室主任。主要研究方向为先进切削刀具与工艺技术，数字化加工与人机一体化智能系统技术 。
杨树财， 男，哈尔滨理工大学，机械动力工程学院，教授，博士生导师。现从事专业为机械制造及其自动化。主要研究方向为切削理论、机械加工、高速切削加工技术。
韩佩， 女，哈尔滨理工大学，机械动力工程学院，博士生。研究方向为新型刀具的设计及加工技术。
团队目前主要是做研究方向为：硬质合金球头铣刀微织构制备及其铣削行为动态演变；介观几何特征与涂层协同作用下球头铣刀铣削钛合金行为及工件表面完整性研究；激光冲击强化表面微结构刀具刃口组织性能演变及其切削性能研究。团队主要致力于新型刀具的设计及加工技术的研究近8年的时间。项目组依托哈理工工程训练中心和发改委国家地方联合工程实验室—高效切削及刀具实验室，为本团队的研究提供完备的实验、测试条件及技术上的支持。具有较为完善的切削加工设施、刀具制备设备、已加工表面分析与检测设备、试验数据测量设备和软件配备。
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