在刀具切削过程中,工件塑性变形和刀-屑间的剧烈摩擦会产生大量切削热,导致刀具快速磨损,并使得工件材料软化出现“粘刀”现象,降低刀具寿命和工件加工质量。因此,改善刀-屑间的摩擦状态,减少切削热成为切削加工研究的重要内容。目前实际工程中普遍使用切削液对切削区域进行冷却和润滑,但由于切削区域高温高压的环境以及内摩擦区域刀-屑紧密接触,同时传统冷却方式中切削液流速低、压力小,难以进入刀-屑关键摩擦区域,使用效率极低,并产生环境污染问题。针对这一问题,本文将激光微织构技术与磁性切削液冷却润滑技术相结合,提出新型的切削加工刀具织构与润滑冷却方案,并结合相关理论基础,开展相关模拟仿真与试验研究。本文主要研究工作如下。(1)首先系统介绍了金属切削相关基础理论,包括切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等,指出刀具表面织构制备的最佳关键区域,为后续车削试验结果分析奠定基础。其次通过有无磁场下纳米磁性流体粘度计算和传热机理,分析了梯度磁场环境是提高磁性切削液冷却和润滑性能的重要条件。本文将高速钢刀具置于匀强磁场中使其磁化并在其周围和表面形成高梯度磁场,由于磁场尖端效应,磁感应强度较高处正对应于刀-屑关键摩擦区,磁性切削液在磁力吸引作用下,进入刀-屑关键摩擦区,从而有效提升磁性切削液冷却与润滑效果。(2)磁感应强度的大小影响磁场对纳米磁性切削液的吸引效果,因此将提高磁感应场强度作为磁系设计的重要依据。磁系气隙可调且便于安装在车床上,根据磁路设计原理,通过Maxwell有限元仿真和测量验证,设计并确定磁系的最佳结构,并分析高速钢刀具周围的磁场以及置有不同类型织构的高速钢刀具表面梯度磁场的分布情况,发现置于磁系中的高速钢刀具周围可分为逆磁区和顺磁区,且刀具前刀面正处于顺磁区;微织构的置入明显提高了刀具表面磁感应强度,并进一步增大了磁场梯度,其中,毛化形貌织构增强效果较为显著。(3)以高速钢W6Mo5Cr4V2为试验研究材料,为获得理想的激光表面织构,系统开展了激光织构工艺试验。微沟槽织构和毛化织构分别采用皮秒激光加工系统和SPI光纤激光加工系统制备。探究了皮秒激光器泵浦电流和扫描速度,对微沟槽形貌宽度和深度的影响;以及SPI光纤激光器脉冲宽度和功率,对毛化形貌直径和高度的影响,从而获得与织构形貌及尺寸相匹配的激光加工参数,并选择合适的激光加工参数进行织构刀具的制备。(4)制备出纳米磁性切削液并进行金属切削试验,对比了无织构刀具、微沟槽织构刀具和毛化织构刀具,分别在无磁环境普通切削液、无磁环境磁性切削液以及磁场环境磁性切削液冷却润滑下的切削性能,分析了切削力、前刀面摩擦状况、刀-屑粘结、切屑形态和切削温度。试验结果表明:首先,磁场环境下的磁性切削液可经磁力吸引,通过微沟槽织构的引流或毛化织构在磁场环境下的吸附作用进入刀-屑关键摩擦区域,改善刀-屑间的摩擦状态并降低切削温度;其次,相比无磁环境普通切削液下无织构刀具,磁场环境磁性切削液下微沟槽织构刀具摩擦系数和切削温度降低较为明显,摩擦系数降低了23.4%,切削温度降低了17.4%;最后,分析了磁性切削液下高速钢织构刀具的润滑与冷却机理。