近几十年来，金属切削刀具表面改形技术得到长足发展，涌现出了一系列卓有成效的研究成果。当下，刀具表面的改形的研究正在从宏观表面结构向微尺度表面结构（微织构）转移；国内外学者已经初步揭示了表面微织构在降低刀具切削力、减少磨损和改善润滑等方面的技术效能。本研究针对目前刀具表面织构化技术尚未完善之处，开展了系统的理论及试验研究。主要研究内容包括：　　（1）国内外研究综述。从结构功能、制造和优化方法三方面，梳理和归纳了刀具表面宏、微结构的差异和共同点。首先，由于刀具表面宏观结构的研究远早于微观结构，前者的研究方法将对后者起到指导和引领作用；例如神经网络和知识库方法，同样适用于分析微结构设计中的多参数优化问题。其次，电火花、磨削和激光加工具有较好工艺柔性，能够在刀具材料表面实现跨尺度表面结构改形。最后，刀具表面宏观和微观结构在切屑控制、抗磨损、降低切削温度和切削力等方面均表现出积极作用。综上可以预见：对金属切削刀具进行宏-微相结合的跨尺度表面改形将成为未来的发展方向之一。　　（2）刀-屑接触模型研究。基于刀-屑接触粘结-滑动模型，分析稳态切削条件下的切屑应力平衡条件；得出通过表面改形方法，在刀-屑接触粘结区降低粘结，在刀-屑接触滑移区减少摩擦，将产生切削力、切削功耗降低和刀-屑接触长度减少的有益效果；通过对刀面磨损机理的分析，提出在刀具前刀面上设置脱粘织构以减少粘结磨损，间接减少扩散磨损和化学磨损。另一方面，前人针对微凸体织构表面开展的粘结力模型研究进一步指出：微凸体织构可以降低界面间粘结力，并且存在理论最优的面积占有率和凸起高度，使得脱粘效果最优。本章节基于上述模型和理论分析，提出在刀具表面设置减摩与脱粘织构的构想和方案。　　（3）织构化刀面流体润滑理论与仿真。运用虚拟织构体系，研究微沟槽织构在刀-屑界面的流体润滑特性。建立基于 Reynolds 方程的数值分析模型，通过多重网格法获得求解。微沟槽织构在刀-屑间隙产生额外的流体润滑效应，且存在理论最优的沟槽方向、沟槽宽度、沟槽深度和沟槽密度；随着切削速度的提高，织构化前刀面的润滑减摩效果得到进一步增强。上述研究有助于更好的理解织构形貌产生流体润滑的机制和规律，为后续形貌设计提供理论依据。　　（4）激光烧蚀和熔凝成形试验。分别就激光烧蚀成形微沟槽和熔凝成形火山口状形貌开展成形试验。在微沟槽加工方面，研究了激光功率、扫描速度、扫描次数对几何尺寸的影响。在火山口形貌加工方面，针对高速钢和硬质合金材料，研究了激光单脉冲能量和脉冲宽度对成形尺寸的影响。通过对加工表面的物化分析，揭示了熔凝成形的过程及其对材料性能的影响。上述工作为在刀具表面加工出前述章节设计的织构方案，打下坚实的工艺基础。　　（5）微织构刀具正交干切削试验。开展了织构化高速钢刀具的正交干切削铝合金A6061试验，测试微沟槽和火山口织构刀具的切削性能，重点关注了被测试刀具的切削力和刀-屑粘结情况；发现高面积占有率的火山口织构刀具，抗粘结性能最优；与原刀相比，微沟槽织构刀具的摩擦力Ff和正压力Fn分别降低了15％和10％左右。借助Abbott曲线，表征了原始表面、微沟槽织构表面和火山口织构表面的承载特性，并分析了表面织构在刀-屑界面的作用机制。　　（6）变切削工况的微织构刀具斜角切削试验。由于正交切削与实际切削条件相去甚远，本文还开展了织构化硬质合金刀具的斜角切削性能试验。分别测试了织构刀具在干切削、湿切削、粗加工和精加工条件下的性能，分析了织构尺度、切削速度、织构密度的影响。织构刀具的刀-屑接触长度减少了近50%，火山口织构刀具的磨损深度由7μm降至2μm，刀具耐久度提升明显。借助 FEM 有限元仿真，分析了切削过程中前刀面应力场和温度场分布，发现织构形貌周围出现应力集中，同时刀具切削温度降低也较为明显。　　本研究针对铝合金车削加工，建立了微织构刀具的流体润滑分析模型，并将火山口状形貌引入刀具表面，丰富和完善了现有微织构刀具的设计制造方法和理论。通过在刀面设置特定尺寸和排布的表面微结构，能够显著提升刀具的抗粘结和耐磨损性能，对提升切削加工稳定性、经济性和可靠性大有裨益。本研究为新型表面微结构改形刀具的开发，以及切削工况的设计提供坚实的理论基础和技术支撑。