本研究报告主要作者是 Hamed Hassanpour（第一作者）和 Amir Rasti（通讯作者），研究团队来自伊朗的 Islamic Azad University, North Tehran Branch 以及 Tarbiat Modares University。该研究发表在《Precision Engineering》期刊上，于2025年9月22日在线发表，并收录于该刊2026年第97卷。
本研究属于先进制造与精密加工领域，具体聚焦于“可持续微铣削”技术。研究的学术背景源于现代制造业，特别是在航空航天、生物医学工程和微电子等对微型化、高精度、复杂几何形状零件需求旺盛的行业中，微铣削已成为至关重要的工艺。然而，微铣削过程面临诸多挑战，如毛刺形成、获得理想的表面纹理和微观结构等。在加工钛合金（如Ti6Al4V）这类难加工材料时，这些问题尤为突出，因为其导热性低，容易产生局部高温，加剧了刀具磨损和工件表面损伤。传统的大量切削液冷却方式存在环境污染和成本高昂的问题，因此，最小量润滑（Minimum Quantity Lubrication, MQL）技术作为一种平衡润滑效果与流体消耗的环保替代方案被广泛应用。然而，为满足更高的加工精度和表面质量需求，尤其是在加工钛合金时，传统的MQL方法可能仍显不足。近年来，将纳米颗粒加入MQL流体中以增强其润滑和冷却性能的纳米颗粒增强型最小量润滑（Nanoparticle-enhanced MQL, NMQL）技术，展现出了巨大潜力。尽管如此，关于NMQL在微铣削中应用的研究，特别是不同纳米颗粒（如润滑型与导热型）对Ti6Al4V表面完整性（包括表面粗糙度、毛刺、白层、耐腐蚀性等）影响的直接对比分析，尚存在研究空白。因此，本研究旨在填补这一空白，通过比较MQL、NMQL+CuO（氧化铜）和NMQL+MoS2（二硫化钼）三种润滑策略在Ti6Al4V微铣削中对表面完整性的影响，确定实现最佳表面质量的优化条件。
本研究的工作流程设计严谨且系统。首先，研究团队选择了经退火处理的Ti6Al4V合金作为工件材料，其原始硬度为300±5 HV。铣削刀具为直径0.4毫米、三刃、超细晶粒硬质合金立铣刀，带有TiAlN涂层。所有试验均在一台精密立式加工中心（VMC）上进行。关键的创新点在于自行搭建的NMQL系统，该系统采用两个独立的喷嘴，以30度角相对设置，将含有纳米颗粒的油雾喷射到切削区域。试验中使用的基液为纯棉籽油，纳米流体分别是添加了1%重量比的MoS2和CuO纳米颗粒的棉籽油悬浮液，并采用超声波均质机进行制备和分散。
实验设计采用全因子法，系统性地研究了两个主要变量：润滑条件（分为MQL、NMQL+CuO、NMQL+MoS2三个水平）和主轴转速（分为16000、24000、32000 rpm三个水平）。为了孤立润滑策略的影响，研究者将每齿进给量（0.5微米/齿）和轴向切削深度（60微米）设为恒定值。这一设计是基于文献综述和初步筛选试验的结论，即MQL条件下，主轴转速是影响表面完整性的主导因素。每个实验条件均进行三次重复，以减小误差并确保结果可靠性，总计完成了9组共27次微铣削实验。
实验结束后，对加工表面进行了全面而详细的表征与分析，这一流程是研究的核心。具体程序和所用的方法如下： 1. 三维表面粗糙度测量：使用LPM-D2激光轮廓仪对加工表面进行扫描，采用面积表面粗糙度参数（Sa）进行量化评估。每个条件重复测量并取平均值。 2. 表面显微硬度测量：使用Bareiss V-Test显微硬度计，在0.1公斤载荷下保持4秒，采用维氏硬度法测量。每个样品表面选取三个区域测量并计算平均值。 3. 毛刺尺寸分析：利用扫描电子显微镜（SEM）拍摄样品侧面的毛刺形貌，并测量最大毛刺宽度。 4. 白层厚度分析：这是研究表面热-机械损伤的关键步骤。将样品截面用2%的硝酸酒精溶液蚀刻10秒，然后使用光学显微镜和SEM观察并测量白层的厚度。每个条件在5个不同点测量取平均。 5. 腐蚀电阻评估：这是研究表面功能特性的重要环节。使用IviumStat电化学工作站，采用电化学阻抗谱（EIS）方法在3.5%的氯化钠溶液中进行测试。通过建立等效电路模型，提取电荷转移电阻来表征表面的耐腐蚀性能。 6. 数据分析：对获得的Sa、硬度、毛刺宽度、白层厚度和电荷转移电阻等数据，进行方差分析（ANOVA），以确定主轴转速和润滑条件对各项结果指标的统计学显著性影响。
本研究取得了多项重要且具体的成果。关于表面粗糙度（Sa），ANOVA结果表明主轴转速和润滑条件均对Sa有显著影响。在所有润滑条件下，随着主轴转速从16000 rpm提高到32000 rpm，Sa值均呈现下降趋势。其中，NMQL+MoS2方法在所有转速下都获得了最低的Sa值，表现最佳。在24000 rpm时，与MQL相比，NMQL+MoS2和NMQL+CuO分别实现了平均21%和7%的Sa值降低。配对t检验证实，NMQL+MoS2带来的表面粗糙度改善具有统计学显著性。研究者将MoS2的优异表现归因于其层状晶体结构，该结构能在刀具-切屑界面形成减摩的摩擦膜，有效降低摩擦、抑制积屑瘤，从而获得更光滑的表面。
关于毛刺尺寸，毛刺的形成在微铣削中几乎不可避免，但控制其大小至关重要。ANOVA分析表明，润滑条件是影响毛刺宽度的主要显著因素。结果显示，提高主轴转速有助于减少毛刺宽度。在所有润滑策略中，MQL产生的毛刺最大（约270微米），NMQL+CuO次之（约226微米），而NMQL+MoS2产生的毛刺最小（约110微米）。通过SEM图像可见，NMQL+MoS2条件下的毛刺宽度显著降低且更为均匀。这种减少归因于MoS2形成的摩擦膜抑制了界面摩擦，稳定了切削刃几何形状，从而减少了刀具出口处的塑性犁削和侧向材料流动。
关于表面显微硬度，所有加工表面的硬度均超过了初始状态（300 HV）。ANOVA分析表明，主轴转速和润滑策略均对硬度有显著影响。硬度值在24000 rpm时达到峰值，此后在32000 rpm时略有下降（MQL和NMQL+MoS2）或微增（NMQL+CuO）。这被认为是高速下切削区温度升高导致的热软化与冷却润滑增强导致的晶粒细化综合作用的结果。在所有条件下，NMQL+MoS2获得的硬度值最高，而CuO纳米颗粒由于其高导热性（热导率20 W/m·K，远高于MoS2的1.5 W/m·K）有助于散热，可能减少了加工硬化效应，因而对基础硬度值的影响最小。
关于白层厚度，这是微加工中的一个关键挑战。ANOVA显示润滑条件和主轴转速都对白层厚度有极显著影响。白层厚度呈现双峰趋势：从16000到24000 rpm增加，随后在32000 rpm时显著下降。在最高转速下，刀具接触时间缩短，传递给工件的热量减少是主要原因。MQL条件下的白层最厚（最大5.3微米）。相比之下，纳米颗粒的加入极大地抑制了白层形成。NMQL+MoS2在所有转速下都表现出最低的白层厚度，在32000 rpm时，白层被完全消除。与MQL相比，NMQL+MoS2和NMQL+CuO分别将白层厚度降低了约80%和58%。MoS2因其能降低界面摩擦和闪温，从而减轻了导致白层形成的剧烈塑性变形和相变，因此效果最显著。
关于腐蚀电阻，通过EIS测得的电荷转移电阻来表征。ANOVA表明润滑条件和主轴转速均对腐蚀电阻有显著影响。整体上，腐蚀电阻随主轴转速增加而增加。NMQL+CuO在所有条件下都获得了最高的腐蚀电阻，而NMQL+MoS2的腐蚀电阻最低。这归因于CuO的高导热性使切削区热量更多地被带走，导致工件表面温度较低，可能形成了更稳定的氧化膜。同时，在NMQL+CuO条件下形成的较厚白层（虽比MQL薄，但比MoS2条件下的厚）也贡献了更高的电阻。相反，MoS2较差的导热性及其与加工表面发生反应的趋势，加上其产生的白层最薄，导致了较低的腐蚀电阻。
研究的结论可以总结为以下几点： 1. 提高主轴转速至32000 rpm能有效降低所有润滑条件下的毛刺宽度。NMQL+MoS2将毛刺宽度降至最小（约110微米），是抑制毛刺形成的主要因素。 2. 加工表面的硬度均高于初始状态。MoS2纳米颗粒因优异的减摩性能，在所有转速下都获得了高于CuO的硬度值；而CuO因其高导热性，对基体硬度的影响最小。 3. CuO纳米颗粒的加入能减少白层形成，而MoS2纳米颗粒的效果最为显著，在所有转速范围（尤其是高速下）都表现出最薄的白层。在32000 rpm的NMQL+MoS2条件下，白层被完全消除。这证明通过优化NMQL条件下的切削参数，可以完全消除白层。 4. 根据EIS结果，在CuO纳米颗粒存在下加工的样品获得了最高的耐腐蚀性，而使用NMQL+MoS2加工的样品耐腐蚀性最低。
本研究具有重要的科学价值和应用价值。其科学价值在于，系统对比并揭示了润滑型（MoS2）与导热型（CuO）纳米颗粒在微铣削中对表面完整性的不同作用机理：MoS2主要通过形成摩擦膜降低界面摩擦来改善表面光洁度、减少毛刺和抑制白层；而CuO则主要通过高效导热来降低切削温度，从而影响白层厚度和腐蚀行为。这深化了对NMQL作用机制的理解。应用价值则在于，明确提出了将MoS2纳米颗粒引入MQL系统，可以作为一种有效策略，显著提升Ti6Al4V合金微铣削过程中的表面质量（降低粗糙度、减少毛刺、抑制白层），为实现稳定、高质量的微铣削工艺提供了可行的解决方案。此外，研究也指出NMQL相比传统浇注式冷却可减少99%以上的润滑剂消耗，展现了其在可持续制造领域的巨大潜力。
本研究的亮点和创新之处主要体现在以下几个方面：首先，研究填补了纳米颗粒增强MQL在Ti6Al4V微铣削中应用，特别是对不同类型纳米颗粒进行直接、系统比较的研究空白。其次，研究全面、多维度地评估了表面完整性，不仅包括传统的粗糙度和硬度，还深入分析了毛刺形成、白层厚度和电化学腐蚀电阻等关键但常被忽视的性能指标，建立了工艺参数与综合表面质量的关联。第三，研究发现了在优化参数下（NMQL+MoS2，32000 rpm）可以完全消除有害的白层现象，这是一个重要的工艺突破。第四，研究不仅关注了工艺性能，还简要讨论了纳米流体使用带来的环境和可持续性效益，体现了全生命周期考量。
除了上述核心发现，研究还提出了未来工作的方向，包括研究刀具磨损机制、纳米流体的稳定性、更广泛的参数设计以及对NMQL系统的多目标优化，以进一步确立该方法作为难加工合金可持续加工策略的地位。