在硬质合金表面探索超疏油多仿生微结构，以高效降低车削过程中去除工件的能量消耗

《Journal of Cleaner Production》：Exploration of superoleophobic multi-bionic microstructures on cemented carbide surface for high-efficiency reduction of workpiece removal energy in turning

多生物结构微结构（MM）绿色制备与超疏水性能对硬质合金刀具车削能耗的影响研究。

　　
随着全球制造业对能源效率的迫切需求，近年来绿色制造技术成为研究热点。特别是在微量润滑（MQL）车削工艺中，降低工件去除能量（WRE）是实现可持续发展的重要目标。近期一项针对硬质合金刀具表面多生物仿生微结构的研究取得突破性进展，为提升车削效率提供了新思路。

研究团队基于生物结构的多重协同效应，创新性地设计了两种复合型微结构体系：低附着力超疏油微结构（MML）和高附着力超疏油微结构（MMH）。这些结构通过绿色制备工艺在WC-Co硬质合金刀具表面形成稳定的纳米级复合结构，其形貌特征经三维扫描证实具有均匀分布的六边形凹陷（平均深度32μm）和特定角度的棱柱形突起（最大达120°），完美融合了蜂巢结构、角蜥蜴鳞片和荷叶表面三者的功能特性。

在工艺验证环节，研究构建了考虑刀具磨损演化的WRE建模体系。通过对比短时加工（ST）与长时加工（LT）两种工况，发现MMH在ST工况中当棱柱角达到120°时，刀具磨损体积（VB）和WRE均达到最小值。而LT工况下，MML微结构在250μm的六边形凹陷尺寸时表现出最优性能。实验数据揭示，刀具磨损量与WRE呈现显著正相关（相关系数达0.87），这为建立能耗预测模型提供了可靠依据。

值得关注的是，该微结构体系在持久性方面取得突破。传统仿生结构在加工过程中易因摩擦热导致结构失效，而本研究所设计的双层级结构通过表面纳米氧化层与微米级复合结构的协同作用，使超疏油性能在持续磨损环境下仍保持90%以上的接触角稳定性。这种结构设计巧妙解决了单一仿生结构耐久性不足的问题，实现了润滑功能的全程稳定输出。

研究还创新性地提出能量消费的三维分析框架。将工件去除能量分解为切削力做功、摩擦热损耗和结构变形能耗三个子模块，结合刀具磨损动力学模型，实现了加工全周期的能量追踪。实验数据显示，在最优结构参数下，加工能耗可降低31%-46%，其中摩擦热损耗占比达67%，表明微结构对润滑油膜稳定性的提升效果显著。

该研究在方法论层面取得重要进展。通过建立"结构设计-性能表征-能量建模"的闭环研究体系，成功将生物仿生技术与现代制造工程相结合。特别在工具磨损预测方面，采用机器学习算法对磨损数据进行了非线性拟合，使模型预测精度达到92%，为后续工艺优化提供了可靠工具。

实际应用中，研究团队在航天精密部件加工中进行了验证性试验。使用MMH结构加工钛合金时，不仅将表面粗糙度控制在Ra0.8μm以内，更实现了单位工时能耗降低42%的突破性成果。这验证了该结构体系在复杂工况下的实用价值。

未来研究方向主要集中在三个方面：首先开发智能响应型微结构，使其能在加工过程中根据工况自动调整表面特性；其次构建多尺度耦合模型，深入揭示微结构纳观特性与宏观性能的转化机制；最后拓展至多工序复合加工场景，验证该技术的普适性。研究团队已获得多项国家自然科学基金支持，相关成果正在申请国际发明专利。

该研究的重要启示在于：通过系统整合生物进化形成的结构优化策略，结合现代制造工艺需求，能够有效突破传统表面处理技术的瓶颈。这种多学科交叉的创新路径，为制造业绿色转型提供了可复制的技术范式。研究结果已成功应用于3家高端装备制造企业的生产线改造，平均降低设备能耗35%以上，具有显著的经济效益和社会价值。