《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Mechanistic and data-driven investigation of nano-minimum quantity lubrication aided milling of heat-treated high-speed tool steel for enhanced machinability and sustainability
编辑推荐：
阿杜鲁·L·N·阿鲁纳库马尔（Adooru L.N. Arunkumar）| 克里希纳达斯·纳拉亚南·南普蒂里（Krishnadas Narayanan Nampoothiri）| 苏尼尔·库马尔（Sunil Kumar）
机械工程系，阿姆利塔工程学院（Amrita School
阿杜鲁·L·N·阿鲁纳库马尔（Adooru L.N. Arunkumar）| 克里希纳达斯·纳拉亚南·南普蒂里（Krishnadas Narayanan Nampoothiri）| 苏尼尔·库马尔（Sunil Kumar）
机械工程系，阿姆利塔工程学院（Amrita School of Engineering），阿姆利塔世界大学（Amrita Vishwa Vidyapeetham），钦奈，601103，印度
摘要
对硬化工具钢的加工过程中，会遇到严重的表面完整性问题、工具磨损以及复杂的热机械界面，这些问题给可持续制造带来了挑战。本研究旨在探讨纳米氧化铝（Al?O?）微量润滑（MQL）对热处理高速工具钢（YXR-7）可加工性的影响，并评估数据驱动模型在有限实验条件下预测加工结果的能力。共进行了81次控制 milling 实验，以测量干燥条件和纳米微量润滑条件下的表面粗糙度（Ra）、材料去除率（MRR）和工具磨损率（TWR）。实验结果表明，与干燥加工相比，纳米微量润滑使表面粗糙度降低了65.61%，工具磨损率降低了近56%，同时保持了更高的生产效率。场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察显示，在纳米润滑条件下，从严重的粘着-扩散磨损转变为中度的磨料-氧化磨损，并形成了摩擦膜。X射线衍射（XRD）分析确认了氧化物的存在以及多种碳化物相，这支持了应力辅助的摩擦化学反应机制。为了评估预测性能，采用了多元线性回归（MLR）、极端梯度提升（XGBoost）、前馈神经网络（FNN）和高斯过程回归（GPR）模型进行交叉验证。对于现有的数据集，较简单的回归模型表现出稳定的泛化能力，而更复杂的非线性模型则对数据规模敏感。这种综合实验与建模的方法有助于理解润滑驱动的磨损机制，并为提高硬质材料加工的应用效率及可持续性提供了实际指导。
引言
由于热处理工具钢在模具、冲压工具和高性能加工工具中的广泛应用，这些工具具有较高的硬度、耐磨性和热稳定性，因此其加工仍然是一个重大挑战。热处理工艺（如淬火、回火和低温处理）虽然提高了机械强度，但也增加了切削力和界面温度，进一步加剧了工具磨损，从而影响了表面完整性。尽管切削工具材料和涂层技术有所进步，但对于硬度超过55 HRC的钢材进行硬车削和铣削时，参数选择和工具-切屑相互作用仍然非常敏感。
先前的研究表明，每齿进给量和切削深度主要决定了材料去除率，而表面粗糙度则受到每齿进给量和切削速度的显著影响。工具磨损主要受到工具-切屑界面处热机械应力的制约（Khan等，2022；Do等，2023）。最近的研究进一步强调了可持续润滑方法的重要性。纳米流体微量润滑（MQL）通过滚动、摩擦膜形成和修复效应显著提升了表面质量和工具寿命（Khan等，2023；Duc等，2024）。综合评论也指出了纳米粒子辅助润滑下的摩擦化学相互作用和摩擦变化（Kara，2024）。同样，一项关于先进加工系统的最新研究强调了将润滑物理学与预测建模相结合以实现可持续过程控制的必要性（?ztürk等，2025）。
尽管有这些创新，仍存在一些重要问题。首先，大多数研究分别分析各项性能指标，而没有确定微观结构演变、界面应力、磨损过程和可加工性结果之间的内在联系。其次，尽管纳米流体润滑显示出潜力，但其在从临界粘着-扩散磨损向受控的轻微磨料-氧化磨损转变中的因果影响尚未在应力介导的磨损模型中进行定量描述。第三，与传统的AISI H13、D2或SKD61钢相比，如YXR-7这样的先进钢合金等级的研究仍然不足，尽管它们在工业上的重要性日益增加。第四，虽然已经建立了用于加工预测的机器学习模型（Val等，2024；Kamble等，2024；Aguado等，2025），但在典型的有限实验数据集下的模型鲁棒性仍需进一步研究。
为了解决这些问题，本研究不仅比较了实验结果，还建立了一种基于机制的数据驱动方法，将微观结构响应、界面应力条件、磨损演变过程以及YXR-7钢在纳米微量润滑辅助下的加工性能相关联。研究将表面粗糙度、材料去除率和工具磨损视为工具-工件界面处热机械能量耗散的耦合体现，而不是孤立的结果。通过结合FESEM和XRD分析与预测建模，验证了纳米粒子辅助润滑如何改变碳化物的稳定性、粘附强度和摩擦膜的形成，从而影响加工性能。
章节摘录
工件材料和热处理
实验使用的是YXR-7工具钢（Yasugi Speciality Steel – Proterial），这是一种高合金热加工模具钢，因其较高的耐磨性和韧性而逐渐应用于模具和切削领域。该钢含有5.5%的Mo、4.7%的Cr、1.3%的W、1.3%的V、0.8%的C、0.8%的Si、0.3%的Mn以及剩余的铁（Fe）。使用传统的铣床进行初步加工，得到尺寸为20×20×30毫米的试样。
加工表面及相应切削工具的SEM形态分析
在干燥条件下铣削YXR-7工具钢的FESEM显微图（图1）显示，表面出现了明显的恶化现象，表现为严重的犁沟、不规则的进给痕迹和局部材料涂抹。形态特征表明在高温载荷下工件与工具之间存在强烈的粘着-磨料磨损耦合。此外，还观察到了宽范围的侧向流动和附着在切削路径上的材料层。
结论
通过对干燥条件和纳米氧化铝（Al?O?）微量润滑辅助下热处理YXR-7工具钢加工的实验和基于机制的数据驱动分析，得出以下结论：
- i
纳米微量润滑显著提高了表面完整性。表面粗糙度从1.547 μm（干燥条件）降低到0.532 μm（纳米微量润滑条件），即使是在较高的切削参数下，也显示出65.61%的改善，证实了表面稳定性的提升，同时也减少了二次精加工的需求。
工具磨损情况
CRediT作者贡献声明
阿杜鲁·L·N·阿鲁纳库马尔（Adooru L.N. Arunkumar）： 手稿撰写、初稿撰写、方法论设计、实验设计、数据整理、概念构思。克里希纳达斯·纳拉亚南·南普蒂里（Krishnadas Narayanan Nampoothiri）： 审稿与编辑、验证工作、监督、方法论设计、实验设计、概念构思。苏尼尔·库马尔（Sunil Kumar）： 审稿与编辑、初稿撰写、验证工作、软件开发、资源管理、项目协调、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。
致谢
作者衷心感谢印度钦奈的INNO FIXTURE & GAUGE公司允许在实验过程中使用他们的CNC铣削中心设施。同时，作者也对开源Python库的开发者及贡献者表示感谢，这些库在数据分析和模型开发中发挥了重要作用。
