缺乏抑制刀具磨损的有效方法是制约黑色金属金刚石超精密切削技术进步的瓶颈问题。论文提出利用冷等离子体射流的载能活性粒子比碳原子更易与铁原子快速结合形成更强化学键和冷却润滑效果好的特点,将其施加于切削界面,实时降低刀-工界面的化学亲和性和改善切削区的热力作用,从而抑制金刚石切削黑色金属时的刀具磨损,稳定加工过程和提高加工质量。论文在分析金刚石刀具磨损及抑制磨损机理的基础上,首先研制了冷却润滑效果好、易输送至刀-工接触界面进行特性调控的大气压冷等离子射流,然后采用分子动力学、热分析、摩擦磨损等理论和试验方法研究了冷等离子体射流辅助切削的作用机理,最后进行了基础的切削试验。论文的主要研究工作如下:为从降低刀-工界面化学亲和性和改善切削区的热力作用两个方面抑制金刚石刀具的磨损,研制出温度较低、易输送至刀-工接触界面、适用于辅助切削的大气压柔性冷等离子射流。研究发现,氮气作为工作气体适合于裸电极放电产生冷等离子体射流,并且频率对氮气放电的伏安特性影响较明显,而气流量对氮气放电的伏安特性影响较小。采用柔性等离子体射流方案可实现等离子体的有效输送,柔性射流的长度随驱动电压和气体流量的增大而增加,且与普通冷等离子体射流具有相似的伏安特性。涡流管对工作气体预冷却可降低等离子体射流的温度,且流量越大射流温度越低;而驱动电压的升高会提高等离子体射流的总体温度。因此,借助涡流管通过调节流量和放电电压可得到温度在一定范围内可控的等离子体射流。特别的,当驱动电压为3.0 kV、流量为50 L/min时,柔性氮等离子体射流的整体温度可低至-7 ℃。通过分子动力学模拟和热分析试验,得出氮冷等离子体可降低黑色金属对金刚石的化学亲和性。分子动力学模拟的结果显示,金刚石石墨化的温度在1200 ℃～1700 ℃之间,但在铁原子的催化作用下,金刚石石墨化的温度可降低至约773 ℃。热分析试验则证明,未经氮冷等离子体处理的NAK80/金刚石接触界面上金刚石石墨化温度为882 ℃,而经氮冷等离子体处理的试样在1185 ℃时才出现明显的石墨化。即铁原子会降低金刚石的石墨化温度,而氮冷等离子体处理后黑色金属/金刚石界面上的金刚石石墨化温度又会提高。结果表明,NAK80表面和晶界会吸附大量活性粒子,并与黑色金属反应生成与金刚石化学亲和性较低的氮化物,最终达到抑制金刚石石墨化磨损的目的。为验证冷等离子体改善切削区热力作用的效果,在空气射流、氮气射流和氮冷等离子体射流氛围中进行了 NAK80/金刚石摩擦副的摩擦磨损试验。结果表明,氮气射流和氮冷等离子体射流气氛的绝氧作用可减轻摩擦副的氧化磨损,氮冷等离子体气氛有利于减轻摩擦副的粘着磨损,氮冷等离子体气氛中NAK80/金刚石摩擦副的摩擦磨损性能最佳。转速较低时,氮冷等离子体气氛对NAK80/金刚石摩擦副没有明显的减摩作用。转速较高时,NAK80/金刚石摩擦副在氮冷等离子体气氛中的摩擦系数低于空气气氛。冷等离子体与固体表面作用时不会破坏工件表面的微观形貌,且对润湿性的改性在切削加工后也会逐渐恢复。利用自行研制的振动特性可控的超声椭圆振动装置,进行了切削试验,分析了超声椭圆振动的切削特性。刀具在超声振动装置的驱动下沿椭圆轨迹高频振动,同时沿进给方向运动,两种运动模式的复合使得刀具对工件进行周期性的分离式切削。当刀具以超声椭圆振动切削时,在刀具耕犁作用形成的条状结构上会生成"鱼鳞"状振纹,且切削速度越低,"鱼鱗"状振纹越密集,并可明显改善工件表面质量,冷等离子体和超声椭圆振动共同作用时的工件表面粗糙度最低。超声椭圆振动切削会增加工件表面的残余应力,而冷等离子体对切削区润滑冷却有助于降低工件表面的残余应力。为验证冷等离子体抑制金刚石切削黑色金属时的刀具磨损效果,开展了不同气氛中的切削试验。普通切削和超声椭圆振动切削时刀具的磨损表现为切削刃磨损;冷等离子体实时调控时表现为轻微的前刀面磨损,且金刚石刀具的磨损量显著下降。冷等离子体和超声椭圆振动共同作用时,以切削刃轻微的粘附磨损为主,此时抑制金刚石刀具磨损的效果最佳。相比普通金刚石切削黑色金属加工,冷等离子体辅助超声椭圆振动切削可将刀具的有效切削距离提高10倍,并且工件的表面粗糙度最低,同时可将金刚石中的碳元素向工件和切屑中的扩散磨损分别降低68.49%和70.37%。