各类高强度、高硬度、高塑性的金属材料,在航空、航天、军工等领域应用广泛,且应用中对加工精度的要求越来越高;但这些金属材料的切削加工性能较差,属于典型的难加工材料。大气压冷等离子体射流通过改善切削区冷却润滑环境,可有效降低切削力,提高刀具寿命和表面质量。但现有研究中,冷等离子体射流对切削界面浸润性的调控效率较低;另外,目前尚未揭示冷等离子体射流对切削区刀-工材料的作用机理,导致难以确定应用于辅助加工时工件材料、切削用量的适用范围,影响了冷等离子体射流辅助加工的推广与应用;同时冷等离子体射流与不同冷却介质耦合时对加工过程的影响尚未可知。针对上述问题,在分析大气压冷等离子体射流产生原理及方法的基础上,研制了可对金属材料表面高效、低损伤亲水性改性的新型冷等离子体射流;通过对多种金属材料开展亲水性改性试验、冷却试验、拉伸试验、单颗粒划痕试验,揭示了射流对切削界面冷却特性和断裂力学特性的作用机理及影响规律;开展了冷等离子体射流、微量润滑（Minimum Quantity Lubrication,MQL）冷却介质复合作用下微细切削TC4钛合金、Inconel 718镍基高温合金、纯铁等难加工金属材料的试验研究。论文的主要工作如下:（1）为快速提高切削区金属表面的浸润性,提出采用鼓泡器润湿工作气体,将被润湿的含水气体和干燥气体混合,研制了改性效率高、均匀、稳定的大气压裸电极放电混水氮冷等离子体射流。研究发现,在工作气体中混入水,可有效提高冷等离子体射流对金属表面的亲水性改性效率。工作气体含水量为0.045%时,混水冷等离子体射流可在10 s内实现对多种金属表面的超亲水改性,所需时间相比未混水的纯氮冷等离子体射流缩短90%以上,且对表面结构无明显损伤,可作用于切削区快速提高金属表面浸润性。（2）为研究混水冷等离子体射流对切削区冷却环境的作用机理,采用混水冷等离子体射流处理TC4钛合金、纯铁等金属材料,研究了混水冷等离子体射流对表面浸润性、表面形貌、化学成分、冷却效率的作用机理和影响规律。试验结果表明,混水冷等离子体射流通过改变金属材料表面化学成分,提高表面能,将表面快速改性至超亲水。改性所得超亲水表面放置在空气中时,可在6h内逐渐恢复至原有润湿性;放置在水中时,超亲水性可长久保持。混水冷等离子体射流的亲水性改性作用可促进冷却介质浸润切削区,从而大幅提高高温下金属表面冷却介质的冷却效率,改善切削区冷却环境。（3）为研究混水冷等离子体射流对切削界面断裂力学特性的作用机理和影响规律,分别在空气、氮气、混水冷等离子体射流气氛下对多种金属材料开展了拉伸试验及单颗粒划痕试验。结果表明,混水冷等离子体射流可在密排六方晶格的TC4钛合金表面生成厚度为1 μm～2 μm的变质层。变质层内有较多位错缠结、位错胞、亚晶粒等亚结构,位错运动会受到亚结构阻碍,导致裂纹更易在变质层内形核,从而降低材料的表面塑性及断裂韧性。对于0.1 mm厚的TC4钛合金、纯钛样片,混水冷等离子体射流作用下材料的断后伸长率显著降低,样片在射流处理区域发生断裂。随着样片厚度的增加,混水冷等离子体射流对材料拉伸过程的作用效果逐渐减弱。另外,混水冷等离子体射流可促进TC4钛合金单颗粒划痕过程中材料表面的脆性断裂,所得划痕表面裂纹相比普通划痕明显更多。但对于晶格类型为体心立方晶格或面心立方晶格的纯铁、Incone1718镍基高温合金等材料,经混水冷等离子体射流处理后,未在材料表面观测到明显的变质层。因此,在混水冷等离子体射流作用下,材料表面塑性及断裂韧性变化不大,拉伸样片在标距内随机位置断裂,单颗粒划痕所得表面形貌与普通划痕相比无明显差别。（4）为研究混水冷等离子体射流对难加工金属材料微细、精密加工过程的作用效果,在空气、氮气、混水冷等离子体射流、MQL冷却介质、混水冷等离子体射流+MQL冷却介质等不同冷却润滑环境下,对TC4钛合金、Inconel718镍基高温合金、纯铁等材料开展微铣削试验,研究了混水冷等离子体射流对切削力、表面质量及刀具磨损的影响。试验结果表明,混水冷等离子体射流可有效调控难加工金属材料的微细、精密加工过程。对于TC4钛合金,混水冷等离子体射流通过降低材料表面塑性、断裂韧性,可显著降低切削力,减轻表面刀痕,提高表面质量。随着切深增加,仅采用混水冷等离子体射流对TC4钛合金切削过程的作用效果逐渐减弱;但当切削区存在MQL冷却介质时,混水冷等离子体射流的亲水性改性效果可促进冷却介质浸润切削区,从而有效提高表面质量,缓解刀具磨损。当切深为30 μm时,混水冷等离子体射流+MQL辅助微铣削所得表面粗糙度Ra相比干式微铣削、MQL辅助微铣削可分别降低约50.3%和30.2%;相比干式微铣削,刀具的有效切削距离可延长5倍以上。对于Incone1718镍基高温合金及纯铁,由于混水冷等离子体射流对材料力学性能无明显影响,仅使用混水冷等离子体射流对微铣削过程的作用效果较为有限。但混水冷等离子体射流可促进MQL冷却介质浸润切削区域,其复合作用仍可改善材料切削加工性能,降低切削力,所得表面质量相比干式微铣削及MQL辅助微铣削均有明显提升,刀具的有效切削距离可延长2倍以上。