高速切削技术是近年来迅速发展的一种高效的先进制造技术,在淬硬钢等难加工材料的精密加工方面具有独特的优势。高速干硬切削可以获得较高的尺寸精度,但是,加工表面产生的白层和残余应力对零件的使用性能和使用寿命有很大影响,成为制约高速干硬切削发展与推广的重要因素。因此,对高速干硬切削加工表面白层和残余应力的形成机理及建模预测进行系统地研究,具有重要的理论意义与应用价值。本文以GCr15淬硬钢(HRC62)为研究对象,建立了高速切削有限元模型,研究了高速干硬切削加工表面白层的形成机理,建立了基于形成机理的表面白层厚度的预测模型,基于热-弹塑性有限元理论预测了加工表面残余应力的分布。为研究切削机理、优化切削参数提供理论依据,也为高速干硬切削技术的推广提供技术支持。论文运用有限元软件ABAQUSTM建立了高速切削GCr15淬硬钢有限元模型,并进行了动态模拟,通过切削力和切屑形态的模拟结果与实验值对比,验证了模型的可行性。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和电子探针(EPMA)等材料微观分析手段,研究了高速切削加工表面白层的形成机理。微观分析表明,白层的微观组织中包含隐晶马氏体、残余奥氏体和碳化物,这是由于加工表面材料发生快速二次淬火导致的。基于材料学和热力学基本理论,对高速切削中合金元素、应力、应变等因素耦合影响下的奥氏体相变温度进行了理论推导。结果表明,在上述多因素的耦合影响下,高速切削中实际相变温度低于名义相变温度。根据计算出的高速切削中的奥氏体相变温度和有限元模拟结果,建立了基于形成机理的白层厚度的预测模型,并对切削参数对白层厚度的影响规律进行了系统地研究。结果显示,随着切削速度的增加,白层厚度先增大,然后略微减少,最后趋于平缓；切削厚度和后刀面磨损的增加都会使白层厚度增加；负倒棱长度在小于切削厚度范围内增加时会增大白层厚度,负倒棱长度大于切削厚度时,白层厚度不再随其变化。最后,基于热-弹塑性理论分析了高速切削中残余应力的形成机理,利用有限元软件ABAQUSTM,建立了残余应力分布的预测模型。该预测模型利用动态分析与静态分析、显式分析与隐式分析相结合的方法,解决了显式分析法计算残余应力耗时过长的问题。最后,对切削速度、后刀面磨损和切削深度对残余应力分布的影响规律进行了分析。