超低温冷却加工是改善难加工材料切削加工性能的一种有效途径,具有抑制刀具磨损、提高加工效率、改善工件表面质量和绿色环保等优点。其冷却介质的施加方式中,内喷式冷却因冷却效果好,浪费小等优势成为了超低温冷却加工的发展趋势。因此,内喷式冷却相关设备的研制成为了超低温冷却加工技术进一步发展的关键。液氮作为超低温冷却加工中应用最广泛的冷却介质,具有沸点低、易汽化等特点,对相关设备的隔热和密封提出了更高的要求。本文为研制超低温冷却加工中的液氮内喷式刀柄装置,对刀柄的结构设计和多场耦合仿真进行了探索性研究。针对液氮的高速回转轴动密封及隔热问题,设计了液氮内喷式刀柄结构,通过仿真校核了刀柄的强度和静刚度,实现了液氮内喷式冷却在无内冷功能机床上的集成功能。分析了刀柄内部和刀柄与外界环境的能量流动过程,建立了刀柄工况下的稳态温度场模型。基于Palmgren轴承摩擦生热模型,计算了刀柄中热源的热生成量;基于对热传导、热对流以及热辐射三种传热方式的分析,讨论了刀柄温度场的影响因素,为刀柄的有限元仿真提供了合理的热边界条件。采用有限元仿真软件ANSYS Workbench,分析了刀柄工况下的稳态温度场和变形场。建立了刀柄的热流固多场耦合仿真模型;通过分析无隔热条件和不同隔热层厚度的温度场和变形场,指导隔热结构设计并验证了隔热效果。通过实验验证了刀柄的隔热密封性能与切削性能。基于田口实验方法设计了的TC4钛合金的正交切削实验,验证了刀柄的使用性能和液氮内喷式冷却对钛合金加工的优化作用。本文研制了一种用于液氮内喷式超低温冷却加工的刀柄装置,通过该装置能在普通机床上实现难加工材料的内喷式超低温铣削加工功能。