钛合金在航空航天领域有着广泛的应用。然而,由于钛合金导热系数低、高温化学活性高和弹性模量小等特点,钛合金又是典型的难加工材料。在钛合金切削过程中,较高的切削温度通常会加速刀具的磨损甚至破损。针对Ti-6Al-4V钛合金的高速铣削加工,本课题拟通过试验和仿真相结合的方式,对钛合金铣削过程中热-机械作用下硬质合金刀具的宏-微观失效形式和失效机理进行研究。针对铣削试验中的硬质合金刀具材料,通过选取WC晶粒长、短轴尺寸、晶粒转角及形心X、Y坐标等特征参数,对比了不同概率密度函数对特征参数的拟合精度。通过伽马概率密度函数拟合,实现了对刀具微观几何特征的重构。依据硬质合金主要结构理论,分别建立了薄膜结构和骨架结构两种简化模型,并对比了简化模型和随机模型在稳态热传导和静态机械载荷作用下的响应特性。基于自动球压痕试验建立并验证了Ti-6Al-4 V钛合金工件材料的本构参数,通过正交切削试验得到了不同速度、不同切深下的切屑形貌及切削力,基于正交切削试验建立了切削仿真模型,并研究了损伤演化参数对仿真切屑形貌、切削力及切削温度的影响。通过对锯齿切屑形成过程中剪切带单元的特征参数(Mises应力,等效塑性应变PEEQ,塑性耗散能,温度及刚度损伤当量SDEG等)进行提取,研究了损伤演化参数对锯齿切屑形成的影响机理。提出了基于试验切削力和切屑特征参数来确定材料失效过程损伤演化断裂能的方法,并通过对比不同切削速度下的切削力及切屑形貌验证了该方法的合理性。通过钛合金正交铣削试验,研究了不同切削参数下刀具宏-微观失效形式,发现低速时,主要以后刀面粘结磨损为主,高速时前刀面出现涂层剥落、微裂纹扩展及崩刃,并且微裂纹扩展方向垂直于刀具切削刃,为典型的“梳状裂纹”。通过对失效刀具横截面金相分析,发现在切削初期,刀具刃口附近涂层首先出现磨损,随后热-化学作用导致基体材料中钴元素扩散流失,引入含有大量“孔洞”的“贫钴区”,并在前刀面的“贫钴区”发现了初始微观裂纹的萌生。随着切削速度的提高,一方面大量的切削热加速了基体材料中钴元素向工件材料中扩散,从而使基体材料中“孔洞”增多,导致基体材料发生裂纹萌生和扩展机率增大,另一方面随着粘结相钴元素的扩散,材料的强度降低,加速了刀具材料的磨粒磨损。结合正交铣削试验,借助切削仿真,分析了切削阶段刀具空间位置(前刀面、后刀面、刃口)应力状态随时间的变化规律。通过热-机械动态解耦,对切削阶段和空切阶段刀具热应力和机械应力进行了分析。通过对切削过程中流入刀具内热流的提取,发现切削热主要通过热传导的方式从前刀面流入刀具,且切削过程中刀具空间热流处于稳定状态,因此提出了“等效热流法”来模拟多时间尺度下刀具空间温度及热应力。通过设定不同的切-空比,研究了断续切削多时间尺度下,切削速度及切-空比对刀具温度及热应力演变规律的影响。基于对硬质合金刀具材料的微观结构建模,通过分别定义微观材料属性实现了对刀具宏观塑性行为的模拟,发现在考虑刀具塑性行为时,切削阶段刀具刃口材料在切削热应力作用下发生屈服并出现塑性变形,导致刀具在空切阶段出现拉应力,且拉应力的方向与切削试验中导致热裂纹扩展的方向一致。针对断续切削过程,研究了硬质合金刀具材料在动态循环热-机械冲击载荷作用下的微观应力、应变。发现刀具材料在经历循环拉伸载荷后,Co相出现明显的塑性变形,导致两相交界处出现应力集中,且卸载后Co相内出现明显的拉应力,而WC相内应力较小且以压应力为主,循环压缩载荷作用后应力状态与之相反。刀具材料在循环热冲击作用后,Co相以压应力为主,WC相以拉应力为主。综上,本研究基于试验及仿真分析,认为钛合金铣削过程中,硬质合金刀具主要失效形式包括：涂层剥落、磨损及裂纹扩展导致的破损。失效过程中钴扩散引入大量的初始裂纹。循环热-机械载荷作用下,材料微观非均质导致的各相微观应力差异增大了微观裂纹扩展的机率。基于应力分析发现,切削阶段由机械主导的垂直于主切削刃方向的拉应力是导致刀具前刀面机械裂纹扩展的主要原因,而由切削热主导的平行于主切削刃方向的拉应力是导致“梳状”热裂纹扩展的主要原因。