超低温冷却加工能够快速降低切削区的局部高温,提高刀具寿命,改善材料的切削性能,为钛合金等难加工金属材料的高质高效加工提供了一种有效方案。切削温度是切削加工中的重要参数,同样也是超低温冷却加工的特征参数,与刀具的磨损情况、切削力、加工表面及亚表面质量等息息相关。超低温冷却加工中热量的消散主要是由液氮等超低温介质的喷射和沸腾引起的。现有切削温度研究模型大部分仅对液氮的喷射进行了简化假设,忽视了其他边界的对流换热效应和液氮沸腾对换热过程的影响。本文考虑了液氮冷源的引入使得切削区域边界及切削参数产生的变化,提出了一种用于超低温冷却加工的切削区域温度场预测的解析模型,也为超低温冷却加工中残余热应力、刀具磨损机理、加工表面质量以及加工参数优化等研究提供了理论参考。为计算各切削热源的热流密度,建立了超低温冷却条件下的切削参数预测模型,引入了平均切削温度的低温修正项。为提高运算效率和运算精度,采用遗传算法计算了钛合金材料超低温车削时的车削参数。同时,通过液氮喷射实验,通过求解逆向传热问题得到了液氮的射流冲击沸腾曲线,进而得到了表面对流换热系数的取值范围,为后续热损失源热流密度的计算做好准备。深入分析切削热的生成、传递及消散,根据液氮的实际施加方式确定了超低温冷却加工中的主要切削热源和热损失源,基于移动热源法和镜像热源模型,确定了不同热源或热损失源对切削区域温度变化的影响,考虑了对流换热边界对镜像热源热流密度的影响,同时修正了切屑-刀具界面处热源或热损失源热流密度的不均匀分布,确保界面两边在任意一点处温度相同。通过钛合金超低温冷却车削实验验证了模型的预测精度。利用热成像仪测量了切削区域表面的温度场分布,测量结果与预测结果具有相同的趋势。利用埋床热电偶测量了刀具处的温度,并与同等切削条件下相应位置的预测温度进行了对比,试验结果表明,所建立的解析模型能够较为准确地预测超低温冷却加工切削区域的温度分布,预测结果与实验结果之间的平均误差为3.3%,最大误差为6.7%。