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本文针对淬硬钢高速铣削过程中的锯齿状切屑如何形成，切削参数对切削力、切削温度以及应力-应变等特征物理量的影响，对刀具磨损严重、刀具选择缺乏理论指导等问题进行深入的理论与实验研究。以淬硬钢高速铣削加工实验为基础，更大范围地研究了淬硬钢高速铣削过程中锯齿状切屑的形成条件以及锯齿状切屑形变带与转变带的特征；采用了高速冲击压缩实验( SHPB)及材料的微观研究方法研究了淬硬钢材料在高温、高应变条件下的力学行为及微观组织等特征，构建了适合高速切削条件下材料具有高温、高应变、高应变率的“三高”流动应力材料本构模型；采用有限元法建立了淬硬钢高速铣削过程的2-D有限元模型，研究了淬硬钢高速铣削过程中第一、二、三变形区的应力场、应变场、温度场、应变率场等特征物理量进行了预测，揭示在高速切削中淬硬钢材料难加工的本质；在2-D有限元模型的基础上，拓展研究了淬硬钢3-D切削的有限元模型，分析了淬硬钢高速铣削过程中第一、二、三变形区的不均匀应力场、应变场、温度场、应变率场等特征，揭示在高速切削中淬硬钢材料的磨损与破损机理；模拟研究了淬硬钢薄壁结构件在高速铣削过程中应力-应变的变化规律，揭示了薄壁件高速铣削过程中让刀变形的本质，同时也研究了淬硬钢斜面结构件因路径引起的不均匀应力-应变、温度场变化规律，提出了高速铣削斜面结构件路径优化策略。这些研究对深入了解淬硬钢高速铣削过程，推动高速切削基础理论的发展，提高淬硬钢高速铣削技术的应用水平都具有重要意义。
本文主要研究结论如下：
(1)在淬硬钢高速铣削过程基本物理量方面，通过高速摄影与材料微观研究方法研究了淬硬钢高速铣削过程中切屑流的形成过程，带状切屑与锯齿状切屑形成条件、切屑的微观特征以及不同切削参数对切削力的影响，明确了高速铣削过程的边界条件。研究结果表明切削速度越大，切削力减小，切屑由带状切屑向形变带锯齿状及转变带锯齿状切屑转变，剪切带中心区域越窄，约2-8um，剪切带两边的组织更加细小；淬硬钢的硬度越高，切屑形态由带状转变为锯齿状的临界切削速度越低，淬硬钢硬度为62 HRC时，产生锯齿状切屑临界速度是100 m/min，切屑底部即第二变形区域呈现一条光亮的白层，约几个微米，切屑基体的平均显微硬度为732.4 HV。淬硬钢硬度为51 HRC时，形成锯齿状切屑临界速度是200 m/min，锯齿形状不明显，剪切带的显微硬度分别为573.7HV，基体的显微硬度为555.1HV。切削速度与材料的硬度是影响这一过程主要因素。
(2)在淬硬钢材料本构方程建立方面，通过高速冲击压缩实验(SHPB)首次研究了淬硬钢SKDlI在高温、高应变率以及准静态条件下的应力-应变关系，构建了淬硬钢具有高温、高应变、高应变率的材料本构模型。研究结果表明随着应变的增加，材料的流动应力迅速升高，当材料在屈服以后，进入稳态增长状态，变形结束后，迅速卸载；在温度小于600℃，应变强化效应显著，材料在屈服以后，其应力-应变曲线基本上与应变轴平行，应变强化减弱：当温度大于600℃时，流动应力会随着应变速率的增加而减小，材料的热软化效应起到了重要的作用；根据一维应力波理论与单因素迭代的方法拟合适合“三高”应力流的材料本构模型，建立了淬硬钢低温负应变率效应、高温软化效应的修正Johnson-Cook模型。与未进行修正的相比，其精度提高了102％左右。
(3)在淬硬钢材料微观研究方面，利用XRD物相分析、金相显微分析与SEM形貌分析等材料微观研究手段，首次研究了淬硬钢材料在低温、低应变率时，其表面的相组成主要有：Fe-Cr合金、Cr7C3. Fe等，且表面有众多微裂纹；高温高应变时，其表面的相组成主要有：Fe-Cr合金、FeCrO4、 Fe2O3等；在低温、高应变率的作用下，试样的表面有明显的微裂纹，这是由于材料脆性断裂的结果；在高温高应变率的作用下，试样的表面未见细小的微裂纹，而是在试样的心部发生剪切与断裂，这与高速铣削过程中切削速度为300m/min的绝缘剪切行为相类似，进一步证实了淬硬钢材料具有低温负应变率效应、高温软化效应的特性。
(4)在淬硬钢高速铣削过程2-D数值模拟方面，采用有限元法首次研究了淬硬钢在不同切削速度下的切屑形成过程、应力.应变分布以及温度的梯度分布情况，并对材料硬度、不同切削参数、摩擦系数、刀具前角对第一、二、三变形区的应力。应变、应变率以及温度场进行预测，揭示了高速切削中淬硬钢材料难加工的本质。研究结果表明材料的硬度越高，材料在切削区域内的有效应力越大，应变减小，变形越困难，切削温度越高。对HRC62淬硬钢，其最大的等效应力为3670MPa，等效应变达3.76，切削温度达1207℃；切削的速度越高，应力-应变的等值线越密，拉应力增大，切削温度升高，约为1230℃：摩擦系数增大时，剪切区内应力越大，变形越明显，应力-应变的等值线越密，切削温度明显的增加；刀具前角增大，剪切区应力-应变的等值线变得稀疏，拉应力增大，切屑的分离趋势增强，淬硬钢材料的变形不明显，切削温度减小。
(5)在淬硬钢高速铣削过程3-D数值模拟方面，在2-D有限元模型的基础上，拓展研究了淬硬钢3-D切削的有限元模型，对高速铣削过程切屑的形成、应力-应变、应变率以及热-力耦合的温度场进行相关预测，揭示了高速切削中淬硬钢材料刀具磨损与破损的本质。研究结果表明淬硬钢材料的硬度越高，发生破坏的变形越困难，在切削区域内应力、应变及切削温度均增大。在剪切区内有效应力的等值线相对较密，其最大值为3380MPa，最大有效应变率为8.99×105s-1，切削温度为1163℃。在第二形区应变等值线较密，最大有效应力在2900-3380MPa内波动，对刀刃冲击较大，磨损严重。
(6)在典型薄壁结构件与斜面结构件数值模拟与实验研究方面，综合运用全文的研究结果，针对典型的薄壁结构件与斜面结构件的特点，首次制定与优选了薄壁件与斜面结构件高速铣削过程数值模拟加工变形与路径优化的策略。并对一个典型的45°斜面结构件四种不同走刀方式进行仿真与实验。成功地实现了45°斜面结构件四种不同走刀方式的优选，确立了水平向上走刀方式的铣削路径，其结果表明：铣削力最小，实验值为17.2N，模拟值19.8N，误差为15.2％；切削温度最低，约为250℃。