高速切削加工是一个伴随着高温、高压、高应变率的塑性大变形过程,属于典型的热力耦合问题。零件加工是对材料表面和近表面特性的改变过程,该过程中最关心的不是整体材料特性,而是材料近表面(或亚表面)的响应特性。在精密切削中,由于切削层厚度薄,刀具刃口钝圆半径、刀-屑间粗糙面接触对切削特性有很大影响,这也直接影响着刀具使用寿命及工件已加工表面质量。本文在不预设切削分离层、考虑精密切削刀具刃口钝圆、材料弹塑性变形、热力耦合等基础上,建立淬硬轴承钢GCr15高速精密切削二维及三维模型,并通过建立具有限制前刀面长度功能的刀具模型,综合分析了刀具刃口钝圆、前角、前刀面长度对切削中的切屑形态、切削力、切削温度、能量耗散等的影响。同时结合相关文献及实验所得工件和刀具表面粗糙度数据,运用W-M分形函数,分别建立只考虑刀具前刀面粗糙和工件上表面粗糙的高速切削热力模型,进一步从微观热动力学和能量角度动态分析了切削过程中刀-屑粗糙表面间的摩擦接触特性。结果表明:在高速切削下,无论刀具刃口钝圆与否,所得切屑均为锯齿状,但钝圆刀具的切屑卷曲更严重,其对应的已加工工件表层应力平均值较大。切屑形态、应和温度分布、能量耗散等与刀具前角和前刀面长度密切相关,所得切屑形态与相关文献中实验结果吻合。随刀具前角增大,切屑可能侵入工件,在实际切削加工中表现为切屑与工件表面间的挤压滑移,对于淬硬性材料,切屑挤压到一定程度会崩断弹开,因此对于前角较大刀具必须合理设计断屑槽。当前刀面长度小于切深时,刀具表层“热点”出现在前刀面与倒棱的转角处;反之,刀具表层最高温度则出现在距刃口一定距离的前刀面上。相比于理想平面刀具,由于实际粗糙刀具前刀面随机微凸体的存在,切屑卷曲程度更大,前刀面产生更多局部“热点”,表面温度波动更为激烈,局部高应力点分布更广数值也更大,这种局部高热应力点极易造成刀具表面的磨损,降低刀具使用寿命。相比于理想平面工件,工件上表面微凸体使得切屑形成速率增加,导致切削层的应变速率和最高温度增加,切屑内部剪切失稳加重,在高速切削下切屑断裂成片状,且断裂处都处于分形粗糙面的谷底。研究结果对刀具设计及提高已加工表面质量具有一定理论意义,为深入了解工件粗糙面与切屑断裂的微观热动力学机制,探讨刀-屑粗糙面间摩擦磨损及切削本质现象奠定了良好的基础。