微型化是航空航天、机械电子等领域的重要发展趋势,晶体材料是主要的结构与功能材料,而微铣削是制造晶体材料复杂微构件的关键技术之一。由于刀具刃口、切削用量以及晶粒尺寸处于同一数量级,且工件材料具有显著的微结构不均匀性和力学性能各向异性,导致晶体材料微切削过程中产生“切削刃尺寸效应”和“微结构效应”,使得材料变形行为和切削性能难以预测,造成这类材料构件加工效率低、精度差,严重限制了其广泛应用。现有研究大多关注微铣削工艺特性,缺乏晶体材料特性对微铣削性能影响机制的探讨;而已有的晶粒尺度微切削材料变形行为研究对微结构分布规律和切削过程应变率不均匀性考虑不足,所使用的仿真模型与实际工况仍有较大差距。因此,亟需开展微观尺度下的晶体材料微铣削去除机理及切削性能优化研究。本文以航空发动机核心热端部件常用的镍基高温合金Inconel-718为例,通过理论分析、有限元仿真、微切削试验以及显微观测等手段开展晶体材料微铣削的晶粒尺度仿真及切削性能优化研究,重点关注贴近工件实际的晶粒尺度微结构建模方法、符合工况实际的晶体材料微切削本构模型、晶粒尺度材料去除机理以及基于晶粒尺度仿真的微铣削性能预测与优化。主要研究内容包括:考虑构件几何要素的晶体材料微结构伪随机建模方法、考虑应变率效应的晶粒尺度微切削仿真模型、晶粒尺度下的材料去除机理以及基于晶粒尺度直角微切削仿真的晶体材料微铣削性能预测与优化。通过本文研究,以期为高性能Inconel-718微构件的高效低耗微铣削加工奠定基础,为晶粒尺度微切削材料去除机理的揭示和晶体材料微铣削技术的深入推广提供方案。首先,提出考虑微构件几何要素的晶体材料微结构伪随机建模方法,根据晶体材料的真实晶粒尺度微结构信息和构件几何要素快速准确地生成任意外形微构件的晶粒尺度微结构模型。以Inconel-718棒状微拉伸试样为例,采集材料三个侧面的微结构数据并进行统计分析与整合,得到材料整体的三维晶粒尺寸、取向以及取向差分布;基于晶粒尺寸分布和构件几何外形生成构件的晶粒尺度微结构几何模型;基于晶粒取向分布生成晶粒取向序列并基于取向差分布进行取向赋予;以微柱压缩、微板折弯以及微叶轮旋转作为微测试、微制造以及微型零件服役仿真案例,论证在晶粒尺度仿真中考虑构件几何要素的必要性,并探讨所提方法的适用性。其次,开发应变率相关的晶粒尺度微切削本构模型,建立考虑应变率效应的晶粒尺度微切削仿真模型,模拟微切削过程中的应变率变化以及因此而导致的材料性能演化。探究0.05 s-1～9000 s-1应变率范围内Inconel-718的力学性能变化规律;开发能够实时计算应变率并根据应变率自适应地调整材料本构参数的晶粒尺度微切削本构模型,建立考虑应变率效应的晶体材料直角微切削有限元仿真模型;利用拉伸和直角微切削试验验证所开发伪随机微结构建模方法和考虑应变率效应的晶粒尺度微切削仿真模型的准确性和鲁棒性。然后,基于所开发的晶体材料微结构建模方法和晶粒尺度微切削仿真模型开展单晶、双晶以及多晶直角微切削仿真,揭示工艺参数、刀具参数以及晶粒尺度微结构对晶体材料微切削过程中材料变形行为和微切削性能的影响机制。结果表明,未变形切屑厚度直接影响材料去除模式,最小切削厚度是刀具刃口半径的0.6～0.8倍;切削速度主要通过影响应变率而影响材料变形行为;刀具前角影响材料去除模式,而刀具后角对材料变形行为的影响较小;晶粒取向影响微切削过程中所激活的滑移系和滑移程度,从而引起不同的材料变形行为;晶界对微切削材料行为的影响可分为晶界存在本身带来的跨晶界材料响应和晶界差异导致的响应差异,晶界角、晶界面姿态角、主滑移系数量差以及主滑移系Schmid因子差均对微切削性能有显著影响;晶粒尺寸影响切削影响区域的晶粒与晶界数量,进行影响微切削性能。最后,综合考虑微铣削工艺特性、晶体材料微结构不均匀性以及晶粒尺度力学性能各向异性,建立基于晶粒尺度直角微切削仿真的晶体材料微铣削性能预测模型,并结合晶粒尺度材料去除机理,从工艺参数优选、刀具角度优选、工件姿态优选以及晶粒尺寸优化四个方面递进式开展Inconel-718微铣削性能优化,以法向微铣削力Fz增加12.5%为代价实现表面粗糙度降低75.4%、材料去除率提高700%、进给方向微铣削力Fx减小37.7%的优化效果。