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AISI 4340钢被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域,但它是一种典型的难切削材料,存在加工质量不稳定、加工效率慢、加工成本高的问题。为响应《中国制造2025》中“以提质增效为中心”及“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针,本文选用了具有保证加工质量、提高加工效率、降低能耗污染等优点的高速干铣削加工方式对AISI 4340进行试验,以实现其保质高效低成本加工。为了达到研究目标,率先采用控制变量法,通过切屑形貌、切削力、切削温度和刀具磨损机理分析,优选高性能的涂层刀具。基于分形和多重分形理论,分析加工表面分形特征和多重分形特征,将加工表面图像分形维数和多重分形谱引入加工表面切削参数优化,并通过响应曲面法获取最佳切削参数以实现稳定的加工表面质量。然后通过Gilbert方法完成高速铣削4340钢的加工成本分析,并进行加工效率对比。最终实现了AISI 4340钢的保质高效低成本加工。首先,通过ABAQUS软件进行高速铣削过程三维有限元仿真,研究了铣削速度对切削力、应力场、温度场的影响,揭示了高速铣削过程中切削力和切削温度的实时变化规律。结果表明,含有Ti Al N成分的涂层硬质合金刀具可用于AISI 4340钢的高速切削,最佳的切削速度范围为v_c=280～440 m/min,切屑呈明显的锯齿状,切削力和切削温度均随铣削速度的增加而增大,并总结了应力大小与工件网格变形程度的关系和涂层刀具温度场的分布情况。其次,进行了AISI 4340钢的高速干铣削试验。从切屑形貌、切削力、切削温度和刀具磨损4个方面评价了涂层刀具的切削性能,优选出高速铣削AISI 4340钢的涂层刀具是Ti N/Ti CN/Ti Al N多涂层刀具。然后,基于分形和多重分形理论,研究了加工表面的分形特征和多重分形特征,构建了加工表面二维和三维形貌的分形表征和多重分形表征。结果发现,表面缺陷会增大加工表面的二维形貌分形维数,且表面凹坑会增大加工表面的二维形貌多重分形谱谱宽差和谱高差。通过分析加工表面三维形貌的多重分形特征得知,加工表面以波谷特征为主。此外,建立残余应力与切削参数之间的广义泰勒公式可以预测残余应力,同时引入加工表面二维形貌分形维数可以提高预测精度。最后,通过响应曲面法,以加工表面粗糙度为优化目标,以加工表面分形和多重分形特征作为辅助响应实现了切削参数优化。并借助Gilbert方法进行了加工成本分析,同时进行加工效率对比。最终获得了高效率低成本的优化切削参数组合:v_c=408.35 m/min、f_z=0.02 mm/z、a_p=0.2 mm、a_e=2 mm。