钛合金具有低密度、高比强度、高热强度等特性,广泛应用于航天领域。由于钛合金变形系数小、导热系数小及化学活性大,导致钛合金切削过程中局部温度过高,材料疲劳强度降低,发生工件变形及黏结现象,属难加工材料。为改善钛合金加工中出现的上述问题,提高钛合金加工效率并减少刀具磨损,本研究引入超声振动切削,实现刀具与工件的周期性接触与分离,降低切削温度和切削力,并在一定程度上削弱钛合金加工过程中的黏结现象抑制积屑瘤的形成,提高已加工表面质量。首先,介绍超声振动金属切削的基本理论,包括超声振动切削机理、分类和运动学特点。阐述了有限元分析的思想和求解步骤,并根据实际加工情况选择材料模型、热传导模型、摩擦模型、分离准则和材料断裂准则。其次,应用拉格朗日—欧拉有限元方法(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)建立钛合金切削二维仿真模型,开展超声振动条件下金属切削仿真研究,选定Johnson-Cook材料本构模型、修正的库伦摩擦模型及物理—几何分离准则进行仿真模拟,探讨切削速度及背吃刀量对切削区切削力、应力场、应变场和温度场的影响规律,并通过实验进行验证。结果表明,在中速阶段,刀尖前部会出现积屑瘤,随着速度的提高,切削力会随着积屑瘤的产生和消失而减小和增大;高速阶段随着速度增大,切削力逐渐减小。切削力随背吃刀量的增加呈现增大趋势。切削温度随切削速度和背吃刀量的增加而升高,切削速度对温度的影响较背吃刀量的影响显著。最后,开展钛合金单向和椭圆超声振动切削的仿真,并与普通切削进行对比研究。结果表明,超声振动切削较普通切削在减小切削力和应力、降低切削温度及抑制积屑瘤形成方面具有明显优势,并随着振幅和频率的增大,切削力和切削温度进一步降低。因此,超声振动对提高已加工表面质量,延长刀具使用寿命及改善系统稳定性等方面有积极的作用,而椭圆超声振动切削相对于单向超声振动切削优势更为明显。