微细产品在光学、电子、医学、生物科学、通信等领域的广阔需求促使微小产品加工技术迅速发展。因微切削技术加工材料范围广泛、生产率高,加工成本低而成为微细产品的主要加工技术之一。微切削技术水平的提高必然要求深刻理解微切削加工变形机理。宏观切削理论一般假定切削过程中工件材料变形均匀,着重研究机床性能,刀具几何参数及切削速度、进给量、切削深度等切削用量对切削力、切削温度、刀具寿命、表面质量等的影响。当切削用量减小到微米级时,微切削过程出现强烈的尺度效应和犁切效应及最小切削厚度现象。以经典连续介质力学为理论基础的宏观切削理论不含表示材料特征尺度的量,不能反映微切削过程中工件材料在微观尺度下的变形行为:应变梯度塑性理论引入材料内禀特征长度,成功的解释了金属材料在微观尺度的尺度效应,然而目前它在微切削方面的应用研究并不深入。借助理论分析、实验研究和数值模拟等于段,研究正交微切削中材料微观尺度变形特性和切削厚度与切削刃口圆弧半径比及其对微切削性能如切削力、表面粗糙度和最小切削厚度的影响,探索微切削变形机理,为微切削变形的预测和控制、微切削刀具设计及微切削工艺参数优化选择提供理论依据。提出微切削圆弧第一变形区模型。设计正交微铣削实验得到切屑根部,对切屑根部试样进行镶嵌、打磨、腐蚀,获得切屑根部第一变形区的金相图,应用所得的金相图验证圆弧第一变形区模型。通过微切屑根部显微硬度实验,分析微切削圆弧第一变形区内的有效流动应力分布规律,研究第一变形区中材料的应变不均匀分布和应变梯度。用透射电镜观测切屑根部的位错分布,发现微切削中的位错密度随切削厚度的减小而增大。用扫描电镜观测切屑根部断裂区的表面微观形貌,发现微切削中的断裂形式为张开型(Ⅰ型)和滑开型(Ⅱ型)的混合型。实验结果表明:随着材料每齿进给量(即正交切削中的切削厚度)与切削刃刃口圆弧半径比的增大,切屑根部断裂特征分布逐渐变均匀;当进给量与切削刃口圆弧半径比越小时,切削过程中的材料拉伸变形越不均匀,拉伸应变梯度越大。引入基于位错密度的应变梯度塑性理论,在微切削圆弧第一变形区模型的基础上建立微切削圆弧第一变形区位错模型。将微切削过程类比于微压痕过程,基于应变梯度塑性理论表示微切削第一变形区的有效应变梯度,计算第一变形区的厚度,分析切削刃几何参数对有效应变梯度的影响。基于应变梯度塑性理论,建立考虑材料变形特性的微切削力理论模型。提出微切削力由三部分组成:犁切作用产生的犁切力、剪切作用产生的剪切力及断裂作用产生的断裂力。进行正交微切削实验,测量正交微切削力,揭示进给量(切削厚度)、切削速度、切削刃口圆弧半径对微切削力的影响规律;分析剪切角与进给量(切削厚度)与切削刃刃口圆弧半径比的变化规律并建立微切削力的经验公式。研究微切屑形态和微切屑变形系数的变化规律。基于应变梯度塑性理论确定最小切削厚度。根据包含最小切削厚度的表面粗糙度模型和提出的最小切削厚度确定方法,探求已加工表面粗糙度最小时的进给量(切削厚度)与切削刃口圆弧半径比,并根据比值提出变切削刃口圆弧半径的微切削刀具设计方案。应用应变梯度塑性理论建立微观尺度下金属材料的本构方程。进行正交窄槽微铣削实验获得微切削力及切屑厚度,应用模型逆辩识技术获得正交微切削本构方程中的材料系数。利用热-力耦合有限元法和得到的正交微切削材料本构方程,进行正交微切削过程的有限元仿真,分析微切削第一变形区应力、应变分布规律及切削厚度与切削刃口圆弧半径比对材料变形的影响规律。