金属切削过程是典型的热力耦合非线性问题。切削力、切削温度、刀具磨损和残余应力是反映金属切削过程特性的主要物理性能指标。金属切削过程影响因素较多,导致其研究涉及的学科门类较多,传统的解析法和实验法在某些方面存在很大的局限性。首先,本文基于金属切削理论、有限元理论、材料本构关系理论和大变形理论建立了金属切削的热-弹塑性和热-刚塑性有限元模型,并研究了建模过程中所涉及的自适应网格重划分、刀-屑动态接触与摩擦、切屑分离与损伤软化等关键问题。将切削力仿真结果与试验结果进行比较从而验证了仿真结果的可靠性。基于有限元仿真,研究了应力场、应变场、温度场的分布;揭示了刀具磨损区域与刀具高温区域的深度重叠现象并分析了切削用量、摩擦系数和刀具涂层对二者的影响规律;重点分析了切削速度、进给量、工件材料硬度和走刀方式对工件已加工表面残余应力的影响规律;对锋刃、负倒棱刃和倒圆刃三种不同的刃区剖面型式进行了比较研究;分析了刀具前角对切削力、切削温度和剪切角的影响。其次,以刀具前角、后角和切削刃倒圆半径为试验因素,以切削力和刀具平均等效应力为试验指标,按照外切中心组合试验设计方案进行切削过程有限元仿真。利用MATLAB中的RSTOOL函数和仿真实验数据,建立基于响应面法的回归模型,通过目标规划法和序列二次规划法对上述回归模型进行优化求解,得到优化后的刀具几何参数。最后,针对切削用量优化的实际问题,建立了基于最小切削力、最低切削温度、最长刀具寿命、最大材料去除率、最小表面粗糙度和最小切削功率的多目标优化模型。利用MATLAB中基于遗传算法的多目标优化函数gamultiobj对优化模型进行求解,得到优化问题的Pareto最优解集,再按照具体的工艺要求从中选择合适的切削用量,从而为实际生产中的工艺规划和设计提供理论指导。