硬质合金以其强度、硬度高及耐磨性好等优良的物理力学性能而广泛应用于航空航天、国防军工、仪器仪表等领域。但因其脆性高、断裂韧性低等导致切削过程中切削力大、切削温度高、刀具磨损严重,这已成为严重制约难加工材料高效精密切削技术发展的关键问题。本文采用激光超声复合切削加工方法,以硬质合金的激光超声复合切削过程为主要研究对象,以超硬刀具的磨损特性和磨损机理为主线,采用理论分析、有限元仿真和切削试验相结合的方法,对硬质合金激光超声复合切削过程中的超硬刀具磨损机理及刀具磨损状态识别与预测进行了理论与试验研究。通过研究激光超声复合切削加工原理,建立了激光超声复合切削硬质合金条件下的切削力模型,结合正交试验获得了硬质合金激光超声复合切削过程中切削力最小时的最佳切削参数,并通过常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削硬质合金的对比试验,研究了硬质合金切削过程中的切削力特性。建立了激光超声复合切削硬质合金的温度场解析模型,通过激光超声复合切削条件下的硬质合金工件材料温度场有限元模型,仿真分析了激光超声复合切削硬质合金过程中工件表面温度场及工件材料内部温度场的分布,并通过切削温度试验研究了激光超声复合切削过程中切削参数对切削温度的影响规律,验证了温度场解析模型和有限元模型的正确性。建立了激光超声复合切削硬质合金时的刀具后刀面磨损模型,研究了在常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削4种切削方式下切削硬质合金时的刀具耐用度和刀具磨损情况,分析了切削方式、刀具材料、工件材料及切削参数对刀具磨损特性的影响,研究了刀具磨损对切削力、切削温度及工件表面质量的影响规律。通过超景深显微镜、扫描电镜和能谱分析对硬质合金常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削过程中刀具的磨损形态和磨损形貌进行观测与对比分析,揭示激光超声复合切削硬质合金时CBN刀具和PCD刀具的磨损机理。基于硬质合金切削过程中的声发射信号,构建了激光超声复合切削硬质合金过程中的刀具磨损状态监测系统,采用小波包变换的方法将刀具磨损声发射信号进行分解重构,提取出了刀具不同磨损状态下的能量特征,并通过构造BP神经网络对能量特征向量进行网络训练和测试,从而实现激光超声复合切削硬质合金过程中刀具磨损状态的模式识别。基于灰色-马尔可夫理论,建立了能够反映激光超声复合切削硬质合金过程中刀具状态的刀具磨损预测模型,并将其预测结果和基于BP神经网络的时间序列预测结果进行对比分析。结果表明,基于灰色预测模型、灰色-马尔可夫预测模型以及BP神经网络的时间序列预测模型的刀具后刀面磨损量预测结果与试验结果基本一致,能够对下一时刻的刀具磨损状态做出准确地判定;另外,与灰色模型和基于BP神经网络的时间序列模型相比,灰色-马尔可夫模型的归一化预测相对误差分别减少74%和28.1%,预测精度大大提高,从而验证了灰色-马尔可夫模型构建的合理性与准确性。