随着现代加工技术的发展,叶片作为自由曲面典型难加工零件的代表,其加工的表面质量和精度,体现了一个国家的工业发展水平。在自由曲面的加工过程中,五轴等多轴数控机床表现出优异的性能,因此数控铣削成为加工自由曲面的优先选择。在本课题的研究过程中,以硬质合金四刃倒角立铣刀为研究对象,铣刀的设计、磨制和检测、铣刀切削性能为主要研究内容,通过单因素试验法和正交试验法,高速铣削AISI4340合金钢,探究刀具的结构参数和铣削参数对切削性能的影响,从而完善刀具的设计理论。本课题的具体研究内容如下:1)四刃倒角立铣刀的建模、磨制以及关键结构参数的检测。依据铣刀的设计原理,设计刀具的结构参数,针对立铣刀的关键部位,切削刃与倒角后刀面,建立倒角刃的刃磨数学模型,使用ANCA FX7五轴数控磨床的NUMROTO磨削软件,对四刃倒角立铣刀进行磨制工艺分析及磨制仿真,使用ZOLLER Smar Tcheck 450刀检仪,对磨制的四刃倒角立铣刀进行关键结构参数检测,检测结果显示:立铣刀结构表面完整性良好,不存在裂纹、崩刃和刃口缺口现象,且刀具的几何角度误差在±0.5°之内,尺寸精度误差在±0.025mm之内,依据刀具设计理论,磨制误差在合理区间,符合加工条件要求;2)基于Deform-3D建立AISI4340合金钢铣削仿真模型以及二维等效铣削模型。依据NX12.0强大的建模性能,建立了等螺旋角的四刃倒角立铣刀,根据铣刀铣削刃的运动原理与方式,建立了基于次摆线的工件几何模型;依据Deform-3D软件建模工作流程,建立AISI4340合金钢铣削仿真模型,为了提高铣削仿真效率,依据等效均匀铣削厚度模型,同时建立了二维等效铣削模型;3)基于Deform-3D的有限元仿真铣削性能分析。基于有限元仿真软件Deform-3D,设计单因素仿真实验,研究刀具的结构参数和铣削工艺参数对铣削性能的影响,分析了不同铣削条件下对刀具磨损的影响;设计4因素3水平正交实验,利用极差分析法和方差分析法,建立刀具的铣削力、铣削温度预测模型,对该模型进行加权分析,建立其耦合预测模型,并通过遗传算法,对该模型进行多目标函数优化,得出结论:当以最小铣削力、铣削热为评价标准时,最优组合切削速度v为300m/min,刀具前角γ为11°,刀具后角α为7°,刀具钝圆半径r=0.15mm;4)切削力试验分析。为验证Deform-3D有限元仿真模型的正确性,搭建试验平台,对上述设计的单因素仿真实验进行实际加工,将仿真值与试验值进行对比分析,验证有限元铣削模型的精度;以铣刀的径向前角、径向后角和螺旋角为研究对象,设计正交试验。研究发现:当铣刀的径向前角γ=9°、径向后角α=13°和螺旋角β=35°时,铣削力最小,且铣削力仿真值总是小于试验值,其最大误差为10.77%。研究成果表明,铣刀的径向前角、径向后角、螺旋角、铣刀齿数等结构参数和每齿进给量、主轴转速、轴向切深、径向切深等铣削工艺参数以及刀具的磨损,对刀具的切削性能和加工效率具有重要影响,针对不同的加工零件,设计专用的切削刀具,可以提高零件的加工质量和效率,从而为专用精加工叶片铣刀刀具的设计提供理论指导。