难加工材料在兵器、车辆、航空和航天等领域有着广泛的应用背景。难加工材料切削过程中,曲线车削和曲线端铣是常见的加工工艺,由于工件轮廓曲线曲率的变化,切削力在切削过程中变化起伏不定甚至产生突变。为避免刀具和工件受到突变切削载荷冲击,实际加工过程中切削用量选择趋于保守,使得能耗过大、加工成本偏高,成为制约难加工材料切削技术发展的瓶颈。本文建立了曲线车削和曲线端铣过程中的切削力模型,研究切削力变化规律,对切削参数进行了优化试验与分析,设计和实现了难加工材料曲线切削数据库系统,主要包括以下内容:(1)面向曲线车削加工过程的切削力建模技术研究与分析。基于等效切削刃概念,建立了考虑刀尖圆弧刃影响的切削力模型。在不同切削深度下,分析刀具-工件几何接触区域随工件轮廓曲线曲率变化的演变过程。采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线参数化处理,基于格林运算法则计算单连通区域内的切削层面积,基于极坐标微元法计算等效切削刃方向角,建立包含关键几何参数的统一计算模型,避免出现不规则几何接触区域而普通解析法不能适用的情形。建立基于最大剪应力原理的斜角切削模型,解析剪切力模型系数和力矢量、速度矢量、流屑矢量之间的约束关系,提出一种针对剪切力模型系数的标定方法。采用直线车削方式进行剪切力系数标定试验,分析切削层面积变化对剪切力模型系数的影响规律。设计变曲率曲线车削试验,分析曲线曲率变化对切削力的影响规律,验证切削力模型的有效性。(2)面向曲线端铣加工过程的切削力建模技术研究与分析。基于傅里叶级数展开法,建立考虑瞬时进给方向影响的切削力模型。离散化刀具中心运动轨迹,提出等曲率等径向切深和变曲率变径向切深两种加工条件下的等效进给量计算方法。建立变曲率变径向切深几何模型,分别提出切入、连续切削和切出三个阶段的切入矢量、切出矢量计算方法。基于最小能量原理建立针对微元切削刃的斜角切削模型,在微元切削刃的法平面坐标系下解析切削力模型系数和力矢量、速度矢量、流屑矢量之间的约束关系,提出一种切削力模型系数标定方法。该方法仅需数次试验即可完成切削力模型系数标定过程,避免了刀具严重损耗现象,降低了标定试验成本,提高了标定效率。采用直线铣削方式进行切削力系数标定试验,分析瞬时未变形切削厚度对切削力模型系数的影响规律。设计等曲率等径向切深和变曲率变径向切深曲线端铣试验,分析曲线曲率和径向切深变化对切削力的影响规律,验证切削力模型的有效性。(3)基于曲线加工多目标切削参数优化的技术研究与试验分析。建立多目标切削参数优化数学模型,应用情景知识、规范知识和结构知识等改进模型动态适应函数,拓展模型多样性空间,提出模型算法性能的改进方案。针对曲线车削和曲线端铣过程,建立以能量效率和加工成本为多目标函数的优化模型,基于改进的模型算法提出切削参数优化方案,为加工工艺的优化决策提供理论指导和技术支持。(4)难加工材料曲线切削数据库系统的设计与实现。设计了难加工材料曲线切削数据库系统的总体架构和功能结构,构建了面向切削对象的数据物理结构模型。基于B/S结构进行原型系统开发,实现了切削数据服务和工艺知识服务等主要功能。以曲线车削力建模预测和曲线车削参数优化过程为例,对系统进行了应用验证。