钛合金航空结构件是飞行器的重要零部件之一,在其切削加工过程中,曲面精加工比重大,要求效率高。一方面,钛合金属于典型难加工材料,另一方面,目前在型面精加工过程中被广泛使用的球头铣刀虽有较强的通用性,但受限于其几何形状,对特定型面的加工无法达到最优效果。因此,在钛合金航空结构件加工过程中普遍存在着刀具磨损严重、加工效率低、表面质量难以保障等问题,严重制约着此类工件的加工品质与效率。针对这一问题,本文分别使用图形法与解析法开展了回转摆线铣刀和锥形圆弧侧刃铣刀设计与磨制研究,通过铣削试验,采用对比的方法分别开展了回转摆线铣刀与球头铣刀以及锥形圆弧侧刃铣刀在有、无超声振动辅助条件下铣削钛合金的铣削力、刀具磨损、表面质量等方面的研究。研究内容包括以下几个方面:首先,针对钛合金航空结构件中小曲率平坦面的加工工况,本文为提升刀具端齿切削性能,结合摆线轮廓与曲面啮合的几何特性,设计了回转摆线铣刀。使用图形法建立了其轮廓面、切削刃线及端齿前、后刀面的数学模型。实现了刀具几何形状的可视化仿真。开展了回转摆线铣刀的磨削建模研究,推导了其刀具刃口曲线及端齿前、后刀面的磨削轨迹方程。其次,针对钛合金航空结构件中小曲率陡峭面的加工工况,本文为提高加工效率,将刀体半径与主切削区半径解除关联,设计了锥形圆弧侧刃铣刀。使用解析法建立了锥形圆弧侧刃铣刀轮廓面、切削刃线及刀具前、后刀面的数学模型。利用回转角增量与刃线导程增量之间的线性关系,推导了锥形圆弧侧刃铣刀刀具关键结构的五轴磨削轨迹方程。然后,开展了回转摆线铣刀和球头铣刀加工钛合金对比试验研究。回转摆线铣刀磨损区域较球头铣刀细且长,并未出现球头铣刀“勺形”磨损集中区域,可明显降低各向力及轴切向力比,切削过程较为平稳,随切削距离的增加,其各向切削力增幅较为缓慢,并可获得相对较好的表面质量,表现出了优异的切削性能。使用截面线刀具轨迹规划方法推导了回转摆线铣刀数控加工曲面的刀具路径生成算法。最后,开展了锥形圆弧侧刃铣刀施加轴向超声振动时的刀-工运动关系研究,锥形圆弧侧刃铣刀的结构特点决定了其在振动切削过程中,不仅产生断续切削现象,而且可使切削层厚度产生变化。开展了锥形圆弧侧刃铣刀在有、无超声振动辅助条件下加工钛合金对比试验研究,因应力波造成的材料微观损伤、断续切削现象的产生及切削层厚度的变化,超声振动可以明显降低切削力,提高刀具寿命,切屑较易分化与脱离,塑性变形程度也有明显减轻。本文构建了小曲率平坦面和陡峭面实例工件,分别使用回转摆线铣刀与锥形圆弧侧刃铣刀进行了对应工况的切削实验。验证了在加工倾角小于30度的工况,回转摆线铣刀与球头铣刀相比,具有优异的端齿切削性能,刀具寿命与工件表面质量都有明显提高。而锥形圆弧侧刃铣刀则凭借其明显较大的工作半径,在加工小曲率陡峭面时可大幅提高加工效率。因此,选用上述两种新型曲面加工刀具进行钛合金航空结构件的曲面精加工可有效提升加工品质与效率。