随着国家精密制造技术的发展,无论是军用还是民用都对产品的质量要求不断提高,精密加工成为重点发展领域。切削刀具作为加工制造的“利刃”,是材料去除过程中的关键性工具,有着无法替代的作用。然而,目前精密加工中常用到的金刚石切削刀具,现在来看大多数功能单一,智能化程度低,难以加工黑色金属材料,愈来愈不能满足精密加工领域的需求。为此,本课题针对金刚石切削刀具功能的局限性,通过理论建模、有限元仿真优化、振动测试,设计并研制出集成了超声振动切削以及切削力检测的智能刀具系统。基于超声振动模型,分析了振动切削时变参数,并基于瞬态剪切角建立切削力模型。通过有限元切削仿真,分析了超声振动切削力变化情况,确定了超声振动切削的优点。基于压电换能器理论,以及铁木辛柯梁理论,建立了三阶弯曲谐振式二维超声振动刀具模型。通过刀具振子有限元仿真,优化了刀具的固定方式。利用有限元模态、谐响应和压电耦合仿真,分析了刀具结构参数的合理性。通过对实际刀具的特性测试,研究了振动刀具的频率、位移、电压的响应情况,以便更合理的选择刀具的输入条件。提出了集成测力系统的设计原理。基于卡氏第二定理以及柔度矩阵法,建立感知段的刚度模型,研究了测量系统结构参数对刚度和灵敏度的影响。依据压电效应和力学原理,探究感应电荷与输入力大小的映射关系。基于Labview搭建切削力信号采集平台。通过力感知结构的静态与动态标定,实现该系统实时测力功能。最后通过测力对比验证结构设计的合理性。通过刀具系统的刚度测试,验证其实际加工的可靠性。通过振动力信号的测量,分析测力部分的误差干扰。最后利用端面车削TC4实验,研究了所设计的集成刀具系统对工件表面粗糙度、切削力信号以及刀具磨损的影响,验证刀具系统的实用性。