随着国民经济和制造业的飞速发展,复杂曲面零件因具有独特的几何形状与使用性能而被广泛应用于船舶、模具、航空等领域的关键装备中。可调距螺旋桨桨叶作为一种典型的复杂曲面零件,其形状精度与加工性能直接影响着动力定位系统中全回转推进器的推进效率与服役寿命。在服役的海洋环境中,时变载荷和环境介质会引起桨叶表面产生应力腐蚀、断裂等失效现象,这对桨叶的表面完整性提出了严格的要求。高性能加工技术作为一种实现复杂曲面高精高质高效加工的重要手段,对于研究表面完整性的形成规律及保证桨叶的高服役性能具有重要的意义。镍铝青铜材料因具有较高的强度、耐磨性及优异的抗应力腐蚀特性而用于桨叶的制造中,其在切削过程中特别是精加工阶段的切削状态量会直接影响到零件的表面质量,而迄今为止对镍铝青铜材料切削状态量的建模预测还缺乏相应的研究。此外,桨叶曲面的加工还未形成一套成熟的优化方法,加工参数的选择通常依赖于操作工人的经验,导致加工质量与加工效率难以保证,及表面完整性的关注也较少。因此,本文结合表面完整性对切削加工性能的要求,研究镍铝青铜材料在切削过程中的形变特性,建立切削状态量的预测模型,开展进给速度优化方法的研究,以掌握表面完整性形成规律与实现桨叶高质高效加工的目标。为了建立镍铝青铜材料在高应变率下的热力耦合本构关系,提出了一种切削加工过程中Johnson-Cook本构模型参数辨识的新方法。该辨识方法综合了SHPB动态压缩实验、切削力预测模型及直角切削实验。首先根据准静态和SHPB实验得到了镍铝青铜在不同应变率和温度下的真实流动应力-应变曲线。然后通过建立关于预测流动应力和实验流动应力的目标函数,将压缩实验辨识的本构参数作为初值,采用粒子群算法反演得到了最终的本构模型参数。最后,对切削力预测模型和有限元仿真得到的切削力进行对比,验证了所建立本构模型的准确性与辨识方法的可行性。提出了一个基于切削力预测模型的加工颤振解析建模的新方法,解决了传统颤振模型不能直观解释实际切削过程中的热力特性以及切削力系数由实验标定的准确度太低的问题。该方法将动态切削过程看作是在每一时刻的准静态切削过程,将工件材料特性、刀具几何、切削参数作为输入参数。其中动态切削力可通过等效变换的切削参数计算,进而理论推导出动态切削力系数的表达式。另外,机床系统的动态模型可以用时滞微分方程表达,通过进行切削稳定性分析,由时域半离散法与全离散法分别获得了直角切削与铣削颤振稳定性SLD图。通过与已有文献的模型和实验结果的对比,验证了提出的加工颤振解析模型的有效性。目前,铣削过程的切削力通常是通过机械或数值方法获取的,而这些方法比较耗时且对于各种切削条件与刀具/工件组合需要进行繁琐的标定工作。因此,本文提出了一种基于可预测切削理论的球头铣刀切削力解析建模方法,将工件材料特性、刀具几何、切削条件及铣削方式作为模型输入参数,考虑了刀具刃口半径,变滑动摩擦系数与刀具跳动对切削力的影响。在模型中,通过考虑了加工硬化、热软化与材料尺度效应的修正Johnson-Cook本构模型来计算剪切流动应力。铣刀的每个切削刃沿刀轴方向离散为多个微元,每个微元的切削特性等效为斜角切削过程。通过斜角切削力的预测模型获得作用在每个微元上的切削力,然后将所有微元的切削力进行叠加,得到整个铣削力的值。最后,通过与已有文献数据、平面铣削及变切深曲面铣削实验的结果进行对比,验证了所提出解析模型的有效性。通过研究进给速度对加工表面完整性(表面三维形貌、残余应力、显微硬度)的影响,提出了面向恒切削力控制的复杂曲面铣削进给速度优化方法。该方法将给定的参考铣削力与每个刀位点处的最大铣削力之差的绝对值作为优化目标函数,以残余应力、加工稳定性作为主要约束条件,通过Newton-Raphson迭代算法来调整CAM刀路文件中的进给速度,以保证切削力的恒定以及机床系统的运行平稳。以模型桨桨叶为研究对象,开展了相应的加工实验。实验结果表明,提出的优化方法使桨叶的加工时间缩短了20%以上,表面残余应力和显微硬度得到增加,对于提高模型桨桨叶的加工效率,改善表面加工质量具有明显的效果,从而验证了该优化方法的有效性。本文所提出的切削状态量解析预测模型及进给速度优化方法具有普遍性,可以推广到其他材料及复杂曲面的切削加工中。所采用的理论为表面完整性的调控提供了分析方法,有助于改善表面质量及提高加工效率。