相比三轴加工,五轴加工增加了两个旋转自由度,导致刀具与工件的相对运动关系更加复杂,给加工过程建模与仿真增加了新的挑战。五轴加工切削力的建模与预测是金属切削理论研究的近期热点之一。然而,当前的五轴加工切削力研究主要关注精确建模和预测技术,不同加工方式尤其是刀具姿态和刀具姿态变化、切削方向和刀路的切削行宽参数对切削力的影响机理并不明晰。本文围绕五轴加工切削力理论与应用展开研究:探索姿态参数和刀路参数对未变形切厚的影响机理,对刀具/工件的切触区域的影响机理,研究相对弱刚性工艺系统的加工精度、加工效率和刀具磨损等切削性能指标技术,研究切削性能指标最优的曲面加工策略优化方法。以期从切削力理论与应用的角度推进解决曲面铣削的加工精度和加工效率问题。提出了与刀具姿态及刀具姿态变化等参数相关的未变形切屑厚度模型。通过刀刃微元进给矢量与相应位置处刀具曲面法矢的点积运算,获得刀刃微元运动方法的未变形切屑厚度计算方法。通过角度变换矩阵和线性变换矢量的参数化,获得了参数化的未变形切厚模型,并进一步推导了与刀具姿态、刀具姿态的变化和刀轴跳动参数相关的未变形切厚分解模型和显示表达方式。通过三种实验分别验证了考虑刀轴跳动影响的不同刀具姿态、前倾角变化和侧倾角变化的未变形切厚模型,分析了相关参数对瞬时切厚的作用机理。提出了与刀具姿态、切削方向和刀路宽度参数相关的切触区域边界模型。切触区域边界线由三条曲线组成:根据刀具姿态参数及刀具扫掠曲面成型原理构建的特征线,通过刀具姿态参数和曲面近似求交方法获得刀具/工件的曲面交线,通过进给方向参数和切削行宽参数获得特征线沿进给方向的投影线。基于所提出的切触区域模型,提出了切削状态高效判断的界限高度法和五轴加工切削力预测的代数方法,实现了五轴加工切削力的快速预测。通过不同姿态和切削宽度的切削实验,证明了所提模型的有效性和准确性。提出了三个切削性能指标,研究不同切削参数的切削力相关信息与加工效率、加工精度和刀具磨损的关系。提出力-误差指标,表征去除单位体积材料时由于切削力导致工艺系统变形所产生的加工误差,分析了不同切削参数尤其是刀具姿态对力-误差指标的影响。提出切削效能指标,表征切削力阈值约束下的加工效率,分析了不同切削参数尤其是刀具姿态对切削效能指标的影响。提出切削比能指标,表征切削单位体积材料时能量的转换方式(剪切或摩擦),映射切削过程中材料的去除模式(剪切、犁切和磨削)和刀具磨损速率,分析了不同切削参数尤其是进给速度对切削比能指标的影响。提出了切削性能指标最优的曲面加工策略优化方法。优化过程分两步实现:通过切削性能指标构造优化程度,对曲面加工的进给方向和刀具姿态进行评价,获得优化的刀路策略并对曲面具体加工刀路进行评价;通过进行切削力阈值约束或切削比能指标约束的进给速度优化,实现切削性能指标最优的曲面加工方案。进行了开阔曲面的精加工和粗加工实验,用于验证所提曲面加工策略优化方法的有效性。进一步考虑刀轴干涉影响,进行了螺旋桨型面的加工的实验,验证所提方法对小螺旋桨的加工精度和大螺旋桨的加工效率的改善效果。