可调距桨作为一种典型的复杂曲面零件,是全回转推进器的重要组成部分。螺旋桨加工后的表面性能,直接影响全回转推进器的推进效率和服役性能。近年来,高服役性能螺旋桨的研制需求对其加工表面完整性提出了更高的要求。作为表面完整性的重要指标之一,桨叶残余应力分布直接影响到工作应力,对疲劳寿命具有重要影响。在工业中,普遍采用环形刀加工大型复杂曲面零件。根据切削加工残余应力的形成机理,残余应力的来源是切削力作用下形成机械应力,切削温度和温度梯度作用下形成热应力。精加工作为最后一道工序,其切削状态量会影响到零件表面质量,因此有必要对这种工艺下的切削力、切削热状态进行研究,进而计算该状态量下形成的残余应力。迄今为止,在三维铣削加工残余应力建模方面取得的成果,特别是对于复杂曲面加工,还相当有限。为此,本文对复杂曲面铣削加工的残余应力预测模型进行了研究。目前曲面加工铣削力的预测主要采用机械模型和大量实验数据的统计结果,对于曲面加工铣削温度和残余应力的预测主要是采用实验方法,这些方法没有分析其形成机制。为了解决这个问题,提出了铣削力、铣削温度和铣削残余应力的解析建模方法,试图分析铣削过程中力-热效应下,对残余应力的作用机制。残余应力建模过程可以分为三个阶段:铣削力建模、铣削温度建模、应力加载和卸载建模。提出了一种环形铣刀曲面加工切削力的解析预测方法。基于金属切削原理,对斜角切削的切削力进行了解析建模。建立了环形刀几何模型,并计算了五轴加工任意时刻下刀位点的坐标和刀具矢量。基于Z-map方法计算了刀工接触区,并计算了瞬时切屑厚度。计算得到微元切削力大小,进行空间积分,得到铣削力的值。同时,得到了温度场研究所需的微元剪切力值和残余应力研究所需的剪切区域机械应力载荷值。对镍铝青铜材料特性和推荐切削参数进行了总结,并对铣削力进行了实验验证。提出了一种环形铣刀曲面加工工件端温度解析预测方法。采用面热源空间离散和时间历程离散的思想,每一时刻下的切削微元热源可以看成面热源,解决热源强度沿刀具转角和时间历程不断变化的问题。沿用切削力建模中的坐标变换关系,得到工件上任一点在剪切微元坐标系下的表达,计算热源微元对该点的温升贡献。根据空间积分和时间积分,得到了该点温升随时间变化历程。这样得到了残余应力计算所需的温度和温度梯度分布。通过铣削温度实验验证了切削温度模型的有效性。提出了一种环形铣刀曲面加工残余应力解析预测方法。首先计算了切削力作用下产生的机械应力。根据切削力建模和温度场建模离散的思想,对切削刃进行了空间离散,对切削时间进行了时间离散。这样,可以得到每一时刻下,剪切坐标系下的载荷分布对工件上一点的应力贡献,解决了切屑厚度和剪切坐标系方位不断变化的问题。这样可以将正交切削应力模型应用到三维斜角切削上。然后针对以前文献关于残余应力预测研究中,采用的是简化的正交切削温度模型的问题,根据本文提出的铣削温度模型计算得到的温度场,进一步计算了温度和温度梯度下产生的热应力。最后,根据滚动接触理论,对工件上一点的应力进行加载-卸载-释放分析,得到加工表面残留的残余应力。采用X射线方法测量镍铝青铜材料的残余应力,验证了所提出模型的有效性。通过与已有文献数据和AdvantEdge FEM切削仿真的结果进行对比,进一步验证了模型的有效性。根据预测模型算法,基于MATLAB GUI,开发了铣削加工残余应力仿真软件。对可调距桨的铣削残余应力进行了仿真计算。以某型号比例可调距桨为例,进行了铣削加工残余应力仿真分析和实验,验证了所提出预测模型的有效性。所采用的理论为后续加工参数优化提供了理论基础,有助于改善加工质量。