H13钢具有高强度、高韧性、高淬透性和良好的耐热性,因此,被广泛应用于生产多种不同类型的热作模具,如锻模、挤压模和压铸模,属于典型的难加工材料。数控加工工艺的开发和应用缩短了模具的开发周期,确定合理的刀具结构和切削用量是数控加工工艺中的重要内容,它不仅影响加工效率,而且直接影响加工质量。因此,深入研究其切削机理及刀具结构的优化具有重要的理论意义和应用前景。本文围绕加工过程解析建模和数值建模分别开展了H13钢的材料模型参数识别、切削力学分析、残余应力预测和刀具结构创新优化设计等研究,主要内容如下:建立直角切削有限元数值模型,揭示模型参数和工件材料性能参数对切削力的影响规律。以跨平台的快速前处理参数化建模为基础,把工件本构模型看作仿真的优化问题,将测量切削力和仿真切削力的误差作为自适应函数值对本构参数进行优化,提出了基于联合仿真的本构参数逆向识别方法,并将其应用于典型难加工材料模具钢H13和钛合金Ti-6Al-4V的本构参数识别,通过与切削力实验进行对比,验证了该方法的有效性。建立考虑剪切区、摩擦区和犁耕区影响的H13钢直角切削力解析模型,结合主剪切区等分模型和不等分模型的共性关系,提出了第一变形区多物理场计算方法,分析了主剪切区的剪切速度、剪切应变率、剪切应变、剪切应力和温度的分布特点随切削参数的变化关系,模型正确反映了剪切区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致。将切削参数和刀具几何角度对刀具-切屑接触影响分为四种状态,基于等效切削刃建立了斜角切削力预测模型,分别揭示了刀具几何（刀尖圆弧半径、刀尖钝圆半径）和刀具角度（主偏角、刃倾角、前角）对切削力分量的交互影响机理,其次,为了更好地反映切削力学模型的可靠性,建立了三维铣削力学模型,阐述了铣削参数对铣削过程力的影响规律,通过对铣削力的实验观测验证了模型的正确性。通过对切削表面热力耦合作用的分析,结合赫兹滚滑动接触模型和弹塑性加载卸载原理建立了考虑机械载荷和热载荷共同作用的直角切削H13钢表层残余应力解析模型,讨论了切削参数（切削速度、切削厚度）和刀具参数（刀尖钝圆半径、前角）对残余应力分布的影响,并通过X射线法观测的残余应力对模型的正确性进行了验证。基于Python对ABAQUS切削仿真模型进行二次开发,实现刀具的前刀面任意形状参数化建模,以此得到不同切削厚度对应的最优前刀面形状,提出前刀面形状、前刀面-刀尖钝圆过渡区长度和刀尖钝圆半径的分段设计理念。为了扩展固定刀具结构在不同进给量下的应用范围,根据分段设计理念建立了切削力的归一化优化函数,在现有车刀结构的基础上,重新设计了前刀面结构,得到了优化后的刀具,使用粉末冶金压制法制备了优化刀具实体,开展了综合切削性能实验,得出优化的车刀降低了切削力和表面粗糙度、减轻了切屑塑性变形、减少了刀具-切屑接触和前刀面的切屑粘结。基于铣削加工三维有限元模型,得到铣刀前刀面磨损区域对应的点云坐标数据,提出基于月牙洼形貌的刀具设计方法,使用样条平滑、曲面构造和布尔操作在可转位铣削刀片的前刀面设计了基于月牙洼形貌的微槽型,基于粉末冶金压模制备了新刀具实体,开展了刀具磨损对比实验,并对铣削力和铣削刀具温度的变化过程进行分析,揭示了微槽铣刀的磨损机理,发现微槽铣刀通过降低刀具最大温度减轻了刀具的氧化磨损程度,提高了刀具的寿命。通过建立H13钢的切削加工理论模型开展预测性分析,阐述刀具几何角度和切削用量对车削/铣削力和工件表面残余应力的作用规律,基于数值建模开展刀具前刀面创新优化设计研究,开发面向H13钢的车削/铣削可转位刀片,探索新刀具的综合切削性能。研究结果可为改进模具钢的加工工艺、优化加工参数和刀具前刀面结构提供理论支撑和科学依据。