铣削加工技术是先进制造技术中最重要的基础技术之一,已经广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、医疗以及军事等领域的关键零部件制造。铣削稳定性是实现高精、高效加工目标的关键因素之一,铣削稳定性的预测对于保证工件表面加工质量,提高零件加工效率亦有重要的理论和实际应用价值。本文密切结合机床设计和实际铣削加工需求,借助理论建模和试验验证等手段,对机床及刀具-工件时变系统的铣削稳定性进行了预测及应用研究。全文主要内容有:结合实际铣削加工需求,建立了常用螺旋铣刀的广义几何模型,该模型根据几何参数不同可以表示成端铣刀、圆环铣刀以及球头铣刀;提出了一种计算真实轨迹下瞬时铣削厚度的方法,并基于得到的真实瞬时铣削厚度建立了静态铣削力模型,针对三种常用螺旋铣刀进行了静态铣削力仿真;随后,分别在四种工况下,对基于简化圆轨迹和真实轨迹下的瞬时铣削厚度计算的静态铣削力间的误差进行了比较,结果表明基于真实瞬时铣削厚度建立的静态铣削力模型更具有普遍适用性;此外,基于再生颤振原理建立了动态铣削力模型,该模型为后续铣削稳定性研究提供了理论基础。针对当前流行的机床-加工集成设计方法中的核心问题—机床铣削稳定性评估标准,结合强切削工艺特点,将机床运动部件的几组关键位置组合作为样本点,计算其最小临界轴向切深,建立了机床空间位置-最小临界轴向切深的响应面模型,并基于该响应面模型提出了机床空间位置铣削稳定性快速预测的理论方法。该方法可以全面、快速地完成机床空间位置铣削稳定性预测;并以一台由天津大学参与研发的框中框式精密卧式加工中心为对象,应用上述理论方法,对其进行了空间位置铣削稳定性预测,为机床结构设计与优化提供了理论和方法基础。以薄壁类工件铣削加工为代表的弱切削工艺特点为基础,针对刀具和工件弹性接近的情况,考虑材料去除因素以及铣削过程中铣削力和铣削变形的交互作用,建立了刀具-工件系统的耦合变形时变模型以及动特性时变模型;提出了一种改进的多时滞半离散求解法,该方法在保证计算精度的前提下,计算效率有明显地提高;结合刀具-工件耦合变形和动特性时变模型以及新的稳定性求解法,以实际薄壁件铣削加工为对象,绘制了刀具-工件时变系统的动态稳定性叶瓣图,并对其进行了稳定性预测,从而为薄壁件实现高精、高效铣削加工提供了理论依据。针对上述铣削力理论模型和铣削稳定性预测的理论方法分别开展了铣削力系数辨识试验、铣削力模型验证试验、机床动特性测试试验、机床铣削稳定性预测方法验证试验以及刀具-工件时变系统铣削稳定性预测方法验证试验,通过对比理论与试验的结果,验证了所提出理论模型和方法的正确性。本文的研究成果丰富和发展了铣削力建模方法、机床设计方法以及薄壁件铣削参数优选技术,对于工程应用有重要的理论意义、实用价值以及社会价值。