高性能航空发动机对高推重比、高可靠性的需求,从宏观几何特征、微观形貌几何特征和表层物理特征三个层面对航空发动机的制造技术提出了更高的要求。由于物理机制的高度复杂性,零件的表层物理特征成为切削工艺中最难控制的输出特征之一。切削残余应力作为其中一个重要指标对工艺参数极为敏感,涉及弹塑性力学、热力学、晶体材料学等宏观、微观层面的多个交叉学科。同时材料在高温、高应变率条件下的大变形理论还不完备,这些因素使得切削残余应力的生成机理错综复杂而很难被清楚的认知。由切削残余应力诱导的零件扭曲变形是一个粘弹性问题,一直困扰着薄壁结构的精密切削加工。本文针对典型航空材料薄壁结构的切削残余应力及其变形的问题,首先从工件材料的塑性本构入手,分析刀具-工件的接触力学行为,探究残余应力的形成机理;其次引入神经网络和灰色理论对残余应力进行预测和优化;最后采用有限元方法对薄壁结构切削残余应力变形进行预测。论文的主要研究内容如下:(1)提出了一种面向切削的工件材料本构模型反向识别方法。基于Oxley剪切理论,提出一个不等分剪切带模型,对剪切区的应变场、应变率场和温度场进行理论预测,并通过本构方程计算出剪切面上的等效应力。同时利用测试的切削力计算出剪切面上的等效应力。基于反向思维,将工件材料本构模型的确定看作为一个优化问题,以实验的等效应力为目标,采用智能优化算法对本构参数进行迭代寻优,使得理论预测与实验值差距最小,从而确定工件材料的本构模型。将该方法应用至两种典型航空难加工材料高温合金GH4169和钛合金TC4。结果表明:与现有本构模型相比,该方法获得的本构模型对切削力与切屑形貌有更高的预测精度。(2)建立了正交切削残余应力的解析预测模型。首先,基于不等分剪切带模型,采用迭代计算建立正交切削力的理论预测模型,并以高温合金GH4169和钛合金TC4正交切削力实验进行验证。其次,应用移动热源法结合预测的切削力计算出工件内部的温度场,并与有限元模拟结果进行了对比验证。然后,利用赫兹滚滑动接触模型计算工件内部的接触应力场和热应力场;基于修正的McDowell算法,同时考虑材料的随动硬化,采用增量塑性理论预测工件表层残余应力分布。最后,以钛合金TC4为例,采用修正的J-C本构模型计算正交切削残余应力。实验验证表明:残余应力的预测值与测试值吻合度较好。(3)基于RBF神经网络和灰关联分析方法对铣削表面残余应力进行了预测与优化。首先,应用RBF神经网建立了高温合金GH4169多轴铣削表面残余应力的预测模型。实验验证表明该模型比传统的指数模型及BP神经网络具备更高的预测精度。然后,基于Taguchi-Grey方法,提出一种灰关联度的主-客观权重综合计算方法,并完成了对钛合金TC18端铣表面残余应力的多目标优化。最后,在此基础上进一步对该方法进行改进,提出一种连续型的灰关联分析方法,并以高温合金多轴铣削表面残余应力和粗糙度为目标,采用该多目标优化方法完成了对球头刀几何参数及铣削参数的优化。(4)提出了薄壁结构切削残余应力变形的预测方法。首先,对切削表层残余应力分布进行机理分析,将其归为两类并分别进行参数化表征。然后,基于残余应力测试数据样本集,建立工艺参数与残余应力表征模型系数的映射关系,从而建立残余应力分布-表征模型系数-工艺参数三者之间的关联模型,进而采用此方法分别建立端铣钛合金TC4和多轴铣削高温合金GH4169表层残余应力分布的经验模型。最后,基于Abaqus有限元分析平台,采用子程序加载预应力的方式建立薄壁结构残余应力变形的有限元分析模型,并完成了TC4薄板及GH1469薄壁叶片铣削残余应力变形的有限元仿真。