回转体类零件广泛应用于车船动力、航空航天等多个领域的传动系统及重要支撑部件。其加工质量将直接影响到产品传动精度、使用寿命及产品可靠性。随着“高功率密度”要求的提出,传动齿圈等结构件朝着总体质量减少,工件刚度减弱的趋势发展。势必造成工件加工过程中变形过大、成品率低下等问题。同时,此类零件在恶劣的工作环境下承受着交变载荷或剧烈的接触滚动摩擦,加工表面易产生疲劳损伤,严重影响使用性能。因此,通过优化加工工艺增强表面质量增加使用寿命,成为了提高现代车辆高速高机动性能指标的当务之急。本文以弱刚度回转体工件为研究对象,通过解析建模和实验验证相结合的方法,对切削加工过程、加工表面残余应力及分布进行了深入研究,以工件使用性能和加工效率为驱动优化加工工艺参数,为提高此类零件的工艺能力提供重要的理论支撑。本文的主要研究内容及成果如下:1.基于黏着摩擦理论建立局部摩擦系数与接触面正应力和相对滑移速率之间的经验模型。分析了切削过程刀具与工件摩擦对加工后表面残余应力分布的影响及当前刀屑摩擦模型的不足,提出了局部摩擦概念,建立了摩擦实验系统,利用非线性最小二乘拟合方法对实验数据进行拟合,确定局部摩擦模型待定系数,并验证模型的准确性和通用性,为进一步建立切削接触摩擦过程热-力学模型提供基础。2.建立考虑局部摩擦特性的直角稳态切削的切削力及切削温度场解析模型。全面、定量地对第二剪切变形区的动态特性进行了分析,深入解析第二剪切变形区的运动规律,建立切屑流动层模型,详尽地描述了前刀面上黏结、过渡和滑移三个摩擦区的非线性流动特性;基于局部摩擦模型描述接触作用面上局部摩擦系数分布,进而对包括法向接触应力分布、剪切应力分布在内的摩擦接触特性进行分析;分别对“理想锋利”和“刀刃圆弧和后刀面磨损”两种情况下的切削力、切削温度预测建模,并分别进行切削力测量试验验证了预测模型的准确性。3.建立直角稳态切削已加工表面残余应力分布预测解析模型。综合分析切削过程中刀具-切屑-工件系统的受力情况,建立主剪切面和已加工表面的接触应力分布模型;基于线性小变形弹性理论以及热-弹-塑性力学理论计算工件内部由机械载荷和热载荷引起的内应力分布,并分析动态切削过程中工件内温度和应力加卸载过程;并通过20Cr2Ni4合金钢直角切削实验验证了残余应力预测的模型的准确性。4.采用离散切削刃法建立弱刚度回转体外圆车削残余应力三维分布预测模型。设计并应用弱刚度回转体外圆车削新型夹紧装置克服夹紧力分布不均造成的变形过大问题;考虑弱刚度回转体零件结构特性,分析并指出夹紧力和离心力造成的工件内预应力对切削加工残余应力分布有很大影响;并通过实验测量不同夹紧力、切削速度、进给量条件下的残余应力沿深度分布情况,验证残余应力预测模型的准确性;分析夹紧力、切削速度、进给量对表面残余应力和最大残余压应力的影响规律。5.以弱刚度回转体外圆车削过程为研究对象,对影响加工效率和工件质量的输入参数进行优化。依据残余应力预测结果及实验结果建立残余应力关键特征值与切削参数和夹紧力大小的二阶多元通用回归模型;以加工效率和残余应力最优分布为目标,以机床加工参数范围和工件变形及尺寸精度要求为约束建立多目标优化模型;基于萤火虫优化算法优选切削速度、进给量和夹紧力。并对优选参数组进行切削实验及残余应力实验,证明由实验数据拟合的二阶多元通用回归模型的预测误差在10%以内,并且获得了较好的残余应力分布状态。