随着全球经济的快速发展和市场竞争的日趋激烈,复杂自由曲面类零部件在航空、汽车、模具和发电等领域得到广泛的应用,因其特殊的使用环境对其加工精度和加工效率的要求也越来越高。近年来,随着高性能计算机与数值模拟技术在机械制造领域的应用,运用计算机数值模拟技术来对大型复杂自由曲面类零件的加工过程进行研究已经成为一种必然趋势,这也是现代化机械制造研究领域的一个十分重要的课题。叶片式流体机械作为一类应用非常广泛的机械设备,对促进国民经济的快速发展起着极为重要的作用。特别是在现代化发电工业中,绝大部分的发电量是由叶片式流体机械(汽轮机、水轮机、风力机、燃气轮机)承担的,叶片作为叶片式流体机械的核心零部件,属于大型复杂的自由曲面,具有变曲率、大扭曲的特征、加工周期长及其在加工过程中铣削性能难预测等问题。因此,能否利用准确有效的计算机模拟方法对叶片类曲面零件的铣削性能进行预测与优化,对提高其加工效率与加工质量具有重要的意义。本文选用大型轴流式水轮机转轮叶片作为研究对象,对其铣削加工过程中的一系列问题进行了相关的研究。首先运用反求原理由叶片型面样条的极点坐标反求出叶片的三维模型,并完成其表面光顺性分析,在此基础上完成了叶片的数字化加工工艺分析与规划,并对数控加工刀具轨迹进行计算,通过后置处理算法构建了叶片五坐标数字化加工专用后置处理器,完成了刀具路径文件的后置处理。提出了一种基于过程集成铣削性能分析与优化模型,借助过程集成优化平台OPTIMUS建立了加工过程集成优化的铣削性能分析流程,综合考虑了加工过程中的几何和物理因素对叶片加工效率与加工误差的影响,并对叶片铣削加工过程中各影响因素进行了优化,最后通过构建的虚拟加工仿真环境对叶片的加工过程进行验证与分析,缩短了叶片的试切削加工周期,提高了加工效率。本论文研究成果不仅可以作为自由曲面类复杂零部件数字化加工铣削性能分析与优化方法,为叶片式流体机械数字化加工过程的切削力快速预测提供依据,还可以作为实验研究方法减少大型复杂零部件在实际加工过程前的试切削和装夹调整次数,减少加工材料的浪费,节约生产成本,提高数控加工工艺系统的安全性,对提高叶片的加工质量与加工效率具有重要的意义。