模具加工是目前我国现代制造业和企业模具生产的主要核心技术和关键工艺设备。模具成型可以有效的提高生产效率、提升产品质量、节约生产成本以及能源和重要原材料。H13钢（相当于国产4Cr5MoSiV1钢）是一种空冷硬化后仍可以发挥热力学作用的模具钢,因其良好的的机械-热力学性能被广泛用于热挤压模、热锻模和压铸模具的制作。模具的失效大多起源于表面,且与模具的表面形貌及粗糙度和残余应力等加工表面质量密切相关。随着先进的机床和优质刀具的进步与发展,硬态切削技术已经越来越广泛的应用于模具制造行业中。因此,通过研究硬态切削机理,对加工表面形貌和残余应力进行建模和控制,对于硬态切削技术在模具制造行业的推广应用具有重要意义。本文以H13钢硬态铣削为研究对象,结合数值建模、理论分析和铣削实验,构建了硬态铣削三维表面形貌数学仿真模型,研究了铣削表面粗糙度幅度参数和功率谱密度;并对硬态铣削表面层残余应力进行解析建模。主要研究工作如下:首先,构建了硬态铣削三维表面形貌模型,借助该模型进行仿真分析,给出了基于表面粗糙度幅度参数和金属去除率的切削参数优选方案。通过分析刀具切削刃与工件的相对运动轨迹,构建了三维表面形貌数学模型并对其进行了实验验证;利用该模型进行仿真分析,研究了每齿进给量和径向切削深度的比值（r）与乘积（p）对表面粗糙度幅度参数的影响,发现对于不同的铣削方式,表面粗糙度幅度随p和r的变化规律并不相同:圆形可转位刀片铣削条件下,表面粗糙度随p和r的变化趋势轮廓类似呈指数函数曲线;而对于球头铣削,不同p值条件下,粗糙度随r值的变化趋势轮廓类似“对号函数”。通过引入p和r两个变量,将表面粗糙度与金属去除率联系起来,给出同时兼顾两者的切削参数优选方法。其次,借助所构建的硬态铣削三维表面形貌模型研究了 p值和r值对表面粗糙度功率谱密度的影响规律。对实验所得表面和仿真模型构建的表面的功率谱密度进行了对比验证,对比结果显示通过本文的表面形貌模型可以比较准确的计算出与实际相符的表面功率谱密度。研究了表面功率谱密度随切削参数的变化规律:对于一维功率谱密度,径向切削深度方向第一峰值对应ae,进给方向的峰值对应fz,而径向切削深度方向第二波峰是fz和ae共同作用的结果;二维功率谱密度峰值对应的进给方向的波长与每齿进给量近似相等,而径向切削深度方向的波长只受p值影响;对于同一加工表面,角谱波峰的数量与三维表面形貌中残留高度的数量近似相等;p值对表面能谱分布方向的影响不大,影响表面能谱分布方向的主要因素是r值。最后,结合弹塑性力学、金属切削原理和接触力学构建了硬态铣削表面残余应力解析模型。通过构建辅助平面,定义辅助角度,采用不均匀分布的剪切带模型计算了硬态铣削过程中第一变形区内的材料流动应力;通过齐次坐标变换和面热源法进行切削温度模型的构建,通过该模型可求得工件内一点在铣削过程中任一时刻的温升;将上述计算结果作为输入载荷,利用弹塑性力学和接触力学原理实现了加工过程中工件内应力的弹性加载、塑性加载/卸载和应力释放过程,对硬态铣削表面残余应力进行解析建模并进行了实验验证。本研究可为硬态铣削表面几何特征和力学特性的表征与研究,以及基于表面粗糙度幅度参数、功率谱密度和残余应力的切削参数的优选提供理论指导以及数据支撑。