螺旋桨是船舶动力推进系统的核心零部件,其研制水平直接影响了船舶行业动力推进装置的科学研究进程。随着船舶动力推进装置性能需求的进一步提高,螺旋桨的几何设计变得更加复杂,桨叶数量多且悬伸长、叶面扭曲、桨叶重叠区大等特征使得加工可行空间狭小,同时迫使选择的刀具悬伸长、长径比大,由此带来刀具刚度差、加工过程中容易出现刀具让刀变形的难题,都使得螺旋桨的最终加工精度难以保证。目前,国内外学者大多从运动学与几何学的角度进行复杂曲面加工的刀具姿态规划研究。随着铣削机理研究的不断突破,在刀具姿态规划中考虑切削力和刀具变形等物理因素显得愈加重要。为此,针对螺旋桨缩比模型主体叶片区域的整体加工精度控制,研究了切削力的参数化建模、刀具变形的建模及加工误差的建模,并基于此研究了刀具姿态规划方法和在螺旋桨缩比模型中的加工应用。建立了基于机械力模型的五轴加工切削力参数化模型。建立了未变形切屑厚度模型,推导公式将其进行了参数化表达。推导了切触区域的三条边界线的曲线方程,建立了切触区域参数化模型,给出了对应的切触区域判定方法。在此基础上建立了参数化表达的切削力模型,将三向切削力表达成刀具姿态的函数,通过八组不同刀具姿态下的实验验证了模型的有效性。建立了刀具变形模型及加工误差预测模型。将刀具末端静柔度建模分成两部分考虑,“运动轴-主轴-刀柄”系统的刚度结合实验标定和理论计算的方式获得,刀具系统的刚度直接理论精确计算。计算刀具切削切触点时刻的瞬时切削力,推导了刀具末端静态变形模型。将刀具末端的变形位移量映射到工件曲面法向建立了加工误差预测模型,通过36组不同刀具姿态下的实验验证了模型的有效性。提出了一种考虑工件曲面加工误差的刀具姿态规划模型。针对螺旋桨缩比模型的主体叶片区域,确立了基于最小加工误差的刀具姿态规划优化目标,针对桨叶复杂叶片特征简化了加工曲面和刀具姿态空间约束,基于最小材料去除率和最大加工残留高度给出了刀具姿态规划加工效率约束。建立了刀具姿态规划优化模型,制定了曲面切削区域刀具姿态规划优化流程,给出了模型求解与刀轨生成的程序计算流程,开展了六组对比实验加工方案,验证了刀具姿态规划方法的有效性。将刀具姿态规划方法应用于螺旋桨缩比模型的加工中。将刀具姿态规划方法应用于叶面叶背整叶和导边随边的实际加工中,测量结果表明该方法满足加工精度要求,取得了良好的效果。