Sachverhalt: A. Das Bezirksgericht Bremgarten sprach am 12. Mai 2011 X._ der mehrfachen Vergewaltigung gemäss Art. 190 Abs. 1 StGB sowie der Vernachlässigung von Unterhaltspflichten schuldig. In zwei Anklagepunkten sprach es ihn frei. Das Bezirksgericht verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 3 Jahren und 6 Monaten (unter Anrechnung von 10 Tagen Untersuchungshaft) und widerrief den bedingten Vollzug von Strafurteilen des Bezirksgerichts Aarau vom 18. Januar 2006 sowie des Obergerichts des Kantons Aargau vom 12. August 2008. Das Obergericht des Kantons Aargau hiess am 15. März 2012 die Berufung von X._ teilweise gut und fasste das bezirksgerichtliche Dispositiv in den Ziff. 4, 5 und 7 neu, indem es die beiden Strafurteile nicht widerrief und den Kostenentscheid abänderte. Im Übrigen wies es die Berufung ab. B. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das obergerichtliche Urteil aufzuheben, ihn vom Vorwurf der mehrfachen Vergewaltigung freizusprechen, ihn eventualiter zu einer bedingten Freiheitsstrafe von nicht mehr als 15 Monaten zu verurteilen und ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren.