高速球头铣削技术广泛应用于型腔模具加工领域,模具加工表面质量关系到产品加工质量与模具的使用寿命。高速球头铣削加工表面形成机理的本质概括为：铣削加工中产生周期性不均匀应力场与温度场耦合作用于弹塑性材料表面,材料表面产生弹性回复以及塑性变形,从而影响工件表面几何精度及变质层的物理力学性能过程。切削参数和刀具位姿等加工参数通过高速球头铣削共同影响加工表面的残余应力、粗糙度以及加工硬化。本文对表面质量的研究综合运用解析、仿真与实验方法,对表面质量预测、优化和控制提出新思路和新方法,依此开发出新算法以适应表面质量预测的需求。本文从金属切削理论出发,针对球头铣削的特点,应用微分几何理论,建立S形刃铣刀切削刃线方程,通过切削力微元模型对球头铣削切削力进行了仿真,分析了其铣削力变化规律；结合球头铣削加工的刀具位姿及运动轨迹特点,实验研究了球头铣削切削力与刀具位姿、主轴转速等加工参数的关系,进一步揭示了球头铣削加工参数对切削力的影响机理和规律。依据高速球头铣削加工特点,研究了球头铣削周期性变化的热载荷与机械载荷对加工表面应力场和温度场的影响,分析了加工表面微观形貌的形成机理,研究了加工变质层的形成规律,进一步揭示了球头铣刀高速铣削加工的表面形成机理。利用无损表面残余应力测试方法,对高速球头铣削加工后的表面残余应力测量,实验发现表面残余应力在走刀路径方向上存在应力“累积效应”；依据H13模具钢高速铣削实验结果,建立了H13模具钢高速加工条件下刀具前倾角和侧偏角与表面残余应力之间的预测模型；通过侧偏角单因素实验给出了一种基于刀-工力简化模型,计算了精加工条件下残余应力极值产生的侧偏角与前倾角组合结果；研究了多轴数控加工条件下的切削参数与残余应力之间的作用机理,揭示了刀具位姿与表面残余应力之间关系,建立了表面残余应力与刀具前倾角的多项式拟合公式,分析了前倾角影响残余应力的规律。从实验角度综合研究了加工参数对高速球头铣削加工表面质量的影响。通过单因素实验以及多因素实验,揭示了切削参数对表面质量的影响规律,给出了多参数对于加工表面质量的影响显著度顺序,分析了各种因素对加工表面质量的影响机理。在实验研究及切削参数对表面质量的影响机理研究的基础上,建立了径向切宽、轴向切深、每齿进给量与前倾角、侧偏角对各种表面质量参数之间的多元线性回归预测模型；结合人工神经网络的研究成果,对比和分析了BP神经网络、多元线性回归预测模型应用于表面质量预测的优缺点,借助“插值”理论和方法,建立了基于多元线性回归与BP神经网络的MLBP预测模型。采用此模型,通过插值预处理预测数据,在不降低预测模型精度的基础上,提高了预测模型的泛化能力和鲁棒性。依据球头铣刀高速铣削加工表面质量形成机理以及表面质量预测方法,编写了一套具有二次开发能力的表面质量预测程序,并对程序进行了软件化。