本文结合国家重点基础研究发展计划项目“复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题”课题“关键部件高强度大构件保质制造技术”(编号：2011CB706505)和国家自然科学基金项目“基于功能-结构并行分解的公差设计理论与方法”(51275464),开展了零件表面的多尺度建模、铣削过程的几何与物理建模、铣削表面形貌的多尺度仿真、基于离散模态系数的铣削表面形貌表征等方面的研究。第1章：综述了零件表面形貌多尺度表征、加工过程建模、铣削表面形貌仿真的研究现状,分析了课题的研究背景和意义,给出了本课题的研究内容和总体框架。第2章：构建了零件表面多尺度误差的表征数学模型；提出了基于改进离散模态分解法(IDMD)的误差表面多尺度建模方法,即通过理想表面的多尺度网格划分、单位化幅值场向量的生成、几何误差系数的生成、尺寸误差系数的生成、不同尺度误差的融合,实现零件误差表面的多尺度建模,同时达到计算时间与精度的平衡。第3章：不同公差原则下,零件表面形貌的多尺度表征模型中各误差系数将大为不同。针对上述问题,本章提出了各公差原则下零件表面模型几何误差与尺寸误差系数的生成方法,实现了零件公差信息与几何模型的统一。第4章：通过研究考虑定位面几何误差影响条件下的定位误差计算方法,分析机床几何误差、主轴误差、工艺参数引起的误差等多源误差对零件精度的耦合机理,提出了多源误差耦合作用下的刀具-零件接触准则,构建了加工过程的几何及物理模型；基于球头铣刀的准静态及动力学结构模型,利用刀具的准静态变形与动态位移响应修正零件加工过程几何模型,实现对铣削表面形貌的多尺度仿真；最后,通过实验验证了本章所提出的方法。第5章：通过仿真分析不同切削条件下的铣削表面形貌,揭示了不同切削参数对铣削表面粗糙度Ra的影响规律；提出了一种基于离散模态系数的铣削表面形貌的表征方法,该方法能够反映刀具残留轮廓的不规则程度,同时能够更加直观表征切削参数与零件表面形貌的关系。第6章：基于MATLAB开发了球头刀5轴铣削表面形貌多尺度预测与分析系统;以MIKRON UCP 600五轴铣床为例对本文所涉及的机床几何误差、切削力系数、刀具的振动模态参数进行了实验测量。第7章：总结了本文的主要研究内容和创新点,对今后的研究工作进行了展望。