自由曲面零部件被越来越多地应用于光学、航天及模具的生产领域,使得工作系统性能更高、尺度更小以及能耗更低。自由曲面零部件机械加工一般采用砂轮修形困难的成型磨削和刀具算法复杂的多轴联动加工。因此,本文针对难加工的光学玻璃镜头,提出了一种基于虚拟球刀的自由曲面四轴加工算法,建立起加工工艺和数控系统的参数化模型,进而研究曲面精密磨削工艺。与此同时,针对模具及其他金属元件的自由曲面加工,研究了平底铣刀、环形铣刀和球头铣刀三种刀具在不同工艺条件下对曲面加工精度的影响。主要研究内容如下:首先,提出基于虚拟球刀模型的自由曲面四轴加工算法,针对自由曲面的四轴磨削构建砂轮磨粒的空间分布模型。进而整合并提炼出包括砂轮浓度、出刃角度、刀具姿态角、主轴转速及机床进给速度等参数的磨粒切深及工件表面粗糙度参数化模型。系统分析各参数选择在硬脆性材料中脆塑性加工转换的影响,并以此模型作为研究精密磨削加工的理论基础。接着,对光学玻璃进行自由曲面的磨削及抛光补偿加工实验,结合实验的参数化模型对实验结果进行系统分析,研究发现,增大刀具姿态角能获得更低的磨粒切深及表面粗糙度,同时刀具姿态角的控制能稳定成型磨削中的包络轨迹高度从而获得高质量表面。实验中,采用30°刀具姿态角并选用粒度为30μm及3μm的砂轮分别对加工范围为54mm×6 mm的BAK7光学玻璃进行自由曲面的成型磨削及抛光补偿能获得高质量的自由曲面镜面,其中抛光补偿可分别降低其平均形貌误差及极值误差达26%和35%,获得的表面粗糙度达14 nm。结果表明,基于虚拟球刀算法的圆柱形砂轮能代替修整困难的成型砂轮对自由曲面实现精密磨削。最后,基于同样的四轴加工算法,分别采用平底铣刀、环形铣刀及球头铣刀在高强度7050铝合金上进行基于不同参数的自由曲面四轴铣削实验。研究发现,随着刀具半径、刀刃数量及主轴转速的增加;刀具进给速度及姿态角度的减少,被加工曲面表面粗糙度随之降低。此外,刀刃磨损及刀具加工接触力也会影响加工曲面形貌精度。基于刀具接触力的刀具末端形变模型能较好地预测不同刀具姿态角下平底铣刀及环形铣刀的加工形貌精度变化趋势,为加工参数的优化提供参考依据。实验中,三种刀具采用小刀具姿态角铣削都能获得较好的曲面粗糙度及形貌误差。此外,提高机床旋转轴转动分度及主轴转速能有效解决因刀刃弧形所带来的局部材料挤压堆积问题,从而提高表面粗糙度。实验结果表明,环形铣刀更适合于自由曲面的精密铣削。最后,采用环形铣刀及优化的加工参数在加工范围为40 mm×5.5 mm的7050铝合金表面上实现了粗糙度达0.31μm、平均形貌误差为1.63μm的自由曲面精密铣削。