飞秒激光因其优异的加工性能在高端装备制造业中得到了广泛关注,包括航空发动机涡轮叶片气膜孔和汽车发动机喷油嘴孔等在内的高精密微小孔加工均可用飞秒激光实现。然而在飞秒激光实际制孔过程中还存在加工效率低下、加工质量不稳、加工参数选取盲目的问题,制约了其在工程上的应用。本文针对上述问题开展了飞秒激光螺旋制孔的数值模拟与实验研究,建立了用于描述螺旋制孔过程的数值仿真模型以及主要加工参数与材料烧蚀深度之间的映射模型,揭示了飞秒激光螺旋制孔过程中小孔的成形演化规律。研究成果为飞秒激光螺旋制孔过程提供了理论基础与模型指导,对微小孔的高精高效加工具有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文主要研究内容与创新点包括:1.分析了高斯飞秒激光的光束特性及其与金属材料作用过程中材料的主要蚀除机理,讨论了描述飞秒激光与金属材料作用过程的双温模型及其在描述螺旋制孔工艺方面的不足。基于现有双温模型,在激光源项中加入了焦点在平面上的螺旋运动方程以及在光束传播方向上的速度控制项,建立了能够用于描述飞秒激光螺旋制孔工艺的改进双温模型,改善了现有数值模型在描述螺旋制孔工艺方面的不足。2.基于所提出的改进数值模型并采用临界点相分离模型,以铜为加工对象,对制孔过程中的单脉冲能量、重复频率、焦点下移速率3个参数进行仿真研究,获得了材料在不同单脉冲能量、不同重复频率、不同焦点下移速率下的烧蚀深度变化曲线,揭示了各参数对烧蚀深度的影响规律。将不同能量密度下的单脉冲烧蚀深度与现有文献结果进行对比,验证了所提出数值模型的合理性。3.以304不锈钢为靶材,选取飞秒激光螺旋制孔工艺的主要参数设计5因素5水平正交实验,分析单脉冲能量、重复频率、旋转速率、焦点下移速率、吹气压力对烧蚀深度影响的显著水平;基于反向传播(BP)神经网络建立这5个因素与材料烧蚀深度之间的映射模型,测试结果表明所建立模型的预测误差在3%以内;以螺旋制孔的特征参数——焦点下移速率为变量设计单因素实验,得到了飞秒激光螺旋制孔过程中焦点下移速率对小孔成形过程的影响规律。4.以镍基单晶高温合金DD6为靶材,分别以单脉冲能量、焦点下移速率、光斑扫描轨迹为变量设计单因素实验,揭示了各参数对制孔过程和小孔形貌参数的影响规律。