球头铣刀是复杂曲面数控半精、精加工最常用的刀具,在航空航天、汽车、能源和模具加工中的应用非常广泛。然而球头铣刀存在刀尖切削线速度为零的问题,刀尖参与切削不利于加工表面质量的提升。随着多轴数控加工技术的发展,通过改变刀具与工件的相对姿态,可在一定程度上避免刀尖参与切削,然而随着零件复杂程度的提升,完全避免刀尖参与切削也变得相对困难。尤其在加工钛合金及高温合金等难加工材料时,刀具姿态会对加工表面质量产生很大影响,但针对刀姿参数优选的具体范围尚不明晰。而且在曲面加工过程中,刀具切触区域随曲面特征及刀具路径在不断变化,刀具实际参与切削的位置也在随之改变,这造成了球头刀磨损分布呈现非均匀特性,导致刀具磨损预测困难。由此,本文针对球头刀刀具姿态对加工表面创成及刀具磨损的影响规律开展相关研究。本文引入“速度效应”的概念,对铣削运动过程中刀具主运动与进给运动关系进行分析,建立铣刀速度比例函数评价模型,基于此确定了球头刀速度效应敏感区域。基于单次铣削路径上切触几何关系,建立球头刀切触区域内最低切削速度点的几何关系模型,依据该模型可判定最低切削速度点是否处于球头刀速度效应敏感区域内。通过斜平面单次铣削实验,发现当球头刀切触区域最低切削速度点处于速度效应敏感区内时,加工表面会出现与进给方向垂直的振纹,验证了球头刀速度效应理论。针对刀尖附近参与切削时刀具姿态参数优选问题,基于刀工切触几何关系,对球头刀刀路叠加状态下的速度效应敏感特性进行分析,选择切触区域内多个关键点对切削速度进行三维描述,建立切触区域关键点的切削速度与刀具姿态参数的关系模型,并提出以刀触点为切触区域内最低切削速度点的刀轴参数优选策略,得到刀尖附近参与切削的刀具进给方向的优选区间;针对钛合金材料进行斜平面多次走刀实验,验证了所提出的刀姿参数优选策略有效性,并在非优选区间的加工表面上发现了表面粘结缺陷。对表面粘结缺陷的形成机理进行分析,确定了表面粘结缺陷的形成与切削刃附近的材料粘结和刀具在每齿切削过程内的切入/切出位置有关。为了便于分析不同刀具姿态下的切入/切出过程,建立刀具切削刃和刀工切触区域在切触平面上的投影模型,从而将复杂的空间几何问题转化为平面几何问题。同时为了研究顺逆铣削方式对表面粘结缺陷形成的影响,进行了不同进给方向的斜平面多次走刀逆铣加工实验,并结合刀具每齿切削过程内的切入/切出情况、切屑形态及表面形貌,分析表面粘结缺陷的形成机理。基于球头刀刀工切触几何关系模型建立刀具每齿切削过程刃线微元有效切削距离计算模型,并分析了刀姿参数对刀具磨损的影响;提出一种曲面加工刀具路径长度离散化计算方法,基于后处理开发计算得到了相应刀具姿态下刀具路径的线性切削长度;建立刀具刃线微元切削总距离计算模型,并结合现有刀具磨损模型,实现球头刀曲面加工刀具后刀面磨损分布预测,并进行了实验验证。根据实际曲面加工刀具磨损分布特征及速度效应理论,提出曲面加工变转速加工策略,基于后处理开发实现以相对恒切削线速度为目标的变转速数控程序的输出,并进行实际自由曲面加工验证。