在现代模具生产中，自由曲面所占的比例不断增加，塑件的内部结构设计及外形设计也日趋复杂，而且还要保证高的制造精度和表面质量。这些都对模具加工技术提出了更高要求，因此研究自由曲面加工表面形貌预测对模具制造具有重要的理论及实际意义。本文在建立球头立铣刀几何简化模型、NURBS自由曲面模型与切削力预测模型的基础上，建立了高效的高速铣削表面形貌仿真算法，通过计算机仿真得到高速铣削的表面形貌，并进行了实验验证。运用解析几何原理建立了整体式和可转位式球头立铣刀几何简化模型，并给出了刃线方程。基于切屑形成机理及微分几何，建立了球头立铣刀切削力预测模型。根据悬臂梁理论与弹性力学胡克定律，建立了刀具受力的变形公式。运用图形矩阵变换原理求出切削刃上任意点的运动轨迹方程，从而得到刀具运动包络体。考虑刀具安装偏心、刀具受力变形等因素的影响，对刀具运动包络体进行修正，拓展Z-map方法到NURBS自由曲面加工仿真，通过Boolean运算，得到加工仿真表面形貌。仿真程序采用开放式模块化的结构，在Matlab软件环境下运行仿真。采用硬质合金球头立铣刀在数控加工中心上进行了P20钢的高速铣削实验，获得了实际切削力的动态曲线和工件加工表面形貌，验证了切削力模型及表面形貌模型。