近年来,随着航空航天、信息通讯及生物医疗等领域对成像质量要求的提高,光学自由曲面元件得到了越来越广泛的应用。为了满足日益增长的市场需要,越来越多的光学自由曲面元件采用高精度模具进行批量生产。光学自由曲面模具微细铣削加工过程中切削尺度比较小(每齿进给量一般为0.1-10μm),刀具直径相应也比较小,一般为0.1-0.8mm。由于刀具直径小,而且加工对象都是典型的难加工材料,如耐腐蚀光学镜面模具钢、镍基合金等,微细铣削加工中存在较大刀具变形,而刀具变形引起的让刀误差是影响自由曲面模具加工精度的主要因素。此外,由于切削尺度小,微细铣削加工中存在严重的尺度效应,给微细铣削加工切削力、让刀误差精确建模带来了严重挑战。因此,提出考虑尺度效应的微细铣削加工切削力、让刀误差精确预测模型具有重要意义。本文围绕自由曲面微细铣削加工切削力、刀具变形开展研究,主要内容如下:建立了考虑刀具刃口圆弧半径、材料应变梯度强化的微细铣削切削力精确解析预测模型。考虑刀具刃口圆弧半径引起的负前角切削现象,基于前刀面切屑受力平衡分析,提出了一种新的刀具有效前角、剪切角和摩擦角迭代计算方法。考虑了剪切区塑性应变梯度引起的材料强化效应,提出了一种新的改进的材料Johnson-Cook本构模型。基于经典的斜角切削理论和滑移线场理论,考虑了剪切区材料剪切作用产生的剪切力和刃口区刀具犁切作用产生的犁切力,实现了微细铣削过程切削力的精确解析预测。分析了刀具刃口圆弧半径效应、材料应变梯度强化效应、刀具名义前角、切削速度等对微细铣削加工切削力的影响规律。建立了考虑刀具径向跳动和变形反馈耦合作用的曲面微细铣削刀具变形、让刀误差迭代预测与补偿模型。设计了一套基于激光位移传感器的刀具径向跳动测量装置,建立了考虑刀具径向跳动、刀具精确余摆线运动轨迹以及刀具径向变形反馈耦合作用的微细铣削过程切削几何模型(微元瞬时未变形切屑厚度模型、微元切削状态判断模型),提出了曲面微细铣削加工过程柔性切削力和刀具变形双层迭代预测算法,实现了微细铣削过程刀具变形精确预测,解释了刀具径向跳动和径向变形反馈对微细铣削切削力和刀具变形的耦合作用机理和规律。将刀具径向跳动和刀具稳态变形(刀具经过切触点瞬间)沿着切触点处曲面外法失进行投影,建立了考虑刀具径向跳动和刀具变形的曲面微细铣削加工让刀误差预测模型,基于双层迭代算法实现了曲面微细铣削让刀误差迭代补偿。分析了不同铣削加工方式、横向进给行距以及局部倾斜角等对曲面微细铣削加工让刀误差的影响规律。考虑光学自由曲面的几何特性和自由曲面微细铣削加工中面形误差的尺度特点,利用平均曲率对测量曲面中存在的奇异点(加工误差或测量误差引起)进行过滤,提出了一种基于曲面二维几何形状描述符的区域识别与粗定位方法,并在此基础上采用最近点迭代算法进行精确匹配,从而实现自由曲面微细铣削加工面形误差的提取与评价。开发了曲面微细铣削加工实验平台(三轴超精密数控铣床),对机床机械结构及伺服控制系统进行设计、选型和调试,保障机床定位轴运动精度。基于提出的曲面微细铣削切削力、让刀误差理论预测模型以及开发的曲面微细铣削加工装备,实现了 F-theta曲面高精密微细铣削加工,为光学自由曲面微细铣削加工提供了较好的理论基础和技术支撑。