自由曲面已经被广泛的应用于新能源,国防,航空航天,生物工程等各种领域。基于慢速滑板伺服(Slow slide servo,简称为SSS)和快速刀具伺服(Fast tool servo,简称为FTS)的金刚石车削过程已经被认为是最高效的自由曲面创成技术。但是,金刚石车削过程不能很好的加工一些难加工材料的自由曲面。椭圆振动切削(Elliptical vibration cutting,简称为EVC)由于其在材料加工中优异的切削性能,已经被广泛的应用于难加工材料加工,然而,EVC不能很好的进行自由曲面创成。另一方面,纹理化表面上的微纳纹理结构能极大的提高表面的光学,机械,生物等特性,使得纹理化表面产生特别的性能。纹理化表面已经被广泛的应用于工程表面,而这些表面通常都是纹理化的平面或是圆柱面。相比于平面和圆柱面,自由曲面有更为广泛的应用。因此,在曲面创成过程中,在其表面上加工出微纳纹理结构,使其具有功能性特性,能极大的扩展自由曲面的应用范围。EVC已经被用于一些纹理化表面的加工。本文针对难加工材料自由曲面,以及纹理化自由曲面的金刚石车削过程进行研究。研究内容主要包括加工方法,装置设计,刀具路径规划和表面形貌预测。(1)双频椭圆振动切削方法本文提出双频椭圆振动切削方法,用于难加工材料上的自由曲面加工。该方法在加工过程中输出高频的椭圆振动用于改善材料去除过程中工件材料的可切削加工性,输出低频的振荡用于自由曲面轮廓生成。针对双频椭圆振动切削方法在金刚石车削过程中的应用,本文研制了新的刀具路径规划方法,并建立新的表面形貌预测模型。三种典型的自由曲面在模具钢上加工出来,验证了研制的刀具路径生成策略的可行性。此外,实验结果与表面形貌预测能很好的吻合,证实了形貌模型的有效性。(2)双频椭圆振动切削装置本文研制一种双频椭圆振动切削装置,原理上将FTS和EVC结合起来。装置设计成柔性铰链结构,并由两个压电驱动器驱动产生刀具运动。在一系列的测试实验中,装置体现出很好的性能。两个自由曲面在模具钢上加工出来,相比于应用快速刀具伺服加工出来的表面,应用双频椭圆振动切削加工出来的表面有更好的表面完整性和形状精度,验证了原理和研制的装置。(3)非零前角的双频椭圆振动金刚石车削针对非零前角的双频椭圆振动金刚石车削过程,本文研制一种基于坐标变换的刀具路径生成方法,并建立加工后表面形貌的预测模型。通过形貌预测讨论一些重要参数,如刀具前角,椭圆振动频率,振幅等参数对加工后表面质量的影响。(4)应用变频椭圆振动的双频椭圆振动金刚石车削基于双频椭圆振动切削方法,本文研制应用变频椭圆振动的双频椭圆振动金刚石车削方法。该方法利用变频椭圆振动在自由曲面金刚石车削过程中,在自由曲面上生成均匀的微纳纹理结构,从而实现纹理化自由曲面的加工。针对该金刚石车削过程,本文提出一种恒定纹理波长的刀具路径规划方法。一种典型的自由曲面在模具钢上纹理化加工出来,曲面上不同位置处能测量到恒定波长的纹理,验证了所提出的刀具路径规划方法。为了提高纹理化自由曲面表面形貌的预测精度,本文提出一种基于刀具表面几何轮廓的解析表面形貌预测方法。不同于常规的基于零切削刃半径的理想切削刃轮廓的表面形貌预测方法,该方法中,将刀具前刀面,带有实际非零切削刃半径的切削刃表面和后刀面包含进刀具模型,并将切削过程中刀具几何表面轮廓进行解析描述。相比于基于理想切削刃轮廓的表面形貌预测结果,基于切削刃表面和后刀面的预测结果能有更高的精度,更接近于纹理化曲面加工实验结果,证实了所提出的表面形貌预测方法。