数控五轴铣削加工具有刀具-工件曲面法向夹角可调整以及刀刃切削点位置可控的优点，特别适于重叠率较高的复杂曲面结构件的加工制造，在叶轮机械等高附加值的复杂曲面零件制造中得到了广泛的应用。然而在精加工中，由于加工参数选择不当而导致的颤振将在工件已加工表面形成振纹，需要采用额外的抛磨工艺进行处理，极大地制约了加工质量与制造效率。因此，如何克服铣削颤振的恶劣影响已成为数控五轴精密加工中面临的最主要的技术挑战之一。在切削过程中，未发生塑性挤压变形的切屑厚度称为未变形切屑厚度或名义切屑厚度，是决定切削载荷的重要参数。而分别位于切屑前后表面上的一对描述局部未变形切屑厚度的点为切厚控制点。系统动态响应在切屑前后表面任一切厚控制点形成的再生波纹效应是诱发铣削颤振的主要原因，只要切屑厚度波动性所产生的波动铣削力与铣削系统动态位移响应之间存在位相差，铣削系统结构就有可能从铣削力中不断地吸取能量而扩大铣削系统振幅，形成颤振。因而要对颤振行为进行预报，需要明确切厚再生波纹效应的反馈机制与影响规律。对于球头刀五轴铣削而言，由于切厚的再生波纹附着于形状非规则、厚度非均一的未变形切屑表面，并使得不同的切厚控制点之间形成了方向非一致、间距非均一的时空映射关系，给准确建立系统的再生波动特性提出了挑战。因此，如何在球头刀五轴精铣削的三维几何空间中描述再生波纹的时空特性、构建三维再生波动行为的动力学反馈机制，是构建铣削动力学稳定性参数边界、评价已加工表面动态轮廓误差的关键所在。基于上述挑战，本文的研究内容主要包括：一、球头刀五轴精铣削切屑厚度与变时滞参数建模方法在利用球头铣刀进行复杂型面五轴数控铣削的过程中，切削刃轨迹是随时间变化的空间曲线，经过切屑前后表面一对切厚控制点的时刻之间亦将具有随刀刃回转角度而变化的时间间隔（时滞时间），这使得切屑三维形状具有显著的时空关联特征。在小切深、小横向进给的精加工工况下，切屑尺寸相对较小，其形状描述精度对切削刃轨迹细节特征的准确描述更为敏感，传统的以忽视刀刃轨迹时空关联性为特征的球平移切屑厚度建模法与正弦积法，在切屑厚度的描述上会引起更为显著的原理性误差；对于准确描述时滞时间的时变特性亦无能为力，无法用于准确定位切厚再生波纹的时空位置。针对球头刀五轴铣削中传统切屑厚度模型在描述切屑厚度与时滞时间参数上的不足，本文基于球面铣削刃真实的三维次摆线轨迹及其五轴铣削空间几何变换规律，描述了变时滞参数的分布规律，结合铣削区域边界形成机理，实现了五轴球头刀精铣削切屑几何的精确表达。二、五轴铣削动力学建模与铣削表面动态仿真方法基于精确的切屑厚度与变时滞参数模型，描述了切屑厚度再生波纹效应的时滞反馈机制，建立了考虑刀具柔性与工件柔性的五轴精铣削动力学模型。在变时滞参数离散插值的基础上，实现了切屑厚度再生波纹效应的动态位移仿真；利用切削刃在工件已加工表面创成过程中历经的时间信息，与铣削系统动态位移响应的离散时间信息实现了关联，建立了铣削表面的动态创成模型，揭示了颤振铣削状态与工件表面铣削质量恶化之间的关系。针对已加工表面的几何形貌特征，提出了基于已加工表面残留高度与区域连通特性的颤振特征判定方法，通过设计连续变切深的颤振激发实验，对铣削动力学模型及其仿真方法进行了验证。三、基于变时滞特性的五轴精铣削动力学稳定性预报方法在球头刀五轴精铣削的瞬态未变形切厚模型的基础上，推导了切屑厚度对铣削系统振动位移的灵敏度因子，实现了动态切屑厚度与动态铣削力等系统非线性反馈特征的线性化描述。针对传统的数值积分法无法在构造系统周期性传递矩阵时处理系统变时滞特征的问题，提出了基于变时滞参数分布规律的状态偏移矩阵构造方法，实现了系统从变时滞状态变量集到整周期状态变量集的状态映射，解决了变时滞状态变量集在周期性传递矩阵中的构造难题。进而应用Floquet方法，对系统状态变量集在相邻刀齿通过周期间的传递关系进行了稳定性判定，并获得了系统状态变量的稳态运动周期解。稳定性叶瓣曲线的验证实验表明，基于变时滞参数的铣削稳定性判别方法具有较好的描述精度，可准确描述稳定性叶瓣曲线在球头刀五轴精铣削工况下发生的偏移现象。四、面向动力学稳定性的铣削工艺优化方法基于前述铣削动力学模型与稳定性判定准则，以无颤振稳定铣削为目标，阐述了五轴精铣削工艺参数的优化策略与方法。首先，提出了球头刀铣削力系数标定新方法，采用小切深、变前倾角的圆柱面铣削模式，代替满切深整球面沉浸的槽铣模式，对球头刀切削刃的加工区域进行遍历，标定出铣削力相对于刀刃切削点位置以及局部切屑厚度的变化关系。由于标定过程中始终保持着恒定的小切削深度特征，避免了传统方法在标定过程中出现铣削颤振的情况。另外，以铝合金材料的轴流式叶片五轴精铣削为例，应用基于区间适应度的遗传优化算法，将CAM软件几何规划功能与五轴精铣削模型的稳定性判别技术相结合，建立了面向铣削稳定性与动态形貌质量的工艺参数优化策略，验证了本文提出的优化方法在进行球头刀五轴精铣削颤振抑制中的有效性。综上所述，本文围绕球头刀自由曲面数控五轴铣削中颤振预报与切削表面质量控制，基于球面铣削刃真实的三维次摆线轨迹，建立了复杂型面铣削的名义切屑厚度模型，获得了刀刃经过名义切屑前后表面的非均一时间间隔（即变时滞参数）；在此基础上，建立了具有非线性、变时滞特征的球头刀五轴精铣削动力学模型，实现了对切厚再生波纹效应的准确描述；提出了基于变时滞特征的铣削动力学稳定性判据，提高了精铣削动力学稳定性预报精度，形成了自由曲面五轴铣削加工的无颤振工艺优化准则。相关工作将对进行面向动力学特征的工艺参数优化具有重要的理论与应用价值。