球头铣刀在自由曲面加工中的适用性使其已成为加工中心的主要刀具。切削过程中刀具系统的切削力特征对机床的工作特点与加工性能影响显著。因此球头铣刀切削力预测模型的建立对研究加工中心的可靠性及工作精度有重要的意义。基于球头铣刀的刃线结构特征将球头铣刀划分为无数切削微元,通过对微元切削力进行坐标转换得到局部切削力,进而建立了球头铣刀整体铣削力预测模型。通过研究球头铣刀铣削力模型及参数的简化方法,给出了在特定工况下计算球头铣刀整体切削力的简化公式。采用五轴联动加工中心及测力仪进行了切削力测量实验,对实验数据采用线性回归的方法进行识别确定了切削系数。通过实验数据与仿真结果的对比验证了模型的准确性,实验研究了加工凹槽面、斜面、凸球面及叶轮曲面等典型几何要素时的实际切削力变化情况。考虑铣削力对球头铣刀加工精度的影响,建立了切削力引起刀体变形模型,分析了刀具变形、径向跳动、切削热以及刀具磨损对加工误差的影响。应用有限元软件ANSYS,结合实验数据对球头铣刀进行了结构静力分析和模态分析,得出了球头铣刀的变形及应力分布等值线图,前六阶固有振动频率和振型。铣削表面粗糙度是加工过程中的重要参数,直接影响零件的表面完整性。本文通过实验研究分析了影响表面粗糙度的主要因素,获得了主轴转速、切削深度及进给量对已加工表面粗糙度的影响规律,对球头铣刀铣削加工参数的选择具有指导意义。