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。本文在建立球头铣刀铣削力预测模型、铣削过程简化模型、刀具刃线表达式的基础上,建立了高速数控铣削表面形貌创成模型,并进行了如下主要研究:(1)球头铣刀铣削力预测模型的建立。在将刀具简化为一个悬臂梁结构的基础上,根据刀具铣削力与切削负载之间的经验公式,综合考虑刀具偏心、力变形和热变形,推导出三维进给状态下瞬时切削厚度表达式,建立了球头铣刀铣削力模型并进行仿真。(2)表面形貌创成模型的建立。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,得到刀具运动包络体;在考虑刀具安装偏心、刀具受力及受热变形对走刀路径的影响的基础上给出了走刀路径变化图;拓展保留最小Z值法到自由曲面加工,通过Boolean(布尔代数)运算,得到了自由曲面加工表面创成模型,并给出了仿真流程图。(3)用Matlab仿真软件对所建立的预测模型进行仿真。首先对球头铣刀铣削力模型进行仿真,得到球头铣刀三个相互垂直方向的铣削力Fx,Fy,Fz随时间的变化曲线并分析了仿真结果;最后对表面形貌仿真模型进行了仿真试验,以压气机叶片为研究对象,在Ansys环境下分析切削速度v_c、刀具加工倾角ξ和轴向切削深度a_p分别对其表面粗糙度的影响,并对试验曲线和仿真曲线进行了比较分析。