随着高速切削技术和硬切削技术的发展,具有高硬度、高韧性和高耐磨性的淬硬钢模具加工实现了以铣代磨,并以高精度和高效率的优势迅速成为汽车覆盖件模具加工的主要工艺方法。由于汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、工作形面复杂、曲率变化频繁、表面质量和加工精度要求高等特点,使模具制造企业对自由曲面模具切削过程的控制及加工精度的保证面临很大的挑战。在自由曲面淬硬钢模具三轴球头铣削过程中,切削力方向多变,工艺系统呈署弱刚性,易引起切削过程稳定性下降,加工表面质量和加工精度下降,刀具寿命降低等问题。因此,研究自由曲面淬硬钢模具球头铣削过程的切削力、刀具变形、铣削稳定性、加工误差和补偿,以满足自由形面、高硬度、大尺寸模具的高精度高效率的生产需求,对推动汽车淬硬钢模具制造技术进步,促进高品质自由形面模具加工技术的发展和应用具有重要的现实意义。球头铣削自由曲面淬硬钢模具时,曲面曲率特征和加工倾角多变使瞬态切削力处于不稳定状态,多变载荷引起刀具变形和切削稳定性下降,同时,造成自由曲面的加工形貌和加工精度难以达到要求。本文针对自由曲面淬硬钢模具的球头铣削过程中存在的上述问题,进行球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究,主要内容包括:针对曲面加工中前倾角、侧偏角、行距方向曲率和进给方向曲率引起铣削力方向和大小变化的问题,首先表征自由曲面曲率特征及加工倾角,根据球头铣刀切削刃几何形状,建立铣削过程中刀齿实际运动轨迹的三维摆线模型;基于三维摆线模型,考虑曲面加工前倾角、侧偏角、行距方向曲率和进给方向曲率,修正未变形切屑厚度模型,研究工件曲率和加工倾角对未变形切屑厚度的影响规律。建立考虑加工倾角和工件曲率的自由曲面瞬态铣削力模型,分析加工倾角和工件曲率对瞬态铣削力的影响规律。提出自由曲面瞬态铣削力预测方法,并进行实验验证,为刀具偏摆分析和动力学建模提供依据。基于自由曲面瞬态铣削力变化规律,采用有限元法分析球头刀偏摆,获得切削区部分切削刃变形分布规律;基于刀齿三维摆线运动轨迹,建立考虑切削刃不同位置变形的未变形切屑厚度模型,研究切削刃变形对未变形切屑厚度的影响规律。分析切削刃变形对刀工接触区域的影响规律,建立考虑切削区变形的自由曲面铣削力预测模型,并通过实验验证,为加工误差提供理论依据。自由曲面球头铣削的未变形切削厚度沿切削刃不断变化,基于刀齿三维摆线轨迹模型,描述相邻刀齿在三维刀工接触区前后表面形成的一对切屑厚度控制点。分析相邻两个刀齿分别经过刀工接触区前后表面控制点的时滞时间,建立变时滞时间的未变形切屑厚度模型。分析工件曲率及加工倾角对铣削时滞及再生作用下的动态切屑厚度的影响规律,建立自由曲面铣削动力学方程。采用全离散和数值解法相结合办法分析小径向切深的球头铣削变时滞动力学特性,预测自由曲面铣削稳定域,分析加工倾角和曲率半径对铣削稳定域的影响规律。自由曲面的加工中通常存在编程误差和加工误差,对球头铣刀铣削淬硬钢模具时的让刀误差、残留高度和插补误差进行分析,揭示自由曲面误差分布特性。通过铣削自由曲面淬硬钢模具让刀误差实验和加工表面形貌实验,分别验证让刀误差及残留高度预测模型。基于不同形面特征误差分布特性,采用过程集成优化方法,对曲面的不同切削区域有针对性的进行补偿。