微小结构被广泛地应用于各个领域,其特征尺度小,结构复杂,形状精度和位置精度要求高,形廓加工困难,且刀具易磨损,使得零件加工精度很难保证。具有微小斜面、曲面的微小结构常使用微径球头铣刀进行微细铣削,但因刀杆、刀头处直径较小,刚度比常规铣削用的刀具差,易变形引起工件尺寸误差。再者在铣削过程中球头铣刀往往倾斜一定角度,工件-刀具接触几何关系因倾角不同而不同,使得参与刃段速度不同,受力磨损有差异,影响工件的形状、位置误差及表面形貌。本文以微径球头铣刀微细铣削微小结构为研究对象,从铣削力建模、加工尺寸误差预测、倾角对几何误差、表面形貌的影响规律等方面进行了深入研究。本文主要研究内容与创新性成果如下:1.综合考虑工件曲率半径、刀具倾角等因素以及刀具偏心、单齿切削等现象,建立了微径球头铣刀的铣削力模型。首先分析了微径球头铣刀几何特征,讨论了微细切削过程出现的最小切削厚度、刀具偏心以及单齿切削现象,建立了刀刃点的运动轨迹模型以及瞬时切削厚度模型。研究了刀具-工件接触几何特性,对微径刀具切入、切出角进行分析,建立了基于曲率半径和刀具倾角基础上的切入、切出角求解模型;对切削刃是否参与切削进行了讨论。根据刀具-工件接触几何特性及切削机理,建立了刀具微元铣削力,并以此为基础,综合应用解析几何、微分几何、数值方法、实体建模等理论与方法,建立了微径球头铣刀铣削力模型,并通过微小斜面的微径球头铣刀铣削试验,验证了切削力模型的有效性。2.针对微径球头铣刀变截面的几何特征建立了基于铣削力的加工误差预测模型。通过将微径球头铣刀刃部离散为有限个具有微小厚度的圆盘,应用微元力矩和集中载荷力矩相等的理论,沿空间螺旋线分布的切削载荷转化为施加微径球头铣刀上的集中载荷,求得了集中载荷的等效作用点。借助两段式、三段式悬臂梁力学模型,建立了基于微径球头铣刀受力变形的工件加工误差预测模型,并对加工误差预测模型进行了试验验证,结果显示基于三段式悬臂梁力学模型建立的预测模型的预测值与实测结果更为符合。3.揭示了微径球头铣刀前倾角、侧倾角、可视锥范围内复合倾角对微小结构几何误差的影响规律。根据刀具位姿的变化,建立了不同姿态下参与切削的刃线上的最大切削速度、最小切削速度模型。基于微细铣削力、参与切削的刀刃上的最大、最小切削速度综合分析了前倾角、侧倾角、可视锥范围内复合倾角对形状、位置精度的影响规律。研究了相同倾角状态下,不同曲率半径加工件对几何误差的影响规律。研究发现:前倾角、侧倾角在±5°、±10°形状、位置精度相对较差,在前倾角、侧倾角±20°时,形状、位置精度相对较好。凹凸曲率半径较小时,其几何误差较好,该结论可作为规划走刀路径的策略依据。4.揭示了微径球头铣刀不同倾角对微小结构表面几何特征的影响规律。分析了球头铣刀铣削表面形貌的成形过程,建立了残余高度的计算模型,基于仿真建模,研究了不同曲率半径的凸曲面、凹曲面对残余高度的影响规律。对-30°到30°之间的前倾角、侧倾角以及可视锥下的复合倾角进行微细铣削试验,研究了不同倾角对区域算术平均高度Sa、轮廓算术平均偏差Ra、轮廓的最大高度Rz、轮廓单元的平均宽度Rsm的影响规律。前倾角、侧倾角为±5°时表面粗糙度相对较差,应尽量避免此倾角下进行加工。