在工业4.0和中国制造2025目标的指引下,我国装备制造业的得到了蓬勃的发展。金属切削领域也取得了丰硕的研究成果。工欲善其事,必先利其器!金属切削刀具一直以来被形象的喻为数控机床的“牙齿”,其性能优劣直接影响着零部件的加工质量。本文针对金属切削领域中使用广泛的整体硬质合金球头立铣刀展开研究。本次课题研究工作从以下几方面展开:1)理论分析针对球头立铣刀结构进行分析,建立刀具数学模型,包括球头立铣刀的横截面数学模型、端刃、周刃、螺旋槽以及退刀槽数学模型;2)数学建模与三维参数化建模在立铣刀结构分析以及所建立的数学模型基础上,通过UG NX11.0建模软件,利用所建立的数学模型进行三维参数化建模,为球头立铣刀铣削性能有限元模拟分析提供仿真模型;3)球头立铣刀磨制与检测对整体硬质合金球头立铣刀的磨制进行分析与模拟加工,制定刀具磨制工艺,使用ANCAFX7五轴数控工具磨床对设计的球头立铣刀进行磨制,为后续试验提供铣削刀具;4)有限元模拟仿真与铣削实验确定刀具和工件材料特性,在ABAQUS中建立球头立铣刀铣削有限元仿真模型,以刀具前角、一次后角和螺旋角作为影响因素,设计三元二次回归正交旋转组合实验表,进行铣削有限元模拟仿真和实际铣削实验,获取铣削力样本数据;5)铣削力性能模型建立目标优化利用多元非线性回归分析建立刀具铣削力关于角度的预测模型,对该铣削力性能模型进行目标优化,利用MATLAB遗传工具箱,以铣削力最小,在设计的角度范围内寻找球头立铣刀最优的关键角度组合,提高刀具切削效率。本次课题研究结论表明球头立铣刀的铣削力和刀具的关键几何角度参数之间存在定量的二次非线性函数关系;另一方面表明在针对具体材质刀具（YG8）特定加工材料（A17075）时,刀具前角、第一后角以及螺旋角之间存在最优匹配关系。在铣削力最小目标下,球头立铣刀前角10.37°、第一后角14.56°、螺旋角34.53°为最优组合,使得铣削力最少降低了 0.6%,最多降低了 20.3%。本次研究提出刀具从结构设计检测到性能建模优化的理论与实践方法,对其他复杂刀具的设计优化具有参考价值。