微细切削加工技术作为多种材料复杂形状微小零件的重要制造技术，其加工工艺装备极大程度地影响着该技术的发展与应用。针对传统切削机床在微细加工时的体积大、高能耗、效率低和高成本等问题，国内外研究人员提出了微小零件由微小型机床制造的理念。本文以微小零件微细切削用微机床（下文简称为微机床）为研究对象，围绕现有微机床所存在的关键技术问题如微主轴的高转速与承载性要求、进给系统的大行程、快响应与高精度定位、整机结构布局与高刚性紧凑零件等，开展了一系列关于微机床设计制造的关键技术研究，主要包括高转速微主轴支承轴承的承载特性研究、宏微结合进给系统的设计应用、高刚性整机结构及紧凑型零部件的设计优化、电气及控制系统的设计应用、关键加工装配技术等。基于上述研究内容，研制出了微机床样机，为后续的微细切削机理及其工艺特性研究提供了关键加工设备。本文的主要研究内容归纳如下：　　（1）深入研究了微小型径向空气静压轴承动静压下的承载特性。基于气体润滑理论，建立了考虑轴承动压效应的修正型气体润滑雷诺方程。采用数值计算理论与有限差分法，推导了径向空气轴承的气膜压力场数值计算模型。通过积分求和与摄动法原理，分别建立了轴承承载力与刚度的计算方法。基于上述理论研究，系统性地分析了微小型径向空气静压轴承的承载特性与其关联性参数（如节流参数、结构参数和工况参数等）的映射规律，揭示了各参数对轴承承载特性的影响程度。随着微主轴转速的升高，尤其在高速/超高转速下，微小型径向空气静压轴承的动压效应显著增强，其承载能力明显增大。本文分析研究了轴承在动压效应下，其承载特性与关联参数的映射规律，初步揭示了各关联参数对轴承动压效应的影响。通过空气静压轴承的静压承载试验，验证了数值计算模型的可靠性。应用微小型精密空气静压轴承，开发了微细切削用气动式高速精密微主轴。　　（2）开发了宏微结合进给系统。基于微小型化的机床设计理念，分析确定了L型整机结构方案和XYZ三坐标轴的结构方案。基于理论力学与材料力学，建立了直线导轨单元的负载分析模型及其计算方法。参照L型整机结构，推导了微铣削极限工况下的各坐标轴导轨单元的负载计算方法。以额定寿命、极限载荷等性能指标为安全性判据，分别建立了直线导轨单元与滚珠丝杆单元的设计分析模型。以惯量匹配性、电机额定转矩与最大转矩为安全性判据，建立了旋转伺服电机的设计计算模型。选用了压电陶瓷式柔性铰链微动机构，通过微动机构与宏动进给机构的结合，构建了大行程、快响应与高精度定位的微机床进给系统。　　（3）分析研究了微机床的非标类零件结构和空间几何精度（误差）模型。基于力学理论，分析了重载微铣削工况下的床身载荷谱模型，建立了床身结构的设计计算模型。设计了一种立柱与底座一体化的紧凑式整体床身结构，通过有限元仿真，对比分析了分离式与整体式床身结构的动静态力学特性。按照零件的承载情况与实际用途，对非标类零件进行了功能性分类，如连接型零件、支撑型零件与辅助型零件。深入分析了各类零件的主要设计准则，基于结构刚度、强度、加工工艺性、装配性及几何精度等基本内容，完成了83件非标类零件的设计。基于多体动力学理论，通过低序体阵列和齐次变换矩阵，建立了微机床在理想位姿与有误差实际位姿下的成型函数模型。基于上述位姿模型建立了微机床刀具在工件坐标系下的空间几何（精度）误差模型。通过线位移误差近似表达误差模型中的角位移误差与轴系垂直度误差，分析了精度（误差）模型中的主要误差矩阵及其矩阵元素的误差组成，定性地对比分析了各坐标轴的定位精度大小。　　（4）分析研究了微机床电气控制原理，设计了微机床主电源、数控系统、主轴系统、伺服驱动系统、辅助系统等子系统的电气线路图。选用了高性能数控系统，构建了紧凑型电气控制系统，该系统包含了微机床电气控制的主要软硬件。　　（5）开发了满足设计应用要求的微细切削用微机床样机。基于已有生产能力，分析研究了微机床非标类零件的机械加工工艺，完成了全部零件的制造与关键零件的几何精度检测。分析了样机装配工艺，重点研究了样机关键部位的配磨、配锥销等装配工艺，检测了样机装配精度。采用激光干涉仪测量了样机运动精度，其坐标轴的定位精度在微米级（定位误差均小于5μm），重复定位误差均小于1.5μm，最佳重复定位精度可达亚微米级，各坐标轴的定位精度大小初步验证了上述空间几何精度模型的可靠性。以6061铝合金和单晶硅开展了微铣削微磨削试验，试件加工质量表明样机具有良好的加工性能，满足了实际应用要求。