近年来,刀具姿态对加工表面质量的影响,在航天航空、汽车零部件和各类模具加工制造行业受到了越来越多的关注。目前,国内外就刀具姿态与切削质量关系的研究已经取得了一些成果。然而,各类现有的研究都是针对特定的工艺系统进行的,切削工艺与切削机制的关系尚未完全建立。在不同工艺系统之间,现有的研究成果难以直接应用。有时,即使在相同工艺条件下,研究结论也会出现较大差异。通过控制刀具姿态可以获得更高的形状精度和表面粗糙度,从而提高产品的预定性能和使用寿命,提升产品质量,保证产品使用安全,进一步推动企业节能降耗,提升企业核心竞争力。本文在国内外现有研究的基础上,通过分析多轴控制的刀具姿态变化对切削速度、切削力和残留高度的作用效果,对表面粗糙度的变化进行了预测,设计并实施了球头刀具的多轴铣削加工实验,对理论分析进行了验证。在自由曲面的多轴铣削加工中,为了方便控制实验参数,设计了自由曲面的数字化模型,以此策划了四轴加工的刀具轨迹,然后利用加工曲面点云与理论点云的匹配性,评价自由曲面铣削加工的形状误差。研究显示,球头刀具的主倾角、侧倾角在50°附近可以获得较好的表面粗糙度和形状精度(实验中最低粗糙度达0.58μm,最小形状误差均值为3.92μm)。研究结果对多轴铣削加工中刀具姿态的选取有积极的指导意义。