钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

为攻克高陡度球面光学零件成型技术，以半球及超半球红外光学整流罩为研究对像，提出了一种子孔径铣磨加工方法。对传统范成法铣磨成型理论进行拓展，将球面离散为一系列子孔径环带，砂轮沿环带“步进”运动，拼接成型得到完整的球面。分析了成型球面与三轴机床位置坐标之间的转换关系，对加工运动轨迹进行仿真，开展半径误差补偿验证实验及变速进给参数优化实验，提出变半径铣磨法解决超半球加工材料过切问题。对长径比分别为0.5（半球）和0.55（超半球）的热压硫化锌、镁铝尖晶石整流罩开展成型工艺试验，加工表面各点矢高差<4 μm，表面粗糙度Ra<1.5 μm。实验结果表明：该方法为高陡度球面加工提供了有效的解决方案。

齿距样板是用于校准齿轮测量仪器齿距累积总偏差测量示值误差、单个齿距偏差测量重复性和回转台角定位误差的标准计量器具。为研制高精度齿距样板，本文首先基于误差均化原理设计了一种多齿定位爪用于磨齿机定位分度机构，然后对多齿定位分度机构的误差均化效应和分度精度保持性进行了数据仿真，最后分别采用单齿和多齿定位分度机构进行了对比加工实验。实验结果表明：相较于单齿定位分度机构，采用多齿定位分度机构时被加工齿距样板的单个齿距偏差降低了30.0%~36.4%；齿距累积总偏差降低了30.4%~48%，最终实现了法向模数m_n=4 mm、齿数z=30、单个齿距偏差f_p=0.6 μm、齿距累积总偏差F_p=1.4 μm的齿距样板的超精密加工，其齿距精度优于圆柱齿轮国家标准GB/T 10095.1-2022对该规格1级精度齿距公差的要求（f_pT=1.7 μm，F_pT=5.0 μm），本研究为高精度齿距样板的制造提供了支撑。

在分析了超轻量化大口径碳化硅(SiC)反射镜（轻量化率≥90%）表面去除原理和难点的基础上，为了实现此类型反射镜的快速加工，提出了一种采用有限元分析进行验证的五轴高效超精密铣磨方法。通过对反射镜铣磨过程中产生共振的机理进行分析，解释了共振的原因，利用有限元分析方法进行仿真模拟，验证了加工过程镜面不会被破坏且系统不发生共振，设计环形工装支撑并对口径Ф510 mm、壁厚 4 mm、轻量化率92%的SiC反射镜进行快速铣磨加工。反射镜初始面形峰谷(PV)值为956.1 μm，镜面去除量为1 mm，加工时间仅为48 h，相较于人工研磨研制周期降低了90%。通过检测，反射镜面形PV值为3.5 μm，满足反射镜抛光前面形精度优于4 μm的要求。

大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势，如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时，日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序，磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此，开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究，即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度，实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面，确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素，探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面，获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系，提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后，面形精度达到3 μm，表面粗糙度Ra小于24 nm，Rz小于0.2 μm，依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系，亚表面损伤层深度5 μm左右，逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短，对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。

机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法，具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点，因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理，装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题，分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响，建立了末端执行器的重力分量模型，并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法，能够实现0~63 N范围内的恒力控制，并且最大压力波动小于1.82%，重力补偿系统的响应时间小于300 ms，实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后，根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析，建立了轮带磨削工具的去除函数模型，并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验，验证了装置加工的稳定性。

碳化钨合金因其具有高硬度、高耐磨性和高化学稳定性等优点，成为精密玻璃模压模具材料的首选。为了提高碳化钨合金模芯超精密磨削加工的表面质量，基于WC-6%Co碳化钨合金的物理特性，利用Abaqus建立磨削工艺仿真模型，分析了磨削深度、进给速度、砂轮转速及工件转速对WC-6%Co碳化钨合金磨削加工后表面粗糙度的影响规律，并讨论了磨削碳化钨合金的合理工艺参数范围。采用Taguchi法开展优化实验研究，确定出磨削碳化钨合金的最优工艺方案，在该方案指导下，完成了碳化钨合金的非球面模芯超精密磨削实验。最终得到的碳化钨合金模芯的表面粗糙度平均值为3.379 nm，验证了优化方案的有效性。