氟化钙(CaF2)晶体具有透射范围宽、优异的消色差和复消色差等特性,主要应用于高能探测、红外追踪和光学元件等领域。特别是在紫外光学系统中,CaF2晶体以独特的性能成为光刻系统和高能量激光系统的首选透镜材料。然而,CaF2晶体具有质软且脆、热膨胀系数大而热传导率低等材料特性,导致加工中易出现破碎、崩裂等现象,制约了其超精密加工的研究进展。本文基于固结磨料加工技术对Ca F2晶体进行研磨工艺参数、抛光垫、无磨料抛光液以及抛光工艺参数优化,并基于化学作用建立固结磨料材料去除模型。开展的主要研究工作和结果如下:(1)优化固结磨料研磨工艺参数和抛光垫。研究了固结磨料研磨中压力和转速对CaF2晶体研磨后表面质量和材料去除率的影响。优化后研磨工艺参数为:研磨压力10 kPa,转速60 rpm;表面粗糙度Ra值达86.6 nm,材料去除率为975 nm/min。研究分析金刚石和氧化铈磨料固结磨料抛光垫、不同金刚石磨料、不同型号抛光垫基体对CaF2晶体抛光质量的影响。优化后的固结磨料抛光垫采用粒径为3-5μm金刚石磨料和较软Ⅱ型基体。(2)优化无磨料抛光液。研究酸、中、碱性抛光液对Ca F2晶体抛光影响,发现碱性抛光液更适合抛光CaF2晶体;研究五种碱性添加剂对CaF2晶体抛光影响,选择磷酸钠作为抛光液添加剂。采用磷酸钠抛光液抛光CaF2晶体后的表面粗糙度Sa值为4.13 nm。(3)固结磨料抛光CaF2晶体工艺参数优化。正交实验研究抛光压力、抛光液pH值、抛光垫转速和抛光液流量对CaF2晶体抛光影响,最优方案为抛光压力6.7 kPa,pH=9,转速40 rpm和流量60 ml/min。在此条件下,获得的CaF2晶体抛光后表面粗糙度Sa值达3.02 nm,材料去除率为206 nm/min。(4)建立基于化学作用的固结磨料材料去除模型。建立固结磨料抛光化学作用下变质层生成与去除模型,确定了变质层生成和去除与工件材料特性、抛光液中化学添加剂浓度等因素有关;在不考虑化学作用情况下,抛光压力与磨粒切深成线性关系;基于化学作用对已有固结磨料材料去除模型进行修正,并实验验证了修正后模型的可靠性。