保形红外头罩是未来精确制导导弹的核心部件,而多晶Al ON陶瓷优异的光学、机械性能使其成为保形红外头罩的首选材料。采用超精密磨削技术可以加工大孔径、高陡度的保形头罩并获得较好的面型精度。但由于Al ON具有高硬脆性,在加工过程中容易产生表面崩碎及亚表层裂纹,这些损伤严重影响工件的使用性能,需要后续抛光处理。而抛光过程中材料去除率较低,降低了加工效率,并且其不确定性的去除特性会降低工件的面型精度。因此,超精密磨削所获得的表面/亚表层质量是影响后续抛光时长及加工效率的关键因素。硬脆材料在加工中的去除方式直接影响着工件的表面质量,实现塑性去除成为获得低损伤、高质量表面的前提。开展Al ON材料的超精密磨削加工机理研究,为实现Al ON材料的塑性磨削加工及Al ON保形头罩高表面质量、高效率的加工,以及推动我国红外制导导弹制造技术的发展具有重要意义。本论文为了实现Al ON保形头罩表面高效率、低损伤的塑性磨削加工,采用了多种实验方法与检测手段揭示了Al ON材料的超精密磨削机理,并在此基础上确定了Al ON保形头罩的超精密磨削加工工艺,最终实现了Al ON保形头罩高表面质量的超精密磨削。论文的主要内容包括以下几个方面:开展了Al ON材料在不同载荷下的维氏压痕实验,研究了不同准静态载荷下Al ON材料损伤形式的变化规律,揭示了Al ON材料在不同载荷作用下的表面损伤机理。开展了Al ON材料相同载荷下的维氏压痕实验及腐蚀实验,建立了Al ON材料裂纹扩展方式与微观结构的关系。开展了Al ON材料渐进深度的单点金刚石刻划实验,发现了刻划力与材料去除方式之间的对应关系,分析了刻划速度对刻划力、材料去除方式、亚表层损伤特点的影响规律。以上研究结果对Al ON材料在磨削过程中的材料去除及裂纹扩展特点提供了理论依据。选取不同参数的金刚石砂轮进行了Al ON的磨削实验,分析了砂轮粒度与结合剂对磨削后Al ON表面粗糙度的影响,对比了不同参数金刚石砂轮的磨损性能。超精密磨削实验结果表明,Al ON磨削表面形貌具有非均匀性,这是由于Al ON晶粒间材料去除方式的不同所引起的。通过纳米压痕实验发现了Al ON材料晶粒间力学性能和加工性能的差异,结合EBSD实验结果与磨削表面形貌对比,揭示了Al ON材料在超精密磨削过程中的表面形成机理,分析了晶粒取向的变化对裂纹扩展及脆性去除模式的影响。该结果对研究Al ON工件表面的塑性加工机理奠定了基础。提出了Al ON工件表面加工过程中不同材料去除方式的临界条件。开展了不同磨削深度下Al ON工件的超精密磨削实验,分析了工艺参数降低条件下表面形貌的演变规律,结合μXRD实验结果,揭示了Al ON工件表面的塑性加工机理。基于EBSD实验结果,运用纳米压痕实验对Al ON的不同晶面间的各向异性进行了研究,确定了Al ON工件表面塑性去除加工的临界切削深度,实现了Al ON工件表面的塑性磨削加工,获得了近抛光质量的加工表面。通过TEM对塑性去除下的Al ON亚表层进行了表征,揭示了塑性磨削条件下Al ON材料的亚表层变形机理。该研究为Al ON保形头罩超精密磨削过程中工艺参数的设计提供技术支撑。针对保形头罩的尺寸特征,确定了内、外表面加工方法以及砂轮尺寸参数,制定了Al ON保形头罩的工艺流程。开展了加工过程中装夹装置的有限元仿真设计,实现了超精密磨削过程中Al ON头罩的高精度低应力装夹,避免了夹具变形对表面磨削质量的的影响。基于Al ON塑性磨削加工的临界条件设计了保形头罩的超精密磨削工艺参数。基于磨削纹路的仿真实验优化了磨削过程中的转速匹配关系,实现了高表面质量的Al ON保形头罩的超精密加工,分析了表面质量的变化趋势及影响因素。