如何实现非球面高效、低成本、超精密加工是目前超精密加工领域的研究热点。现有基于材料去除原理的非球面超精密加工方法依赖于高精度、高刚度的机床系统,加工成本较高;而基于面形复制原理的非球面精密模压方法属于热加工过程,在加工过程中会使工件材料的折射率等光学性能参数发生改变。为此,本文提出一种新型的非球面加工方法——弹性变形面形复制加工方法:在工件材料强度范围内,使平板形工件毛坯发生线弹性变形并与负形靠模接触至紧密贴合,靠模面形与目标非球面形相反;工件未与靠模贴合的表面加工至平面;工件脱离靠模并弹性回复后,被加工表面形成与目标非球面相同的面形。从而以平面加工方式实现薄形轴对称非球面零件的快速超精密加工。本文针对基于弹性变形面形复制原理的薄型轴对称非球面加工,以建立高效、低成本、超精密的弹性变形面形复制非球面加工工艺为目标,围绕加工过程中的工件材料断裂强度以及加工面型精度两个关键问题,对新方法中的关键技术展开探索性研究,建立了弹性变形面形复制加工方法的加工理论体系及加工工艺流程。主要研究内容包括:(1)对弹性变形面形复制加工技术加工原理展开研究。分析加工过程的主要影响因素,并通过有限元数值仿真,对加工原理的有效性进行验证。基于弹性薄板理论及能量法,对工件在加工原理中的弹性力学行为进行理论分析,为工件与靠模之间接触状态的研究提供理论基础。(2)对均布载荷下工件与靠模接触状态进行研究。构建工件与靠模接触状态的有限元数值仿真模型,并进行工件与靠模接触状态测量实验。通过工件与靠模接触状态仿真值与理论值以及试验值的对比分析对所建立数值仿真模型的有效性进行验证。分析工件悬臂宽度与径厚比对工件与靠模接触状态的影响,通过Python编程并综合网格重绘及单元生死技术,研究工件与靠模接触状态随工件材料去除厚度的变化规律。(3)针对加工过程中的关键问题之一——工件材料断裂强度展开研究。在工件与靠模静态接触阶段,采用基于球头加载的材料许用应力试验对工件材料断裂强度进行分析。在工件与靠模贴合后的研磨加工阶段,结合工件表面微裂纹分布状况,依据断裂力学及最弱环理论,提出并建立基于微单元的脆性材料薄型工件断裂概率分布理论模型。通过试验对所建立模型的有效性进行验证,并对磨粒粒径以及裂纹分布密度对所建立断裂概率分布模型的影响进行分析。基于以上研究,构建加工过程中工件材料断裂强度判断方法,并将所构建的断裂强度判断方法在弹性变形面形复制非球面加工过程中进行实际应用。(4)研究弹性变形面形复制非球面加工试验平台。设计、实现基于真空吸附的工件弹性变形控制系统,并通过工件弹性变形挠度测量试验对工件弹性变形控制系统的有效性进行验证。在普通平面抛光机上整合工件弹性变形控制系统,建立本文加工试验平台。对多孔陶瓷材质真空吸附夹具进行设计、加工并通过数值仿真对夹具结构参数进行优化。采用面形拟合、尖峰去除、低通滤波的处理流程对夹具靠模面加工面形误差进行提取。针对靠模测量面形误差中尖峰部分的去除问题,提出基于移动窗口的数据点间斜率-距离结合判别的尖峰滤除方法。(5)针对加工过程中的关键问题之二——加工面形精度展开研究。通过数值仿真对工件加工面形精度影响因素进行分析,并针对工件贴合面初始平面度、工件与靠模贴合程度、平面加工精度以及研磨残余应力等影响因素,对相应加工工艺进行试验研究,建立弹性变形面形复制非球面加工完整加工工艺。以直径45 mm、顶点曲率半径3107mm的凸型抛物面为加工目标面形进行加工试验,最终加工面形精度为PV 0.68 μm,工件中心及边缘处的表面粗糙度分别为Ra 0.75 nm及Ra 1.12 nm。研究结果初步证实,所提出的弹性变形面形复制加工方法可通过平面加工方式实现薄形轴对称非球面的高效、低成本、超精密加工。与非球面磨削加工方法的对比分析表明,在加工面形精度相当的情况下,所提出方法的加工表面质量更好、加工成本更低且加工效率相当。但由于脆性材料的材料特性以及加工设备与手段的限制,所提出方法目前主要用于加工曲率半径较大的薄型轴对称非球面。