大口径光学元件广泛地应用于国家安全与科学发展的重大战略部署当中。我国现阶段大镜制造工艺路线中,铣磨阶段成形精度低且亚表面损伤大,而小工具研抛效率低且精度收敛慢。因此,提出以超精密磨削代替研磨工艺,实现高材料去除效率、高面形精度、低亚表面损伤,并以此大幅缩短大镜制造周期。弧面包络磨削方式通常用于加工大型光学零件,使用三轴机床配合弧面砂轮可实现非球面以及离轴非球面的加工。相较于五轴加工方式,减少了运动轴数,提高了磨削系统刚度,从而提高了加工确定性。磨削点位置在砂轮母线上移动,因此能够大幅度延长砂轮寿命。但与此同时,砂轮轮廓磨损计算与砂轮轮廓误差补偿也变得更为复杂。此外,未变形切屑厚度在砂轮-工件接触区域内的分布对于分析脆硬材料在磨削过程中的表面/亚表面损伤是至关重要的。现有大量论文对于未变形切屑厚度的分析计算集中于盘形砂轮平行磨削方式,其接触面常等效为二维平面内的弧线。而应用弧面砂轮磨削,接触面为三维椭圆抛物面。但在此基础之上,对未变形切屑厚度分布的建模计算却几乎少有研究。缺少了合理的未变形切屑厚度计算模型,对表面/亚表面损伤的分析以及高材料去除率、低亚表面损伤的工艺方案设计也就难以实现。因此本文基于T~3构型下弧面包络法磨削,针对高面形精度、高材料去除率下低亚表面损伤目标,建立了非球面面形误差预测-测量-补偿算法以及表面/亚表面损伤与磨削力分析方法,确定了大口径光学零件磨削阶段工艺制定原则,并实现了大口径光学零件面形误差的快速下降。此外,针对大惯量大延时磨削系统,提出了基于进给速度自调整的在线控力磨削方法,以实现磨削状态的在线监控。本文主要的工作与成果归纳如下:(1)基于T~3构型机床弧面包络法磨削下的加工路径规划方法与三维砂轮-工件接触面的计算方法,建立了非球面面形误差预测及相应的补偿算法,主要包含了砂轮几何参数识别误差、砂轮轴倾角误差、砂轮轮廓误差与砂轮轮廓磨损。以口径600mm-近轴曲率半径1500mm碳化硅非球面进行面形精度分析,确定砂轮轮廓误差与砂轮轮廓磨损为主要误差来源。结合非球面面形误差测量与三轴联动法向补偿,实现了有效口径80mm-近轴曲率半径325mm的碳化硅抛物面与有效口径580mm-近轴曲率半径50m的石英玻璃抛物面的补偿加工。前者RMS值由1.44μm下降至0.9μm,误差下降率达37%;后者RMS值由13.7μm下降至1.8μm,误差下降率达86%。从而验证了补偿算法的有效性,并证明少轴高刚性弧面包络法磨削是实现高效面形误差补偿加工的重要途径。(2)针对平行与正交磨削方式,基于三维砂轮工件接触面及其划分,由每个划分区域内的材料去除率计算得到未变形切屑厚度。并由磨粒出刃高度符合正态分布,实现对有效磨粒面密度与未变形切屑厚度的修正。结合磨粒切削深度与中位/横向裂纹深度之间的关系,实现了对表面/亚表面损伤深度的分析预测。通过碳化硅法向磨削力实验数据,识别所假设的比磨削能函数参数,从多磨粒磨削过程中解析出单颗磨粒法向磨削力。从中分析得到平行与正交磨削方式下碳化硅陶瓷等脆硬材料的材料去除机理及表面/亚表面裂纹损伤形成机理。并确定大口径光学零件磨削阶段,材料去除方式为脆性/塑性域混合去除方式,且以脆性域去除为主。在其磨削工艺设计上,应尽可能增大砂轮-工件接触面,并以深切缓速进给的正交磨削模式为主。(3)针对大惯量大延时磨削系统,提出了基于进给速度自调整的控力磨削方法。由所假设的单颗磨粒比磨削能函数与砂轮-工件接触面中的未变形切屑厚度分布,建立了法向磨削力预测模型。模型参数可通过单次控力磨削实验数据识别得到,从而实现随砂轮钝化过程更新磨削力预测模型。通过将磨削力预测值反馈进入控制系统,实现了磨削力超调的有效抑制,超调量由87.5%下降至24%以内。综上所述,本文针对大口径非球面光学零件磨削加工,以高材料去除效率、高面形精度、低亚表面损伤为目标,在弧面包络法磨削基础之上,通过非球面面形误差分析与补偿、弧面砂轮磨削表面/亚表面损伤与磨削力分析以及在线控力磨削的实现,构建出大口径大曲率半径光学元件高效磨削工艺及其专用装备的设计思路与方法。