在航空航天、光学、微电子等领域中的核心器件呈现出结构复杂化、小型化、高加工要求化等发展趋势以增强其功能特性并减小特征尺寸。这些器件多采用难以加工的硬脆材料,这也增加了其制备难度。例如半球谐振子,即是一种典型的小口径薄壁复杂构件,是半球谐振陀螺仪的核心部件。半球谐振陀螺仪由于精度高、可靠性高、结构简单、工作寿命长、体积小、质量轻、抗冲击能力强等一系列特点而受到广泛关注,是执行高价值空间任务的首要选择,并且呈现出从空间向航海、陆地及单兵作战系统扩展的发展趋势。半球谐振子由中心杆和薄壁球壳组成,材料为熔融石英,超精密磨削是其目前有效的加工方式,但加工过程中极易与工具砂轮产生干涉进而导致加工过程失效。半球谐振子的加工质量直接决定了半球谐振陀螺仪的工作精度和使用寿命。所以半球谐振子的高质量加工是限制半球陀螺仪的导航精度和工作寿命提升的瓶颈难题。本文以半球谐振子为例,通过理论解析与实验相结合,从超精密磨削装备、工具砂轮和磨削工艺等方面入手深入研究薄壁复杂构件的超精密磨削工艺中的关键技术,并为其高质量加工提供理论及技术基础。为了提供超精密磨削薄壁复杂构件的设备基础,基于磨削工艺设计超精密磨削机床,建立该机床的运动和误差模型,分析机床静力学特性对加工精度的影响规律,进而研究机床的误差特性。基于工艺分析设计了砂轮主轴倾斜放置的机床结构及四轴联动运动方案。通过有限元辅助设计对比分析了龙门构型和T型构型的模态和谐响应特性,并采用龙门构型。根据机床功能和模块化设计,将机床结构分为床身、X-Y轴、工作台和Z轴四大功能模块。建立了综合考虑机床结构参数、安装误差和运动误差的误差分析模型,系统分析了各误差参数对复杂构件加工精度的作用机制和影响规律。在静力学特性分析的基础上,建立数学分析模型以研究静力学变形对加工精度的影响规律;最终建立机床样机并验证其可行性。为了研究球头砂轮在位电火花修整过程中运动参数和电参数对修整精度和表面质量的影响规律,分别采用理论建模和实验方法研究了运动参数与修整精度之间的映射关系并探索了电参数对面形精度和砂轮表面形貌的影响规律。基于螺旋理论建立的运动参数对修整精度影响的数学模型表明影响砂轮尺寸精度的误差主要来自与工具电极相关的误差,并且误差项对尺寸误差的贡献程度是相同的;影响面形精度的误差按顺序依次为砂轮主轴径向跳动,电极主轴径向跳动和异面误差。实验研究表明修整电参数将会影响砂轮修整的面形精度和表面质量,基于电参数与面形精度之间的拟合函数和灵敏度分析,发现影响面形精度最大的是开路电压、其次是占空比,最后是峰值电流和频率。对于砂轮表面形貌,随着单脉冲放电能量的增加,磨粒突出高度增加;采用高能量修整时,砂轮表面烧伤,金属基体重铸层覆盖砂轮表面,金刚石磨粒产生石墨化,从而影响砂轮磨削能力。为了理论研究曲面磨削过程中磨削纹路的形成机理并综合分析磨削参数对磨削纹路特征的影响规律,建立了磨削纹路的三维数学分析模型,定量分析了砂轮与工件间的转速比、进给速度、径向跳动幅值、磨削深度、工件直径和球头砂轮直径对磨削纹路的倾斜角度、空间周期及残留高度的影响规律。球头砂轮径向跳动产生单点磨削,磨削参数影响磨削轨迹点的分布和椭球磨削凹坑的形状,而磨削凹坑的重叠特性将影响磨削纹路。仿真结果表明:速比整数部分是影响磨削凹坑周向密度的主要因素,随着整数速比的增加,周向节距增加,磨削凹坑的重叠区域减小,导致空间周期和残留高度增加;速比的小数部分会影响磨削纹路的残留高度、空间周期和纹路倾斜角度;进给速度的增加导致经向节距、纹路倾角和空间周期增加;当砂轮转速较高时,径向跳动幅值和磨削深度对残留高度的影响程度有限;残留高度与工件直径呈现正相关性而与砂轮直径的关系为负相关。基于实验验证了该磨削纹路建模方法的有效性,同时探索了磨削纹路的抑制方法。为了探索薄壁复杂构件的超精密磨削工艺,建立了干涉求解数学模型和球头砂轮表面磨削区域分布数学模型,规划了球头砂轮的磨削轨迹并研究了其磨削特性。基于螺旋理论建立了数学模型,研究了砂轮主轴倾斜角度对C轴转台可转角度范围及磨削区域分布的影响规律,优化了砂轮主轴倾斜角度;探索了C轴转台角位移与球头砂轮表面磨削区域分布及砂轮磨损间的映射关系,规划了砂轮磨削轨迹。在磨削区域分布规律研究的基础上,探究了球头砂轮磨削薄壁复杂构件时相对磨削速度和最大未变形切屑厚度的变化规律。采用在位修整的球头砂轮在研制的磨削机床上对薄壁复杂构件半球谐振子进行了超精密磨削实验,加工过程中无干涉产生,表面粗糙度Ra由0.6158μm提升至0.0385μm,面形精度PV由4.5904μm提升至0.3374μm,从而验证了研制的超精密磨削机床、球头砂轮在位修整技术、磨削纹路抑制方法以及干涉求解数学模型的有效性与合理性。