随着微电子、光电子、太阳能光伏技术的发展以及光学与电子学的融合及国内外市场竞争的日趋激烈,以非球面光学元件为代表的先进技术日益成为一个国家制造实力的重要体现,发展新的非球面加工技术,提高加工精度和效率,降低加工成本是不懈追求的目标。非球面轨迹包络磨削法可减少对设备精度要求,从理论上大幅减少了砂轮磨损,可以实现非球面光学元件的超精密加工。发展非球面轨迹包络磨削法,深入进行相关加工工艺研究,符合我国发展需求,能迅速提高我国非球面超精密加工水平。但是目前的非球面轨迹包络磨削法仍然存在砂轮磨损不均匀、加工表面粗糙度不均匀等问题,限制了其应用。本文针对轨迹包络磨削过程中存在的问题,对轨迹包络磨削机理进行了深入研究。主要内容如下：根据非球面轨迹包络磨削成形原理,分析了圆弧回转面砂轮的结构、磨削过程中磨削点顺次移动提高磨粒有效利用过程,研究了轴对称非球面、非轴对称非球面加工中磨削方式、砂轮直径、砂轮宽度、砂轮端部圆弧半径等因素对轨迹包络磨削过程的影响。建立了非球面轨迹包络磨削中磨削点的运动模型,通过建立圆弧回转面砂轮磨削点与加工曲面位置关系数学方程,提出了非球面磨削点绕砂轮端部圆弧圆心运动的角速度概念,得出了圆弧轨迹包络磨削加工中磨削点的运动角速度方程,并推导出非球面轨迹包络磨削点的线速度方程式,分析了非球面曲率半径、砂轮端部圆弧半径、非球面二次曲线形状参数等磨削点线速度的影响,为优化砂轮磨削加工参数,实现砂轮均匀磨损提供理论基础。基于非球面磨削点速度计算,建立了描述单位时间内轴对称非球面磨削量的数学模型,通过分段进给,控制砂轮进给速度,实现轴对称非球面恒去除量磨削。实验证明恒去除量磨削可以基本实现砂轮的均匀磨损。提出单位时间砂轮去除量和参与磨削的砂轮的面积之比λ,它可以作为影响圆弧回转面砂轮均匀磨损的特征值。理论分析表明：λ与砂轮端部圆弧半径、非球面二次曲线顶点曲率半径、非球面二次曲线的形状参数以及磨削的坐标等有关,磨削实验结果与理论分析一致。建立圆弧回转面砂轮形状误差数学模型,分析了砂轮修整过程中砂轮对刀误差、砂轮半径、砂轮端部圆弧半径对砂轮修整误差的影响。建立轴对称非球面砂轮磨削对刀误差数学模型,得到存在对刀误差时的轴对称非球面子午截面磨削曲线方程,分析不同方向对刀误差对轴对称非球面形状精度的影响,结果表明,砂轮对刀出现误差影响轴对称轴对称非球面的母线形状和位置。分析圆弧回转面砂轮与被加工非球面接触弧长的基础上研究非球面零件轨迹包络磨削过程中磨削力的规律,结果表明非球面轨迹包络磨削过程中磨削力数值较小磨削力随磨削点位置变化幅度有限,砂轮的种类、性能等因素对磨削力有较大影响。通过对非球面轨迹包络磨削表面形成过程的分析,建立了轴对称、非轴对称非球面表面残留高度数学模型,分析了非球面曲率半径、砂轮端部圆弧半径、砂轮进给速度对非球面残留高度的影响。结果表明通过改变砂轮进给速度,控制砂轮移动间隔,可以改变磨削表面粗糙度,改善非球面磨削表面粗糙度均匀性。通过对非球面轨迹包络磨削机理的研究,提出了兼顾表面粗糙度和面形精度的非球面轨迹包络磨削加工新工艺。在轴对称非球面磨削中可以采用恒去除量磨削粗磨,等残留高度和等λ值精磨；在非轴对称非球面磨削中,可以采用等残留高度磨削,等λ值磨削。