在空间光学技术和民用光学技术的推动下,自由曲面光学元件,尤其是大口径自由曲面光学元件越来越多地应用到现代空间探测和民用消费领域中。鉴于大口径自由曲面在超精密加工领域中还存在刀具磨损严重、程序数据量过大、加工效率低下等问题,本论文结合慢刀伺服车削技术在自由曲面加工中的优势,研究大口径自由曲面加工过程中的科学问题以及实现满足社会发展需求的高效率、高精度自由曲面车削方法。本论文主要涉及自由曲面加工中的关键技术及其误差分析、刀具几何参数设计、车削路径规划以及车削表面纹理后续处理等关键技术环节。1.自由曲面车削关键技术及加工误差模型现代车床能够完成自由曲面车削任务得益于伺服车削技术的发展。论文首先从机床主轴单元、进给轴单元和机床控制系统等三个方面分析了现代车床伺服车削自由曲面的关键技术。然后,从车削原理、加工设备、金刚石刀具、加工工艺过程等方面分析了大口径自由曲面加工过程中的各种误差源。建立了机床导轨垂直度、刀具轮廓波纹度和刀尖圆弧半径对大口径自由曲面造成的加工面形误差数学模型;定性分析了加工工艺过程中的材料特性、装夹变形、对刀误差以及动平衡误差等因素对加工质量造成的影响,重点分析了机床主轴热变形和刀具热变形对大口径自由曲面面形加工精度的影响程度,并且分别给出相对应的补偿措施。2.自由曲面车削刀具几何参数设计算法自由曲面加工精度与金刚石刀具的几何参数密切相关。刀具的圆弧包角应能包含自由曲面的法向矢量变化范围,否则会造成实际切削轮廓偏离理想轮廓。刀尖圆弧半径应小于自由曲面凹面区域的最大容许半径,否则会造成加工过程中产生“过切”行为。现有的刀具参数求解算法复杂,尤其是在求解最大刀具半径问题上,现有算法采用曲率半径来近似最佳刀尖半径的思路存在一定局限性。本论文采用的NURBS曲线反求算法适用于光学自由曲面加工,应用该算法拟合的NURBS曲线比目前常规算法的拟合精度更高,能够满足刀具几何参数计算。其中采用的最大内接圆求解自由曲面最大容许半径的算法适用于任意自由曲面。该算法综合采用“截面曲线法”的简单特点,同时采用NURBS曲线统一表示截面曲线,既满足算法结构简单、计算效率高的特点,又针对截面曲线采用统一的表达方式,便于计算机编程实现。3.自由曲面车削路径规划车削路径规划是自由曲面车削加工中的关键环节,不但影响着工件加工精度,同时也影响着机床进给轴和主轴的动态响应、跟随误差以及插值误差等因素。目前大口径自由曲面光学零件的车削路径规划算法存在表面误差分布不均匀、程序采样数据点数量大、加工效率低、机床横向进给存在微振动等问题。本论文提出一种新型的自适应慢刀伺服车削路径生成算法。该算法充分考虑了工件的面形特征和加工公差,以及机床的动态响应等因素,以加工公差和机床动态响应为约束条件,以插值面形误差均匀分布为优化目标,建立车削路径与刀位点间距之间的函数关系。理论分析表明,相比于传统等角度策略,自适应车削路径算法的理论插补误差在整个曲面上均匀分布,横向进给量在整个工件表面连续均匀变化,没有出现微振动的情况,且横向进给量整体高于传统车削路径的横向进给量。通过对像散曲面和大口径离轴抛物面的加工实验表明,相对于传统慢刀伺服车削路径编程算法,本算法生成数控程序的控制点数量减少30%-50%左右,加工时间也相应缩短30%-50%左右,其面形加工精度和表面粗糙度与传统车削路径算法得到的结果几乎一样。因此,对于大口径自由曲面加工,本论文提出的自适应刀具路径车削算法在保持加工精度不变的同时,能够有效减少数控程序控制点数量和提高加工效率。4.自由曲面表面车削纹理处理由于刀具磨损等原因造成大口径自由曲面加工后工件表面容易出现色散现象,本论文从分析色散现象产生的原因为研究切入点,从工艺简化和经济成本等角度考虑消除工件表面色散现象的工艺方法,且完成了横向进给量为5μm/r和8μm/r两组车削样件的表面处理工艺试验。实验结果表明本抛光工艺能够有效地消除工件表面周期明显的车削纹理,从而达到消除加工表面色散现象的作用,而且还能够一定程度上降低工件表面粗糙度值。试验也表明该工艺对由工件材料自身造成的表面粗糙度改善效果不明显,因此,选择材质均匀的工件材料是完成高精度自由曲面加工的一个必要前提。论文以上述几个方面作为研究重点,研究了大口径自由曲面超精密车削技术中各个关键技术环节的科学问题。本论文的研究成果对大口径自由曲面加工具有理论指导和技术支撑作用。