光学元件的面形随光学系统的发展,对光学表面的形状要求越来越复杂,传统的平面和球面面形已经无法满足现有光学系统的要求。复杂曲面以其特有的优势在光学系统中展现出越来越重要的价值和应用前景,应用范围越来越广、需求越来越紧迫,某些特殊成像效果的光学系统只有采用复杂面形光学零件或复杂结构才能够实现。同时面对光学元件加工精度的要求不断提高,零件面形日益复杂化,材料特性的多样化发展趋势,传统的加工技术已难以或完全不能满足其高效高精度加工,特别是加工具有复杂面形和微小结构复合特征的零件更需要新的加工手段和技术。在发展需求的强力推动下,超精密加工技术不断地获得新的创新和突破。目前,单点金刚石车削技术是光学元件制造极为有效和经济的方法之一,有些情况下甚至是唯一的方法,它在光学表面加工中的作用还将会不断扩大。以加工晶体类红外光学元件为主体特征的单点金刚石精密数控车削技术在军用光学系统中就占有举足轻重的地位。因此研究单点金刚石精密数控车削复杂曲面技术具有广阔的应用前景和实际的应用价值。本文以单点金刚石车削典型复杂曲面为例,对其车削原理与车削表面质量控制展开研究,主要包括以下几个方面。1.研究单点金刚石车削方式与原理,根据解析法设计菲涅尔衍射结构面形,分析影响车削表面质量的因素,提出面形误差补偿技术,建立车削表面粗糙度模型并修正。根据刀具参数与车削表面质量的关系,分析衍射面形误差来源,指导合理选择刀具参数。并通过车削菲涅尔衍射结构面形车削实验验证。2.提出飞刀车削加工微金字塔阵列结构的方法,建立飞刀车削模型,研究车削生成的毛刺与加工参数之间的关系。根据车削参数与微结构单元尺寸的关系模型,仿真分析机床重复定位误差对微V槽阵列车削效果的影响,提出优化毛刺工艺。通过实验优化工艺最终车削出表面质量较好的微金字塔阵列结构。3.分析快刀伺服车削方式与加工原理,研究刀具路径规划算法与刀具半径补偿方法。分析影响快刀伺服车削表面质量的因素,提出刀具路径规划算法优化,并通过快刀伺服车削加工球面阵列实验验证。4.研究慢刀伺服车削技术,建立坐标系之间的转换关系,仿真计算刀具对中误差对慢刀伺服车削斜平面影响,研究慢刀伺服车削的PVT插补算法,以正弦波为例验证插补算法的精度。通过慢刀伺服车削加工离轴抛物面验证慢刀伺服车削能力。5.分析车削刀纹对光学系统的影响,提出用离子束修形来去除车削表面残留刀纹并提升表面质量。根据确定性光学加工理论基础模型,分析离子束修形能力,并通过实验验证离子束修形可以提升车削表面质量。