近年来,随着现代微电子、信息和光学以及汽车产业的迅猛发展,对光电子产品和发动机活塞环、阀片等的平面度和表面粗糙度提出了前所未有的高要求。研磨和抛光是实现加工极限精度的有效方法,经过研磨和抛光加工的工件可以获得很高的平面度和极低的表面粗糙度。研磨装备是保证研磨和抛光加工的首要条件,国内市场对高档超精密研磨设备的需求也越来越旺盛。我国研磨装备的设计制造技术水平总体不高,能够满足纳米级粗糙度的超精密研磨设备更是缺少。本文利用先进的模块化CAD技术,对超精密研磨机关键部件进行了设计,研发出具有自主知识产权的超精密研磨设备。采用精密车削修盘技术可以使研磨盘获得0.002 mm/400 mm的优质平面度；带有缓冲功能的三级加压系统可以确保加工过程的稳定性；设计了具有自适应功能的吸附系统,保证加工过程中工件表面始终贴紧盘面,工件材料去除量均匀；设计了振动量监测系统对加工过程中研磨盘振动量进行在线监测。采用有限元分析软件ABAQUS对研磨盘结构进行了刚度分析和模态分析,研究了不同内冷却槽对研磨盘结构刚度影响的大小。采用气缸逐步增压过程中,盘面变形没有突变,过渡平稳,最大变形量发生在研磨盘直径最大且靠近玻璃工件处。综合考虑冷却性能和研磨盘的刚度来设计和选用槽型,研究结果表明,对于螺旋线槽内冷结构,优先考虑四圈槽结构；对于扇形槽内冷结构,优先考虑六扇槽结构；对于同心圆槽内冷结构,优先考虑五圈槽结构。开槽后,研磨盘刚度有所降低,但仍在许用变形量范围内。三种内冷却结构的研磨盘前四阶振型基本一致,开有四圈槽和五圈槽的同心圆槽内冷却结构研磨盘的前四阶固有频率明显比其他内冷却结构的要低。通过有限元分析研究了工作过程中,在摩擦热和力场的耦合作用下,工件的不同转动情况以及不同工作压力,对研磨过程过瞬态温度场的影响。工件不自转时,研磨盘温度云图为一圆环状；随着研磨盘转动圈数增多,温度层逐渐累加升温,摩擦热由玻璃与盘面接触圆环圈向两边以及底层传递；对于玻璃工件,摩擦热由刚滑出区域逐渐向玻璃工件圆心方向传递,呈“扇形”温度图；工件与研磨盘同向自转时,玻璃工件表面的温度云图为一同心圆；另外,玻璃工件上的摩擦热没有在刚滑出区域堆积,摩擦热分布得比较均匀；工件与研磨盘反向自转时,由于玻璃工件与研磨盘的相对速度更大,产生的摩擦热要比同向转速工作时的要大；采用较大工作压力会产生较大摩擦热,同时也提高了研磨工作效率。通过红外成像仪对瞬态温度场有限元分析结果进行了实验验证,结果表明仿真结果与实验结果基本一致。通过单因素实验和组合工艺实验,研究了研磨加工和抛光加工中工艺参数对圆光栅玻璃表面质量和加工效率的影响。对于研磨加工工艺：研磨盘开槽后能够及时更新已经磨钝的磨料,可以获得更高的材料去除率和更小的工件表面粗糙度；工件表面粗糙度和材料去除率都随着磨料粒度的增大而增大；加工时间延长,工件表面粗糙度逐渐降低并趋于缓和,材料去除率逐渐降低；转速增大,工件的材料去除率也增大,工件表面粗糙度先降低后略有增大；随着研磨加载压力增大,工件表面粗糙度减小并趋于缓和,材料去除率增大也趋于缓和。对于抛光加工工艺：聚氨酯抛光加工玻璃的材料去除率要比金丝绒抛光垫高,而金丝绒抛光垫抛光加工玻璃的表面粗糙度要小于聚氨酯抛光垫,金丝绒抛光垫加工的玻璃工件“塌边”现象比聚氨酯抛光垫的要严重；工件的表面粗糙度和材料去除率都随着磨料粒度的增大而增大；圆光栅玻璃粗研后,留下较深的划痕,经过组合工工艺加工后,表面损伤逐渐被修复至光滑；采用优化组合工艺参数,缩短了加工时间,并获得了Ra=3.3nm的表面粗糙度和0.005 mm/50 mm的平面度。