低膨胀光学玻璃元件,既有超低的热膨胀系数,亦有比普通玻璃更致密的结构,更高的硬度、机械强度,更优异的耐磨性、电绝缘性和化学稳定性。在空间反射镜、天文望远镜、航空航天、集成电子、卫星导航定位设备、太空机器人以及工程机械和光学仪器等领域得到了广泛应用。作为硬脆难加工材料,其大批量的应用需求对现有生产加工技术提出挑战。但是,传统加工技术在低膨胀玻璃的大批量、高质量、短周期和低成本的生产上具有技术局限性。超声振动辅助磨削,通过对磨具或者工件施加振动冲击,影响单磨粒的切削行为和轨迹,进而作用于材料去除机理,是一种新型的对硬脆材料的高效、高质量和低损伤磨削加工的方法,可大幅缩短后续抛光加工余量和整个加工周期。本课题以低膨胀玻璃Zerodur和ULE为研究对象,以实现高质高效加工的超声振动辅助磨削技术为研究目的,主要进行了以下研究工作:首先,总结多种振动辅助磨削方式的特点,开展轴向振动周边磨削和轴向振动端面磨削对比试验,结合单磨粒运动学分析,确定了轴向振动周边磨削为本课题中对低膨胀玻璃元件实现兼顾高质量、高效率和低损伤磨削的最佳技术路线。此外,通过工艺试验研究了适用于轴向振动砂轮的修整方案,为磨削试验提供了工具性能和磨削过程稳定性保障。其次,基于压痕断裂力学,对Zerodur和ULE开展了微/纳米压痕试验、普通刻划和轴向振动刻划试验,计算了材料脆塑本征性能,观察了材料在单磨粒作用下的动态去除过程和去除方式。重点分析了单磨粒刻划中的轴向超声振动、脆塑去除模式以及材料性能对材料去除机理的影响作用,为后续的磨削质量建模工作奠定了理论基础。针对压痕试验和刻划试验,分别研究了应力场模型,更深层次地从内应力角度分析了三种典型裂纹的起始位置及开裂角度,完成了对裂纹形成机理的微观描述。然后,提出了根据材料去除模式确定磨削力组成部分的建模思路,从本质上阐述了磨削力的产生机理和轴向振动的影响作用,并分别建立了塑性去除力、脆性去除力和摩擦力组元模型。通过建立的普通磨削和轴向振动周边磨削的总磨削力模型,可以预测磨削力数值以及磨削参数对磨削力的影响规律和权重次序,并通过磨削试验验证了该模型具有较高的预测精度。此外,磨削力模型可以清晰地解释轴向振动对磨削力的降低机理,并量化表达了降低幅度。再次,以表面粗糙度(Ra)和亚表层裂纹最大深度作为磨削表面完整性的主要表征指标,分别基于统计学理论和压痕断裂力学改进了适用于轴向振动周边磨削的预测模型,将磨削表面完整性与磨削加工参数通过数学表达式直接关联,两个模型的预测精度也通过磨削试验完成验证。这不仅解决了磨削工艺参数优化工作的关键问题,也对后续抛光工艺用量有指导作用。最后,将本文建立的表征磨削质量指标的磨削力、Ra和亚表层裂纹最大深度预测模型相结合为综合磨削质量预测模型,在对磨削质量的高效预测基础上与材料去除率结合,探索出实现高质、高效和低损伤的超声振动辅助圆周磨削低膨胀光学玻璃的最优工艺路线。这为超声振动辅助圆周磨削的工艺优化奠定了理论基础,更对实现低膨胀玻璃光学元件的大批量、高质量、短周期和低成本加工具有重要意义。