化学机械抛光法是制作超光滑单晶硅镜片的常用工艺,抛光过程中的各类杂质粒子经常会导致加工表面产生划痕,降低镜片的表面质量。为系统研究不同晶向单晶硅表面塑性划痕与抛光液中杂质的关系,设计了金刚石微粉掺杂抛光Si(111)、Si(110)和Si(100)晶面的实验。利用轮廓仪测量了不同晶向、不同掺杂浓度下的划痕形貌,并通过计算载荷归一化后的划痕宽度分布、划痕深度分布、粗糙度和二维功率谱密度来评估划痕形貌。结果显示,抛光液中杂质粒子粒径、硅片表面的划痕宽度均服从正态分布。随着杂质粒子浓度的增加,划痕形貌从非周期性特征转变为周期性波动,粗糙度出现突跃点。此外,在同浓度金刚石微粉掺杂情况下,Si(110)面在划痕产生初期有更好的杂质粒子容忍度。

设计了用于2 m口径望远镜的方位轴系支撑结构。通过对比大型地平式望远镜方位轴系的典型支撑结构, 拟定了由向心球轴承和大接触角推力球轴承集成的一体化轴系支撑方案以及相应的轴承结构参数。依据Hertz接触理论并采用AYSYS有限元软件对60~85°不同原始接触角下的静载荷特性参数进行了理论计算和非线性仿真分析验证, 结合加工工艺设计了85°接触角的推力球轴承结构。研制成功了直径为1 500 mm轴承样机, 其轴向跳动为0.009 mm, 径向跳动为0.006 mm, 最大空载启动摩擦力矩为30 N·m, 承载能力优于30 t。该项设计为大型望远镜高精度方位轴系的研制提供了可靠的设计依据和技术途径。

提出用弹性球状小磨头以旋进方式加工WolterⅠ型反射镜的柱面内表面，根据Preston方程、Hertz接触理论和掠入射反射镜特殊的柱面结构，推导出基于旋偏动模式的磨头去除函数理论模型。实验结果表明，理论去除函数曲线与实验曲线的均方根距离偏差σ为0.101 22 μm，偏差比值κ为9.8%。分析验证了不同旋偏角对去除函数的影响并与理论模拟结果进行了比较。结果显示, 随着旋偏角的增大，最大去除值位置逐渐向y轴正方向偏移。不同的旋偏角，最大理论去除深度与最大实际去除深度的均方根偏差为0.201 μm；最大理论去除位置与最大实际去除位置的均方根偏差为0.255 mm。旋偏角越大，材料去除量就越多，去除函数也越显对称。实验结果很好地验证了去除函数理论模型的准确性，该模型可指导WolterⅠ型掠入射反射镜的加工，实现确定性材料去除。

为得到空间光学元件超光滑表面,对超精密气囊抛光方法的去除特性进行了理论和实验研究。以Preston方程为基础,应用运动学原理建立了气囊抛光“进动”运动的材料去除模型,针对抛光气囊工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正; 利用计算机仿真的方法,分析了几个主要工艺参数对“进动”抛光运动去除特性的影响规律,并在超精密光学数控抛光机上进行了正交实验; 仿真和实验结果吻合较好,总结得到4点气囊抛光方法中重要的结论,给出了“进动”角与压缩量的取值范围,以此得到了面型精度RMS值为0.024 λ(λ＝0.6328 μm)的超光滑表面,为开展光学元件气囊抛光工艺研究提供依据。