蓝宝石窗口、硅片、激光晶片和KDP晶体等平面构件被广泛应用于现代光学,微电子,航空航天等领域,市场庞大,并且持续增长的潜力十分巨大。此类平面构件属于典型大径厚比结构的难加工元件,其超精密加工不仅要求高几何精度(平面度和平行度)和高表面质量,而且要求高的加工效率。化学机械抛光是目前能兼顾低表面粗糙度和高面形精度要求的最有效方法。但仍存在加工参数控制精度不足,加工一致性差,对工人熟练程度要求高,加工效率低下等问题,难以满足大尺寸(>300 mm)平面构件的超精密加工要求,这也成了掣肘我国在上述重要领域发展的重要因素。本文针对大尺寸平面构件化学机械抛光中,高面形精度和高表面质量的加工要求,分析了影响化学机械抛光加工质量的主要因素,建立了控制机床几何误差以保证抛光盘面形修整精度的模型;研制了超精密抛光机床,并进行了机床的性能测试试验。具体研究内容如下:(1)本文分析了在抛光加工中对大尺寸平面构件面形精度和表面质量的主要影响因素;提出了机床应具有主轴及工件回转精确控制,盘面面形测量,盘面面形修整,盘面温度控制等功能;确定了机床的基本结构形式、工作流程和主要参数。(2)基于多体理论,明确了对抛光盘面形精度存在影响的主要误差元素,分析了对面形误差中占主导作用的误差元素及其影响因素,建立了机床修整单元的误差模型,为机床运动单元的设计和装配提供了依据。(3)从机床的功能性与可靠性出发,对机床的主要功能单元进行了结构设计。抛光盘回转单元采用了液体静压轴承与力矩直驱电机的结构,盘面温度控制单元中采用内流道式水冷盘,保证加工区域温度一致性;抛光盘面形修整系统配合盘面面形测量系统,实现车刀对于盘面特定面形的针对性修整;完成了关键结构部件的静力学及模态分析。分析结果表明,抛光盘与床身静力载荷下最大变形分别为0.81μm和9.18μm,最大应力为5.465 MPa和0.081 MPa,满足机床稳定性可靠性的设计要求。(4)针对100 mm×100 mm尺寸的KDP晶体基片,在研制的超精密抛光机床上,进行了加工试验。在试验中,机床抛光盘面形平面度为0.028 mm,加工过程中主轴回转速度波动量为0.36%,晶体工件特征点平均表面粗糙度由加工前的RMS 245.22 nm快速收敛至RMS 26.59 nm。试验结果表明,所研制的超精密抛光机床满足了大尺寸平面构件高几何精度和高表面质量的加工要求。