自由曲面是一种形状复杂且难以用数学公式准确描述的曲面,已经广泛应用于航空航天、汽车制造和光学器件等行业。目前,自由曲面的加工主要采用数控铣削加工,但是很难加工碳化硅陶瓷、硅晶片、光学玻璃、硬质合金等硬脆性材料。金刚石砂轮因其优异的切削能力和良好的耐磨性,已经用于硬脆性材料的曲面精密磨削加工。在曲面磨削加工中,砂轮形状主要采用砂轮圆环面,但是,无法同时保证加工曲面的表面质量和形状精度。因此,提出采用金刚石砂轮椭圆环面对碳化硅陶瓷工件进行自由曲面磨削加工,利用砂轮椭圆环面的离心率增加参与曲面切削的有效磨粒数,减小每颗磨粒切削深度,在高磨削效率的工艺条件下实现硬脆性部件的塑性域的精密磨削。关键是如何解决砂轮椭圆环面的修整和自由曲面数控磨削的刀具轨迹算法等问题。为此,构建金刚石砂轮椭圆面的数控对磨修整和刀具轨迹的离散算法,这也是本文的主要创新点。此外,针对碳化硅陶瓷工件,分析砂轮椭圆环面的离心率、磨削加工的工艺参数和砂轮椭圆面上的微磨粒出刃形貌对自由曲面磨削表面的表面质量和形状精度的影响。首先,采用#240 GC磨石对#320金刚石砂轮进行数控对磨试验,利用砂轮椭圆环面与磨石相切原理,构建砂轮椭圆环面的数控成型修整模式。试验结果表明,该数控对磨修整是有效的,砂轮椭圆环面(离心率e=0.9)的成型修整误差为29.6μm。然后,建立采用砂轮椭圆环面的磨粒切削深度和磨削表面粗糙度的理论模式。理论分析和试验结果显示,采用较大离心率的砂轮椭圆环面、较大的主轴转速或较小的进给速度,可以减小单个磨粒的切除深度,提高磨削表面的质量。最后,为了采用砂轮椭圆环面实现碳化硅陶瓷自由曲面的数控磨削,提出刀具轨迹的离散算法。与砂轮圆环面相比,砂轮椭圆环面的加工表面粗糙度Ra可以减少34.1 %,形状精度可以提高58.1 %。此外,砂轮椭圆面上的微磨粒出刃形貌对磨削表面质量和形状精度有影响。采用#600 GC磨石修整,与#240 GC粗修整相比可以使磨粒出刃更完整,磨粒出刃数也多,出刃高度更高,磨粒顶角越大,导致更好的磨削表面质量和更高的形状精度。