随着光学元件和微结构表面对加工精度的要求越来越高,传统加工方式已经不能满足现代生产的加工要求,亟需发展具有潜力的超精密加工手段。磨料水射流抛光是集流体力学、纳米材料去除和表面技术于一体的非接触式超精密加工技术,同时具有加工范围广、材料去除稳定等优点。本文对磨料水射流抛光设备进行开发,采用实验分析与理论建模结合的方法对不同工艺参数和材料去除理论等关键问题进行了研究,并最终建立表面生成模型对表面抛光形貌进行仿真预测。首先进行喷嘴结构参数优化,结果表明收缩角40°、长度1.0 mm的喷嘴有利于磨粒均匀分布和工件材料去除。然后进行单点实验分析不同工艺参数对抛光效果影响,结果表明:加工时间呈线性趋势影响材料去除深度;喷射压力呈指数趋势影响材料去除深度;喷射距离影响材料去除宽度;喷射角度减小,最大材料去除深度变大,表面去除轮廓由圆环形向月牙形变化;喷嘴直径增大,材料去除深度迅速变小,材料去除体积先增大后减小。基于计算流体力学建立了射流抛光单点侵蚀模型,结合单点实验结果对材料去除理论进行了研究。结果表明:材料去除是通过喷嘴射出的高速磨粒碰撞工件表面产生的剪切力切除材料。喷射压力影响磨粒速度,进而影响剪切力大小;喷射距离变化影响磨粒轨迹,进而影响粒子碰撞位置;喷射角度影响工件表面速度分布,进而影响剪切力分布;磨粒浓度变化,影响单位时间碰撞工件表面粒子数量;磨粒粒径变化,影响单个磨粒材料切除量。基于单点侵蚀模型,通过卷积运算关系建立了射流表面生成模型。仿真预测直线抛光的结果表明了模型具有稳定的去除效果。针对光栅路径和交叉路径,仿真预测了两种路径生成的表面形貌,并通过实验验证了仿真结果的准确性和表面生成模型的合理性。应用光栅路径对不同进给速度和路径间距的表面形貌进行了仿真预测,结果表明进给速度只影响材料去除量,路径间距既影响表面形貌又影响材料去除量。采用光栅路径对K9平面玻璃抛光,一个抛光周期后表面粗糙度由360 nm降至187 nm。