光学自由曲面、微结构功能表面和脆性材料由于其优异的机械,光学,物理和化学性能而广泛应用于精密工程,光学仪器,半导体,航空航天,汽车,医疗设备,国防和军事等领域。快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)金刚石车削技术由于其高精度、高灵活性和高效率等优点已经成为加工光学自由曲面、微结构功能表面和脆性材料的一种有前景的技术。这种加工技术已经引起了越来越多的关注,并在过去几十年中被大力研究。因此,本文针对FTS加工技术开展了深入的理论研究。首先开发了一种新型的FTS装置,提高了FTS切削系统的加工性能,从而扩展了FTS切削技术在生成光学自由曲面和在脆性材料上生成微结构表面的应用领域。然后结合本文所开发的FTS切削装置探究了脆性材料延性加工机理,并进行了单晶硅刻划加工实验,验证所开发FTS装置加工脆性材料的可行性。本文主要研究内容包括:(1)开发了一种具有高频率、低耦合的压电驱动两自由度FTS装置。主要结构包括柔性机构主体、压电驱动器、金刚石刀具、预紧楔形块、预紧螺钉。采用了一种高刚度的四杆机构来实现沿z轴方向的运动。另外,采用了柔性轴承铰链,并利用绕柔性轴承铰链的微旋转运动实现沿x轴方向的平移运动。考虑到机构连接单元的柔性特征,采用柔性矩阵建模方法为两自由度FTS装置的关键部件建立完整的柔度模型,以分析其静力学特性。除此之外,还简要介绍了柔性矩阵分析方法,并给出了基本柔性单元的柔性矩阵和柔性铰链串并联连接后柔性矩阵的计算方法。(2)进行了两自由度FTS装置加工性能优化与测试。使用ABAQUS有限元软件对该机构进行了静力学分析和动力学分析,验证了所建立系统柔度模型的正确性。利用线切割加工方法获得了所设计的两自由度FTS机构的原型机。构建了离线实验测试系统对所设计的装置进行加工性能研究,主要包括固有频率,工作行程,分辨率,阶跃响应,串扰和迟滞响应等性能测试。(3)基于FTS车削加工原理,分析了脆性材料圆弧刀刃切削过程中刀具与工件界面的相互作用关系,并阐述了在切削过程中不同的切削模式。根据超精密切削模型和裂纹扩展理论,建立了脆性材料延性切削的临界未变形切屑厚度模型。考虑到FTS切削加工过程中刀具半径、进给速度和切削深度等相关参数对切削厚度的影响建立了最大未变形切屑厚度模型。(4)针对典型的脆性材料单晶硅进行了FTS切削实验研究。首先利用变切深刻划实验确定了单晶硅的脆塑转变临界未变形切屑厚度,类比所建立的脆塑转变临界未变形切屑厚度理论模型。除此之外,采用不同切削速度对单晶硅进行刻划实验。最后,利用白光干涉仪对加工后的单晶硅表面进行表征,以探究不同切削速度对单晶硅加工表面形貌和临界未变形切屑厚度的影响规律,为实现脆性材料的延性加工提供了理论指导。