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随着科技的发展，超光滑表面越来越多的应用于现代光学系统、微电子行业以及薄膜科学等领域。超光滑表面要求极低的表面粗糙度，尽可能小的表面疵病与亚表面损伤，加工较为困难。与此同时，自由曲面、深凹曲面等具有复杂结构表面的光学器件在现代光学系统中受到青睐，而现有的加工方法受到加工条件的限制，无法便捷高效的对此类结构表面进行加工。因此，自由曲面、深凹曲面等复杂结构表面的超光滑表面加工是目前精密加工行业所面临的一项难题。基于此，本文提出纳米胶体空化射流抛光，以期能够方便、高效的对具有复杂表面结构的曲面进行加工，使其表面质量达到超光滑表面的要求。本文首先研制了纳米胶体空化射流抛光加工系统。该加工系统由压力生成系统、空化发生系统和机床数控系统组成。开发出了挤压式压力系统和气液增压式压力系统，并对这两种压力生成系统的性能进行了比较。选用旋转导叶喷嘴和自激脉冲喷嘴作为空化射流的发生装置，并通过高速摄影验证了空化发生效果。最后，对所研制的加工系统进行了验证性试验，结果表明所设计的加工系统能够满足超光滑表面加工的要求。采用流体动力学软件，对普通锥形喷嘴、旋转导叶喷嘴和自激脉冲喷嘴纳米胶体淹没射流条件下的内部流场和外部喷射区域流场进行了流体动力学仿真。得到了各喷嘴内部流道及工件表面纳米胶体压力、流速及空化情况。通过对三种喷嘴喷射区域空化云的高速摄影和加工区域表面轮廓线的检测，验证了仿真的合理性。通过对旋转导叶喷嘴喷射区域不同系统压力下空化情况的流场仿真与实验，得到了纳米胶体喷射流场中空化强度随加工系统压力的变化规律。借助于分子动力学理论，分别模拟研究了纳米胶体空化射流抛光中，SiO2纳米颗粒在普通射流冲击速度(v=50m/s)下和空化效应所产生的微射流速度(v=1000m/s)下与单晶硅工件表面的接触碰撞过程，进而讨论了纳米胶体空化射流抛光过程中射流冲击的作用机理和空化效应的作用机理。在本文实验条件下，纳米胶体空化射流抛光中射流冲击的作用不能令纳米颗粒的机械作用对单晶硅表面原子排布和原子势能分布造成明显改变。通过激光拉曼光谱对纳米胶体普通射流冲击作用后的单晶硅工件表面的检测验证了模拟结果。对经过纳米胶体普通射流作用和纳米胶体浸泡作用后的单晶硅工件表面进行X射线光电子能谱仪检测，结果表明在射流冲击作用下，纳米胶体中纳米颗粒与工件表面接触时能够与其表面原子发生化学键合。模拟和实验结果说明：射流冲击作用下，纳米颗粒的机械作用不能对工件材料产生去除，材料的去除依靠纳米颗粒与工件表面之间发生键合后继而将工件原子脱离工件表面。空化效应所产生的微射流作用下SiO2纳米颗粒与单晶硅工件表面接触碰撞的分子动力学模拟结果显示，纳米颗粒在空化效应作用下能够使工件表面原子结构发生明显的改变，使接触表面的原子呈现非晶态结构，并使接触区域原子势能明显的升高，进而有助于工件材料的去除。借助于超声空化效应，通过对纳米胶体空化效应作用前后工件表面粗糙度的检测实验，验证了模拟结果。通过对纳米胶体超声空化效应作用后工件表面的X射线光电子能谱仪检测分析，说明在空化效应作用下，纳米颗粒能够与工件表面原子之间发生键合。分子动力学模拟和实验结果说明：在空化效应所产生的微射流作用下，纳米颗粒的机械作用能够使工件表面碰撞区域原子势能升高，并能提高纳米颗粒与工件表面键合的发生概率，进而有助于对工件材料的去除。采用纳米胶体空化射流抛光技术对工件表面进行垂直喷射定点加工实验，得到了定点加工工件表面加工区域的表面粗糙度分布规律，以及加工工件表面粗糙度随加工时间的变化规律。通过不同空化强度对工件表面的影响实验，证实了过于剧烈的空化效应能够对工件表面产生破坏作用，并得到了本文实验条件下产生合适空化所需的合理工艺参数范围。在纳米胶体空化射流抛光倾斜加工单晶硅工件表面的实验中，获得了表面粗糙度最低值为Ra0.475nm(Rms0.594nm)的优质表面。通过对纳米胶体空化射流抛光的工艺实验，分析了影响纳米胶体空化射流抛光加工效率的影响因素。结果表明，与同样加工条件下的纳米胶体普通射流加工相比，空化效应能够使加工效率提升20%左右，且纳米胶体空化射流抛光的加工效率随着加工系统压力和抛光液浓度的增加而增加，而抛光液pH值的改变对其影响不大。