光学自由曲面元件具有独特的几何结构和光学成像效果，能够显著缩小所在设备的结构，减轻设备重量，提高光学成像质量，表现出了优于传统光学元件的优越光学性能，在航天航空、空间光学、遥测、国防军事、精密仪器等现代尖端技术领域中的应用需求日益广泛。但由于复杂的几何外形，使其加工后的面型精度和表面粗糙度不易达到特定要求。目前，单点金刚石超精密车削技术被普遍认为是加工光学自由曲面的一种有效方法，采用该方法能够高效率、高精度、低成本的加工出符合光学系统要求的纳米级表面质量的光学元件。本文针对单点金刚石超精密车削技术，着重对采用其加工光学自由曲面中的一些理论问题进行分析和研究。自由曲面加工方式的选择是由切削加工过程中刀具在待加工曲面表面上表现出的运动学特性决定的，据此本文提出一种曲面动态展开分析法，将曲面及切削轨迹在X-θ-Z空间直角坐标系下展开，分析车削加工时机床各轴的运动特性，进而选择适宜的加工方式。为避免刀具与工件发生干涉碰撞，结合提出的曲面动态展开分析法，建立了一种新的金刚石刀具参数选择模型。研究的金刚石刀具参数主要包括：刀具的后角、刀尖的圆弧半径和刀具的包角。针对金刚石刀具的切削轨迹点生成问题，由于传统的等角度和等弧长轨迹点生成法无法预测加工精度，因此本文提出了三种轨迹点生成优化方法，分别为等角度与等弧长组合优化法、解析数学优化法、反求与插补优化法。仿真结果表明，等角度与等弧长组合优化法能够极大地改善加工曲面的面形精度，而解析数学优化法和反求与插补优化法对整个加工曲面的面形精度能够很好的预测与控制。对于刀具半径补偿，实为精确定位刀位点位置，本文利用空间向量的方法计算刀位点，以进一步提高切削轨迹的生成精度。装夹定位误差对光学自由曲面的超精密加工精度有重要影响，本文研究并分析了安装过程中可能存在的影响加工精度的因素，分别建立了离轴安装和同轴安装两种不同装夹方法的误差数学模型并对两种模型进行比较。在车削试验部分，采用单点金刚石超精密车削技术切削离轴抛物面和正弦环面，并测量其表面粗糙度Ra和面形精度PV。测量结果表明，加工后曲面的Ra均能达到纳米级，面形精度PV均能达到微米甚至亚微米级，符合光学曲面的质量要求。探究了单点金刚石超精密车削技术在新型塑材聚醚醚酮（PEEK）车削加工中的可加工性，三种PEEK材料：纯PEEK、玻纤增强型PEEK和碳纤增强型PEEK经车削加工后，三种平面的Ra和PV均可达到亚微米级。对于热塑性材料PEEK，可说明其具有良好的可切削加工性，单点金刚石超精密车削技术能够很好的应用在PEEK的超精密切削加工中。