镍基高温合金具有优良的高温强度、热稳定性及热抗疲劳性,已在航天、航空、舰船等领域被广泛应用。然而,作为典型的高强韧难加工材料,镍基高温合金的磨削加工效率和加工质量较低,加工成本高。为了改善其磨削加工性,材料自身的改性以及加工工艺方法的创新不断向前发展。在保证砂轮寿命的前提下,如何进一步提高镍基高温合金的加工效率和加工质量,仍是镍基高温合金磨削加工研究所关注的问题。本文提出了采用碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)基体砂轮(简称CFRP砂轮)超高速磨削镍基高温合金的研究构想,在理论层面,通过对镍基高温合金超高速磨削过程建模与仿真,揭示了超高速磨削材料去除机理;在技术层面,通过研制CFRP砂轮和超高速磨削试验装备,搭建了镍基高温合金超高速磨削试验平台;在试验层面,通过开展镍基高温合金超高速磨削工艺试验研究,论证了超高速磨削技术可以有效地改善材料的磨削加工性,实现了在砂轮寿命提升的同时,镍基高温合金磨削加工效率和加工质量有效提高的目标,进一步推广了镍基高温合金材料在航空航天领域的应用。主要研究工作包括:(1)基于材料本构关系分析了切屑形成过程的动力学特性;针对镍基高温合金开展了超高速磨削加工有限元仿真分析,通过研究磨屑形貌、等效应力、塑性应变与应变率、磨削力与力比、磨削温度以及加工表面残余应力与应变,结合速度效应与尺寸效应论述了超高速磨削对材料去除机理的影响,从理论层面论证了在提高材料去除率的同时超高速磨削可以有效改善镍基高温合金的加工质量。(2)从理论与试验角度论证了CFRP砂轮在高速超高速磨削中的优势;通过基体截面形状优化设计、CBN节块设计及强度校核,研制了超高速磨削用CFRP砂轮;砂轮动平衡及安全回转试验结果表明:研制的CFRP砂轮设计合理,可用于最高磨削速度为300m/s的超高速磨削工艺试验研究。(3)针对砂轮主轴系统总体结构方案,通过开展静刚度、陀螺效应下主轴系统临界转速、安装负载对主轴系统动态特性影响等研究,研制了超高速磨削主轴系统;在提出的超高速磨削试验装备总体设计方案基础上,开展了直线电机驱动平台、床身、冷却液供给系统以及安全防护等设计分析,开发了超高速磨削试验装备;通过整机性能测试与分析,验证了该试验装备总体符合设计要求,可满足镍基高温合金最高磨削速度为300m/s的超高速磨削试验研究要求。(4)CFRP砂轮超高速磨削镍基高温合金的工艺试验研究表明,通过提高砂轮线速度和工件进给速度,镍基高温合金单位宽度材料去除率可达Q_w~’=8.4mm~3/(mm·s),磨削比提高50%以上,磨削工件表面粗糙度、表面轮廓及表面层硬化都呈明显变好的趋势,表面粗糙度R_a始终在0.4μm以下,论证了超高速磨削可以显著改善镍基高温合金材料的加工状态,在提升砂轮寿命的同时,可实现加工效率和加工质量的进一步提高。