工程陶瓷等强度高、硬度大、耐磨性好的硬脆材料,以其优异性能在高新技术领域获得日益广泛的关注,但其传统磨削加工仍存在着一系列难题,如砂轮磨损量大,费用高;工件加工表面质量不能得到准确预测和控制;加工性能差导致磨削生产率低等。高速超高速磨削可以使硬脆材料以塑性变形方式产生磨屑,实现对硬脆材料的延性域磨削,以达到有效改善磨削表面完整性、控制裂纹产生的优质磨削加工。本课题通过回顾分析国内外硬脆材料磨削技术和磨削中有限元仿真技术的应用研究,在对现有高速磨削理论和硬脆材料磨削机理进行归纳的基础上,提出了基于有限元分析的单颗磨粒磨削仿真模型,并通过相关的工程实验,验证该方法的合理性。旨在以理论推导、仿真分析和实验研究相结合的方法,将高速超高速磨削工艺有效应用于硬脆材料加工,深入研究其高速磨削机理,为现有难题的解决提供有效方案和理论依据,完成了以下具体的创造性工作。基于ABAQUS有限元分析软件的仿真实验研究。以微观建模方法选用目前应用成熟的JH-2材料本构模型,提出了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅的动态仿真模型,通过控制不同的输入参数,得出以下结论:(1)分别界定了碳化硅实现延性域磨削和产生微裂纹的最大未变形厚度临界值;实际磨削过程中可通过选择相应的工艺参数来控制微裂纹的产生,达到陶瓷磨削的高材料去除率和高表面完整性目标。这也是本文的一大创新点。(2)揭示了其他磨削工况一定的条件下,最大未变形磨屑厚度和砂轮线速度分别对碳化硅磨削力、比磨削能及磨削温度的影响规律。磨削力、力比和磨削温度随最大切厚的增加相应增大,比磨削能由于存在尺寸效应而相应减小;磨削力、力比随砂轮线速度的增大而相应减小,由于向塑性去除过渡,比磨削能相应增大,磨削温度呈先增后降趋势,类似Salomon曲线。(3)综合考虑了法向载荷和切向载荷对裂纹生成的影响,确定了产生微裂纹的临界载荷范围,动态高速磨削相较于静态压痕断裂模型存在更多影响因素。基于MGKS1332/H高速精密数控外圆磨床的工程实验研究。在高速外圆磨床上搭建了磨削力测试平台,通过分析碳化硅的高速磨削表面完整性及磨削力的特点,进一步研究了碳化硅基于金刚石砂轮磨削的加工性能、机理及工艺问题:(1)在磨削工艺参数的选择上,由单因素的影响扩展到多因素的综合作用,最终确定了磨削参数之间的最优配比。在本文研究的实验条件下,保持恒定的磨削速比,同时提高砂轮线速度和工件进给速度可以改善工件表面粗糙度质量,提高磨削效率,并减少磨削过程中的能量消耗。砂轮线速度的提高对磨削效率并无影响,且易于实现延性域磨削以减少磨削表面的凹坑产生,但是工件表层压应力逐渐减小,产生过渡到拉应力的趋势,这种趋势也会降低工件表面完整性,因此需要进一步限定砂轮线速度的高速范围(本实验中80m/s内未产生该现象)。(2)对低速和高速下获得的碳化硅磨屑进行观察,得出了高速磨削条件卜的磨屑更细碎,且在磨屑上也有明显的塑性磨痕,这在低速的非延性域磨削条件下未发现。(3)对工程实验和仿真实验结果进行对比分析研究,得出了碳化硅单颗磨粒磨削力及其力比的变化规律、数值大小基本一致(砂轮线速度vs<80m/s时),验证了本文所提出的仿真工具、材料本构模型和仿真模型是合理、有效的。