窄深槽是指槽的深度与宽度比大于2,且槽的宽度小于4 mm的一种特殊结构,常出现在航空、汽车、液压泵等接触副零件上,这种结构由于在传统加工方法中显现出砂轮磨削性能差、工件易于烧伤、成品率低等缺点,一直以来是机械加工领域中的难题。尤其是以塑性材料为代表的窄深槽结构类零件高表面质量成形磨削,出现延展性大、磨削时砂轮易于堵塞、砂轮精度保持性差等缺点,成为制约该类零部件高效精密加工的瓶颈。高速磨削技术的发展为攻克这一难题创造了条件,其高速、缓进给以及大切深等特点使单颗磨粒的平均切削深度变小,磨粒的磨削力减小,磨粒的磨损损耗率降低,大的线速度下材料的去除率提高。高速缓进给磨削技术集粗、精加工于一体,便于获得良好的表面质量和理想的亚表层结构,是一种适合于窄深槽结构类零件的成形加工的高效磨削技术。为实现塑性材料的高效磨削加工,论文就高速磨削过程中单颗CBN磨粒对工件表面的作用机制开展了较为系统的研究,综合现有磨粒简化模型的成屑特点,合理简化磨粒几何模型,建立了单颗磨粒的受力模型,分析了单颗磨粒在磨削过程中的材料去除特性,并针对具有不同粗糙度值的工件表面摩擦磨损行为、耐磨损特性及亚表层结构的塑性流动性能进行研究,揭示塑性材料在成型磨削过程中亚表层组织结构的形态特征及残余应力分布基本规律。论文的主要研究内容如下:(1)单颗磨粒磨削机理的研究根据切削时磨粒与工件材料的接触过程,综合磨粒几何形状特性,将单颗磨粒几何形状简化为以圆锥为主体,锥顶为圆球的复合几何模型。依据磨削理论推导单颗磨粒受力行为,建立磨粒不同部位切向分力和法向分力的理论模型,得到单颗磨粒总磨削力的计算公式,推导出磨粒不同位置的比磨削力模型,在此基础上分析了简化模型的几何参数对磨削力的影响特性。(2)单颗磨粒作用下材料去除行为的研究针对塑性材料AISI 1045钢的本构方程进行分析,通过拉伸、压缩、剪切实验的应力应变结果,采用试算法确定Johnson-Cook一维应力状态的本构关系,并利用ALE有限元算法,建立工件材料分层单元预设模型,模拟分析高速磨削过程中单颗磨粒作用下工件材料的材料去除行为。采用Cockroft-Latham断裂标准,结合AISI 1045钢材料的力学性能试验结果,在模拟过程中成功实现切屑与工件分离,完成单颗磨粒高速磨削过程磨削力和磨削温度的仿真试验,直观反映出高速磨削过程中材料去除过程的动态行为。(3)单颗磨粒磨削实验研究采用回转直径为400mm的单颗磨粒砂轮对AISI 1045钢工件在不同工艺参数下进行磨削实验,利用三维测力仪结合红外线热像仪测定磨削过程中的磨削力和磨削温度,并对加工表面、切屑形态进行分析。实验结果表明:负前角单颗磨粒切屑形态主要有卷曲形和螺旋形两种类型,磨削力对磨削速度改变较为敏感,磨削力、磨削温度的实验结果与模拟结果形成较好的一致性,提供了一种较为合理的磨削试验模拟模型。(4)窄深槽高速磨削工艺参数采用电镀CBN砂轮对AISI 1045钢进行缓进给磨削实验加工,构建磨削深度、进给量及磨削速度的正交实验,实验结果表明:采用大切深、缓进给、高速度的磨削工艺可实现低的槽表面粗糙度值,磨削速度对表面质量的影响最大,进给量对其影响次之,工艺参数切深对表面粗糙度值的影响最小。(5)工件耐磨损特性的研究完成了不同磨削工艺参数下AISI 1045钢窄深槽的磨削实验,分析窄深槽侧面磨削表面形貌,揭示具有不同初始粗糙度值的槽侧面摩擦磨损行为,探究了已加工表面初始粗糙度值对摩擦系数、初始-稳定摩擦磨损过渡时间及磨痕深度的影响,分析了磨削表面亚表层材料塑性变形方式,获得具有不同形貌的窄深槽侧面的耐磨损特性,对窄深槽成型磨削具有重要的工程应用价值。(6)高速磨削表层残余应力的研究基于窄深槽的微观磨削力模型,建立成型磨削过程中砂轮切入和切出过程中磨粒二次作用的力学模型,详细分析了磨削进给量对工件表层残余应力的影响,揭示了材料在不同的进给量高速磨削后残余应力的分布特性。