磨削淬硬技术是利用磨削过程中磨削热和磨削力的耦合作用对工件表层进行强化处理，使表层硬度提高，产生淬硬层的一种复合磨削加工新技术。利用此项技术可使磨削加工与热处理工艺相结合，从而简化工序，降低能源消耗，提高生产率和经济效益。本文以磨削原理、传热学、材料学、冲击力学及相变理论为研究基础，基于非线性有限元方法，对磨削淬硬过程中的温度、组织与应力/应变进行模拟与实验研究。对平面磨削的磨削力、热源强度及外圆磨削实际磨削深度进行数学建模，并对淬硬层深度、工件表层硬度及应力/应变情况进行预测。在着重讨论淬硬层深度、工件表层硬度及残余应力基础上，重点开展淬硬层均匀性机理研究。研究对磨削淬硬的实际应用进行了有益的探索，具有较大的工程实际意义。论文主要研究工作如下：　　(1)进行小切深和大切深平面干磨削实验研究。对比磨削前后试件表层组织变化特点，对强化层组织变化规律及分布进行研究。研究发现，在小切深条件下，试件表层组织出现碎化现象，但未出现马氏体组织转变，而在大切深条件下，试件表层出现明显淬硬层，通过组织分布的特点，可将淬硬层分为完全淬硬区、过渡区和基体区。通过对试件强化层深度及表层硬度进行测量，分析磨削工艺参数对强化层深度及硬度的影响，着重对淬硬层均匀性及其分布规律进行研究。研究表明，小切深条件下，虽然未出现完全淬火组织，但在磨削力和磨削热的综合作用下，试件表层硬度略有提高，且有强化层产生;大切深条件下，试件的淬硬层及表层硬度均存在不均匀现象，这主要是受到磨削力、材料热物性及金相组织等因素的共同影响。最后，结合对实验中强化层残余应力的测量结果，研究了磨削工艺参数对残余应力的影响机制。　　(2)以磨削机理、冲击动力学及弹性力学作为理论基础，深入分析冲击在磨削过程中的作用。根据磨削弧内磨粒的作用形式，将其分为冲击区和切削区。基于此建立单颗磨粒对工件碰撞冲击数学模型，并运用概率统计理论对磨粒的磨削过程进行研究，分别获得冲击区及切削区的有效磨粒数目，最终建立总磨削力数学模型。将磨削力实验结果与磨削力数学模型结果进行对比，并分析不同磨削参数对磨削弧内冲击力及总磨削力的影响规律。结果表明，总磨削力数学模型可以对实际磨削力进行较为准确预测;砂轮线速度，进给速度及磨削深度是影响冲击力的主要因素。冲击力变化呈现随着磨削深度的增加而增加，随着进给速度和砂轮线速度的增加而减小的趋势。　　(3)基于热力耦合有限元方法，结合磨削温度场、应力/应变场数学模型，对小切深磨削过程中工件温度场及应力/应变场进行研究。考虑到工件材料属性随温度变化的特点，分析了在磨削过程中工件表层温度的瞬时变化情况，并对不同磨削工艺参数对温度场的影响进行深入研究。通过磨削应力/应变场仿真研究，得到工件残余应力分布情况，并与实验进行对比。考虑到小切深磨削中工件表层存在强化现象，着重研究了工件表层塑性应变分布规律，并结合等效应力，预测工件强化层深度。　　(4)在大切深平面磨削条件下，对工件进行淬硬层深度及表层硬度分布特性进行研究。考虑到在磨削过程中热源强度的变化特点，将工件磨削加工方向不同位置分为切入区、中间区及切出区，并建立分段式三角热源数学模型，分析磨削过程中工件表层不同区域的温度分布情况，从而对工件整体淬硬层深度进行预测并分析其变化规律。利用淬硬层组织场数学模型及硬度叠加原理，结合磨削温度场研究，预测工件表层硬度及分布状况。通过淬硬层深度及硬度分布的预测，对工件淬硬层均匀性机理进行了深入研究，着重分析影响均匀性的主要因素。通过对大切深磨削应力/应变场研究，分析了残余应力在工件内部的变化规律并预测工件强化层深度。根据工件在磨削过程中变形的特点，研究了工件变形对磨削力的影响。　　(5)以外圆磨削作为磨削方式，建立与磨削过程中温度有关的三维热传递模型。鉴于外圆磨削的加工特点，构建实际磨削深度及淬硬层深度预测模型。针对二周期和多周期的外圆磨削进行温度场仿真，分析了工件表层瞬时温度场变化情况，从而预测淬硬层深度及工件表层硬度，并对外圆磨削淬硬层均匀性进行研究。结果表明，在二周期外圆磨削条件下，工件表面淬硬层深度随工件切入端距离的增加而降低，而工件表层硬度分布较为均匀。在四周期磨削条件下，淬硬层深度随距切入端距离的增加而增加，而硬度分布较为均匀。相对于二周期外圆磨削，多周期加工淬硬层深度及表面硬度均匀性较好，但淬硬层深度较小且硬度有较大降低。