磨削与其它加工方式相比,有着与众不同的特点和不可替代的优势。它与铣削车削等常规加工方式相比,可以使工件获得较低的表面粗糙度;而相对激光和电解等特种加工方式有着较高的效率和较低的成本。所以磨削在制造业中是最为常用的精密加工方法。但该种加工方式还是存在一定的缺点,由于磨削时砂轮和工件有较大的接触区域,热量很难散出,会产生较高的磨削温度。较高的磨削温度可能会对工件表面完整性和砂轮的寿命造成消极影响。为了提高砂轮的磨削性能,近年来很多学者对表面结构化砂轮进行了理论和实验研究,并取得了一定的成果。本文的研究对象——磨粒叶序排布砂轮就是一种表面仿生结构化砂轮。在进一步对磨粒叶序排布砂轮的理论研究基础上,设计并制造出磨粒叶序排布砂轮,并对该种砂轮的磨削机理进行了深入分析与研究。具体研究内容如下:(1)叶序排布是植物通过亿万年的自然选择而进化出来的,所以该种排布必有其它排布无法比拟的特性。通过对该排布在圆周方向和展开平面上的几何特性分析与对比,发现该种分布有着非常好的几何互补性与均匀性。而磨粒有序排布砂轮对磨粒排布的一个基本要求就是磨粒分布不能过于集中或分散,叶序排布的这种特性恰恰满足该种砂轮这一需求。所以从理论上讲,磨粒叶序排布砂轮应该有较好的磨削性能。为了验证这一推论,结合掩膜光刻技术和电镀方法设计制造出了用于磨削实验的CBN磨粒叶序排布砂轮。(2)对磨粒叶序排布砂轮的动态有效磨刃数进行了研究。动态有效磨刃数在磨削中是一个较为重要的参数。它不仅与工件加工结果有一定关系,而且对磨削加工过程也有很大影响。本文建立了磨粒有序排布砂轮的动态有效磨刃数数学模型,并利用该模型对磨粒叶序排布砂轮和其它几种磨粒有序排布砂轮在不同加工参数下的动态有效磨刃数进行了分析。通过对动态有效磨刃数的变化情况进行计算,得出不同的磨粒排布砂轮在不同磨削参数下的动态有效磨刃数的变化期望、振幅、周期。通过对比分析,发现磨粒叶序排布砂轮的动态有效磨刃数不仅有较大期望值,而且随时间变化幅度较小,还没有明显的变化周期。这种现象在磨粒有序排布砂轮的磨削过程中是我们所希望看到的。最后利用该数学模型研究了动态有效磨刃数随叶序系数的变化规律。(3)对经过磨粒叶序排布砂轮磨削后的工件表面粗糙度进行了理论分析和实验研究。通过对磨粒有序化砂轮现状的分析可知该种砂轮有一个普遍存在的不足:该种砂轮加工出的工件表面粗糙度相对较高。因为该种砂轮制造工艺等因素的限制导致其磨粒密度很难达到普通砂轮的级别。本文建立了磨粒叶序排布砂轮的磨削粗糙度模型,该模型同样也适用于其它磨粒有序排布砂轮。通过模型计算和实验验证可知,在磨粒密度相同的情况下,磨粒叶序排布砂轮相对于其它磨粒有序排布砂轮可以降低其加工工件的表面粗糙度。这与叶序排布有较好的互补性和均匀性有关。本文还利用数学模型和实验对该种砂轮磨削粗糙度与叶序系数的关系进行了分析与讨论。(4)对磨粒叶序排布砂轮的磨粒磨损进行了研究。磨削加工中有两个主体,一个是工件,前面已经从表面磨削粗糙度的角度对其进行了研究。另外一个就是砂轮,砂轮的磨损情况直接影响砂轮的使用寿命和工件的加工质量。本文用CCD对磨粒磨损情况进行了采样,并利用MATLAB编译了图片处理程序对磨粒磨损平面的面积进行识别和计算。用该方法对几种磨粒密度相同但磨粒排布不同的砂轮磨损情况进行分析与对比。实验结果表明磨粒叶序排布砂轮的磨粒磨损情况好于其它磨粒排布砂轮。然后利用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件建立磨削液在磨削区域流动的有限元模型对该种现象进行了解释。最后对不同叶序系数的磨粒叶序排布砂轮的磨粒磨损情况进行了分析与讨论。(5)对磨粒叶序排布砂轮的磨削力进行了研究。磨削力是磨削过程中较为重要的参数,它可以反映出不同砂轮在不同磨削参数下的能量消耗情况。本文针对磨粒有序排布砂轮建立了基于动态有效磨刃数的磨削力数学模型,并通过实验验证了该数学模型的正确性。实验和计算的结果表明,磨粒叶序排布砂轮在磨削力方面相对于其它磨粒排布砂轮表现出一定的优越性。也就是说磨粒叶序排布砂轮的磨削力较小、能耗少。这就说明该种砂轮的磨削过程是相对节能、绿色的。最后通过实验和模型计算研究了该种砂轮磨削力与叶序系数的关系。(6)对磨粒叶序排布砂轮的磨削温度进行了研究。由于在磨削加工过程中磨削区域散热较差,导致这种方式对温度敏感性远大于其它加工方式。所以对磨削温度的研究是极为必要的。本文首先对磨粒叶序排布砂轮的磨削温度理论进行了分析与总结。然后利用人工热电偶的温度测量方法对磨粒叶序排布砂轮进行了钛合金磨削对比试验研究。钛合金导热性较差的特点可能导致在磨削区域发生热量累积而产生较高的磨削温度。但在几种具有相同磨粒密度的对比实验中,磨粒叶序排布砂轮的磨削温度最低,这与其在磨削过程中产热少、散热好的特性有关。最后对不同磨粒叶序排布砂轮进行了实验研究,分析了叶序系数与磨削温度的关系。最后,阐述了本文中所得的结论,并针对本文研究过程中发现的问题,对下一步研究提出了建议。