尽管高速磨削加工技术作为机械加工领域中的一项前沿技术,给传统磨削领域带来了革命,从根本上颠覆了磨削加工以牺牲效率追求精度的陈旧观念,然而仅简单以50 m/s或更高的速度值作为普通磨削与高速磨削的界定并不能反映高速磨削在成屑机制方面的特殊性以及突出的工艺优势,进而也未能有效地利用高速磨削优势突破其磨削高温与烧伤的应用瓶颈,实现高强韧难加工材料的高效加工。有鉴于此,本文通过创新性的单颗磨粒高速磨削试验方法,对高速磨削成屑机制进行了深入研究,在此基础上有针对性地提出基于磨粒有序排布砂轮实现高速磨削工艺优化对策,即建立超硬磨料有序排布砂轮地貌和与之相关的磨削过程模型,并通过高速磨削试验确定磨削速度和单颗磨粒切厚两因素与磨削力、磨削比能以及磨削温度的关系,从而完善模型,最终实现了对钛合金与高温合金的高速磨削工艺优化。最后根据材料塑性加工理论,对磨削弧区材料应变率强化与热软化综合作用分析基础上进一步诠释了难加工材料高速磨削过程的速度效应与尺寸效应。本文完成了以下几项基础性研究工作:(1)对传统单颗磨粒划擦试验方法局限性认识基础上,创新性地提出了单颗磨粒高速磨削试验的“单步法”与“双步法”,实现了对单颗磨粒成屑阶段的观察与临界成屑厚度的定量分析,并对锯齿状磨屑绝热剪切变形特征与隆起系数进行了深入分析。研究结果进一步表明磨削速度的提高与单颗磨粒切厚的变化确实引起了材料成屑机制的转变。(2)针对传统磨削过程建模与解析研究成果与应用局限性进行深入分析的基础上,创新性提出了基于磨粒有序排布砂轮的高速磨削过程建模与解析,并以磨削速度和单颗磨粒切厚为联系纽带,建立磨削用量与磨削过程量的联系,从而实现工艺优化的研究思路。针对有序排布砂轮地貌特征要素进行了建模,并对与之相关的有效磨粒数、单颗磨粒最大切厚、磨削力、平均热流密度等磨削过程要素进行了建模与解析,最终形成了基于磨粒有序排布砂轮的高速磨削工艺优化模型。(3)在“基于磨粒有序排布砂轮实现难加工材料高速磨削工艺优化”的研究思路指导下,完成了对高速磨削用磨粒有序排布镶块砂轮的研制,并利用该工具对难磨削材料TC4钛合金和GH4169高温合金进行了系统的高速磨削试验,试验研究表明,在保证速比一定、单颗磨粒最大切厚恒定条件下,尽管磨削速度的提高使得磨削温度呈缓慢上升趋势,磨削力与磨削比能却保持恒定;同时单颗磨粒最大切厚的增加导致磨削比能的下降,而且试验结果还发现相比磨粒无序排布的电镀砂轮与陶瓷结合剂砂轮,磨粒有序排布钎焊砂轮在降低磨削力与磨削温度方面更具优势。该试验结果确证了高速磨削的优势并为TC4钛合金与GH4169高温合金高速磨削工艺优化提供了方向,即基于磨粒有序排布砂轮,保持高速磨削速比或单颗磨粒最大切厚为一恒定优化值的条件下,提高磨削速度,可成倍提高磨削效率。(4)从磨削弧区材料变形本构关系特征角度,对单颗磨粒成屑机制试验与高速磨削试验中临界成屑厚度、磨削力、磨削比能以及磨削温度所表现出的尺寸效应与速度效应进行了深入分析,建立了基于本构关系的磨削过程阶段划分模型,从应变硬化、应变率强化以及热软化综合作用以及绝热剪切失稳判据角度进一步诠释了尺寸效应与速度效应对高速磨削成屑机制与传热机制的影响,推导出了基于材料本构关系与磨削过程阶段划分模型的单位磨削力、磨削力以及磨削比能的解析公式,通过对高速磨削弧区内产热与传热机制分析,形成了阶段式热源分布的温度场理论解析方法和系统的计算公式。