碳化物硬脆材料在高温、高压等恶劣条件下因具有高强度、高硬度及优异的化学稳定性而被广泛的应用于航空航天、光学制造、汽车零部件及核工业等领域。为了同时获得良好的表面粗糙度和面形精度,超精密磨削被广泛应用于加工碳化物硬脆材料。但是,超精密磨削加工会诱发硬脆材料工件表层及亚表层损伤,包括裂纹、塑性变形、相变、氧化及残余应力等。这些都将严重影响工件的使用寿命、表面力学性能以及相应的功能。此外,为了去除这些损伤和进一步改善表面粗糙度,在磨削后还需要对工件进行抛光。超精密磨削加工所能得到的表面质量对于降低后续工艺的成本起到了决定性作用。事实上,碳化物硬脆材料工件能否直接服役及对磨削表面进行抛光的效率均与磨削表面完整性密切相关,对其进行研究已成为世界范围内的热点。此外,平行磨削法已广泛应用于加工球面、非球面、菲涅耳结构等回转对称表面。为了实现碳化物硬脆材料回转轴对称表面的超精密磨削加工,结合在位测量技术及工件表面的典型特征采用相应的误差补偿方案以改善工件的面形精度仍需更深入的研究。本论文从理论和实验上研究了典型碳化物材料(碳化钨和碳化硅)超精密磨削加工的表面生成及损伤机理,并以超精密加工大深径比的半球偶件和“水滴”结构表面作为案例进行研究,以推动硬脆材料回转轴对称表面超精密磨削技术的发展。论文的主要内容包括以下方面:(1)通过维氏压痕和单颗粒金刚石刻划对RB-SiC/Si和WC/Co材料在准静态及动态载荷下的损伤机理进行了基础实验研究。分析了所加工碳化物材料的脆性与其表面损伤行为之间的关系,对比了不同结合剂(Si和Co)的添加对碳化物材料在静态及动态载荷下的损伤机理影响机制的不同,研究了碳化物材料在动态载荷下材料的损伤机理对其脆性、材料的组织结构及切削深度之间的依赖关系,从而为研究碳化物材料超精密磨削表面生成及损伤机理奠定良好的理论基础。(2)对RB-SiC/Si和WC/Co材料在尖角边缘V形砂轮切入式磨削和平行磨削加工时的表面损伤机理进行了研究。分析了尖角弧形砂轮表面多磨粒同时参与材料去除时碳化物材料的表面特征及材料去除机理,研究了不同结合剂性能对材料损伤机制的影响。结合先进的材料表征技术对磨削表面进行分析,提出了碳化物材料在超精密磨削过程中表面损伤新机制,包过磨削表面的非晶态转变、C的偏析的影响、组成相的取向性变化,进一步丰富了硬脆材料磨削诱发表面损伤理论。(3)研究了材料的微观组织结构对磨削表面生成的影响,分析了砂轮振动及材料去除速率对纳米级表面生成的影响规律。通过与无结合剂材料和单晶材料在相同加工条件下的表面形貌作对比,分析了结合剂的添加对表面生成的影响,研究了结合剂相变及塑性变形伴随的体积变化对磨削表面纳米级特征的影响。分析了平行磨削中表面粗糙度对材料的去除速率依赖关系以及工件-砂轮相对振动对表面生成的影响机制。此外,根据在位测量结果,提出了相应的刀具轨迹补偿方案,在WC材料表面超精密磨削加工出了Φ20 mm“水滴”结构表面,推动了平行磨削在硬脆材料回转轴对称复杂表面中的应用。(4)分别对金刚石砂轮微观和宏观磨损机理及其对磨削表面生成的影响进行了研究。微观磨损包括金刚石磨粒的崩碎、顶端磨平、脱落及氧化,并通过磨削表面的频谱分析研究了砂轮微观磨损对表面生成的影响规律,建立了金刚石磨粒尺寸与进给速率相对大小对磨削表面生成的影响关系。研究了砂轮的宏观磨损对工件中心岛状残留的形成及面形精度的影响,建立了超精密磨削加工TN85半球偶件时砂轮的宏观磨损与工件尺寸偏差的量化关系,并通过对刀具轨迹补偿,实现了Φ15 mm TN85半球偶件的超精密磨削加工,为碳化物材料典型球面的加工奠定了基础。