中国2006-2020年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将极端制造技术列入国家重点支持的前沿技术领域。这不仅说明了极端制造的重要性,也反映出实现极高的磨削质量与磨削效率等极端制造问题还需要更加深入的科学研究与工程实践。正如德国磨削专家Konrad Giihring博士所言,高性能磨削从磨床、砂轮、冷却和安全装置、工件原始形状到极端切削条件等,整个磨削过程和磨削系统都面临着全新的挑战。高速磨削中砂轮与工件接触瞬间所发生的现象,涉及了力学、热学、化学、材料学等多个学科,其中,由磨削速度和磨削力产生的大部分功率转化为热能,热能引起的磨削表面热效应将直接影响工件的表面质量和磨削效率。本文以高速精密外圆磨削为对象,开展了磨削热及其监控方法的仿真与实验研究,主要研究成果及创新点如下：(1)通过单颗CBN磨粒磨削TC4钛合金的仿真研究,发现仿真给出的磨削弧区最高温度实际上发生在磨屑和接触剪切面上且其只有小于1μs级的短暂作用时间、工件磨削表面最高温度一般仅为磨削弧区最高温度的50-80%：实际的磨削弧区接触弧长约为传统几何弧长计算结果的2倍；随着砂轮线速度的提高,磨屑的断屑次数增加。以上发现,对高速磨削的相关仿真和实验研究具有一定的指导意义。(2)提出了面向高速外圆磨削过程的磨削弧区多点温度同时测试方法,发明和研制了相应的温度传感器及测试系统,以同时采集磨削弧区多个位置的实时温度。通过考察TC4工件表面温度监测曲线的热冲击峰,可以有效的推算出外圆磨削时砂轮进出弧区的时间,据此,提出和构建了基于工件磨削表面实测温度曲线热冲击峰的实际磨削弧长计算方法。经过不同磨削工艺参数下TC4实验数据的统计,实际磨削弧长计算结果大约是传统几何弧长计算结果的1.5-2倍,充分表明了磨削过程中塑性变形和热变形对实际磨削弧长的重要影响。提出的实际磨削弧长计算方法可为预测磨削弧区温度分布提供计算依据。(3)基于温度传感器工程实验所获得的工件表面温度及其分布规律,构建了相应的磨削弧区热流密度分布,发现了磨削弧区热流密度分布的非对称性,且与瑞利分布具有较高的拟合度。与二次曲线热源模型相比,基于瑞利分布的外圆磨削热源,热流最高点更偏向磨削弧区的砂轮入口处,其距砂轮入口处大约40%弧长的位置,这一发现为进一步改善高速外圆磨削的冷却条件提供了理论依据。基于磨削力实验、实测的工件表面温度和单颗磨粒仿真磨削中的磨屑平均温度,构建了高速外圆磨削弧区热分配比的计算模型。基于瑞利分布热源模型、磨削弧区热分配比的经验公式、实际磨削弧长的计算公式以及磨削力的测试,提出了工件表面温度的预测模型,为优化设计磨削工艺参数,控制磨削表面温度提供了理论基础。(4)通过仿真与高速外圆磨削工程实验,掌握了磨削工艺参数对热力载荷的作用规律,以及它们对磨削质量的影响规律,发现了难加工材料高速磨削的相关特性如下：1)对于TC4等塑性难加工材料,随着砂轮线速度提高,材料应变率提高、磨削温度提高,但应力下降、磨削力有所下降。其中,材料应变率的上升和应力的下降是导致TC4磨削表面发生塑脆转变、表面粗糙度得到改善的主要因素,同时也是断屑次数增多、有利于提高材料去除率的根本原因；2)对于SiC等脆性难加工材料,随着砂轮线速度的提高,应变率上升,磨削力下降,而磨削温度在80m/s处出现拐点,即高于80m/s后工件表面温度有所下降。其中,较高的工件表面温度是导致工件表面脆塑转变的主要因素之一,即高速磨削工件表面温度有利于减少脆性材料磨削表面微裂纹等损伤层,改善表面粗糙度；3)在提高砂轮线速度的同时,同比提高工件速度,可以降低工件表面温度、控制由于磨削热导致残余拉应力的生成比例、磨削烧伤等,改善和提高难加工材料的工件表面质量。