工程陶瓷、光学玻璃等脆性材料具有较好的物理与力学性能,它们已被广泛地应用于航空航天、微电子机械等领域。然而,由于脆性材料的脆硬性,它们表现出了低的加工效率以及难加工特性。目前来说,磨削是作为脆性材料加工的最有效方法之一。在脆性材料磨削过程中,脆性材料的低加工效率使得零件加工周期变长,增加了加工成本。同时,砂轮磨粒侵彻试件会在试件表面和亚表面造成诸多细小裂纹,从而导致了表面和亚表面的不完整性,大大降低了相关零件的使用性能与寿命。为了实现脆性材料的高效低损伤乃至无损伤的磨削加工,本论文对脆性材料磨削加工中磨粒与工件之间的作用规律展开了较为系统的研究。基于脆性材料单颗粒磨削理论分析模型,得到了单颗粒磨削材料去除体积、材料去除率和亚表面损伤深度与磨削参数(磨削速度、磨削深度、磨粒尖角和工件进给速度)的关系,具体讨论了不同的磨削参数对它们的影响。基于有限元仿真方法,建立了脆性材料磨削有限元模型,模拟分析了不同的磨削参数对单颗粒磨削材料去除体积、材料去除率和亚表面损伤深度的影响。本文主要的研究成果和创新性工作如下:(1)基于单颗粒磨削脆性材料的理论分析模型,考虑磨削过程的动态特征,得到了单颗粒磨削材料去除体积、材料去除率和亚表面损伤深度与磨削参数的具体数学表达式。对于研究材料去除的理论分析表明,材料去除体积随着磨削速度的增大而减小,而材料去除率与之相反,随着磨削速度的增大而增大。并且,当磨削速度增大到一定程度时,材料去除体积和材料去除率的变化都趋于平缓,这说明极高的磨削速度对于提高材料去除率没有太大的帮助。增大磨削深度和磨粒尖角都有助于提高材料去除体积和材料去除率,并且磨粒尖角越大提高材料去除率的程度越大。提高工件进给速度也能提高材料去除体积和材料去除率,但是工件进给速度对材料去除率的影响不如磨削速度、磨削深度和磨粒尖角的影响大。另外,增大砂轮磨粒尺寸也有助于提高材料去除率。(2)对于研究亚表面损伤的理论分析表明,当磨削速度不变的情况下,对于某一个较小的磨削深度值来说,中径裂纹在磨削表平面以下的深度值随着磨粒转角的增大而增大,并且在最大磨粒转角处达到最大值。但是,随着磨削深度的增大,中径裂纹在磨削表平面以下深度值的变化开始发生改变,随着磨粒转角先增大后减小,最大值发生在零到最大磨粒转角之间。亚表面损伤深度值随着磨削深度的增加先增大,后减小,这表明亚表面损伤深度随着磨削深度的变化趋于平缓。在磨削深度为定值的情况下,亚表面损伤深度值随着磨削速度的增大而减小,这说明高的磨削速度容易获得较好表面质量的工件。然而,当磨削速度达到极高但磨削深度又很小时,再提高磨削速度对于控制亚表面损伤没有太大的帮助。(3)建立了基于有限元软件ABAQUS的数值仿真模型,模拟了单颗粒磨削脆性材料的过程。分析了单颗粒磨削材料去除体积、材料去除率、亚表面损伤深度和磨削力与磨削参数的关系。在脆性材料磨削过程中,当磨粒与工件的侵彻深度大于材料脆性断裂的临界未变形切屑厚度时,材料去除主要是以脆性断裂的方式去除。单颗粒磨削脆性材料的材料去除体积随着磨削速度的增大而减小,而材料去除率与之相反随着磨削速度的增大而增大,这表明较高的磨削速度能够有利于提高脆性材料磨削时的材料去除率。然而,当磨削速度达到极高速度后,再增大磨削速度对于提高材料去除率没有明显的帮助。材料去除体积和材料去除率都随着磨削深度或磨粒尖角的增大而增大。工件进给速度对材料去除体积和材料去除率的影响不大,并且远不如磨削速度、磨削深度和磨粒尖角的影响大。另外,磨削力是影响脆性材料磨削时材料去除的主要因素之一。(4)在单颗粒磨削的开始阶段,裂纹从磨粒的前方和下方开始形成,随着磨粒朝着磨削方向不断运动,在磨粒前方的裂纹被磨粒去除,但是在磨粒下方的裂纹最终留在了工件表面,形成了表面和亚表面缺陷。通常情况下,一个较高的磨削速度有利于获得较好的磨削后工件亚表面质量。但是,一个极高的磨削速度在一个极小的磨削深度下,对于控制亚表面损伤没有很好的帮助。考虑磨削动态特征,磨削深度对磨削后亚表面损伤深度的影响比较小,而且没有磨削速度的影响大。磨粒尖角度数越大,磨削后亚表面质量越差。这表明小尺寸的磨粒有利于获得较好的亚表面质量。磨削力也是影响亚表面损伤的主要因素之一。