在机械加工中,作为零件的终加工方法,磨削加工往往决定了零件的最终表面完整性状态,磨削表面完整性对于保障零件性能具有重要意义。由于磨削加工过程中砂轮线速度大,材料应变率高,将产生很大的磨削力和磨削热。零件表层除了发生塑性变形之外,还可能伴随着一定的相变行为。相变不仅直接改变了表层金相组织结构和材料性能,还会因其存在的各种效应引起附加的变形和应力,影响表层最终的残余应力。残余应力不仅会影响零件的动静态接触性能、耐腐蚀能力和服役寿命,还会使零件发生翘曲变形从而影响其几何精度。因此,磨削加工表层相变和残余应力的准确预测和控制对于保证零件的表面完整性指标以及提高零件性能具有重要意义。然而,关于磨削加工表层相变和残余应力的研究还不充分,相变仿真研究往往忽略了应力的影响,而残余应力仿真研究往往也忽略了相变的影响,导致仿真预测的精度下降。此外,应力对相变、相变对残余应力等的影响机理尚不明确。根据以上分析,本文以国家自然科学基金项目“预应力淬硬磨削复合加工新工艺机理及全参数表面完整性研究”（No.51375083）为主要研究内容,针对磨削加工表层相变和残余应力开展研究,主要研究工作包括:（1）基于磨粒微作用分析和动态材料去除仿真的磨削力-热分布建模。根据砂轮参数重构了砂轮表面形貌;通过磨粒运动分析和动态材料去除仿真获得了所有动态有效磨粒的瞬时特征,如切入深度和微作用阶段等。根据获得的有效磨粒特征,区分磨粒微作用机理,提出并建立了包含作用力大小和磨粒位置信息的磨粒作用力模型。应用该模型建立了动态磨削力模型,获得并分析了磨削力全时域变化特征和波动特征,确定了磨削区力-热分布规律。（2）磨削表层宏介观尺度相变研究。1)基于材料的TTA和TTT相变动力学曲线,采用JMAK动力学方程、Scheil叠加法则和K-M方程,结合Clausius-Clapeyron方程和Inoue方程,通过ABAQUS子程序二次开发创新建立了耦合应力作用的磨削表层宏观相变模型。进而深入分析了磨削表层相变演化过程,揭示了应力对磨削表层相变及相变层特征的影响机理。2)基于宏观相变模型获得的材料温度历程,根据奥氏体化转变理论,引入元胞自动机算法建立了磨削表层介观奥氏体化转变模型。进而分析了奥氏体形核-长大和溶质扩散等过程,讨论了磨削深度对表层奥氏体化转变和溶质分布的影响。（3）磨削表层相变效应和热-相变-力耦合残余应力研究。考虑到当表层发生相变时,残余应力是多场（温度场-组织场-应力场）耦合的结果,对表层多场耦合关系、相变效应进行了深入分析和理论建模。基于弹塑性力学和有限元计算理论,考虑相变潜热、相变引起屈服强度变化和相变引起体积变化三种相变效应,通过ABAQUS子程序二次开发建立了热-相变-力直接耦合残余应力有限元模型。采用对比分析的方法,揭示了多种相变效应对磨削表层温度、应力及应变演化、残余变形和残余应力的影响机理。（4）耦合相变效应的磨削表层残余应力解析计算。采用解析方法计算了磨削工件温度场;基于相变动力学模型,构建了组织场解析计算式,获得了工件组织场。应用Boussinesq应力解计算获得了磨削力作用下工件内部应力;考虑相变引起的体积变化,基于热弹性假设和Duhamel相似定理,分别计算得到了不均匀温度场和组织场作用下的工件内部应力。基于获得的磨削力、不均匀温度场和组织场共同作用下的工件内部应力,根据增量塑性理论,采用McDowell混合算法,考虑相变引起的屈服强度变化,通过应力加卸载和应力释放过程计算得到了耦合相变效应的磨削表层残余应力。（5）磨削加工和表面完整性实验研究。针对典型结构钢试件,开展了多种磨削工艺参数下的干磨削实验,对磨削力和加工后表面微观几何形貌、金相组织和残余应力进行了测量或观测。磨削力测量结果验证了建立的磨削力模型,工件表面微观几何形貌测量结果验证了动态材料去除仿真过程。磨削表层金相组织观测结果验证了建立的宏介观相变模型,工件表面残余应力测量结果验证了建立的残余应力有限元模型。