超高强度钢具有强度高、硬度高、断裂韧性高等特点,主要用于航空和航天工业重要的结构部件如飞机起落架、火箭发动机壳体。由于超高的强度和硬度,超高强度钢磨削时会产生较大的磨削力和磨削热,磨削力会造成金属塑性变形,引起零件表层硬化和残余压应力;磨削热会使材料的表层组织软化,并引起残余拉应力,温度过高时工件表面甚至会出现烧伤和裂纹,从而影响构件的疲劳寿命。本文以超高强度钢AerMet100为研究对象,通过有限元仿真、磨削实验、测试分析等,对AerMet100磨削力、磨削温度、应力场、应变场以及表面变质层特征进行研究。论文主要研究内容和取得的成果如下:1.首先基于磨削原理对单颗磨粒磨削过程和表征单颗磨粒磨削过程的磨削要素进行了介绍,然后对磨削表面变质层结构和变质层特征的形成进行了分析,最后对磨削表层的塑性变形分析方法进行了研究。2.通过有限元仿真计算分析,获得了不同工艺参数下单颗磨粒切削过程中的磨削力、磨削温度以及工件表层最高温度沿深度方向的分布规律。基于砂轮表面磨粒概率统计方法,建立了相应的磨削力预测模型。最后通过磨削测力测温实验对仿真结果进行了验证。结果表明:单颗磨粒磨削力随工件速度和磨削深度的增加而增大,随砂轮速度的增加而缓慢减小。CBN砂轮磨粒导热性高,其磨削温度均低于白刚玉磨粒磨削温度。随着工件速度和磨削深度的增大,工件表层高温区域的影响深度增大;随着砂轮速度的增大,工件表层最高温度沿深度方向的下降速度增大,热影响深度减小。3.通过有限元仿真计算分析,分析了单磨粒切削过程中磨削区的应力场和应变场特征,获得了不同工艺参数水平下热力耦合作用对工件表层等效应力场和等效应变场的影响规律。结果表明:等效应力场、等效应变场随单颗磨粒切削强度的提高而增加。当磨削热引起的变形温度未达到材料的软化温度时,高的应变率和磨削力引起的大塑性应变是等效应力增大的主要原因。在同一加工参数水平下,CBN砂轮磨削变质层塑性变形程度较白刚玉砂轮剧烈,其塑性应变场变化更集中在磨削表层。4.基于磨削试验,研究了温度场和塑性应变场对表面变质层的影响规律,获得磨削表面变质层形成机理。结果表明:磨削表层受磨削热影响较大,磨削次表层受磨削力塑性拉伸(或压缩)的影响较大。对于白刚玉砂轮,磨削热的温升弱化作用占主导,对于CBN砂轮,磨削力引起机械塑性变形的金属强化作用占主导。