采用直径为180mm单层电镀CBN砂轮在不同磨削参数下对AISI 1045钢进行高速缓进给窄深槽磨削试验,通过三维表面轮廓仪(SM-100)、维氏硬度计(HMV-G21ST)和金相显微镜(MM-4XCC)检测窄深槽侧面形貌、表面粗糙度、槽底硬度及金相组织等表面参数,分析了砂轮线速度、工件进给速度和窄深槽深度等磨削参数对表面完整性的影响。试验结果表明随着工件进给速度的增大和窄深槽深度的增加,槽侧面粗糙度值增加,表面质量变差,且槽底硬度增大;砂轮线速度的增加有助于降低表面粗糙度值,提高表面质量;工件切入端与切出端,槽侧面磨痕较深,表面质量较差,中间区域具有较好的表面质量,同时由于温度的影响,与中间区域相比,切入端与切出端槽底硬度较低;槽底表面未出现组织转变,槽底亚表层发生塑性变形,晶粒细化且分布较为集中。

采用分子动力学方法构建了单晶Ni3Al纳米块和球形金刚石刀具模型,模拟金刚石刀具对单晶Ni3Al工件的纳米切削过程并分析切削过程中切屑和已加工表面的形成,切削力、工件温度和系统势能的变化规律。结果表明在切削区域,由于刀具的剪切和挤压作用,工件原子发生滑移,部分原子脱离初始位置,形成切屑和已加工表面;切屑和已加工表面的形成主要与切向力和法向力的作用有关;切削过程中工件温度和系统势能在不断增加,而已加工表面工件原子的弹性恢复和晶格重组又会减弱其增加速率。

在293K温度下,通过分子动力学仿真软件LAMMPS建立单晶硅(100)、(110)和(111)不同晶面的纳米切削仿真模型,对样件内部原子之间相互作用选用改进型Tersoff势函数描述,并结合OVITO可视化分析,研究了样件的表面完整性演化规律和亚表层损伤机制。结果表明在纳米切削时,材料去除方式主要靠刀具的法向挤压产生塑性变形,在进给过程中少量材料挤压溢出到切槽两侧,大部分材料在刀具剪切作用下向前运动形成切屑。单晶硅(100)面刀具前端材料堆积最多,(110)面切痕两侧隆起材料最少且沿着切削方向形状整齐,切深较其他两个晶面较大。单晶硅(111)面亚表层损伤厚度最小值为3.02nm,切削表面最光滑,在非晶区域下方产生<110>晶向规则排列的非晶位错。

研究3D打印机的打印过程时发现,打印过程中存在喷头堵塞、打印精度低、速度低等问题,其主要原因是导丝管中的热量不能及时传导出去。为了解决喷头组件散热问题,设计出水冷装置模型,首先通过计算得出冷却的理论数据,然后结合傅里叶热传导定律,利用Fluent软件进行仿真分析,得出散热装置的温度数据以及温度分布云图等重要参数,最后仿真和计算相互验证。结果表明该水冷装置设计合理,能够满足导丝管内降温需求,有利于降低3D打印机喷头堵塞频率,提升打印精度、速度以及成型质量,为进一步优化3D打印机提供了参考。

针对窄深槽磨削过程中磨削工艺参数对表面性能的影响规律,建立单因素试验,采用单层电镀CBN砂轮对调质42CrMo钢进行高速磨削。运用三维轮廓测量仪、金相显微镜和维氏硬度计检测窄深槽侧面的表面粗糙度Ra、表面形貌、亚表层硬度分布及显微组织,得出磨削工艺参数对窄深槽侧面的表面粗糙度值Ra、表面形貌及显微硬度分布影响规律,分析窄深槽侧面的显微组织。结果表明随着砂轮线速度增大、工件进给速度及磨削深度减小,窄深槽侧面的表面粗糙度值Ra减小,磨痕变浅变窄,脆性剥落及磨痕锯齿状边缘减少,磨削表面质量改善;随着砂轮线速度的减小、工件进给速度及磨削深度的增加,磨削温度升高,生成更多板条马氏体组织,亚表层硬化程度增加;窄深槽侧面亚表层生成板条马氏体、残余奥氏体及残余渗碳体组织,最表层组织发生晶粒细化。

为了研究磨削加工过程中机械应力的大小和分布,建立了磨削机械应力理论模型。针对40Cr材料进行小切深磨削试验,基于磨削力在磨削弧上的三角形分布计算了加工过程中的机械应力,研究了工件磨削区内沿着磨削方向上机械应力的变化趋势。结果表明工件表面沿着磨削方向上的机械应力在砂轮切入点处为拉应力,并在磨削弧上先增大后减小,靠近砂轮切出点时急剧变化产生压应力,在切出点时达到最大值;在小切深磨削中,沿着磨削方向上的机械应力作用深度有限,随着深度方向衰减较快;根据小切深磨削的试验结果,建立了磨削后工件表面的残余应力与磨削深度和工件进给速度的经验公式,这对残余应力的预测研究具有一定的参考意义。

为探讨AISI 1045钢的切削、磨削加工过程中材料的磨损机制随加工参数的变化规律，采用CFT-1型多功能材料表面综合性能测试仪对AISI 1045钢进行干摩擦磨损实验，研究干摩擦条件下不同摩擦速度、不同载荷对AISI 1045钢磨损行为的影响，并用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对磨痕表面进行分析。结果表明：随着摩擦速度增大，AISI 1045钢的摩擦因数显著减小，磨痕深度先增加后减少，磨损机制由黏着磨损、磨粒磨损与轻微氧化磨损共同作用转变为氧化磨损、磨粒磨损和局部疲劳剥落；随着载荷增大，摩擦因数均值变化不大，磨痕深度依次增加，磨损机制由轻微黏着磨损和磨粒磨损转变为黏着磨损、磨粒磨损和轻微氧化磨损的共同作用。

采用回转直径为400mm的单颗PCBN磨粒对AISI1045钢进行磨削实验。使用Kistler9119AA2型三维测力仪实时测量磨削力,借助扫描电子显微镜(SEM)观察工件表面质量和磨削形态。研究了磨削工艺参数对磨削力的影响规律,并就磨削速度对表面质量的影响进行了分析。结果表明磨削工艺参数对磨削力有显著的影响,磨削力随磨削线速度增大而减小,随磨削深度增大而增大,随磨粒前角增大而减小;磨削线速度越大,工件表面质量越好,毛刺越少;负前角单颗磨粒磨屑形态主要有卷曲形和螺旋形两种。

针对如何确定单层电镀CBN（立方氮化硼）砂轮磨削区分界线位置,改善窄深槽侧面表明质量这一问题,应用单层电镀CBN砂轮对45#钢工件进行高速深切缓进给磨削实验。在不同砂轮线速度、窄深槽磨削深度和工件进给速度下,对单层电镀CBN砂轮磨削区分界线位置的变化规律进行研究。研究表明：单层电镀CBN砂轮磨削区分界线到砂轮顶部的距离随砂轮线速度的增大而逐渐增大,随窄深槽磨削深度的增加而逐渐减小,随工件进给速度的增大先减小后增大。

室温条件下,采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪对AISI 4340钢进行了往复干摩擦磨损试验,研究了其摩擦磨损特性.采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对磨痕和亚表层进行了观察和检测,分析了磨损表面微观形貌、亚表层塑性变形和碳氧元素含量演化.结果表明：磨损形式以磨粒磨损为主,并伴随轻微黏着磨损和剥落磨损;磨损表面分布着长度、宽度、深度不一的划痕以及鳞片状和颗粒状磨屑;磨损表面出现轻微氧化,磨屑呈现不同程度的碳富集和氧化;亚表层出现明显摩擦影响层,距表层越近,塑性变形越明显,晶界角逐渐汇聚于表面,在表面处趋于平行;往复运动导致塑性变形方向不一致,磨痕中部,塑性变形向某位置聚集.