超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成,具有加工质量好、加工效率高的特点,对难磨材料的加工实现了突破性的进展,是磨削加工工艺的革命性改变。超高速磨削技术的研究主要围绕超高速大功率主轴、超高速磨削砂轮和超高速磨削机理等几个关键部分展开,其中超高速砂轮作为磨削的直接接触对象,其性能直接影响了超高速磨削的过程。现阶段,根据不同的超高速砂轮基体材料,超高速砂轮主要有金属基体砂轮和CFRP砂轮。金属基体砂轮的质量比CFRP砂轮的质量明显较大,这就导致了金属基体砂轮在磨削加工中由于离心力的作用而产生较大的径向变形,从而破坏砂轮基体和节块,降低砂轮使用的安全性和可靠性,另外金属基体砂轮使主轴负荷增加,降低主轴使用寿命。虽然CFRP砂轮质量较轻,但CFRP价格昂贵,难以加工,所以CFRP砂轮需要极高的制作成本。由于CFRP砂轮自身结构的影响、砂轮基体不同的铺层方式、节块的制作和使用数量、以及轻质基体和节块粘接等都还存在许多问题没有解决,这些因素都严重阻碍了CFRP砂轮的使用,因此及时的开展超高速砂轮基体动静特性的研究,不仅可以推动超高速砂轮技术的发展,为超高速砂轮技术在超高速磨削技术中的发展提供技术支撑,同时也进一步推动超高速磨削技术在我国的发展。本文针对上述超高速砂轮存在的问题,采用有限元分析和试验相结合的方法,开展了变截面金属基体砂轮和CFRP砂轮动静特性的研究,优化并建立了一套完整的CFRP砂轮设计和制作工艺,试验验证了CFRP砂轮在超高速磨削中的优越性。具体研究内容如下:(1)分析超高速砂轮基体结构对砂轮磨削性能的影响利用有限元方法(ABAQUS)建立超高速砂轮模型,分析基体不同截面形状对金属基体砂轮磨削性能的影响,同时分析比较平行截面形状基体的金属基体砂轮和CFRP砂轮的动静态特性,包括径向变形量、最大等效应力及固有频率,研究基体材料对超高速砂轮磨削性能的影响机制。(2)CFRP砂轮的设计和制造CFRP砂轮结构和金属基体砂轮结构稍有不同的是,首先CFRP砂轮的中心法兰是与轻质基体镶嵌粘接在一起的,而且在加工时以中心法兰两个端面为基准,提高砂轮的形位精度。其次CFRP基体是由各向异性的单层预浸料铺层而成的,在铺层前要确定铺层的角度、单层预浸料的厚度和铺层的层数,合理的铺层结构使CFRP基体达到近似各向同性。基体制作完成后,再进行基体与节块、基体与中心法兰的粘接,并对制作好的CFRP砂轮进行修整和安全性能回转试验,以研究轻质、高强度、高刚度及高疲劳强度的CFRP砂轮在高速超高速中的磨削优势。(3)超高速砂轮的磨削特性实验完成的钢基体砂轮和CFRP砂轮制作后,对其进行超高速砂轮性能评价,即钢基体砂轮与CFRP砂轮磨削特性的对比试验。用试验的方法验证上面的仿真工作,在相同的磨削速度、相同的进给速度及相同的背吃刀量下,分别用钢基体砂轮和CFRP砂轮磨削相同的工件,记录实验数据,测量两种砂轮在对应速度下的径向变形量。同时验证了设计并制作的CFRP砂轮可以达到160m/s磨削速度的要求,为轻质高强度的超高速砂轮设计提供理论依据。