碳纤维复合材料具有优异的物理、化学性能,被广泛应用于国防军工等领域,这些领域对碳纤维复合材料的加工提出了更高的要求,需要更加先进的加工技术来满足高质量、高精度的加工需要。超声磨削加工技术能够解决普通磨削加工中存在的材料加工困难、加工表而质量差等问题,但目前对于碳纤维复合材料超声磨削加工中材料的去除机理尚没有系统研究,还有待进一步揭示。本文建立了碳纤维复合材料超声磨削的力学模型,并从宏观和微观两个角度对不同纤维方向下的碳纤维复合材料超声磨削进行有限元分析,研究其超声磨削加工机理,本文的主要研究内容和结果如下:(1)针对加工总切削深度与磨粒突出高度以及过渡圆角半径之间的关系,分三种不同加工工况进行讨论,基于脆性材料断裂理论及磨粒与工件之间的运动学关系,对磨粒与工件的相互作用进行分析,分别建立了砂轮端面磨粒磨削,侧面磨粒磨削,过渡圆角磨粒磨削的力学模型以及总体的磨削力模型,并对总磨削力模型进行了试验验证,结果表明轴向力模型计算值与试验值的最大误差为9.5%,而进给力模型计算值与试验值的最大误差为9.6%。基于此模型研究了工艺参数对磨削力的影响,发现不同纤维方向的磨削力随磨粒尺寸、超声振幅、超声频率的增大而减小,随磨削深度的增大而增大。(2)通过对碳纤维复合材料宏观力学特性进行分析,得出复合材料的工程力学参数以及失效准则,基于有限元思想进行宏观超声磨削仿真分析,研究不同纤维方向下材料的切削性能。研究发现,45°纤维方向应力值最大,为751.7MPa,135°纤维方向应力值最小,为267MPa;0°、45°、90°、135°纤维方向的切屑形貌分别为小的束条状、小条状、较小的块状以及小块状;而0°纤维方向加工后表面有很少凹坑,加工表面质量最好,45°纤维方向加工后表面有较多毛刺和凹坑,表面质量最差。(3)分别对碳纤维、树脂基体及粘结层材料进行力学性能分析,考虑每种材料各自的失效模式,建立了微观的碳纤维复合材料超声磨削有限元模型,研究不同纤维方向加工中的应力、切削损伤、表面质量的变化规律并与普通磨削进行对比分析。研究结果表明,超声磨削加工的应力小于普通磨削的应力;0°、90°、135°纤维方向裂纹扩展沿进给方向传递,而45°纤维方向裂纹扩展平行纤维方向传递,超声振动使得裂纹更易发生扩展,材料易被去除;加工后0°、90°纤维方向的表面质量相对较好,高频振动使得表面质量进一步提高,而45°、135°纤维方向的表面质量相对较差,由于超声冲击作用,使得加工后的表面质量得到改善。