面向葉片根部光順磨削的柔性磨具設計與性能

關鍵詞 柔性磨拋；流場分析；磨削性能中圖分類號 TG58;TG74;TH16 文獻標志碼A文章編號 1006-852X（2025）04-0534-08DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0059收稿日期 2024-03-29修回日期2024-07-24

文章OSID碼

獲取更多內容

以航空發動機葉片為代表的自由曲面零件通常由TC4鈦合金等難加工材料制成，其對輪廓精度和表面質量的要求較高]。而葉片根部作為典型的難加工部位，為擬合復雜曲面、適應狹窄加工通道，采用小尺寸柔性磨具是最具潛力的解決方案。

磨削過程通常伴隨著磨削熱的產生，在加工有高蓄熱能力的難加工材料（如TC4）時，易導致材料局部有大量的磨削熱積累而產生高溫[2。這種局部高溫對柔性材料有限的熱穩定性構成了挑戰，導致磨具壽命縮短和性能衰退[3]。因此，在小尺寸柔性磨具磨削過程中，必須采用低轉速、大量冷卻液、多次走刀和頻繁更換磨具等低效方法。此外，塑性變形會導致柔性磨具與工件之間緊密接觸，使冷卻液難以進入實際磨削區域，進一步阻礙熱量的傳導。

液氮冷卻4、熱管冷卻[5、內部冷卻、低溫冷風射流等先進傳熱技術已在材料加工領域得到了廣泛研究。CHETAN等發現使用液氮為冷卻劑可有效減少磨具磨損。然而，液氮可能會對工件磨削表面質量產生不良影響[]。QIAN等[1]發現帶有16根熱管的磨具能夠散發總磨削熱的 79% ，而沒有熱管時僅能散發34% 。同時，內部冷卻砂輪可抑制加工過程中的熱積累[1]并改善工件磨削表面質量[12]。但熱管和內流道技術的使用受到制造條件和成本的限制，難以應用于直徑 lt;15mm 的小型磨具中。此外，冷風射流技術有利于防止切屑黏附并抑制磨削熱量積聚[13]。

利用高效的主動導流冷卻技術（如葉片定向增強氣流[14-15]），有利于進行高效的對流傳熱和熱管理。GALLONI等[1]評估了各種形狀風扇的性能，發現優化風扇位置可使努塞爾數 Nu 增大 55% ，最大冷卻效果提升70%^[17] ，相鄰葉片的結構優化使體積流量增加 20.1%^[18] CHOUDHARY等[1對3D打印冷卻風扇的入口和出口角度進行了數值分析，發現優化出入口角度可使平均氣流速率提升 23% 。然而，葉片的冷卻性能受到多種因素的影響，面向小尺寸球頭磨具的特定形狀時，現有研究并不具備良好的適用性。

為增強小尺寸柔性磨具的傳熱能力，提高復雜零件精密磨削的加工質量，在風扇葉片的基礎上設計了具有增強傳熱結構的磨具模型；采用計算流體力學（computationalfluiddynamics，CFD）研究旋轉方向、轉速、外部冷風流速和葉片數對傳熱能力的影響；且通過3D打印制備磨具基體并與磨料層黏結，獲得柔性磨具；最后，比較所設計磨具與傳統結構磨具的磨削性能。

1數值模擬與實驗

1.1建模與數值分析

選取風扇葉片增強傳熱結構為建模原型。為實現小尺寸復雜內部結構柔性材料的制造，選用3D打印技術制備基體。為滿足3D打印基本需求，對大尺寸葉片進行縮放和加厚處理，確保最小壁厚 gt;0.80mm ，如圖1所示?？s放后的葉片弦長為 4.71mm ，進氣邊角度為5.3^° ，葉片最大厚度為 1.71mm ，寬高比為 0.77 。

圖1葉片和磨具的3D模型Fig.13Dmodels ofbladeand grindingtool

為研究磨具的流動-溫度特性，使用AnsysFluent2022R1進行數值分析。數值計算所需的控制方程為：

式中： 均為空間坐標分量， u_i 為時均速度矢量在 x_i 的分量， 和及 分別是空間坐標3個方向上的時間平均和波動速度分量， ρ 和 μ 是密度和動態黏度， 是時間平均靜壓。

穩態計算利用多參考系（multi-referenceframe，MRF）模型，其計算域劃分如圖2a所示。由于磨具所有區域都可能與工件接觸并在加工過程中產生磨削熱因此整個磨具表面被視為加熱壁。壁面均勻加熱至200^°C ，壁厚為 1mm 。旋轉域和穩態域均使用非結構化網格。流場的入口和出口邊界分別定義為速度入口和壓力出口，壓力-速度耦合利用含標準壁函數的耦合方案進行計算。同時，對流項、擴散項和湍流黏度系數使用二階逆風方案離散化，并在壁面施加防滑和無穿透邊界條件。

利用網格獨立性找到兼顧精度和計算時間的最優解，從而在較短計算時間內獲得精確結果。網格總數從115147萬到563萬不等，用于比較參考平面 RF_xy 和底部孔隙的平均壓力以及 RF_xy 的表面平均速度（圖2b）。最終，模型由221萬個網格組成，此時平均壓力和速度的變化 lt;1% RF_xy 的壓力分布趨于穩定。

圖2區域劃分和網格數的獨立驗證

Fig.2Regional division and independent verificationof grid number

1.2旋轉方向、轉速與冷風速度對流場-溫度場特性的影響

當具有增強傳熱機構的磨具逆時針旋轉時，外部空氣被引入磨具內腔形成明顯的渦流（見圖3a），此時葉片充當湍流發生器，增強了內腔中的氣流對流與熱交換。同時，內葉片結構會引導外部流體高速吹向腔體內壁外側附近，從而形成高壓區，如圖3c所示。該區域會引起更多的流體流動，從而促進傳熱。此外，磨具內腔觀察到顯著的湍流動能（turbulentkineticen-ergy，TKE），其分布與渦旋位置一致（見圖3c和圖3e）。因此，渦流的形成、傳播和耗散增強促進了熱傳遞。此外，順時針旋轉時的情況同逆時針旋轉時的情況類似，只是湍流速度、壓力分布及TKE稍有不同（見圖3b、圖3d、圖3f）。

圖3不同旋轉方向的流場特性Fig.3Flowfieldcharacteristicsindifferentrotatingdirections

圖4為不同結構磨具的平均表面溫度圖。如圖4所示：旋轉方向不會影響傳統結構的平均表面溫度，而內葉片結構顯著降低了平均表面溫度，且順時針旋轉時的平均表面溫度稍低于逆時針旋轉時的。這種冷卻效應歸因于磨具內腔內部的壓力差引起的空氣夾帶效應，當所設計的磨具順時針旋轉時，增強傳熱結構放大了這種效應。內腔的渦流導致外部進氣量增多，產生更大范圍的高動量區域，從而增強了磨具的傳熱，使平均表面溫度降低。

圖4不同結構磨具的平均表面溫度Fig.4Average surface temperaturewithdifferent structural grindingtools

圖5為不同轉速下的表面平均溫度圖。如圖5所示：與傳統實心結構相比，內葉片結構順時針旋轉時在更高轉速下具有更顯著的降溫能力，在轉速為 14000r/min 時平均表面溫度 lt;170^qC 。而傳統結構在轉速上升后的溫度降低效應相對較弱，在轉速為 14000r/min 時平均表面溫度仍 gt;180‰ 。

圖5不同轉速下的表面平均溫度

Fig.5Averagesurface temperatureatdifferentrotational speeds

隨著轉速升高，磨具表面和內壁的溫度均勻性得到改善，如圖6所示。其中：圖6a、圖6b、圖6c為傳統結構磨具時的情況，圖6d、圖6e、圖6f為內結構磨具時的情況。由圖6可以看到：轉速增加，低溫區域范圍擴大并逐漸占據主導，且沿 x 軸的溫度分布大致呈環形分布（頂部和底部溫度較低、中心溫度較高），這可歸因于磨具內腔渦旋的不連續性。為此，后續的研究將針對內腔的渦流位置進行熱積累嚴重區域的優化。

在實際工程應用中，小尺寸柔性磨具需要具有一定的持續去量能力，其加工過程中產生的磨削熱通常需要外部冷卻以維持性能。高速風冷是一種環保、便捷的方法，相較于冷卻液在磨具高速轉動下的飛濺等問題，冷風冷卻不會產生加工環境惡化的問題。

圖6不同磨具在不同轉速下的表面溫度分布Fig.6Surface temperature distributionof different tools at differentrotational speeds

圖7為不同冷風速度下的表面平均溫度圖。由圖7可以看到：隨著冷風速度的提高，更多的冷空氣被吸入葉片結構的磨具內部，產生了更強的降溫效應。這說明提出的內葉片結構具有更高的冷卻利用效率；而傳統結構由于其表面氣壁的阻礙，外部冷風速度增大對其表面溫度的降低效果并不明顯。實際上，無論是冷風還是冷卻液，高速旋轉的磨頭都會產生表面氣壁，阻礙冷卻介質到達實際的加工區域，特別是對于柔性磨具緊密的接觸界面。

圖7不同冷風速度下的表面平均溫度

Fig.7Averagesurface temperatureat differentcold air velocity

1.3實驗過程

傳統磨具制造依賴模具注塑，難以制造復雜結構的柔性基體。為克服這一局限性并實現小尺寸磨具內部復雜曲面結構，采用多射流熔融3D打印制造柔性基體。為實現磨料層對基體的均勻覆蓋，將磨料層沖壓成花瓣狀，以緊密貼合基體表面。設計了“三明治”黏接模具，以保證磨具的形狀精度。為防止磨具與模具黏接，提高制備效率，將特氟龍膠帶、花瓣形磨料層和3D打印的柔性基體依次放置于樹脂模具內。在磨料層與柔性基體的間隙處涂上柔性膠（軟質膠水），并對整個組件加壓以實現牢固的黏合。最后，通過激光獲得陣列底孔，以匹配先前仿真中使用的結構。磨具的制備過程如圖8所示。選擇TPU（BASFUltraSint）為柔性基體材料，選擇金剛石磨料粒度代號為M36/54的金剛石帶KGS為磨料層。

圖8磨具的制備過程

Fig.8 Preparation process of tools

使用圖9所示的機器人磨削平臺進行磨削測試。該平臺由工業機器人（FANUC，M-710iC/50）、力傳感器（KUNWEI，R75B）、電主軸（HaozhiIndustrial，DG-ZX-08040）、冷風槍（AIRSTE，CAG2106）、紅外熱像儀（FLIR，E6-XT）和柔性磨具等組成。選擇TC4鈦合金（ 100mm×100mm×10mm ）對比研究磨具的磨削性能，磨削過程參數見表1。

2 實驗結果與討論

不同磨具在持續磨削過程中的磨削性能如圖10所示。初始階段，由于鋒利的磨料與工件之間的相互作用，2種磨具都經歷了顯著的溫度升高，在20s內達到 100^°C （圖10a）；且傳統實心結構磨具的磨削溫度最高，在 55～100s 超過 。局部磨削熱的大量積累導致柔性材料熔化并黏附在磨具表面，阻礙了材料的去除，因此傳統實心結構磨具的材料去除能力在140 s后急劇下降（圖10b）；同時其表面粗糙度也大幅波動（圖10c）。相比之下，內葉片結構磨具在整個連續磨削過程中保持了相對穩定的磨削溫度和材料去除能力，其最大降溫幅度可達 18.29% ；同時也保持了良好的表面質量，磨具壽命延長 40% 。

圖9磨削實驗平臺Fig.9grinding experimental set-up

表1磨削過程參數

Tab.1 Parametersof experimentprocess

圖11為不同磨具在持續磨削過程中的表面形貌圖。如圖11所示：在持續磨削過程中，傳統結構磨具的磨削表面紋理愈發粗糙，塑性流動逐漸增多；而內葉片結構磨具的磨削表面紋理保持了較好的一致性。在磨削前 20s，2 種磨具都會在磨削表面產生連續的劃痕和塑性流動。隨著磨削的進行和溫度的升高，傳統結構磨具的磨削表面劃痕和塑性流動變得不再連續；而內葉片結構磨具的磨削表面繼續保持光滑，塑料流動較少。同時，在磨削的最終階段（磨削時間為 200s ），傳統結構磨具的磨削表面出現大量的塑性流動和較少

的深度劃痕；內葉片結構磨具磨削表面的塑性流動和劃痕雖因磨粒磨損而變成間歇性分布，但仍保持相對光滑的表面。

圖12為持續磨削后磨具宏微觀形貌圖，圖13為不同結構對磨具失效形式的影響圖。由圖12可知：磨料層在連續磨削過程中主要有2種失效形式，一種是強研磨熱引起的柔性基體黏附，另一種是交變應力引起的磨料層撕裂。后者在連續磨削過程中難以避免，但前者會顯著縮短磨具的使用壽命。在經歷200s的連續磨削后，不同磨具的磨料層表現出不同程度的脫離，其中傳統結構磨具的脫離最為明顯。此外，在傳統結構磨具的表面觀察到環狀黏附物。這是由于磨具內部的柔性基體因熱量積聚而熔化，并在離心力的作用下黏附在磨具表面，導致磨粒出刃高度降低并削弱磨具的切削能力（見圖13）。內葉片結構磨具的主要失效形式是磨料層脫離，其增強的傳熱結構通過冷空氣與研磨區的高效局部熱量交換，從而緩解了柔性基材的黏附。

圖12持續磨削后磨具宏微觀形貌

Fig. 12 Macroscopic and microscopic of tools after continuous grinding

圖14為鈦合金根部樣件磨削實驗平臺及實驗結果圖。在圖14a所示的實驗平臺上，使用設計的柔性磨具對3D打印的鈦合金根部樣件進行磨削實驗。通過接觸式輪廓儀測量磨削前后的樣件表面微觀輪廓，結果表明：設計的磨具可以對有限加工通道下的樣件復雜曲面拋光，使其根部的表面粗糙度 R_a 由磨前的4.32μm 降至磨后的 0.38μm ，滿足了加工需求；同時，由于磨具具有的增強傳熱效應，可以保持較好的磨削性能一致性（圖14b）。

圖13不同結構對磨具失效形式的影響

Fig.13Failureformsof toolsunderdifferentconditions

圖14鈦合金根部樣件磨削實驗平臺及實驗結果

Fig.14 Grinding experimental platformand experimental results oftitaniumalloyrootsamples

3結論

為降低磨削熱對柔性磨具磨削性能與壽命的影響并實現復雜曲面的高一致性加工，提出一種內葉片結構的磨具，并選取傳統結構磨具為對照，采用CFD對比分析其熱場-流場特性；同時，結合實驗對比研究其磨削性能差異，得出如下結論：

（1）內葉片結構在磨具內腔產生渦流，增強了磨具內部的氣流對流，使磨具表面溫度分布更均勻。同時，轉速與冷風速度的增大將產生更明顯的降溫效果，其最大降溫幅度可達 18.29% 0

（2）內葉片結構磨具具有更好的磨削表面一致性，其增強傳熱結構有效減輕了連續磨削過程中熱量積聚導致的柔性材料黏附，從而使磨具壽命延長了40% 。與傳統結構磨具相比，新型磨具實現了更高的累計材料去除量與更低的表面粗糙度。

參考文獻：

[1] 段繼豪，安佳樂，吳卓繁，等.航發葉片砂碟磨削接觸特性及材料去除 機理[J].機械工程學報，2023，59（17）：349-360. DUANJihao，ANJiale，WU Zhuofan，etal.Contact characteristicsand material removal mechanism of abrasive disc grinding of aero-engine blade[J].Journal ofMechanical Engineering，2023，59（17）： 349-360.

[2] LIUM，LIC，YANGM， etal.Mechanismandenhanced grindabilityof cryogenic air combined with biolubricant grinding titanium alloy[J]. TribologyInternational，2023，187：108704.

[3] LIM，HUANGY，WANGW，etal.A novel 3D printed compliantballend grinding tool with crystal structure：Feasibility and performance analysis[J].Materialsamp;Design，2024，237：112591.

[4] PUSAVECF，GRGURASD，KOCHM，et al. Cooling capabilityof liquid nitrogenand carbon dioxide in cryogenic miling [J]. CIRP Annals， 2019，68（1）： 73-76.

[5] 錢寧，徐九華，傅玉燦，等.面向綠色高效磨削的振蕩熱管砂輪磨削溫 度與強化傳熱分析[J].機械工程學報，2022，58（15）：105-120. QIAN Ning， XU Jiuhua， FU Yucan， et al. Investigation on grinding temperature and heat transfer performance of oscilating grinding wheel for high-efficient green grinding[J].Journal ofMechanical Engineering， 2022，58（15）： 105-120.

[6] XIANG X，YUJ，MEI C， et al.An internal cooling grinding wheel： From design to application [J]. Chinese Journal of Aeronautics，2023，36（11）： 465-482.

[7] GHEYNANI A R，AKBARI O A，ZARRINGHALAM M，et al. Investigating theeffect of nanoparticlesdiameter on turbulent flowand heat transfer properties of non-Newtonian carboxymethyl cellulose/CuO fluidinamicrotube[J].International Journal ofNumerical Methods for Heatamp;FluidFlow，2018，29（5）： 1699-1723.

[8] GHETAN S， RAO P V. Comparison between sustainable cryogenic techniques and nano-MQL cooling mode in turning of nickel-based alloy [J].Journal of Cleaner Production，2019，231：1036-1049.

[9] REDDY P P， GHOSH A. Some critical issues in cryo-grinding by a vitrified bonded aluminawheel using liquid nitrogen jet[J].Journal of Materials Processing Technology，2016，229： 329-337.

[10]QIAN N， JIANG F， MARENGO M，et al. Thermal performance of a radial-rotating oscillating heat pipe and itsapplication in grinding processes with enhanced heat transfer [J].Applied Thermal Engineering， 2023，233：121213.

[11]TONG J， PENG R， SONG Q.A Cu-based ceramic porous abrasive ring with phyllotactic pattern in internal cooling grinding of Inconel 718[J]. Journal ofMaterials Processing Technology，2023，315：117890.

[12]PENG R， TONG J， TANG X， et al. Application of a pressurized internal cooling method in grinding inconel 718：Modeling-simulation and testingvalidation[J].International JournalofMechanical Sciences，2O21，189： 105985.

[13］MIZUTANI T，SATAKE U，ENOMOTO T.A study on a cooling method for bone grinding using diamond bur for minimally invasive surgeries [J].Precision Engineering，2021，70：155-163.

[14]LANJ，ZHANG Z，LIANGX，et al.Experimental and numerical investigation on thermal performance of data center via fan-wall free cooling technology [J].Applied Thermal Engineering，2023，228： 120467.

[15]PENG CC，CHEN TY.A recursive low-pass filtering method for a commercial cooling fan tray parameter onlineestimation with measurement noise[J].Measurement，2022，205：112193.

[16]GALLONI E，PARISI P，MARIGNETTIF，etal.CFD analyses of a radialfan for electric motor cooling [J].Thermal Science and Engineering Progress，2018，8： 470-476.

[17]ZHONG X L， CHANKC，FU SC， et al. Enhancement of piezoelectric fancooling by geometrical arrangements [J]. International Journal of Heatand Mass Transfer，2022，199：123479.

[18]AMER M.A novel bionic impeller for laptop cooling fan system[J]. Resultsin Engineering，2023，20：101558.

[19］ CHOUDHARY M，MUKHERJEE S，KUMAR P. Analysis and optimization of geometry of 3D printer part cooling fan duct [J]. MaterialsToday：Proceedings，2022，50：2482-2487.

作者簡介

李明聰，男，1996年生，博士研究生。主要研究方向：整體葉盤全型面機器人磨拋專用磨具的設計及性能。

E-mail： mingcongli@cqu.edu.cn

通信作者：黃云，男，1962年生，教授。主要研究方向：整體葉盤全型面機器人磨拋專用磨具的設計及性能。

E-mail：yunhuang@samhida.com

（編輯：趙興昊）

Design and performance of compliant grinding tools for blade root smooth grinding

LI Mingcong1， TIAN Peisen2， HUANG Yun1， YAN Shengbo’， ZOU Lai1， WANG Wenxi1 （1.State Key Laboratory ofMechanical Transmissions， Chongqing University， Chongqing 40o044，China） （2.SchoolofMechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150o1，China）

AvsractUvJecuves： Ine uculy macmg compiex suucural componens sucn as aucrait engme viaue Ioots is a common problem inthe precision machining industry，and the stability of grinding tool performance is crucial for achievig automated machining.In a narrow processing space，due to the poor thermal stabilityof flexible materials themselves，the accumulation of grinding heat can reduce the service life and grinding performance of the grinding tool， becoming a key factor in the decrease of precision in automated processng of complex structural components.Therefore，anenhanced blade heatconductionstructure is introducedinto theball-end grinding tooltoimprove the heatconduction performance of the grinding tol and increase its service life and application performance.Methods： Through fluid dynamics simulationthe influences of the rotation direction，the rotation speed of the grinding tool，and the flow rate of extermal cold airon the flow field，temperature field，pressure field of the grinding tol are studied.A flexible grinding tool substrate with a complex internal structure is prepared using multi-layer melt spraying technology， and an adhesive grinding tool with a sandwich structure is designed to ensure precise and tight adhesion between the abrasive layer and the ball-ead grinding toolsubstrate.The processing trajectory programmed by industrial robots is adopted to conduct an automated processing of titanium alloy plates for 200s .The grinding performance differences between the designed grinding tools and the traditional structural grinding toolsare compared through indicators such as grinding temperature，surface roughnes，and cumulative material removal depth. Meanwhile， through the analysisof the microscopic morphologyof the grinding surface of titanium alloyand the wear of the grinding tool，the interal mechanismof thedesigned grinding tool in improvingthecontinuous grinding performance is clarified.Results：When thegrinding tool withan enhanced heat transfer mechanismrotatescounterclockwise，theexternal fluid is introduced into the iner cavity ofthe grinding tool，forming a significant vortex.Meanwhile，the blade structure helps enhancetheconvection of gas inthe inner cavity to achieve heat exchange.Moreover，the external fluid is blown at high speed towards the cavity near the outer side of the inner wallforming a high-presure area， which further promotes heat transfer.The grinding tools with an internal blade structure have a stronger cooling capacityat higher rotational speeds，and the surface temperature is lower than 170‰ when the rotational speed is 14000r/min .However， the cooling effect of the grinding tools with traditional structures is relatively weak astherotational speed increases.When therotational speed is （20 14000r/min ，the surface temperature is still higher than 180^qC . As the flow of external cold air increases， more cold air is drawninto the interiorofthe grinding tool bladestructure，bringing astronger heat transfer efect，improvingthecooling utilizationrate and reducing the temperatureofthe grinding tool.The grinding temperature of raditional solid-structured grinding tools is the highest， exceeding 140‰ between 55 and 100s .The strong accumulation of local grinding heatcauses theflexiblematerial tomeltandadheretothesurfaceof thegrinding tool，hindering its materialremoval Therefore， the material removal capacity of traditional solid-structured grinding tools drops sharply after 140s. In addition，there are significant fluctuations in the surface roughness ofthe workpiece grinding. The annular adhesion phenomena are observed on the surface oftraditional structural grinding tools.The main failure mode ofthe intermal blade structure grinding tool is the stripping of theabrasive layer.Its enhanced heat conduction structurecan efectively achieve heat exchange between cold air and local hightemperature in the grinding area， thereby aleviating the adhesion of the flexible substrate. Conclusions： The formation，propagation and disipation of vortices inside the grinding tool promote the improvement of heat conduction efficiency，therebyenablingthe designed flexible grinding tooltoachieve higher heat conduction performanceand grinding effect. In addition，as the grinding speed increases，the temperature uniformity on the surface and insidethe grinding tool is improved.The grinding tools with an internal blade structure maintain a relativelystable grinding temperature and material removal capacity during continuous grinding，as wellas good surface quality of the workpiece.

Key wordscompliant grinding and polishing; flow field analysis; grinding performance