具有多层内冷却通道的三维结构化砂轮性能研究：突破传统磨削冷却瓶颈的创新解决方案

《Results in Engineering》：Performance of 3D-Structured Grinding Wheels with Multi-Layer Internal Cooling Channels

为解决传统磨削加工中冷却液因砂轮旋转形成气障而难以有效进入接触区导致的热损伤问题，研究人员开展了具有多层内冷却通道的氧化铝砂轮性能研究。通过创新的增材制造路线制备嵌入式冷却系统，结果表明三层通道砂轮可将切向力降低49.3%，比能耗降低50%，温差降低58.6%。该研究为高性能磨削提供了可扩展的可持续冷却解决方案。

　　

在精密制造领域，磨削工艺犹如一把"双刃剑"——既能获得纳米级表面精度，又不可避免地面临热损伤的严峻挑战。当高速旋转的砂轮与工件接触时，产生的热量足以引发表面烧伤、微裂纹和材料组织变化，这些热损伤问题已成为制约制造业高质量发展的关键技术瓶颈。

传统解决方案是采用瀑布式冷却（flood cooling），将大量冷却液喷洒向磨削区域。但令人遗憾的是，砂轮高速旋转形成的"空气屏障"（air barrier）会像一把无形的保护伞，将大部分冷却液拒之门外。这种低效冷却不仅造成资源浪费，还带来环境污染和健康隐患。为突破这一困境，来自葡萄牙米尼奥大学CMEMS研究中心的研究团队独辟蹊径，开发出具有革命性内部冷却系统的结构化砂轮。

这项发表在《Results in Engineering》的研究，首次实现了全嵌入式冷却系统在陶瓷结合剂砂轮中的实际应用。研究人员采用创新的增材制造路线，通过嵌入3D打印的牺牲性聚合物结构，在烧结过程中形成多层内部通道网络。这种设计使冷却液能够直接抵达磨削接触区，从根本上解决了气障问题。

研究团队通过精密设计的实验系统，对比了传统外部冷却与两种内部冷却配置（单层和三层通道）的性能差异。在磨削AISI 1045钢的测试中，他们系统分析了切向力、法向力、力比（force ratio）、比磨削能（specific grinding energy）和温度变化等关键参数。特别值得一提的是，研究人员还创新性地将磨削过程划分为切入（cut-in）、稳态（steady-state）和切出（cut-out）三个阶段，深入探究了内部冷却在不同阶段的动态效果。

关键技术方法

研究采用牺牲性聚合物模板法制造结构化砂轮，通过3D打印PLA材料形成通道结构，在27.5 MPa压力下与氧化铝磨料共同压制，随后在控制气氛中进行烧结，使聚合物热分解形成嵌入式通道。实验使用定制化内部润滑系统，通过旋转轴将冷却液输送至砂轮基部的缓冲腔室，再经径向通道网络均匀排出。采用TAS3F测力计记录切向力（F_t）和法向力（F_n），K型热电偶测量工件温度，所有测试在5000 rpm转速、100 mm/min进给速度下进行，使用蒸馏水作为冷却液（400 mL/min流量）。

识别切割阶段

通过分析切向力曲线，研究清晰展示了磨削过程的三个阶段动态特征。与传统外部冷却相比，内部冷却系统能更快达到稳态磨削状态，且切向力强度显著降低。热分析进一步揭示了三个热区的独特行为：在Z2稳态区域，内部冷却表现出最强的热控制能力，在10μm切深时加热速率降低78%，在120μm时仍降低52%。这表明内部通道提供的直接流体输送能有效抑制热积累，特别是在磨削轮完全覆盖热电偶区域的关键阶段。

结构化砂轮的整体性能

在整体性能评估中，三层通道砂轮展现出卓越表现。在切深10μm时，切向力降低达49.3%，法向力降低37.6%，力比改善21.3%，比磨削能降低50%，温度变化（ΔT）降低58.6%。即使在高切深条件下（120μm），三层配置仍保持35.4%的ΔT降低幅度。特别值得注意的是，三层砂轮在120μm切深时的温度仅相当于传统砂轮在50μm切深时的水平，这意味着材料去除率可提高一倍以上而不增加热负荷。

多层通道设计的优势在对比分析中尤为突出。单层通道虽然也带来改善，但其效果随切深增加而减弱，而三层配置则在整个测试范围内保持稳定的性能优势。这种优势归因于多层通道能提供更均匀的流体分布，确保沿砂轮宽度方向的连续冷却剂补充。计算流体动力学（CFD）分析证实，三层拓扑结构能最小化干燥区域，提高整个磨削周期的冷却效率。

研究结论与意义

该研究证实，具有多层内部通道的结构化砂轮为解决磨削热损伤问题提供了突破性解决方案。与传统外部冷却相比，内部冷却系统不仅能显著降低磨削力和温度，还能提高能量利用效率，在保持加工质量的同时实现更高的材料去除率。

从技术层面看，这种创新设计成功克服了传统冷却方法的气障限制，实现了"精准冷却"的概念。冷却液直接输送至磨削弧区，确保了在最需要冷却的区域实现高效热交换。从制造角度看，采用的牺牲模板法与传统砂轮制造工艺高度兼容，为工业化大规模应用铺平了道路。

在可持续发展方面，内部冷却系统仅需传统方法约17%的冷却液量（实际有效冷却液用量约70 mL/min），即可实现更优的冷却效果，这符合现代制造业对资源效率和环境友好性的双重需求。此外，减少热损伤意味着更低的废品率和更高的产品一致性，对航空航天、汽车和精密仪器等对零件质量要求极高的行业具有重要意义。

这项研究不仅展示了一种新型砂轮设计，更代表了一种制造范式的转变——通过结构创新而非单纯的材料或工艺参数优化来解决传统制造难题。随着制造业对精度、效率和可持续性要求的不断提高，这种智能自冷却工具概念有望在更广泛的加工领域得到应用和发展。