类液体防弹衣球头磨具的高剪切低压磨削热建模：机理与温控创新

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：High-shear and low-pressure grinding heat with the liquid-body-armor-like ball-end abrasive tool: modeling and simulation

为解决精密加工中球头磨具热管理难题，本研究基于移动热源原理构建了类液体防弹衣球头磨具的温度场仿真模型。通过Inconel 718合金磨削实验验证，发现主轴转速从500增至2500 r/min时磨削温度由45.91℃升至90.37℃，而进给速度提升至10 mm/s可降温至59.02℃。该模型平均误差仅7.01%，为优化高剪切低压磨削工艺参数提供了重要理论依据。

　　

在航空航天、生物医疗等高端制造领域，高温合金材料因其卓越的耐热性和抗腐蚀能力成为关键结构件的首选。然而，这类难加工材料对表面精度的苛刻要求，使得传统磨削技术往往力不从心。特别是球头磨具在加工过程中，由于接触面积大、力分布复杂，容易导致磨削温度失控，进而引发工件表面烧伤、微观结构变异等连锁问题，成为制约精密加工发展的瓶颈。

为攻克这一难题，山东理工大学机械工程学院的研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》发表了一项创新研究，提出了一种仿生自适应性球头磨具——其设计灵感来源于剪切增稠流体（STF）防弹衣的智能能量耗散机制。这种类液体防弹衣磨具通过在非牛顿流体（PEG200与SiO₂纳米颗粒复合介质）中嵌入磨粒，使磨具在高速剪切作用下产生自适应刚性转化，既能实现贴合工件表面的均匀压力分布，又可通过黏性能量耗散有效控制磨削热产生。

研究团队建立了基于移动热源原理的温度场仿真模型，系统分析了主轴转速、进给速度和法向力对磨削温度场的影响规律。通过赫兹接触理论计算接触区压力分布，结合热分配系数模型量化工件热输入，并采用ABAQUS软件进行高斯热源瞬态仿真。为验证模型可靠性，团队搭建了工业机器人磨削实验平台，利用嵌入式热电偶实时监测Inconel 718工件温度变化。

线性速度分布特征

通过建立球头磨具倾斜15°的几何模型，发现磨削区线速度呈梯度分布，最大速度出现在接触区最右侧边缘（2.55 m/s@2500 r/min）。这种非均匀速度场导致热通量密度存在显著空间差异，为温度场仿真提供了关键输入参数。

热源模型构建

研究首次将磨削热产生机制分解为磨粒-工件界面摩擦热和剪切增稠流体黏性耗散热两部分。通过引入热分配系数R_w，量化了工件（44.3%）、磨粒（31.2%）、切屑（8.5%）和切削膜（16%）的热量分配比例，建立了更符合实际的高斯热源模型。

参数影响规律

实验表明：主轴转速每增加500 r/min，磨削温度平均上升11.2℃；而进给速度提升至10 mm/s时，温度可降低34.7%。法向力增大则通过扩大接触面积和增加有效磨粒数，使温度呈单调上升趋势。特别值得注意的是，在最高参数组合（2500 r/min, 25 N）下，实测峰值温度仅为87.64℃，较传统磨削降低约70%。

模型验证与误差分析

仿真与实验数据的平均偏差为7.01%，其中法向力参数的预测精度最高（误差5.38%）。误差主要来源于对流换热系数估算偏差，现行模型未充分考虑切削膜动态黏度变化的影响，这为后续模型优化指明了方向。

该研究通过多物理场耦合建模与实验验证，首次揭示了类液体防弹衣球头磨具的低温磨削特性。其提出的温度场预测模型为精密加工热管理提供了新范式，而仿生自适应设计思路更可推广至其他柔性加工工具开发。这项突破不仅为解决高温合金精密加工热损伤难题提供了关键技术支撑，也为智能磨具的创新设计开辟了跨学科融合的新路径。