第5章切削熱與溫度

1、第五章第五章 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱。切削熱也是用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱。切削熱也是切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對(duì)切削過程影響有多方切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對(duì)切削過程影響有多方面影響。切削熱傳散到工件上，會(huì)引起工件的熱變形，因面影響。切削熱傳散到工件上，會(huì)引起工件的熱變形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會(huì)惡化已加工而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會(huì)惡化已加工表面質(zhì)量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損和破損表面質(zhì)量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損和破損的重要原因。切削熱還通過使刀具磨損對(duì)切削加工生產(chǎn)率的重要原因

2、。切削熱還通過使刀具磨損對(duì)切削加工生產(chǎn)率和成本發(fā)生影響。和成本發(fā)生影響。 切削熱對(duì)切削加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本都有直接、切削熱對(duì)切削加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本都有直接、間接的影響，研究和掌握切削熱產(chǎn)生和變化的一般規(guī)律，間接的影響，研究和掌握切削熱產(chǎn)生和變化的一般規(guī)律，把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內(nèi)，對(duì)切削加工把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內(nèi)，對(duì)切削加工生產(chǎn)是有重要意義的。生產(chǎn)是有重要意義的。 5.1切削熱的產(chǎn)生與傳出切削熱的產(chǎn)生與傳出 切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產(chǎn)生切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產(chǎn)生的熱及切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦的熱及切屑與前

3、刀面、工件與后刀面之間的摩擦 。 切削熱產(chǎn)生于三個(gè)變形區(qū)，切削過程中三個(gè)變形區(qū)內(nèi)切削熱產(chǎn)生于三個(gè)變形區(qū)，切削過程中三個(gè)變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生切削熱的根本原因是，切削過程中變形與摩擦所產(chǎn)生切削熱的根本原因是，切削過程中變形與摩擦所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。 假定主運(yùn)動(dòng)所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱：假定主運(yùn)動(dòng)所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱： Pc = Fcc Pc每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的切削熱每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的切削熱 Fc主切削力主切削力 c切削速度切削速度切削熱由切屑、工件、刀具及周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去。影響散熱主要因素：切削熱由切屑、工件、刀具

4、及周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去。影響散熱主要因素： 工件材料的導(dǎo)熱性能工件材料的導(dǎo)熱性能 工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由切屑和工件散出的工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由切屑和工件散出的熱就多，切削區(qū)溫度就較低，刀具壽命提高；但工件溫升快，易引起工熱就多，切削區(qū)溫度就較低，刀具壽命提高；但工件溫升快，易引起工件熱變形。件熱變形。 刀具材料的導(dǎo)熱性能刀具材料的導(dǎo)熱性能 刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱易從刀具散出，刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱易從刀具散出，降低了切削區(qū)溫度，有利于刀具壽命的提高。降低了切削區(qū)溫度，有利于刀具壽命的提高。 周圍介質(zhì)周圍介質(zhì) 采用冷卻性能好的切削液及采用高效冷卻方式能傳導(dǎo)出較采用冷卻性能好的切削液及

5、采用高效冷卻方式能傳導(dǎo)出較多的切削熱，切削區(qū)溫度就較低。多的切削熱，切削區(qū)溫度就較低。 切屑與刀具的接觸時(shí)間切屑與刀具的接觸時(shí)間 外圓車削時(shí)，切屑形成后迅速脫離車刀而落外圓車削時(shí)，切屑形成后迅速脫離車刀而落入機(jī)床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對(duì)較少；鉆削或其它半封閉入機(jī)床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對(duì)較少；鉆削或其它半封閉式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，傳導(dǎo)給刀具的熱相對(duì)較多。式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，傳導(dǎo)給刀具的熱相對(duì)較多。5.2切削溫度及其測(cè)量方法切削溫度及其測(cè)量方法 切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的平均溫度。切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的平均溫度。 測(cè)量

6、切削溫度有多種方法。目前應(yīng)用較廣的是熱電偶法：測(cè)量切削溫度有多種方法。目前應(yīng)用較廣的是熱電偶法： 把兩種化學(xué)成分不同的導(dǎo)體的一端連接在一起，使它們的把兩種化學(xué)成分不同的導(dǎo)體的一端連接在一起，使它們的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當(dāng)連在一起的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當(dāng)連在一起的一端受熱時(shí)（稱為熱端）在冷熱端之間就會(huì)產(chǎn)生一定的電一端受熱時(shí)（稱為熱端）在冷熱端之間就會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，稱為電勢(shì)，把毫伏表或電位差計(jì)接在兩導(dǎo)體冷端之動(dòng)勢(shì)，稱為電勢(shì)，把毫伏表或電位差計(jì)接在兩導(dǎo)體冷端之間便可測(cè)量出熱電勢(shì)的值。實(shí)驗(yàn)研究表明，熱電勢(shì)值的大間便可測(cè)量出熱電勢(shì)的值。實(shí)驗(yàn)研究表明，熱電勢(shì)值的大小

7、取決于兩種導(dǎo)體材料的化學(xué)成分及冷熱端之間的溫度差。小取決于兩種導(dǎo)體材料的化學(xué)成分及冷熱端之間的溫度差。當(dāng)組成熱電偶的兩種材料一定時(shí)，經(jīng)過標(biāo)定可得到熱電勢(shì)當(dāng)組成熱電偶的兩種材料一定時(shí)，經(jīng)過標(biāo)定可得到熱電勢(shì)的值與冷熱端溫度差之間的關(guān)系。的值與冷熱端溫度差之間的關(guān)系。 5.2.1自然熱電偶法自然熱電偶法 自然熱電偶法是以刀具和工件作為熱電偶的兩極，組自然熱電偶法是以刀具和工件作為熱電偶的兩極，組成熱電回路測(cè)量切削溫度方法。成熱電回路測(cè)量切削溫度方法。 切削時(shí)，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱切削時(shí)，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱端，處于室溫狀態(tài)的刀具、工件的另一端則成為冷端，端，處于室

8、溫狀態(tài)的刀具、工件的另一端則成為冷端，用導(dǎo)線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計(jì)用導(dǎo)線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計(jì)上，即可將切削時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)值測(cè)量出來。上，即可將切削時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)值測(cè)量出來。 自然熱電偶法測(cè)切削溫度時(shí)，須事先對(duì)刀具和工件兩自然熱電偶法測(cè)切削溫度時(shí)，須事先對(duì)刀具和工件兩種材料組成的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，求得熱端溫度與毫伏種材料組成的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，求得熱端溫度與毫伏表讀數(shù)值之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，這樣在測(cè)量實(shí)際切削表讀數(shù)值之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，這樣在測(cè)量實(shí)際切削時(shí)的切削溫度時(shí)，便可根據(jù)毫伏表上的讀數(shù)從標(biāo)定的時(shí)的切削溫度時(shí)，便可根據(jù)毫伏表上的讀數(shù)從標(biāo)定的曲線上查出其對(duì)應(yīng)的溫

9、度值。曲線上查出其對(duì)應(yīng)的溫度值。 5.2.2人工熱電偶法人工熱電偶法 在研究工件、刀具、刀屑上各點(diǎn)溫度分布規(guī)律時(shí)，往往需在研究工件、刀具、刀屑上各點(diǎn)溫度分布規(guī)律時(shí)，往往需要了解切削區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的切削溫度。為此，可采用人工熱電要了解切削區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的切削溫度。為此，可采用人工熱電偶法進(jìn)行測(cè)量。偶法進(jìn)行測(cè)量。 人工熱電偶法是利用事先標(biāo)定的兩種不同材料的金屬絲組人工熱電偶法是利用事先標(biāo)定的兩種不同材料的金屬絲組成的熱電偶來測(cè)量工件、刀具上某些點(diǎn)的溫度。成的熱電偶來測(cè)量工件、刀具上某些點(diǎn)的溫度。 測(cè)量時(shí)，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測(cè)測(cè)量時(shí)，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測(cè)點(diǎn)上，冷端用導(dǎo)

10、線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的點(diǎn)上，冷端用導(dǎo)線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的人工熱電偶已事先經(jīng)過標(biāo)定，所以在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，根據(jù)毫人工熱電偶已事先經(jīng)過標(biāo)定，所以在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，根據(jù)毫伏表中的數(shù)值便可從標(biāo)定曲線上查得其對(duì)應(yīng)的溫度值，即伏表中的數(shù)值便可從標(biāo)定曲線上查得其對(duì)應(yīng)的溫度值，即工件或刀具上被測(cè)點(diǎn)的溫度值。改變測(cè)量小孔的位置并利工件或刀具上被測(cè)點(diǎn)的溫度值。改變測(cè)量小孔的位置并利用傳熱學(xué)原理進(jìn)行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的用傳熱學(xué)原理進(jìn)行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的情況。情況。 前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（該處前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（

11、該處稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時(shí)，切屑在沿稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時(shí)，切屑在沿前刀面流出過程中，摩擦熱逐漸增加積累，至切屑底層和前前刀面流出過程中，摩擦熱逐漸增加積累，至切屑底層和前刀面接觸處，達(dá)到最大值（切屑底層的溫度梯度最大）之后刀面接觸處，達(dá)到最大值（切屑底層的溫度梯度最大）之后摩擦逐漸減小，加工散熱條件改善，切削溫度又逐漸降低。摩擦逐漸減小，加工散熱條件改善，切削溫度又逐漸降低。5.3影響切削溫度的因素影響切削溫度的因素5.3.1切削用量對(duì)切削溫度的影響切削用量對(duì)切削溫度的影響1.切削速度切削速度 提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因?yàn)榍行佳厍暗睹媪鞒鰰r(shí)，

12、提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因?yàn)榍行佳厍暗睹媪鞒鰰r(shí)，由切屑底層與前刀面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱，由于切削由切屑底層與前刀面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱，由于切削速度很高，在很短的時(shí)間內(nèi)切屑底層的熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，速度很高，在很短的時(shí)間內(nèi)切屑底層的熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，而大量積聚在切屑底層，使切削溫度顯著升高。另外，伴隨著切而大量積聚在切屑底層，使切削溫度顯著升高。另外，伴隨著切削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量成正比例增加，消耗的削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削熱也會(huì)增大，故使切削溫度上升。切削溫度與切削功增大，切削熱也會(huì)增大，故使切削溫

13、度上升。切削溫度與切削速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為xcvVC Cv 與切削條件有關(guān)的系數(shù)；與切削條件有關(guān)的系數(shù)； x 反映反映vc對(duì)對(duì)的影響程度的指數(shù)。一般，的影響程度的指數(shù)。一般，x=0.26 0.41 2.進(jìn)給量進(jìn)給量 進(jìn)給量增大，單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多，切削熱增多，進(jìn)給量增大，單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多，切削熱增多，切削溫度上升。但切削溫度隨進(jìn)給量增大而升高的幅度不切削溫度上升。但切削溫度隨進(jìn)給量增大而升高的幅度不如切削速度那么顯著。因?yàn)閱挝磺邢髁蛦挝磺邢鞴β孰S如切削速度那么顯著。因?yàn)閱挝磺邢髁蛦挝磺邢鞴β孰Sf增大而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量減少了；同時(shí)增大

14、而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量減少了；同時(shí)f增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，故切削區(qū)的溫度上升不甚顯著。切削溫度與進(jìn)給量增多，故切削區(qū)的溫度上升不甚顯著。切削溫度與進(jìn)給量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為 式中式中 Cf 與切削條件有關(guān)的系數(shù)與切削條件有關(guān)的系數(shù) 0.14 是反映是反映f對(duì)對(duì)的影響程度的指數(shù)。的影響程度的指數(shù)。0.14ffC 3.背吃刀量背吃刀量 背吃刀量對(duì)切削溫度的影響很小。因?yàn)楸吵缘读繉?duì)切削溫度的影響很小。因?yàn)閍p增大以后，切削增大以后，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長(zhǎng)度增

15、區(qū)產(chǎn)生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長(zhǎng)度增加，散熱條件得到改善，故切削溫度升高并不明顯。切削加，散熱條件得到改善，故切削溫度升高并不明顯。切削溫度與背吃刀量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為溫度與背吃刀量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為 式中式中 Cap 與切削條件有關(guān)的系數(shù)；與切削條件有關(guān)的系數(shù)； 0.04是反映是反映ap 對(duì)對(duì)的影響程度的指數(shù)。的影響程度的指數(shù)。 因切削溫度對(duì)刀具磨損和壽命影響很大，由以上分析可知，因切削溫度對(duì)刀具磨損和壽命影響很大，由以上分析可知，為有效控制切削溫度以提高刀具壽命，選用大的背吃刀量為有效控制切削溫度以提高刀具壽命，選用大的背吃刀量或進(jìn)給量，比選用大的切削速度有利?；蜻M(jìn)給量，比選

16、用大的切削速度有利。0.04papaC 5.3.2刀具幾何參數(shù)對(duì)切削溫度的影響刀具幾何參數(shù)對(duì)切削溫度的影響 1.前角前角o 前角的大小直接影響切削過程中的變形和摩擦，對(duì)切削溫度有明顯影前角的大小直接影響切削過程中的變形和摩擦，對(duì)切削溫度有明顯影響。前角大，切削溫度低；前角小，切削溫度高。當(dāng)前角達(dá)響。前角大，切削溫度低；前角小，切削溫度高。當(dāng)前角達(dá)18o20o后，對(duì)切削溫度影響減小，這是因?yàn)樾ń亲冃∈股狍w積減小的緣故。后，對(duì)切削溫度影響減小，這是因?yàn)樾ń亲冃∈股狍w積減小的緣故。2.主偏角主偏角主偏角加大后，切削刃的工作長(zhǎng)度縮短，切削熱相對(duì)地集主偏角加大后，切削刃的工作長(zhǎng)度縮短，切削熱相對(duì)地集

17、中；但刀尖角減小，使散熱條件變差，切削溫度將上升。中；但刀尖角減小，使散熱條件變差，切削溫度將上升。 5.3.3工件材料工件材料 工件材料的強(qiáng)度、硬度、塑性及熱導(dǎo)率對(duì)切削溫度有較工件材料的強(qiáng)度、硬度、塑性及熱導(dǎo)率對(duì)切削溫度有較大的影響。大的影響。 工件強(qiáng)度、硬度高，切削時(shí)的切削力大，消耗功率大，工件強(qiáng)度、硬度高，切削時(shí)的切削力大，消耗功率大，產(chǎn)生的切削熱多，故切削溫度高。產(chǎn)生的切削熱多，故切削溫度高。 工件的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度也有很大的影響，不銹鋼工件的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度也有很大的影響，不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的強(qiáng)度、硬度雖然低于的強(qiáng)度、硬度雖然低于45鋼，但它的導(dǎo)熱系鋼，但它的導(dǎo)熱系數(shù)小于數(shù)小于45鋼（約為鋼（約為45鋼的鋼的1/3）切削溫度比）切削溫度比45鋼高鋼高40%。 切削脆性金屬材料時(shí)，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，切削脆性金屬材料時(shí)，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，與前刀面的摩擦小，故產(chǎn)生的切削熱少，切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前刀面的摩擦小，故產(chǎn)生的切削熱少，切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切灰鑄鐵表明，切灰鑄鐵HT200時(shí)的切削溫度比切時(shí)的切削溫度比切45鋼大約低鋼大約低25%。 5.3.4其他因素的影響其他因素的影響 1.刀具磨損對(duì)切削溫度的影響刀具磨損對(duì)切削溫度的影響 刀具磨損后