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生的熱稱為切削熱。切削熱也是用刀具切削工件而產生的熱稱為切削熱。切削熱也是切削過程中產生的重要物理現(xiàn)象，對切削過程影響有多方切削過程中產生的重要物理現(xiàn)象，對切削過程影響有多方面影響。切削熱傳散到工件上，會引起工件的熱變形，因面影響。切削熱傳散到工件上，會引起工件的熱變形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會惡化已加工而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會惡化已加工表面質量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損和破損表面質量。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切削加工生產率的重要原因

2、。切削熱還通過使刀具磨損對切削加工生產率和成本發(fā)生影響。和成本發(fā)生影響。 切削熱對切削加工的質量、生產率和成本都有直接、切削熱對切削加工的質量、生產率和成本都有直接、間接的影響，研究和掌握切削熱產生和變化的一般規(guī)律，間接的影響，研究和掌握切削熱產生和變化的一般規(guī)律，把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內，對切削加工把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內，對切削加工生產是有重要意義的。生產是有重要意義的。 5.1切削熱的產生與傳出切削熱的產生與傳出 切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產生切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產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 。 切削熱產生于三個變形區(qū)，切削過程中三個變形區(qū)內切削熱產生于三個變形區(qū)，切削過程中三個變形區(qū)內產生切削熱的根本原因是，切削過程中變形與摩擦所產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，絕大部分轉化為切削熱。消耗的功，絕大部分轉化為切削熱。 假定主運動所消耗的功全部轉化為熱能，則單位時間內產生的切削熱：假定主運動所消耗的功全部轉化為熱能，則單位時間內產生的切削熱： Pc = Fcc Pc每秒鐘內產生的切削熱每秒鐘內產生的切削熱 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、刀具及周圍介質傳導出去。影響散熱主要因素：切削熱由切屑、工件、刀具

4、及周圍介質傳導出去。影響散熱主要因素： 工件材料的導熱性能工件材料的導熱性能 工件材料的導熱系數(shù)高，由切屑和工件散出的工件材料的導熱系數(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。 刀具材料的導熱性能刀具材料的導熱性能 刀具材料的導熱系數(shù)高，切削熱易從刀具散出，刀具材料的導熱系數(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。 周圍介質周圍介質 采用冷卻性能好的切削液及采用高效冷卻方式能傳導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間切屑與刀具的接觸時間 外圓車削時，切屑形成后迅速脫離車刀而落外圓車削時，切屑形成后迅速脫離車刀而落入機床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對較少；鉆削或其它半封閉入機床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對較少；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，傳導給刀具的熱相對較多。式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，傳導給刀具的熱相對較多。5.2切削溫度及其測量方法切削溫度及其測量方法 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。 測量

6、切削溫度有多種方法。目前應用較廣的是熱電偶法：測量切削溫度有多種方法。目前應用較廣的是熱電偶法： 把兩種化學成分不同的導體的一端連接在一起，使它們的把兩種化學成分不同的導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，當連在一起的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當連在一起的一端受熱時（稱為熱端）在冷熱端之間就會產生一定的電一端受熱時（稱為熱端）在冷熱端之間就會產生一定的電動勢，稱為電勢，把毫伏表或電位差計接在兩導體冷端之動勢，稱為電勢，把毫伏表或電位差計接在兩導體冷端之間便可測量出熱電勢的值。實驗研究表明，熱電勢值的大間便可測量出熱電勢的值。實驗研究表明，熱電勢值的大小

7、取決于兩種導體材料的化學成分及冷熱端之間的溫度差。小取決于兩種導體材料的化學成分及冷熱端之間的溫度差。當組成熱電偶的兩種材料一定時，經過標定可得到熱電勢當組成熱電偶的兩種材料一定時，經過標定可得到熱電勢的值與冷熱端溫度差之間的關系。的值與冷熱端溫度差之間的關系。 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，組成熱電回路測量切削溫度方法。成熱電回路測量切削溫度方法。 切削時，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱切削時，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，用導線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計用導線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計上，即可將切削時產生的熱電勢值測量出來。上，即可將切削時產生的熱電勢值測量出來。 自然熱電偶法測切削溫度時，須事先對刀具和工件兩自然熱電偶法測切削溫度時，須事先對刀具和工件兩種材料組成的熱電偶進行標定，求得熱端溫度與毫伏種材料組成的熱電偶進行標定，求得熱端溫度與毫伏表讀數(shù)值之間關系的標定曲線，這樣在測量實際切削表讀數(shù)值之間關系的標定曲線，這樣在測量實際切削時的切削溫度時，便可根據毫伏表上的讀數(shù)從標定的時的切削溫度時，便可根據毫伏表上的讀數(shù)從標定的曲線上查出其對應的溫

9、度值。曲線上查出其對應的溫度值。 5.2.2人工熱電偶法人工熱電偶法 在研究工件、刀具、刀屑上各點溫度分布規(guī)律時，往往需在研究工件、刀具、刀屑上各點溫度分布規(guī)律時，往往需要了解切削區(qū)內各點的切削溫度。為此，可采用人工熱電要了解切削區(qū)內各點的切削溫度。為此，可采用人工熱電偶法進行測量。偶法進行測量。 人工熱電偶法是利用事先標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定的兩種不同材料的金屬絲組成的熱電偶來測量工件、刀具上某些點的溫度。成的熱電偶來測量工件、刀具上某些點的溫度。 測量時，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測測量時，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測點上，冷端用導

10、線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的點上，冷端用導線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的人工熱電偶已事先經過標定，所以在實際測溫時，根據毫人工熱電偶已事先經過標定，所以在實際測溫時，根據毫伏表中的數(shù)值便可從標定曲線上查得其對應的溫度值，即伏表中的數(shù)值便可從標定曲線上查得其對應的溫度值，即工件或刀具上被測點的溫度值。改變測量小孔的位置并利工件或刀具上被測點的溫度值。改變測量小孔的位置并利用傳熱學原理進行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的用傳熱學原理進行推算，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，切屑在沿稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時，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，達到最大值（切屑底層的溫度梯度最大）之后刀面接觸處，達到最大值（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切削用量對切削溫度的影響切削用量對切削溫度的影響1.切削速度切削速度 提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因為切屑沿前刀面流出時，

12、提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因為切屑沿前刀面流出時，由切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦而產生大量切削熱，由于切削由切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦而產生大量切削熱，由于切削速度很高，在很短的時間內切屑底層的熱來不及向切屑內部傳導，速度很高，在很短的時間內切屑底層的熱來不及向切屑內部傳導，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，單位時間內的金屬切除量成正比例增加，消耗的削速度的提高，單位時間內的金屬切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削熱也會增大，故使切削溫度上升。切削溫度與切削功增大，切削熱也會增大，故使切削溫

13、度上升。切削溫度與切削速度之間的經驗關系式為速度之間的經驗關系式為xcvVC Cv 與切削條件有關的系數(shù)；與切削條件有關的系數(shù)； x 反映反映vc對對的影響程度的指數(shù)。一般，的影響程度的指數(shù)。一般，x=0.26 0.41 2.進給量進給量 進給量增大，單位時間內的金屬切除量增多，切削熱增多，進給量增大，單位時間內的金屬切除量增多，切削熱增多，切削溫度上升。但切削溫度隨進給量增大而升高的幅度不切削溫度上升。但切削溫度隨進給量增大而升高的幅度不如切削速度那么顯著。因為單位切削力和單位切削功率隨如切削速度那么顯著。因為單位切削力和單位切削功率隨f增大而減小，切除單位體積金屬產生的熱量減少了；同時增大

14、而減小，切除單位體積金屬產生的熱量減少了；同時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。切削溫度與進給量增多，故切削區(qū)的溫度上升不甚顯著。切削溫度與進給量之間的經驗關系式為量之間的經驗關系式為 式中式中 Cf 與切削條件有關的系數(shù)與切削條件有關的系數(shù) 0.14 是反映是反映f對對的影響程度的指數(shù)。的影響程度的指數(shù)。0.14ffC 3.背吃刀量背吃刀量 背吃刀量對切削溫度的影響很小。因為背吃刀量對切削溫度的影響很小。因為ap增大以后，切削增大以后，切削區(qū)產生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長度增

15、區(qū)產生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長度增加，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驗關系式為溫度與背吃刀量之間的經驗關系式為 式中式中 Cap 與切削條件有關的系數(shù)；與切削條件有關的系數(shù)； 0.04是反映是反映ap 對對的影響程度的指數(shù)。的影響程度的指數(shù)。 因切削溫度對刀具磨損和壽命影響很大，由以上分析可知，因切削溫度對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給量，比選用大的切削速度有利。或進給量，比選

16、用大的切削速度有利。0.04papaC 5.3.2刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響 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。當前角達響。前角大，切削溫度低；前角小，切削溫度高。當前角達18o20o后，對切削溫度影響減小，這是因為楔角變小使散熱體積減小的緣故。后，對切削溫度影響減小，這是因為楔角變小使散熱體積減小的緣故。2.主偏角主偏角主偏角加大后，切削刃的工作長度縮短，切削熱相對地集主偏角加大后，切削刃的工作長度縮短，切削熱相對地集

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 工件材料的強度、硬度、塑性及熱導率對切削溫度有較工件材料的強度、硬度、塑性及熱導率對切削溫度有較大的影響。大的影響。 工件強度、硬度高，切削時的切削力大，消耗功率大，工件強度、硬度高，切削時的切削力大，消耗功率大，產生的切削熱多，故切削溫度高。產生的切削熱多，故切削溫度高。 工件的導熱系數(shù)對切削溫度也有很大的影響，不銹鋼工件的導熱系數(shù)對切削溫度也有很大的影響，不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的強度、硬度雖然低于的強度、硬度雖然低于45鋼，但它的導熱系鋼，但它的導熱系數(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，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，切削脆性金屬材料時，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，與前刀面的摩擦小，故產生的切削熱少，切削實驗結果與前刀面的摩擦小，故產生的切削熱少，切削實驗結果表明，切灰鑄鐵表明，切灰鑄鐵HT200時的切削溫度比切時的切削溫度比切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.刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損對切削溫度的影響 刀具磨損后