機(jī)械制造技術(shù)：切削熱和切削溫度

機(jī)械制造技術(shù)：切削熱和切削溫度切削熱與切削溫度是切削過程中產(chǎn)生的又一重要物理現(xiàn)象。切削時做的功，可轉(zhuǎn)化為等量的熱。功削熱除少量散逸在周圍介質(zhì)中外，其余均傳入刀具、切屑和工件中，并使它們溫度升高，引起工件變形、加速刀具磨損。因此，研究切削熱與切削溫度具有重要的實(shí)用意義。一、切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)切削熱是由切削功轉(zhuǎn)變而來的。如下圖所示，其中包括：剪切區(qū)變形功形成的熱QP、切屑與前刀面摩擦功形成的熱Qrf、已加工表面與后刀面摩擦功形成的熱Qαf,因此，切削時共有三個發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與已加工表面接觸區(qū)，如圖示，三個發(fā)熱區(qū)與三個變形區(qū)相對應(yīng)。所以，切削熱的來源就是切屑變形功和前、后刀面的摩擦功。產(chǎn)生總的切削熱Q，分別傳入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周圍介質(zhì)Qr。切削塑性金屬時切削熱主要由剪切區(qū)變形熱和前刀面摩擦熱形成；切削脆性金屬時則后刀面摩擦熱占的比例較多。二、切削溫度的計(jì)算與測量盡管切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過程的卻是切削溫度，切削溫度一般指切削區(qū)域的平均溫度θ。通過切削區(qū)域產(chǎn)生的變形功、摩擦功和熱傳導(dǎo)，可以近似推算出切削溫區(qū)值。切削溫度是由切削時消耗總功形成的熱量引起的。單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱q等于消耗的切削功率Pm，即切削溫度的測量方法很多，見下圖。①自然熱電偶法自然熱電偶法主要是用于測定切削區(qū)域的平均溫度。②人工熱電偶法人工熱電偶法是用于測量刀具、切屑和工件上指定點(diǎn)的溫度，用它可求得溫度分布場和最高溫度的位置。三、影響切削溫度的主要因素根據(jù)理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)研究知，切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料、刀具磨損和切削液的影響，以下對這幾個主要因素加以分析。分析各因素對切削溫度的影響，主要應(yīng)從這些因素對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出的熱量的影響入手。如果產(chǎn)生的熱量大于傳出的熱量，則這些因素將使切削溫度增高；某些因素使傳出的熱量增大，則這些因素將使切削溫度降低。1、切削用量的影響切削用量是影響切削溫度的主要因素。通過測溫實(shí)驗(yàn)可以找出切削用量對切削溫度的影響規(guī)律。通常在車床上利用測溫裝置求出切削用量對切削溫度的影響關(guān)系，并可整理成下列一般公式：切削速度對切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。進(jìn)給量對切削溫度影響次之，而背吃力量ap變化時，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，故ap對切削溫度的影響很小。2、刀具幾何參數(shù)的影響切削溫度θ隨前角γo的增大而降低。這是因?yàn)榍敖窃龃髸r，單位切削力下降，使產(chǎn)生的切削熱減少的緣故。但前角大于18°～20°后，對切削溫度的影響減小，這是因?yàn)樾ń亲冃《股狍w積減小的緣故。主偏角Κr減小時，使切削寬度hD增大，切削厚度hD減小，因此，切削變形和摩擦增大，切削溫度升高。但當(dāng)切削寬度hD增大后，散熱條件改善。由于散熱起主要作用，故隨著主偏角kr減少，切削溫度下降。負(fù)倒棱bγ1在(0—2)f范圍內(nèi)變化，刀尖圓弧半徑re在0—1.5mm范圍內(nèi)變化，基本上不影響切削溫度。因?yàn)樨?fù)倒棱寬度及刀尖圓弧半徑的增大，會使塑性變形區(qū)的塑性變形增大，但另一方面這兩者都能使刀具的散熱條件有所改善，傳出的熱量也有所增加，兩者趨于平衡，所以對切削溫度影響很小。3、工件材料的影響工件材料的強(qiáng)度（包括硬度）和導(dǎo)熱系數(shù)對切削溫度的影響是很大的。由理論分析知，單位切削力是影響切削溫度的重要因素，而工件材料的強(qiáng)度（包括硬度）直接決定了單位切削力，所以工件材料強(qiáng)度（包括硬度）增大時，產(chǎn)生的切削熱增多，切削溫度升高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)則直接影響切削熱的導(dǎo)出。4、刀具磨損的影響在后刀面的磨損值達(dá)到一定數(shù)值后，對切削溫度的影響增大；切削速度愈高，影響就愈顯著。合金鋼的強(qiáng)度大，導(dǎo)熱系數(shù)小，所以切削合金鋼時刀具磨損對切削溫度的影響，就比切碳素鋼時大。5、切削液的影響切削液對切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、澆注方式以及本身的溫度有很大的關(guān)系。從導(dǎo)熱性能來看，油類切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。四、切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響切削溫度高是刀具磨損的主要原因，它將限制生產(chǎn)率的提高；切削溫度還會使加工精度降低，使已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及其它缺陷。（1）切削溫度對工件材料強(qiáng)度和切削力的影響切削時的溫度雖然很高，但是切削溫度對工件材料硬度及強(qiáng)度的影響并不很大；剪切區(qū)域的應(yīng)力影響