切削熱與切削溫度

第五章切削熱與切削溫度

切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度是金屬切削過程中又一重要物理現(xiàn)象。切削時(shí)消耗的能量約96%--99%轉(zhuǎn)化為熱能。大量的切削熱使得切削區(qū)溫度升高，直接影響刀具的磨損和工件的加工精度及表面質(zhì)量，切削溫度也可作為自動(dòng)化生產(chǎn)中的可控因素。因此，研究切削熱和切削溫度對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有重要意義。5.1切削熱的產(chǎn)生與傳出切削時(shí)共有三個(gè)生熱區(qū):即剪切面區(qū)、切削與前刀面接觸區(qū)、后刀面與加工表面接觸區(qū)。如圖所示。所以，切削熱來源于切削時(shí)消耗的變形和刀具與切削、刀具與工件間的摩擦功。

如果忽略后刀面上的摩擦功和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)給運(yùn)動(dòng)做的功，并假定主運(yùn)動(dòng)所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱Pc為式中Pc

——每秒鐘產(chǎn)生的切削熱（J/s）；

Fc

——切削力（N）；

vc

——切削速度（m/s）。切削熱可由切削、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去。影響熱傳導(dǎo)的主要因素是工件和刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)及周圍介質(zhì)的狀況。

工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)大時(shí)，由切削區(qū)傳導(dǎo)到切削和工件的熱量較多，因而切削區(qū)溫度較低，但整個(gè)工件溫升較快。切削導(dǎo)熱系數(shù)較大的銅和鋁時(shí)，切削區(qū)溫度較低，故刀具使用壽命教高；但工件溫升較快，由于熱脹冷縮的影響，切削時(shí)測量的尺寸與冷至室溫時(shí)的尺寸往往不符，加工時(shí)必須加以注意。若工件材料的熱導(dǎo)系數(shù)較小，切削熱不容易從切屑和工件方面?zhèn)鲗?dǎo)出去，因而切削區(qū)溫度較高，加劇刀具磨損。例如，切削不銹鋼和高溫合金時(shí)，由于它們的導(dǎo)熱系數(shù)小，切削區(qū)溫度很高，刀具磨損很快，必須采用耐熱和耐磨性能較好的刀具材料，并且澆注充分的切削液予以冷卻降溫。

刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)大時(shí)，切削區(qū)的熱量容易從刀具方面?zhèn)鲗?dǎo)出去，也能降低切削區(qū)的溫度。例如，YG類硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱系數(shù)普遍大于YT類硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱系數(shù)，且抗彎強(qiáng)度較高，所以在切削導(dǎo)熱系數(shù)小、熱強(qiáng)性好的不銹鋼和高溫合金時(shí)，在缺少新型高性能硬質(zhì)合金的情況下，多采用YG6X、YG6A等牌號(hào)的YG類硬質(zhì)合金。采用冷卻性能較好的切削液也能有效的降低切削溫度。采用噴霧冷卻法使切削液霧化后汽化，將能吸收更多的切削熱而使切削溫度降低。此外，切削與刀具的接觸時(shí)間也影響切削溫度。例如，外圓車削時(shí)，切削形成后迅速脫離車刀而落入機(jī)床的容屑盤中，傳給刀具的切削熱就減少了；但在進(jìn)行半封閉式容屑的鉆削加工時(shí)，切屑形成后仍較長時(shí)間與道具接觸，由切屑所帶走的切削熱再次傳給刀具，使得切削溫度升高。不同的切削加工方法，切削熱由切削、刀具、工件和周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去的比例也不同。例如，車削加工時(shí)，切削帶走的切削熱約為50%-80%,40%-10%傳入車刀，9%-3%傳入工件，1%傳入周圍介質(zhì)（如空氣）。切削速度越高，進(jìn)給量（切削厚度）越大，由切屑帶走的熱量就越多。鉆削加工時(shí)，約有28%的切削熱由切削帶走，15%傳入鉆頭，52%傳入工件，5%傳入周圍介質(zhì)。5.2切削溫度及其測量方法

切削溫度一般是指刀具與工件接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的測量是實(shí)驗(yàn)研究的重要技術(shù)，是研究各種因素對(duì)切削溫度影響大小的依據(jù)。此外，切削溫度理論計(jì)算的準(zhǔn)確性也需要通過實(shí)測數(shù)據(jù)來校驗(yàn)。切削溫度的測量方法很多，可歸納為以下情況：

單車刀法自然熱電偶法雙車刀法熱電偶法插入刀具法人工熱電偶法插入工件法輻射熱計(jì)法

PbS電池法切削溫度測定法輻射溫度計(jì)法鍺光電二極管法紅外線干板（或膠片）法熱敏顏料法熱敏電阻法其他量熱計(jì)法金屬組織觀察法5.2.1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，組成熱電回路測量切削溫度的方法。圖所示是在車床上利用自然熱電偶法測量切削溫度的裝置示意圖。

切削加工時(shí)，化學(xué)成分不同的刀具和工件處在較高的切削溫度作用下，形成熱電偶的熱端，工件與刀具的引出端形成熱電偶的冷端。在此回路中必然有熱電勢產(chǎn)生，如用儀表將其值測出或記錄下來，再根據(jù)事先標(biāo)定的刀具-工件所組成熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線（標(biāo)定曲線），便可求得刀具與工件接觸區(qū)的切削溫度值。圖給出了YT15硬質(zhì)合金與幾種鋼材組成的熱電偶標(biāo)定曲線。由此可以看出，用自然熱電偶法測得的是切削區(qū)的平均溫度，切削區(qū)指定點(diǎn)的溫度則不能測得。另外,不同的刀具材料與工件材料所組成的熱電偶，均要進(jìn)行標(biāo)定，使用起來不太方便。故在某些情況下尚需要采用人工熱電偶法。5.2.2人工熱電偶法

圖是用人工熱電偶法測量刀具前刀面和工件某點(diǎn)溫度的示意圖。

這是將兩種預(yù)先標(biāo)定好的金屬絲組成的熱電偶熱端焊接在刀具或者工件待測溫度點(diǎn)上，尾端通過導(dǎo)線直接串接在電位差計(jì)或者毫伏表上，切削時(shí)根據(jù)表上的指示電勢值，查對(duì)照表，便可得知欲測點(diǎn)的切削溫度。安放熱電偶金屬絲的小孔直徑要盡可能小，以反映切削過程中待測點(diǎn)的真實(shí)溫度，同時(shí)對(duì)金屬絲應(yīng)采取絕緣措施。用人工熱電偶法只能測與前刀面有一定距離某點(diǎn)處的溫度。

圖和圖為采用人工熱電偶法測量，并輔以傳熱學(xué)計(jì)算所得到的刀具、切削和工件的切削溫度分布情況。

由圖可以看出：1）前刀面上溫度最高處并不在切削刃口處，而是在距離刃口有一定距離的位置，工件材料塑性越大，距離刃口越遠(yuǎn)，反之越近。這是因?yàn)闊崃垦厍暗睹嬗袀€(gè)積累過程的緣故，這也是刀具磨損嚴(yán)重之處。2）切削底層的溫度梯度最大，說明摩擦熱集中在切削底層與前刀面的接觸處。5.3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

1.切削速度vc

切削速度對(duì)切削溫度有較顯著的影響。實(shí)驗(yàn)證明，隨著切削速度的提高，切削溫度將隨之升高。其原因是：當(dāng)切削速度提高時(shí)，單位時(shí)間的金屬切除率成正比增多，刀具與工件及切削間的摩擦加劇，消耗于切削層金屬變形和摩擦的功增加，因?yàn)楫a(chǎn)生大量的切削熱。由于第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的熱量向工件和切削內(nèi)部傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，因此，提高切削速度的結(jié)果是摩擦熱大量的積聚在切削底層來不及傳導(dǎo)出去，從而使切削溫度上升。但是隨著切削速度的提高，單位切削功率和單位切削力有所減小，因此切削熱和切削溫度不與切削速度成正比增加。圖給出了切削速度與切削溫度的關(guān)系曲線。二者關(guān)系可表示成指數(shù)形式。

(5.2)式中——切削溫度；

——vc

對(duì)切削溫度的影響系數(shù)；

x——vc

對(duì)切削溫度的影響指數(shù)。

一般情況下硬質(zhì)合金刀具切鋼時(shí)，，進(jìn)給量越大，則x越小。這是因?yàn)檫M(jìn)給量越大，切削厚度大，切削的熱容量大，帶走的熱量多，所以切削區(qū)的溫度上升較為緩慢。

2.進(jìn)給量f

隨著進(jìn)給量的增大，單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多，消耗的切削功和由此轉(zhuǎn)換成的熱量也將增加，使切削溫度上升。但隨著進(jìn)給量的增大，單位切削力和單位切削功率將減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量也隨之減小。此外，當(dāng)進(jìn)給量增大后，切削厚度增大，由切削帶走的熱量增多，同時(shí)切削與前刀面的接觸長度加長，散熱面積增大。綜合以上幾方面的影響，切削溫度隨進(jìn)給量的增加而升高，但升高的幅度不如切削速度那樣顯著。熱電偶法切削速度的提高，切削溫度將隨之升高。在此回路中必然有熱電勢產(chǎn)生，如用儀表（1）切削脆性材料時(shí)，由于抗拉強(qiáng)度和延伸率均減在范圍內(nèi)變化時(shí)，基本不影響切削溫度。不同的切削加工方法，切削熱由切削、刀具、工件和周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去的比例也不同。但工件溫升較快，由于熱脹為主偏角增大，一方面使切主偏角對(duì)切削溫度的影響如導(dǎo)出去，從而使切削溫度上升。導(dǎo)出去，從而使切削溫度上升。自然熱電偶法具的磨損和工件的加工精度及表面質(zhì)量，切削溫度也可這是將兩種預(yù)先標(biāo)定好的金屬絲組成的熱電偶熱端焊接切削加工時(shí)，化學(xué)成分不同的刀具和工件處在較高的切

圖是通過實(shí)驗(yàn)獲得的進(jìn)給量f對(duì)切削溫度的影響曲線，可表示為

3.背吃刀量背吃刀量對(duì)切削溫度的影響很小。這是因?yàn)楸吵缘读吭龃蠛?，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖然成正比增多，但因切削刃參加切削工作的長度也成正比增大，大大改善了散熱條件，因此切削溫度上升甚微。切削溫度與背吃刀量的關(guān)系式為

(5.4)

由上訴分析可知，切削用量三要素中，切削速度對(duì)切削溫度的影響較為顯著，進(jìn)給量的影響次之，背吃刀量的影響微小。因此，為了有效的控制切削溫度，以提高刀具使用壽命，在允許的條件下，選用大的背吃刀量和進(jìn)給量比選用切削速度更為有利。5.3.2刀具幾何參數(shù)對(duì)切削溫度的影響1.前角圖表明，切削溫度隨前角的增大而降低。這是因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)，切削變形減小，單位切削力下降，產(chǎn)生的切削熱減小的緣故。但前角增大到一定值再增大時(shí)，則因刀具的楔角減小而使散熱體積減小，切削溫度下降的幅度將減小。背吃刀量對(duì)切削溫度的影切削溫度一般是指刀具與工件接觸區(qū)域的平均溫度。具的磨損和工件的加工精度及表面質(zhì)量，切削溫度也可輻射熱計(jì)法（2）切削不銹鋼和高溫合金時(shí)，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)平均溫度，切削區(qū)指定點(diǎn)接觸區(qū)、后刀面與加工表面接觸鍺光電二極管法1切削用量對(duì)切削溫度的影響刀具磨損后，切削刃變鈍，切削作用減小，擠壓作用增在刀具或者工件待測溫度點(diǎn)上，尾端通過導(dǎo)線直接串接在電例如，外圓車削時(shí)，切削形成后迅速脫離車刀而插入刀具法（4）切削熱處理狀態(tài)不同是切削三種不同熱處理狀態(tài)2.主偏角主偏角對(duì)切削溫度的影響如圖所示。隨主偏角的增大，切削溫度升高。這是因?yàn)橹髌窃龃?，一方面使切削刃工作長度縮短，切削熱相對(duì)集中，同時(shí)刀尖角減小，散熱條件變差，因此切削溫度升高。3.負(fù)倒棱及刀尖圓弧半徑

負(fù)倒棱在（0-2）f范圍內(nèi)變化、刀尖圓弧半徑在范圍內(nèi)變化時(shí)，基本不影響切削溫度。因?yàn)樨?fù)倒棱寬度及刀尖圓弧半徑的增大，一方面使塑性變形增大，切削熱隨之增加；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(duì)切削溫度的影響不大。（2）切削不銹鋼和高溫合金時(shí)，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)平均溫度，切削區(qū)指定點(diǎn)x——vc對(duì)切削溫切削速度提高，刀具磨損值對(duì)切削溫度的影響越為主偏角增大，一方面使切熱電偶法工件材料的強(qiáng)（硬）度和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度有很大的（1）切削脆性材料時(shí)，由于抗拉強(qiáng)度和延伸率均減有所改善，傳出的熱量也有所增加，兩者趨于平衡，所以積累過程的緣故，這也是刀具磨損嚴(yán)重之處。增大后，切削厚度增大，由切削帶走的熱量增多，同時(shí)切削切削溫度一般是指刀具與工件接觸區(qū)域的平均溫度。插入工件法負(fù)倒棱及刀尖圓弧半徑（4）切削熱處理狀態(tài)不同5.3.3工件材料對(duì)切削溫度的影響這里主要分析工件材料的強(qiáng)（硬）度、導(dǎo)熱系數(shù)等力學(xué)物理性能及熱處理狀態(tài)對(duì)切削溫度的影響。工件材料的強(qiáng)（硬）度和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度有很大的影響。工件材料的強(qiáng)（硬）度越高，切削力越大，切削時(shí)消耗的功越多，產(chǎn)生的切削熱量也越多，切削溫度就越高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，由工件和切削傳導(dǎo)出去的熱量越多，切削溫度就越低。圖給出了不同切削速度下，幾種典型材料的切削溫度。不難看出：（1）切削脆性材料時(shí)，由于抗拉強(qiáng)度和延伸率均減小，切削變形很小，切削呈崩碎狀，與前刀面的接觸長度很短、摩擦小，所以產(chǎn)生的切削熱較小，切削溫度一般比切削碳鋼時(shí)低。切削灰鑄鐵HT200的切削溫度約比切削45鋼時(shí)低20%-30%。（2）切削不銹鋼和高溫合金時(shí)，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)小，而且在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度和硬度，所以切削溫度要比切削其材料時(shí)高得多（圖）。（3）切削合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，因其強(qiáng)度普遍高于45鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又小與45鋼，所以，切削合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)的切削溫度一般高于切削45鋼時(shí)的切削溫度（圖）（4）切削熱處理狀態(tài)不同的材料，因強(qiáng)度和硬度不同，切削溫度也不同。圖是切削三種不同熱處理狀態(tài)的45鋼時(shí)切削溫度的曲線。淬火狀態(tài)（）的切削溫度最高，調(diào)質(zhì)狀態(tài)（）次之，正火狀態(tài)（）的切削溫度最低。5.3.4