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化生產(chǎn)中的可控因素。因此，研究切削熱和切削溫度對生產(chǎn)實踐有重要意義。5.1切削熱的產(chǎn)生與傳出切削時共有三個生熱區(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給運動給運動做的功，并假定主運動所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時間內(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)傳導出去。影響熱傳導的主要因素是工件和刀具材料的導熱系數(shù)及周圍介質(zhì)的狀況。

工件材料的導熱系數(shù)大時，由切削區(qū)傳導到切削和工件的熱量較多，因而切削區(qū)溫度較低，但整個工件溫升較快。切削導熱系數(shù)較大的銅和鋁時，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，切削時測量的尺寸與冷至室溫時的尺寸往往不符，加工時必須加以注意。若工件材料的熱導系數(shù)較小，切削熱不容易從切屑和工件方面?zhèn)鲗С鋈?，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，由于它們的導熱系數(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。

刀具材料的導熱系數(shù)大時，切削區(qū)的熱量容易從刀具方面?zhèn)鲗С鋈?，也能降低切削區(qū)的溫度。例如，YG類硬質(zhì)合金的導熱系數(shù)普遍大于YT類硬質(zhì)合金的導熱系數(shù)，且抗彎強度較高，所以在切削導熱系數(shù)小、熱強性好的不銹鋼和高溫合金時，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間也影響切削溫度。例如，外圓車削時，切削形成后迅速脫離車刀而落入機床的容屑盤中，傳給刀具的切削熱就減少了；但在進行半封閉式容屑的鉆削加工時，切屑形成后仍較長時間與道具接觸，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)傳導出去的比例也不同。例如，車削加工時，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，進給量（切削厚度）越大，由切屑帶走的熱量就越多。鉆削加工時，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驗研究的重要技術，是研究各種因素對切削溫度影響大小的依據(jù)。此外，切削溫度理論計算的準確性也需要通過實測數(shù)據(jù)來校驗。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法

PbS電池法切削溫度測定法輻射溫度計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，化學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)事先標定的刀具-工件所組成熱電偶的熱電勢與溫度關系曲線（標定曲線），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，均要進行標定，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溫度的示意圖。

這是將兩種預先標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上，尾端通過導線直接串接在電位差計或者毫伏表上，切削時根據(jù)表上的指示電勢值，查對照表，便可得知欲測點的切削溫度。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的真實溫度，同時對金屬絲應采取絕緣措施。用人工熱電偶法只能測與前刀面有一定距離某點處的溫度。

圖和圖為采用人工熱電偶法測量，并輔以傳熱學計算所得到的刀具、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，反之越近。這是因為熱量沿前刀面有個積累過程的緣故，這也是刀具磨損嚴重之處。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切削用量對切削溫度的影響

1.切削速度vc

切削速度對切削溫度有較顯著的影響。實驗證明，隨著切削速度的提高，切削溫度將隨之升高。其原因是：當切削速度提高時，單位時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，因為產(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)部傳導需要一定的時間，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系曲線。二者關系可表示成指數(shù)形式。

(5.2)式中——切削溫度；

——vc

對切削溫度的影響系數(shù)；

x——vc

對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，，進給量越大，則x越小。這是因為進給量越大，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.進給量f

隨著進給量的增大，單位時間內(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，當進給量增大后，切削厚度增大，由切削帶走的熱量增多，同時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，由于抗拉強度和延伸率均減在范圍內(nèi)變化時，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切削溫度的影響如導出去，從而使切削溫度上升。導出去，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先標定好的金屬絲組成的熱電偶熱端焊接切削加工時，化學成分不同的刀具和工件處在較高的切

圖是通過實驗獲得的進給量f對切削溫度的影響曲線，可表示為

3.背吃刀量背吃刀量對切削溫度的影響很小。這是因為背吃刀量增大后，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，切削速度對切削溫度的影響較為顯著，進給量的影響次之，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給量比選用切削速度更為有利。5.3.2刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響1.前角圖表明，切削溫度隨前角的增大而降低。這是因為前角增大時，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，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法（2）切削不銹鋼和高溫合金時，因為它們的導熱系數(shù)平均溫度，切削區(qū)指定點接觸區(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上，尾端通過導線直接串接在電例如，外圓車削時，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。這是因為主偏角增大，一方面使切削刃工作長度縮短，切削熱相對集中，同時刀尖角減小，散熱條件變差，因此切削溫度升高。3.負倒棱及刀尖圓弧半徑

負倒棱在（0-2）f范圍內(nèi)變化、刀尖圓弧半徑在范圍內(nèi)變化時，基本不影響切削溫度。因為負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，所以對切削溫度的影響不大。（2）切削不銹鋼和高溫合金時，因為它們的導熱系數(shù)平均溫度，切削區(qū)指定點x——vc對切削溫切削速度提高，刀具磨損值對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（硬）度和導熱系數(shù)對切削溫度有很大的（1）切削脆性材料時，由于抗拉強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，這也是刀具磨損嚴重之處。增大后，切削厚度增大，由切削帶走的熱量增多，同時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工件材料對切削溫度的影響這里主要分析工件材料的強（硬）度、導熱系數(shù)等力學物理性能及熱處理狀態(tài)對切削溫度的影響。工件材料的強（硬）度和導熱系數(shù)對切削溫度有很大的影響。工件材料的強（硬）度越高，切削力越大，切削時消耗的功越多，產(chǎn)生的切削熱量也越多，切削溫度就越高。工件材料的導熱系數(shù)越大，由工件和切削傳導出去的熱量越多，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，由于抗拉強度和延伸率均減小，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低。切削灰鑄鐵HT200的切削溫度約比切削45鋼時低20%-30%。（2）切削不銹鋼和高溫合金時，因為它們的導熱系數(shù)小，而且在高溫下仍能保持較高的強度和硬度，所以切削溫度要比切削其材料時高得多（圖）。（3）切削合金結(jié)構鋼時，因其強度普遍高于45鋼，而導熱系數(shù)又小與45鋼，所以，切削合金結(jié)構鋼時的切削溫度一般高于切削45鋼時的切削溫度（圖）（4）切削熱處理狀態(tài)不同的材料，因強度和硬度不同，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