第三章切削力与切削温度

第三章切削与磨削原理3.1 切屑的形成过程学习目标：本节主要讨论金属材料的切削过程，并对硬脆非金属材料的切削过程进行简单介绍。

学习本节必须研究切屑形成过程的物理本质及其变形规律，熟悉不同切屑类型以及切屑控制方法。

3.1.1 切屑的形成过程切屑的形成工件上切屑层的金属材料,在刀具前刀面的推挤作用下发生了塑性变形，最后沿某一面剪切滑移形成了切屑。

切屑形成的过程切屑形成的过程实质是切削层受到前刀面的挤压后产生的以滑移为主的塑性变形过程。

切屑形成过程动态演示被切金属的受力变形分析由图3-2塑性金属(紧靠刀尖前面的被切金属层及切屑)的切屑根部金相照片可知，刀尖前面的金属晶粒变成为沿某一方向倾斜的纤维状结构，发生了极大的剪切变形，且剪切区内的剪切线与自由表面的交角约为45°(符合塑性力学理论)。

一般这一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm。

切削速度愈高，宽度愈小。

因此可以将变形区视为一个剪切平面，称为剪切面，剪切面与切削速度夹角以φ表示，称为剪切角。

如图3-3所示。

金属除在剪切区发生显著变形外，还形成3个变形区，如图3-4所示。

图3-4说明：一般将剪切区称为第一变形区，其位置如图中Ⅰ所示，靠前刀面处称为第二变形区，如图中的Ⅱ。

由图3-2可看出，在已加工表面处也发生了显著的变形，方格已纤维化，这是已加工表面受到切削刃和后刀面的挤压和摩擦造成的。

这一部分一般称为第三变形区，如图中的Ⅲ。

3.1.2 切屑变形程度的表示方法剪应变ε切削过程中金属的塑性变形主要集中于第一变形区，且主要形式是剪切滑移，因而其变形量可用剪应变ε来表示，如图3-5所示。

..........(3-1)根据图中所示的几何关系，可导出剪应变ε和剪切角φ的关系：.......................(3-2)按此式计算，剪切角愈小，剪切变形量愈大，即切屑变形愈大。

变形系数Λh由于切削时金属的塑性变形，使切下的切屑厚度h ch通常要大于切削层厚度h D，而切屑长度l ch却小于切削长度l c，如图3-6所示。

切削力对切削温度的影响切削力是切削加工过程中的一项重要参数，它直接影响到切削温度的变化。

切削温度是指切削加工中产生的热量在刀具和工件之间的传递和分布情况，是判断切削加工质量和工具寿命的重要指标之一。

切削力的大小与切削温度之间存在着密切的关系，接下来将详细探讨切削力对切削温度的影响。

切削力的大小直接影响着切削温度的变化趋势。

在切削过程中，切削力会引起刀具与工件之间的摩擦，从而产生摩擦热。

当切削力较小时，摩擦热的产生相对较少，切削温度也相对较低。

但是当切削力增大时，摩擦热的产生也相应增多，切削温度也会随之升高。

因此，可以说切削力的大小直接决定了切削温度的高低。

切削力的方向和大小也影响着切削温度的分布情况。

在切削加工中，切削力的方向和大小会直接影响切削区域的温度分布。

正常切削时，切削力的方向与切削速度和刀具磨损方向一致，此时切削温度分布较为均匀。

但是当切削力的方向与切削速度和刀具磨损方向相反时，会导致切削区域的温度不均匀，出现高温区和低温区的现象。

这是因为切削力的反向作用会影响到切削界面的摩擦热传递，从而使切削温度分布发生变化。

切削力的大小还会对刀具的寿命和切削加工质量产生影响。

切削温度的升高会加剧切削界面的磨损和刀具的热膨胀，从而缩短刀具的使用寿命。

当切削力较大时，摩擦热的产生也相应增多，切削温度会显著升高，从而加剧刀具的磨损和热膨胀，导致刀具寿命缩短。

同时，切削温度的升高也会对切削加工质量产生不利影响，如切削面的烧伤、变色等现象会增加。

切削力的大小与切削温度的关系还与切削材料和切削条件等因素有关。

不同材料的切削特性不同，切削力与切削温度的关系也会有所差异。

一般来说，切削硬度较高的材料，其切削力较大，切削温度也相应较高。

另外，切削条件的不同也会对切削力和切削温度产生影响。

例如，切削速度的增加会使切削力和切削温度均增大；而切削深度的增加会使切削力增大，切削温度也相应增高。

切削力对切削温度具有重要影响。

切削热和切削温度切削过程中产生的切削热对刀具磨损和刀具寿命具有重要影响，切削热还会使工件和刀具产生变形、残余应力而影响加工精度和表面质量。

一、切削热的产生与传导切削热来源于两个方面，一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量转换为热能；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。

切削过程中的三个变形区就是三个发热区域。

切削过程中所消耗能量的98%~99%都将转化为切削热。

切削热由切屑、工件、刀具及四周的介质（空气，切削液）向外传导。

影响散热的主要因素是：（1）工件材料的导热系数工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量增多，切削区温度就低。

工件材料导热系数低，切削热传导慢，切削区温度就高，刀具磨损就快。

（2）刀具材料的导热系数刀具材料的导热系数高，切削区的热量向刀具内部传导快，可以降低切削区的温度。

（3）四周介质采纳冷却性能好的切削液能有效地降低切削区的温度。

车削加工时产生的切削热多数被切屑带走，切削速度越高，切削厚度越大，切屑带走的热量越多；传给工件的热量次之，约为30%；传给刀具的热量更少，一般不超过5%。

钻削时，由于切屑不易从孔中排出，故被切屑带走的热量相对较少，只有30%左右，约有50%的热量被工件汲取。

二、切削温度的测量测量切削温度的方法许多，有热电偶法、辐射热计法、热敏电阻法等。

目前常用的是热电偶法，它简洁、牢靠、使用便利。

1. 自然热电偶法；2. 人工热电偶法。

三、影响切削温度的主要因素1．切削用量对切削温度的影响、、增大，单位时间内材料的切除量增加，切削热增多，切削温度将随之上升。

但、和对切削温度的影响程度不同，切削速度对切削温度的影响最为显著，次之，最小，缘由是：增大，前刀面的摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，所以对切削温度影响最大；增大，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增多，所以对切削温度的影响不如显著；增大，刀刃工作长度增大，散热条件改善，故对切削温度的影响相对较小。

3.3 切削热与切削温度一、切削热的产生和传导切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量约98%转换为热能，切削热q≈P c≈F c v=C fc a p f 0.75v-0.15K Fc v=C fc a p f 0.75v0.85K Fc切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出二、切削温度的分布红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布规律：1.剪切区等温线与滑移线相近OM线温度比OA线上温度高剪切滑移相等的地方温度相等，剪切变形是切削热的第一来源2.前后刀面最高温度点不在刀刃上切屑上最高温度比剪切区温度高切屑底层温度比上层温度高摩擦是切削热的又一来源三、影响切削温度的主要因素切削温度θ 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度两个方面：切削热的产生与传出（一）切削用量的影响由实验得出切削温度经验公式如下θ＝C θ v z θf y θa p x θ式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出：z θ在0.3～0.5之间，y θ在0.15～0.3，x θ在0.05～0.1切削用量↑时切削温度↑，其中v 对θ影响最大，进给量f 的影响比v 小，背吃刀量a p 的影响很小。

（二）刀具几何参数的影响1. 前角γ的影响γ↑→变形程度↓→F↓q ↓→θ ↓但γ＞20°时，因散热面积↓，对θ的影响减小2. 主偏角κr的影响κr ↑，切削宽度aw↓，散热面积↓→θ↑3. 负倒棱和刀尖圆弧半径的影响bγ1 、rε↑，切屑变形程度↑→q ↑同时散热条件改善，两者趋于平衡对θ影响很小（三）工件材料的影响强度硬度、塑性和韧性越大，切削力越大，切削温度升高。

导热率大，散热快，温度下降（四）刀具磨损的影响后刀面磨损增大，切削温度升高; VB达一定值影响加剧; v越高刀磨损对θ影响越显著（五）切削液的影响浇切削液对↓切削温度↓刀具磨损↑加工质量有明显效果。

热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著。

机械制造中的切削力与切削温度的控制机械制造是指运用机械设备对材料进行切削、磨削、焊接、冲压等加工操作的过程。

在机械制造中，切削力与切削温度是两个非常重要的参数，它们直接影响着加工的质量、效率和工具的寿命。

因此，控制切削力与切削温度成为了机械制造中的关键问题。

一、切削力的控制切削力是在加工过程中产生的力，它与刀具、工件和切削条件等因素密切相关。

在机械制造中，我们可以通过以下几个方面来控制切削力。

1. 材料的选择材料的硬度、韧性和塑性等性质会直接影响切削力的大小。

对于难切削材料，我们可以选择使用硬度更高的刀具材料，以提高其切削效果。

此外，对于某些特殊材料，如高温合金，在切削时需要采用一些特殊的技术手段来降低切削力。

2. 刀具的设计刀具的形状和结构也会对切削力产生影响。

通过合理设计刀具的刃角、后角和刃磨方式等，可以减小切削力的大小。

同时，在刀具使用过程中，定期进行刃磨和更换，可以保持刀具的锋利度，减少切削力的产生。

3. 切削条件的优化切削条件包括切削速度、进给量和切削深度等参数。

合理选择切削条件可以降低切削力的产生。

一般来说，较大的切削速度和进给量可以减小切削力，但要注意不要超过材料的承受能力。

此外，减小切削深度也可以降低切削力的大小。

二、切削温度的控制切削温度是指在切削过程中产生的热量。

高温容易导致工件表面的烧伤、脱硬化等质量问题，并且会使刀具寿命大大减少。

因此，控制切削温度也是机械制造中的重要任务。

1. 冷却润滑剂的使用在切削过程中，可以使用冷却润滑剂来冷却工具和工件，减少切削区域的温度升高。

常用的冷却润滑剂有切削油和切削液等，它们可以有效地降低切削温度，减少切削力的产生。

2. 刀具材料的选择刀具材料的导热性能对切削温度的控制起到重要作用。

一般来说，导热性能好的刀具材料，可以更快地将热量传导到刀具周围，降低切削区域的温度升高。

3. 切削速度的控制切削速度的选择也会对切削温度产生影响。

较高的切削速度可以减少切削时间，降低切削区域的温度升高。