切削热与切削温度

1.前角γo 前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影 响。总的趋势是，前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当 前角达18o～20o后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热 体积减小的缘故。
2.主偏角 主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集 中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。
目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。
补充： 辐射温度计法：任何物体都会有红外线辐射，它表现的是物体的温度。 温度越高辐 射越大。用红外线接收器作传感器，经数字滤波放大，再函数计算，显示出数字。 热电偶法原理：把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处 于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端 之间就会产生一定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间 便可测量出热电势的值。实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化 学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到 热电势的值与冷热端温度差之间的关系。
• 5.1切削热的产生与传出 • 来源：切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形 所产生的热及切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩 擦。 • 切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内 产生切削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所 消耗的功，绝大部分转化为切削热。
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假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热： Pc = Fcνc Pc—每秒钟内产生的切削热 Fc—主切削力 νc—切削速度 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。 影响散热主要因素： ⑴工件材料的导热性能 工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的 热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工件温升快，易引起工 件热变形（铜和铝）。工件材料的导热系数小，切削热不易从工件方面 散出，加剧刀具磨损（不锈钢）。 ⑵刀具材料的导热性能 刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具散出， 降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高（YG类硬质合金）。 ⑶周围介质 采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较 多的切削热，切削区温度就较低。采用喷雾冷却法使切削液雾化后汽化， 将能吸收更多的切削热，使切削温度降低。 ⑷切屑与刀具的接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落 入机床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭 式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。
第五章 切削热与切削温度
切削热和切削温度是切削过程中产生的重要物理现象。 第一：用刀具切削工件而产生的热称为切削热。 第二：切削时消耗的能约97%到99%转化为热量，使得切削区域 温度升高。
• 切削热对切削过程影响有多方面影响： • 切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因 而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已 加工表面质量。 • 传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的 重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产 率和成本发生影响。 • 切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直 接、间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一 般规律，把切削热的不利影响限制在允许的范围之内， 对切削加工生产是有重要意义的。
• 实验结论：前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距 离处（该处称为温度中心）。这是由于切削塑性金属材料时， 切屑在沿前刀面流出过程中，摩擦热逐渐增加积累，至切屑 底层和前刀面接触处，达到最大值（切屑底层的温度梯度最 大）之后摩擦逐渐减小，加工散热条件改善，切削温度又逐 渐降低。
5.3影响切削温度的因素
• 2.进给量 • 进给量增大，单位时间内的金属切除量增多，切削热增多， 切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不 如切削速度那么显著。因为单位切削力和单位切削功率随f 增大而减小（大家思考下，提示，切削力的影响：切削厚 度和变形系数），切除单位体积金属产生的热量减少了； 同时f增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走 的热量增多，故切削区的温度上升不甚显著。切削温度与 进给量之间的经验关系式为
• 5.3.4其他因素的影响 • 1.刀具磨损对切削温度的影响 • 刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增大；同 时刀具后刀面与工件的摩擦加剧。所以刀具磨 损后切削温度上升。后刀面上的磨损量愈大时， 切削温度的上升愈为迅速。 • 2.切削液对切削温度的影响 • 切削液对切削温度影响显著 ，合理选用切削液， 可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦 情况，改善散热条件，降低切削温度。
5.2切削温度及其测量方法
• • • • • 切削温度定义一：切屑、工件和刀具接触区的平均温度。 定义二：刀具与工件接触区域的平均温度。 作用：研究各种因素对切削温度影响大小的 依据； 通过实验数据来校验切削温度理论计算的正确性，反过来再指导生产 测量切削温度有多种方法：
•
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热电偶法、辐射温度计法、其他等等
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＝C a
ap
0.04 p
• 式中 Cθap ─ 与切削条件有关的系数； • 0.04是反映ap 对θ的影响程度的指数。 • 因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知， 为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量 或进给量，比选用大的切削速度有利。
5.3.2刀具几何参数对切削温度的影响
显然，温度的高低取决于切削热产生的多少和散热情况。 5.3.1切削用量对切削温度的影响 • 1.切削速度 • 提高切削速度，切削温度将显著上升。 • 原因一：切削速度提高，单位时间的金属切除率成正比增多，消 耗的功增大，切削热也会增大，由切屑，工件与刀具间发生强烈 摩擦而产生大量切削热；故使切削温度上升。 • 原因二：由于切削速度很高，在很短的时间内切屑底层的热来不 及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升 高。
• 5.2.1自然热电偶法
• 自然热电偶法是以刀具和 • 工件作为热电偶的两极，
• 组成热电回路测量切削温
• 度方法。 • 切削时，切削区的高温使
• 刀具与工件的接触端成为
• 热端，处于室温状态的刀具、工件的另一端则成为冷端，用导线 将刀具和工件的冷端连接到毫伏表或电位差计上，即可将切削时 产生的热电势值测量出来。自然热电偶法测切削温度时，须事先 对刀具和工件两种材料组成的热电偶进行标定，求得热端温度与 毫伏表读数值之间关系的标定曲线，这样在测量实际切削时的切 削温度时，便可根据毫伏表上的读数从标定的曲线上查出其对应 的温度值。 • 注意：测量的是平均温度，不是指定点的温度；不同材料需要标
＝C f
f
0.14
• 式中 Cθf ─ 与切削条件有关的系数 • 0.14 是反映f对θ的影响程度的指数。
• 3.背吃刀量
• 背吃刀量对切削温度的影响很小。因为ap增大以后，切削 区产生的热量虽成正比例增加，但切削刃参加工作长度增 加，散热条件得到改善，故切削温度升高并不明显。切削 温度与背吃刀量之间的经验关系式为
• 5.3.3工件材料 • 工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较 大的影响。 • 工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大， 产生的切削热多，故切削温度高。 • 工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系 数小于45钢（约为45钢的1/3）切削温度比45钢高40%。 • 切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态， 与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果 表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切45钢大约低 25%。
但是，随着速度的提高，单位切削力和单位切削功率会降低，所 以切削热量和切削温度上升的趋势要减缓。原因大家思考下。
• 切削温度与切削速度之间的经验关系式为：
＝C v
V
x c
Cθv ─ 与切削条件有关的系数； x ─ 反映vc对θ的影响程度的指数。 注意：一般情况下硬质合金切钢时，进给量越大，x越小，因为f增大， 切削厚度大，带走热量也多，所以温度上升刀屑上 • 各点温度分布规律时，往往 • 需要了解切削区内各点的切 • 削温度。为此，可采用人工 • 热电偶法进行测量。 • 人工热电偶法是利用事先标 • 定的两种不同材料的金属丝组成的热电偶来测量工件、刀具上某些点 的温度。 • 测量时，将热端通过工件（或刀具）上的小孔固定在被测点上，冷端 用导线串接在毫伏表上，由于两金属丝组成的人工热电偶已事先经过 标定，所以在实际测温时，根据毫伏表中的数值便可从标定曲线上查 得其对应的温度值，即工件或刀具上被测点的温度值。改变测量小孔 的位置并利用传热学原理进行推算，可得出刀具或工件上温度分布的 情况。