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第三节 切削热和切削温度

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第二章第三节_切削力与切削温度

第二章第三节_切削力与切削温度


1000
Fz C f f
y FZ
a2 yFz tg 2 0.84 b2
f 1处Fz 177，得： C f 177
a2
b2
Fz 177 f
1
lg Fz yFz lg f lg C f
θ
2
0.84
2、 切削力经验公式
Fz 60 a p (f=0.3mm) 0.84 (ap=1mm) Fz 177 f
4 243.2
1000
Fz Ca p a p z
a1 xFz tg1 1 b1
a1
xF
a p 1处Fz 60，得： Ca p 60
b1
lg Fz xFz lg a p lg Ca p
θ
1
Fz 60 a p
2) 固定吃刀深度 ap=1mm ，仅改变进给量 f 进行实验， 求进给量f对切削力的影响。 假设主切削力Fz与进给量f的关系
αo
γ o
二 切削热与切削温度
Cutting Heat and Cutting Temperature
切削热和由它产生的切削温度会使整个工 艺系统的温度升高，一方面会引起工艺系统的 变形，另一方面会加速刀具的磨损，从而影响 工件的加工精度、表面质量及刀具的耐用度。
1、 切削热的产生和传导
切削热的产生
（2）进给量f 随着进给量的增大，金属切除量
增多，切削热增加，使切削温度上升。但单位切 削力和单位切削功率随f的增大而减小，切除单位 体积金属产生的热量也减小；另外，f增大使切屑 变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增 加，故切削区的温度上升得不显著。
（3）背吃刀量ap 背吃刀量ap对切削温度的影响
切削温度

切削温度


Q Fc
vc
式中 Q——单位时间产生的热量，单位：J / s； Fc——切削力，单位：N； vc——切削速度单位：m / s。
三、切削热和切削温度
2. 切削温度的分布
a） 法平面内的切削温度分布 b）刀具前面上的切削温度分布 图3-33 切削温度的分布
3.影响切削温度的主要因素
(2)切削用量
切削速度
Q Fc
vc
3.影响切削温度的主要因素
综上所述，切削用量对切削温度的影响 程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃 刀量最小。 因此，若要切除给定的余量，又要求切 削温度较低，则在选择切削用量时，应优先 考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当 的进给量，最后再选择合理的切削速度。 上述切削用量选择原则是从最低切削温 度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规 程时，确定切削用量的原则。
3.影响切削温度的主要因素
刀具几何参数 主偏角
三、切削热和切削温度
3.影响切削温度的主要因素 (1)工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大， 单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。 工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的 切削热相应增多，切削区的平均温度降低。
例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导 热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢 的切削温度高于切削45钢的切削温度。
273v c
0.26
f
0.07
asp
0.01
三、切削热和切削温度
1.切削热的来源与传出
加工方法
车削 铣削 钻、镗削 磨削
切屑
工件
刀具
<5% 5% 15% 12%
50~80% 10~40% 70% 30% 4% <30பைடு நூலகம் >50% >80%
机械制造工程学PPT课件3.5切削热与切削温度

机械制造工程学PPT课件3.5切削热与切削温度

αp增大，刀刃工作长度增大，散热条件改善，故αp对切削温 度的影响相对较小。
2.刀具几何参数对切削温度的影响
(1)前角ro对切削温度的影响 ro增大,变形减 小，切削力减小，切削温度下降。前角超过 18º—20º后, ro对切削温度的影响减弱，这 是因为刀具楔角(前、后刀面的夹角)减小而使 散热条件变差的缘故。
切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质(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就多，切削区温度低。工件材料导 热系数低，切削热传导慢，切削区温度高，刀具磨损快。
(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。
(2)主偏角Kr对切削温度的影响 减小Kr,切 削刃工作长度和刀尖角增大，散热条件变 好,使切削温度下降。
3.工件材料对切削温度的影响
工件材料的强度和硬度高，克服塑性变形和弹 性变形需要的力越大，产生的切削热多，切削温 度就高。
工件材料的导热系数小,切削热不易散出，切削 温度相对较高。
切削灰铸铁等脆性材料时，切削变形小，摩擦 小，切削温度一般较切削钢时低。
2.人工热电偶法
图为用人工热电偶法测量切削温度的示意图。
用两种预先经过标定的金属丝组成热电偶， 它的热端焊接在测混点上，冷端接在毫伏表
上。用这种方法测得的是某一点的温度。
图示为采用人工热电偶法测量并辅以传热学计算得到的刀 具、切屑和工件的切削温度(单位为ºC)分布图。
由图中可以看出：①剪切面上各点温度几乎相同，说明剪 切面上各点的应力应变规律基本相同；②前刀面上温度最 高点不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。
切削热、切削温度

切削热、切削温度

（4）后刀面与工件的接触长度较短，因此， 工件加工表面上温度的升降是在极短的时间内完成 的。刀具通过时加工表面只受到一次热冲击。
三、影响切削温度的因素
1．工件材料
工件材料的强度和硬度越高，需要的切削力 就越大，产生的热量就越多，因而切削温度就越高。
工件材料的料的热导率越大，通过切屑和工件传出的 热量就越多，切削温度下降就越快。
2．切削用量
切削用量中，切削速度vc对切削温度影响最 大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。
切削速度vc增大，切削变形和摩擦产生的热 量急剧增多，尽管切屑带走的热量相应增多，但
散热条件并没有改善，因此切削温度显著升高。
进给量f增大，产生的热量增加，但同时切削 厚度变大，切屑带走的热量增加，而散热条件并
未改善，因此最终切削温度有所升高。
背吃刀量ap增大，产生的热量按比例增加， 但同时刀具的传热面积也按比例增加，显著改善
散热条件，因此最终切削温度仅略有升高。
3．刀具几何参数
（1）前角
前角γo增大，切削变形程度减小，产生的切削 热减少，因而切削温度下降。但前角γo大于18°～ 20°时，楔角βo减小，传热体积减小，对切削温度 的影响减小。
右图为切削塑 性材料时，刀具、 切屑和工件上的温 度分布示意图。由 图可知：
（1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度 几乎相等；而在垂直于剪切面方向上的温度梯度 很大。
（2）前、后刀面的最高温度都不在切削刃 处，而在离切削刃有一定距离的地方。
（3）在切屑厚度方向上的切削温度梯度很 大，靠近前刀面的一层（底层）温度最高，远离 前刀面方向温度下降很快。
（2）主偏角
在背吃刀量ap相同的情况下，主偏角 r增大，主 切削刃的工作长度缩短，刀尖角εr减小，传热面积减 小，切削热相对集中，从而提高了切削温度；反之，
切削热和切削温度的关系

切削热和切削温度的关系

切削热和切削温度的关系
切削热和切削温度的关系：
一、切削热的定义
切削热，又称切削摩擦热，是指钻、刨、扳、铣等类切削工艺过程中，各部件之间所产生的相互摩擦作用所引发的热量。

切削热主要分布在
工件前端工具口部，断层处和口角处，向外延伸到隔水层内部。

二、切削温度的影响因素
1、切削参数：切削参数包括切削速度、进刀量、刀具尺寸以及刀具结
构参数；
2、切削材料特性：材料的物理特性，如材料的硬度、弹性模量、热导
率等，决定了材料的切削热传输率；
3、工件表面状态：工件表面的光洁度或粗糙度也会因受压磨削热中的
切摩擦热而发生变化；
4、切削环境：切削环境变化会影响空气中的切削温度。

所以，切削工
艺中要仔细把握切削温度。

三、切削温度的控制
1、采用合理的切削参数：提高切削速度可以有效减少切削热，调节进刀量可以避免过多的刀具磨损和加大刀具的寿命；
2、采用合理的切削环境：在低温的切削环境中，切削热能够更快地排出，从而降低切削温度；
3、把握切削工件表面温度：切削前，可以根据工件表面温度调整切削参数，使切削温度不过高；
4、利用切削润滑液：切削时，可以使用切削润滑液，它可以对切削前端起到良好的润滑作用，减少切削温度；
5、正确使用刀具：正确使用刀具可以减少不必要的刀具消耗，从而降低切削热，减少切削温度。

四、切削温度的临界值
切削温度的临界值取决于切削材料的性能，一般情况下，普通工件的切削温度临界值一般设定为1000~3000℃，钢材切削的临界值在1500~2500℃，高硬度合金的切削温度不宜超过500℃。

如果切削温度超过了临界值，会导致工件裂痕、烧伤和工具烧毁等问题。

切削热与切削温度讲述

切削热与切削温度讲述


三、影响切削温度的主要因素
（1）切削用量的影响 ----进给量f
f 增大，使切 屑的平均变形减少 切屑与前刀面的接 触区长度增加，改 善了散热条件。因 此 ， f 提高一倍， 切削温度仅提高10
三、影响切削温度的主要因素
（1）切削用量的影响 ----背吃刀量ap
ap增大，产生的 热量成倍增加。但 是刀刃的工作长度 也增加一倍，大大 改善了散热条件因 此， ap提高一倍切 削温度仅提高3%
三、影响切削温度的主要因素
■ （4）刀具磨损的影响
刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切 区的金属的塑性变形增加。同时，磨损后的刀具后角变成零度， 工件与刀具的摩擦加大，两者均使切削热的产生增加。
三、影响切削温度的主要因素
■ （5）切削液对的降影低响切削温度、减少刀具磨损和提 高已加工表面质量有明显的效果。
（2）刀具几何参数的影响 ----主偏角
主偏角减小时，致使 切削宽度增大，刀 尖角增大，刀具散 热条件改善，有利 于降低切削温度。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
工件材料的强度、硬 度越高，切削力越大，切 削时消耗的功也越多，产 生的切削热也越多，切削 温度也就越高。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
合金结构钢的强度普 遍高于45号钢，而导热系 数又一般均低于45号钢。 所以切削合金结构钢时的 切削温度一般均高于切削 45号钢时的切削温度。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
不锈钢 1Cr18Ni9Ti
和高温合金GH131 不但
导热系数低， 而且在高温 下仍能保持较高的强度和 硬度。所以切削这种类型 的材料时，切削温度比切 削其他材料要高得多。必 须尽可能采用导热性和耐 热性都较好的刀具材料必 须加注充分的切削液冷却 。
切削热与切削温度

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。
切削热与切削温度

切削热与切削温度


三、切削热对切削Biblioteka 程的影响切削温度高低决定于产生热量多少和传散热量的 快慢两方面。 快慢两方面。凡是能减小切削过程产生热量的因素 和改善散热条件的因素，都能降低切削温度。 和改善散热条件的因素，都能降低切削温度。 1．工件材料 ．
材料的强度、 材料的强度、硬度高，切削时消耗的切削功率
越多，产生的切削温度也高。如加工合金钢产生的 越多，产生的切削温度也高。 切削温度较加工45钢高 钢高30%； 切削温度较加工 钢高 ； 切削区散热越慢， 材料的导热系数越低，切削区散热越慢，切削 温度越高。不锈钢导热系数较45钢小 钢小3倍 温度越高。不锈钢导热系数较 钢小 倍，故切削时 产生的切削温度多于45钢 产生的切削温度多于 钢40%。 。 脆性金属材料时 由于切屑呈崩碎状， 加工脆性金属材料 加工脆性金属材料时，由于切屑呈崩碎状，与前 面的摩擦较小，切削变形也较小，故产生的切削温 面的摩擦较小，切削变形也较小，故产生的切削温 度较低。 度较低。
切削时所产生的热量由切屑、工件、 切削时所产生的热量由切屑、工件、刀具 分别用Q屑 及周围介质传出，分别用 屑、Q工 、Q 工 刀 、Q介表示。 介表示。 上述切削热产生的产生和传散可以写出平 衡方程式： 衡方程式：
Q=Q弹+Q塑+Q前摩 后摩 弹 塑 前摩 后摩=Q 前摩+Q后摩 屑+Q工+Q刀 +Q介 工 刀 介
§3-3 切削热与切削温度
切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重 要物理现象。 要物理现象。切削过程中切削力所作的机械功的绝 大部分将转化成热能，即切削热。 大部分将转化成热能，即切削热。若切削热不及时 传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。 传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。切削 温度的升高，一方面使切削区工件材料的强度、 温度的升高，一方面使切削区工件材料的强度、硬 度下降，且使切削区工件材料的强度、硬度下降， 度下降，且使切削区工件材料的强度、硬度下降， 且使一些耐热性好、脆性大的刀具材料（ 且使一些耐热性好、脆性大的刀具材料（如硬质合 陶瓷材料等）的韧性有所改善， 金、陶瓷材料等）的韧性有所改善，从而使切削过 程进行比较顺利；但另一方面切削温度的升高， 程进行比较顺利；但另一方面切削温度的升高，会 加速刀具的磨损，使工件和机床产生热变形， 加速刀具的磨损，使工件和机床产生热变形，影响 零件的加工精度，造成工件表面的热损伤等。因此， 零件的加工精度，造成工件表面的热损伤等。因此， 研究切削热和切削温度的变化规律， 研究切削热和切削温度的变化规律，是研究金属切 削过程的一个重要方面。 削过程的一个重要方面。
切削热与切削温度

切削热与切削温度


3. 刀具磨损原因 高速钢刀具） （1）磨粒磨损 （高速钢刀具） ） 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度， 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结 构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点， 构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在 刀具表面刻划出沟纹，这就是磨粒磨损。 刀具表面刻划出沟纹，这就是磨粒磨损。 硬质点有碳化物(如 硬质点有碳化物 如Fe3C、TiC、VC等)、氮化物 、 、 等、 (如TiN、Si3N4等)、氧化物 如Si02、A12O3等)和金 如 、 、氧化物(如 和金 属间化合物。 属间化合物。
氧化磨损： 氧化磨损： 空气不易进入刀—屑接触区。氧化磨损最容易在主、 空气不易进入刀 屑接触区。氧化磨损最容易在主、 屑接触区 副切削刃的工作边界处形成，在这里划出较深的沟槽， 副切削刃的工作边界处形成，在这里划出较深的沟槽， 造成“边界磨损” 造成“边界磨损”。
温度对磨损的影响
（3）刀具角度的影响 γo ↑ → θ ↓ ； γo ↑ ↑ → θ ↑ 切削热集中↑ 散热↓→ κr ↑ → bD ↓ → 切削热集中↑ → 散热↓→ θ ↑
（4）刀具磨损的影响：刀钝以后，摩擦加剧 ）刀具磨损的影响：刀钝以后， 的影响： （5）切削液的影响：冷却效果明显 ）切削液的影响 切削液的作用： 切削液的作用： （1）冷却作用 ）冷却作用 （2）润滑作用 ）润滑作用 （3）清洗作用 ）清洗作用 （4）防锈作用 ）防锈作用
五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 切削温度对工件、 1. 切削温度对工件材料强度和切削力的影响 2. 切削温度对刀具材料的影响 3. 切削温度对工件尺寸精度的影响 4. 利用切削温度自动控制切削速度和进给量 5. 利用切削温度与切削力控制刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
金属切削过程之切削热和切削温度

金属切削过程之切削热和切削温度


切削温度对切削变形的影响
❖ 对工件尺寸精度的影响：由于工件受热膨胀， 冷却后尺寸变小，切削时产生的热直接影响 加工精度。
❖ 对刀具材料的影响：
对于硬质合金，其强度和韧性在800~1000℃ 时反而会变得更好，因此适当提高温度可提 高韧性，提高刀具耐用度。 对于高速钢刀具，如果温度达到600 ℃左右， 加工性能基本失效
重庆松溉职校 李正波
切削热的来源
❖切削变形 ❖前刀面摩擦
❖后刀面摩擦
切屑 刀具
工件
图3-19 切削热的来源与传出
切削热的传导
加工 方式
切屑
工件
刀具
介 质
车 削
50%～86%
40%～10%
9%～3% 1%
钻 削
28%
14.5%
52.5% 5%
切削温度
❖ 切削温度一般是指切屑与前刀面接触区域 （切削区）的平均温度
切削宽度
Hale Waihona Puke 散热条件切削 温度
刀具磨损
❖ 刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作 用增大，使切削区金属的塑性变形增加；
❖ 同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件 与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削 热增多。
❖ 所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因 素。
冷却液
❖ 使用适当的切削液可明显降低切削温度
影响切削温度的因素
❖切削用量
影响最大的是vc，其实是f，影响最小的是ap
随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。
随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，
切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。
❖工件材料
工件材料的强度、硬度 工件材料的导热性
切削温度 切削温度
第三节__切削热和切削温度

第三节__切削热和切削温度

温度约为900℃。该处压力高，热量集中。在后刀面上约 0.3mm处的最 高温度约为700℃。 3）切屑带走的热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。 4）工件上最高温度在近切削刃处，平均温度较刀具上最高温度低20～30倍。
三、影响切削温度的主要因素
切削温度高低取决于两个方面：产生的热量和散热速度。 产生的热量少，散热速度高，则切削温度低；或者上述之一起主导作 用，也会降低切削温度。 因而，凡是能影响产生的热量和散热速度的因素均会影响切削温度的高低
学习目的
通过对切削热的来源、切削温度的分布及影响因素进行
研究，以便控制切削热和切削温度对切削过程的影响。
学习内容
一、切削热的来源及传出 二、切削区的温度及其分布 三、影响切削温度的主要因素
一、切削热的来源及传出
1、切削热来源
1）被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功， 这是切削热的一个重要来源。 2）切屑与前刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 3）工件与后刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 因此，切削时共有三个发热区域 剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区
所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
根据切削理论，切削变形和摩擦而产生的热量.
在剪切面上的塑性变形产生的热量最多。 单位时间内产生的切削热的计算公式
Q —单位时间内产生的切削热（J/s）； Fc—主切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）。
注：该公式中忽略了进给运动所消耗的功率，且假定主运动所消耗的功全部转化为热能。
3）实际意义： 从降低切削温度的角度出发，切削用量的选择原则：为提高切削效率， 应优先选用较大的背吃刀量，其次增加进给量，最后确定刀具和机床性 能允许的最大切削速度。

切削热和和切削温度(16页)

ap=2mm，r f =20mm
i s
• 5.X3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，故切削温度髙。
•工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢 （ lCrl8Ni9T0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钢髙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%。
• 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。
• 5.1切削热的产生与传出
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E域 温度升髙。
•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，工件表面上的局部髙温则会恶化已 加工表面质量。
在亳伏表上，由于两金属丝组成的人工热电偶己事先经过 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査 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。

3.3 切削热与切削温度

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。

第五章切削热和切削温度


工件材料预热至500—800℃经常达到800～900℃，切削力下降却不多。 这也间接证明，切削温度对剪切区域内工 件 材料强度影响不大。
5. 利用切削温度自动控制切削速度或进给量
利用切削温度来控制机床的转速，保持切削温度在最佳 范围内，以提高生产率及工件表面质量。
切削热的传导
切削热传散出去的途径主要是切屑、工件、刀 具和周围介质（如空气、切削液等），影响热传导的 主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质 的状况。
切削热的来源就是切屑变形热 Q 变 和前、后刀面的摩擦热 Q 摩
其产生与传出的关系为：
Q Q 变 Q 摩 Q 屑 Q 刀 Q 工 Q 介
由于后刀面上的摩擦通常远远小于前刀面上 的摩擦，同时进给运动所作的功也远远小于 主运动所作的功。因此，为了简化问题便于 分析，我们忽略后刀面上的摩擦功和进给运 动所作的功，并假定主运动所作的功全部转 化成了热量，则可以得到单位时间内产生的 切削热的公式：
Pm Fzv
式中：Pm——每秒钟产生的切削热，J/s； Fz——切削力，N； v——切削速度，m/s。
第一节、切削热的产生与传导
金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热 源(图)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗 力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削 热。
图5-1 切削热的产生与传导
切削热的来源主要有三个方面， （一）切屑与前刀面之间的摩擦所消耗的摩擦功。 （二）工件与后刀面之间的摩擦所消耗的摩擦功。 （三）切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形
高，超过了刀具的热硬性极限温度时，刀具的硬度 就会明显下降，产生剧烈的磨损，从而失去切削能 力，使切削工作无法完成。 • 当切削温度超过一定限度后，刀具材料的硬度会显 著下降，因而失去切削性能，刀具很快磨钝不能使 用。 • 高速钢刀具材料的耐热性为600℃左右，超过该温 度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温 800～1000℃时，强度反而更高，韧性更好。因此 适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延 长刀具寿命。

2.3切削热与切削温度


在金属切削过程中， 在金属切削过程中，正确的使用切削 液可以减少摩擦； 液可以减少摩擦；降低切削温度和切削 力；减少切屑与道具的粘结抑制积屑瘤 和鳞刺得生长；提高零件的便面质量； 和鳞刺得生长；提高零件的便面质量； 保证加工精度和提高生产效率。 保证加工精度和提高生产效率。
切削液的作用 （1）冷却作用 ） （2）润滑作用 ）
（5）切削液 ）
利用切削液的润滑功能 降低摩擦系数，减少切削热 的产生，也可利用它的冷却 功用吸收大量的切削热，所 以采用切削液是降低切削温 度的重要措施。
刀具主后面磨损 时，后角减小，后面 与工件间摩擦加剧。 刃口磨损时，切屑形 成过程的塑性变形加 剧，使切削温度增大。
图
前角与切削温度的关系
六、切削液
切削液的选用
•按工件材料选用 加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工 按工件材料选用 铸铁等脆性材料时，不用切削液。 •按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以 按刀具材料选用 冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使 用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高 加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削 液； •按加工方法选用 对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或 按加工方法选用 极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨 削加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削表面质 量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能，一 般选用乳化液。
切削液的添加剂
为改善切削液 性能所加入的化学 物质，称为添加剂。 物质，称为添加剂。 用以改善在较低温度 下切削液的极压添加剂 极压添加剂
比油性添加剂 能耐较高的温度。 能耐较高的温度。
3.表面活性剂 表面活性剂

切削热与切削温度


2、切削温度的控制 1）刀具角度 ①增大前角
在保证刀具耐用度的前提下，尽可能使 刀具锋利，即增大车刀前角，通过减少切 屑的变形和前刀面与切屑的摩擦来控制热 的生成量（如图1）。
②减小主偏角
主偏角越小，在相同切削深度情况下，刀刃
参加切削的长度越长，刀具的散热面积增大，
散热多，故切削温度低。 如图2，主偏角为450、900的车刀参加切削的
小结
一、切削热 1、切削热的来源（了解） 2、切削热的传散 （了解） 3、影响切削热的因素（掌握）
二、切削温度 1、影响切削温度的因素（掌握） 2、切削温度的控制（掌握）
小结：
1、 切削热的来源（了解） 2、 影响切削热和切削温度的因素（重点） 3、 切削温度的控制方法（重点）
课堂讨论：
课堂讨论 1
1、因车刀前角对切削热的影响较大，故为了得 到较低的切削温度，车刀前角越大越好。此种说 法是否正确？
课堂讨论 2
2、某工人为了防止“烧刀”，采用了较小 的主偏角和较大的切削速度，并采用了冷却 液。问此举是否正确？
课堂讨论 3
3、在主偏角为450、750、900的车刀中， 900车刀的散热性能最好。此种说法是否 正确？
刀刃长度L1＞L2，故450车刀散热性能好于900车 刀（如图2）。
2）切削用量 切削速度对切削温度的影响最大：切削速
度增大，切屑与前刀面摩擦加剧，切削温度 随之升高。虽然切屑带走的热量随切削速度 的增大而增大，但其它散热途径没有增强， 故切削温度升高大。
进给量对切削温度的影响次之：进给量增 大，切削厚度增加切屑的变形增大，切削温 度随之升高，但升高不多。
切削深度对切削温度的影响最小：切削深度增大，虽然切削热增 大，但车刀的散热面积也按比例增大，故切削温度升高很少。

切削热及切削温度


2、切削温度影响因素
（1）切削用量
的影响：通常在 车床上利用测温 装置求出切削用 量对切削温度的 影响关系，并可 整理成下列一般 公式：
2、切削温度影响因素
由上可知：切削速度对切削温度影响最大，随切 削速度的进步，切削温度迅速上升。进给量对切 削温度影响次之，而背吃刀量ap变化时，散热面 积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度 的影响很小。
切削热与切削温度
切削热与切削温度是切削过程中产生的又一 重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的 热。功削热除少量散逸在四周介质中外，其余均 传进刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高， 引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削 热与切削温度具有重要的实用意义。
一、切削热的产生和传导
1、切削热的产生 切削热是由切削功转变而来的。如
力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切 削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。 工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。 4、刀具磨损的影响
在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影 响就愈明显。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温 度的影响，就比切碳素钢时大。 5、切削液的影响
2、切削热的传导
Q传出=Q切屑+Q工件+Q刀具+Q介质 切削热产生以后，由切屑、工件、刀具及周期介质(如空气)传出。
各部分传出的比例取决于工件材料、切削速度、刀具材料及几何角度 等。车削时的切削热主要是由切屑传出的。用高速钢切削钢材时，约 有50%~80%的切削热由切屑带走，10%~40%的热传入工件， 3%~9%的热传给刀具，传给介质的热仅有1%左右。传入刀具的热最 虽不是很多，但由于刀具切削部分体积很小，因此，引起刀具温度升 高较快(高速切削时，刀头温度可达1000℃以上)，从而加速刀具的磨 损。 传入工件的热量可使工件的温度升高，引起工件材料膨胀变 形，从而产生形状和尺寸误差，降低加工精度。传入切屑和介质的热 量越多，对加工越有利，因此，在切削加工中应设法减小切削热，改 善散热条件，以减小高温对刀具和工件的不良影响。
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材料，切削时金属变形小，切屑呈崩碎状，与前刀面摩擦小，产生切削热少，故
切削温度一般较切削钢料时低。
4.刀具磨损的影响
在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的 影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢
的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨
损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。
5.切削液的影响
材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削
力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时， 产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料 的导热系数则直接影响切削热的导出。
由图可知，不锈钢1Crl8Ni9Ti和高温合金GHl31不但导热系数低，而且在切削的 高温下仍具有较高的强度和硬度.所以切削这类材料时切削温度很高。必须尽可 能选用导热性和耐热性都较好的刀具材料，并加注切削液冷却。HT20一40属脆性
320 a p
0.05
f
0.15
v
0.26 ~ 0.41 c
切削速度、进给量和背吃刀量增加，均会使切削温度升高，但三者
的影响程度不一样： 切削速度的影响最大（v增大一倍，温度升高32%），进给量次之
（18%），背吃刀量的影响最小（7%）。
2）原因： 切削速度增加使摩擦热增多； 进给量增大，因切削变形增加较小，刀—屑接触面积增大，散热条件改善， 故切削温度升高的较小； 背吃刀量增加，使切削宽度增加，显著增大了散热面积。
3）实际意义： 从降低切削温度的角度出发，切削用量的选择原则：为提高切削效率， 应优先选用较大的背吃刀量，其次增加进给量，最后确定刀具和机床性 能允许的最大切削速度。
2.刀具几何参数的影响
对切削温度影响较为明显的刀具几何参数有：
1）前角
2）主偏角
3）刀尖圆弧半径
1）前角的影响规律
前角γ 0增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热减少，因而切削温度下降。
-50%～86%,
Q刀 -40%～10%， Q工 -9%～3%， Q刀 -14.5%，
Q介 -1%。 Q介 -5%。
例如，在钻削钢时，其传热比力为
Q屑
-28%,
Q工 -52.5%，
切削速度对切削热传散的影响：
切削速度越高，由摩擦产生的热量增多，但切屑带走的热量也增加，传
递刀刀具中的热量减少，传递到工件中的热量更少。 在高速切削中，切屑的温度最高，工件和刀具的温度较低，这有利于切 削加工顺利进行。
切削液对切削温度的影响，与切削 液的导热性能、比热、流量、浇注方
式以及本身的温度有很大的关系。从
导热性能来看，油类切削液不如乳化 液，乳化液不如水基切削液
第四节 刀具磨损与耐用度
在切削时影响产生热量和散热速度的因素有：
1.切削用量 2.刀具几何参数 3.工件材料的力学与物理性能 4.刀具磨损 5.切削液
1.切削用量的影响
1）因素：
高速钢刀具的切削温度实验公式：
θ 140 ~ 170） p （ a
硬质合金道具的切削温度实验公式
0.08 ~ 0.1
f
0.2 ~ 0.3
v
0.35 ~ 0.45 c
所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
根据切削理论，切削变形和摩擦而产生的热量.
在剪切面上的塑性变形产生的热量最多。 单位时间内产生的切削热的计算公式
Q —单位时间内产生的切削热（J/s）； Fc—主切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）。
注：该公式中忽略了进给运动所消耗的功率，且假定主运动所消耗的功全部转化为热能。
ห้องสมุดไป่ตู้.切削温度的分布
图为利用人工热电偶法测得刀具和工件上各点温度数据。通过热学理 论计算得出的刀具、工件和切屑的两维切削温度分布。
刀具、工件和切屑中温度分布规律
1）刀—屑面温度最高且梯度大，主要是切削速度高，摩擦大，热量不易传散。
2）切削区域的最高温度点在前刀面上近切削刃处。离切削刃1mm处的最高
1.切削温度的测量方法
单车刀 刀具—工件材料热电偶法（自然热电偶法） 双车刀
热电偶法
热电偶插入法（人工热电偶法） 辐射热计法 Pb电池法 测量切削温度的方法 辐射温度计法 锗光电二极管法 红外线干板法 红外线胶片法
插入刀具法 插入工件材料、切屑法
其它法
热敏颜料法 热敏电阻法
量热计法 金属组织观察法
学习目的
通过对切削热的来源、切削温度的分布及影响因素进行
研究，以便控制切削热和切削温度对切削过程的影响。
学习内容
一、切削热的来源及传出 二、切削区的温度及其分布 三、影响切削温度的主要因素
一、切削热的来源及传出
1、切削热来源
1）被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功， 这是切削热的一个重要来源。 2）切屑与前刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 3）工件与后刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 因此，切削时共有三个发热区域 剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区
温度约为900℃。该处压力高，热量集中。在后刀面上约 0.3mm处的最 高温度约为700℃。 3）切屑带走的热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。 4）工件上最高温度在近切削刃处，平均温度较刀具上最高温度低20～30倍。
三、影响切削温度的主要因素
切削温度高低取决于两个方面：产生的热量和散热速度。 产生的热量少，散热速度高，则切削温度低；或者上述之一起主导作 用，也会降低切削温度。 因而，凡是能影响产生的热量和散热速度的因素均会影响切削温度的高低
但前角大于 18°～20°时， 对切削温度的 影响减小，这 是因为契角变 小使散热体积
减小的缘故。
2）主偏角的影响规律
若减小主偏角，则刀尖角
和切削刃工作长度加大，切
削面积增大，散热条件较好， 故切削温度较低；随刃偏角 κ r的增大，切削刃工作长度 缩短，同时刀尖角减小，散 热面积减小，温度逐渐升高， 约为75°时切削温度最高。
第三节 切削热与切削温度
切削热与切削温度是金属切削过程中产生的又一重要物理现象。 切削时做的功,可转化为等量的热。 功削热除少量散逸在周围介质中外,其余均传入刀具、切屑 和工件中,并使它们获得一定的温度。切削温度一般指前刀面 与切屑接触区域的平均温度。
研究切削热与切削温度的意义
由于切削热而引起的切削温度的升高，会使工件、机 床和刀具发生热变形，从而降低零件的加工精度和表面质 量，加剧刀具磨损，缩短刀具寿命，降低生产效率，增加 加工成本
二、切削区的温度及其分布
切削区的平均温度称为切削温度。
它是切削过程中产生的切削热与切屑、工件、刀具和介质传出 的热两者综合后使切削区形成的温度 在生产中，切削热对切削过程的影响是通过切削温度起作用的。 切削温度的确定以及切削温度在切屑—工件—刀具中分布可利用热传
导和温度场的理论计算确定，但常用的是通过试验的方法来确定。
当用硬质合金车刀切削
的结构钢时，切削力
由此可见在切削用量三要素中
背吃刀量ap对切削热的影响最大，速度次之，进给量最小。
2、切削热的传导
是通过切屑、刀具、工件和周围介质传出（空气 或切削液）。影响切削热传出的主要因素是工件和
刀具材料的热导率以及周围介质的状况。
例如，在车削钢时，干切削，其传热比力为
Q屑
但随刃偏角的增大，切削厚
度增大，切削变形和摩擦减 小，故切削温度降低。
3）刀尖圆弧半径的影响规律 负倒棱及刀尖圆弧半径 的增大，使切屑变形程度 增大产生的切削热增加， 但同时也使散热条件改善， 两者趋于平衡。因而负倒
棱和刀尖圆弧半径对切削
温度影响很小。
3.工件材料的影响
工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对 切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单 位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件