第5章切削热和切削温度ppt课件

1、工件工件切屑切屑刀具刀具图图 切削热的来源与传出切削热的来源与传出式中，式中，QD , QFF , QFRQD , QFF , QFR分别为分别为切削层变形、前刀面摩擦、后切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量刀面摩擦产生的热量第一节第一节 切削热的产生与传出切削热的产生与传出三个发热区与三个变形区相对应：三个发热区与三个变形区相对应：剪切面剪切面切屑与前刀面接触区切屑与前刀面接触区后刀面与过渡表面接触区后刀面与过渡表面接触区 Q = Pm Q = PmFzFz切削热由切屑、工件、刀具和周围介质切削液切削热由切屑、工件、刀具和周围介质切削液、空气、空气) )等传散出去等传散出去 切削中所

2、消耗的能量几乎全部转换为热量。三个变形区切削中所消耗的能量几乎全部转换为热量。三个变形区就是三个发热区，即切削热来自工件材料的弹、就是三个发热区，即切削热来自工件材料的弹、 塑性变形塑性变形和前、后刀面的摩擦。和前、后刀面的摩擦。 当产生的热和传出的热相等，即达动态热平衡时有：当产生的热和传出的热相等，即达动态热平衡时有： mwtcrsqqqqqq式中式中:qs:qs工件材料的弹、塑性变形所产生的热量；工件材料的弹、塑性变形所产生的热量； qrqr切屑与前刀面、加工表面和后刀面的摩擦所产生的热量；切屑与前刀面、加工表面和后刀面的摩擦所产生的热量； qcqc切屑带走的热量；切屑带走的热量； qt

3、qt刀具传出的热量；刀具传出的热量； qwqw工件传出的热量；工件传出的热量； qm-qm-辐射及周围介质辐射及周围介质( (如空气、切削液等如空气、切削液等) )带走的热量。带走的热量。 据实验得出：车削时，热的传出大致为：据实验得出：车削时，热的传出大致为： 切屑占切屑占50%50%86%86%，刀具占，刀具占40%40%10%10%，工件占，工件占9%9%3%3%， 周围介质占周围介质占1%1%。 具体值与工件、刀具材料的导热系数、切削用量、刀具体值与工件、刀具材料的导热系数、切削用量、刀具几何参数等有关。具几何参数等有关。 尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程尽管切削热是

4、切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，而不是切削热。切削温度一般指前刀面的却是切削温度，而不是切削热。切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。测量方法有：与切屑接触区域的平均温度。测量方法有：第三节第三节 切削温度的测量切削温度的测量切削温度：前刀面与切屑接触区域的平均温度。切削温度：前刀面与切屑接触区域的平均温度。影响切削温度的主要因素：影响切削温度的主要因素： 工件材料的力学物理性能、切削用量、刀具几工件材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等何参数、冷却条件等* * 切削用量的影响切削速度、进给量、切削深度）切削用量的影响切削速度、进给量、切削深度）*

5、 * 刀具几何参数的影响前角、主偏角、负倒棱及刀具几何参数的影响前角、主偏角、负倒棱及刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径）* * 工件材料的影响硬度和强度、导热系数、抗拉工件材料的影响硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率）强度和延伸率）* * 刀具磨损的影响刀具磨损的影响* * 切削液的影响热导率、比热容、流量）切削液的影响热导率、比热容、流量）第四节第四节 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素一、切削用量一、切削用量实验得出的切削温度的经验公式为实验得出的切削温度的经验公式为 xpyzcafvC 式中式中:实验测出的切屑接触区的平均温度实验测出的切屑接触区的平均温度()()； C:C:切削

6、温度系数；切削温度系数； zz、yy、x: x: 切削速度、进给切削速度、进给量、背吃刀量的指数。量、背吃刀量的指数。 vc vc、f f、apap增大时，变形和摩擦加剧，切削功耗增大，切增大时，变形和摩擦加剧，切削功耗增大，切削温度升高。但程度不一，削温度升高。但程度不一，vcvc最为显著，最为显著， f f次之，次之，apap最小。最小。这是因为：这是因为：vcvc增加，增加，增大，变形小，切削力略下降增大，变形小，切削力略下降; ;单位单位时间内金属切削量成比例增加。时间内金属切削量成比例增加。 f f增加，切削厚度增加，切削厚度acac增大，变形减小，压力中心较远离刀增大，变形减小，压

7、力中心较远离刀尖，散热条件有所改善；尖，散热条件有所改善；apap增加，参加工作的刀刃长度按比增加，参加工作的刀刃长度按比例增大，散热条件同时得到改善。例增大，散热条件同时得到改善。 由此可见，在金属切除率相同的条件下，为降低切削温由此可见，在金属切除率相同的条件下，为降低切削温度，防止刀具迅速磨损，提高刀具耐用度，增加度，防止刀具迅速磨损，提高刀具耐用度，增加apap或或f f远比远比增加增加vcvc更为有利。更为有利。 实验测得实验测得vcvc、f f、apap对切削温度的影响如图：对切削温度的影响如图：二、刀具几何参数的影响二、刀具几何参数的影响1.1.前角前角o o对切削温度的影响对切

8、削温度的影响前角增大，使切削力下降，前角增大，使切削力下降，切屑的变形减轻小，使产生的切切屑的变形减轻小，使产生的切削热减少，从而降低了切削温度。削热减少，从而降低了切削温度。事实上，切削温度的高低不仅取事实上，切削温度的高低不仅取决于工艺系统产生热量的多少，决于工艺系统产生热量的多少，还受工艺系统散热条件的影响。还受工艺系统散热条件的影响。前角大于前角大于1820后，对切削后，对切削温度的影响减小，因为楔角变小温度的影响减小，因为楔角变小而使散热体积减小。而使散热体积减小。2.2.主偏角主偏角KrKr对切削温度的影响对切削温度的影响 主偏角主偏角KrKr减小时，使切削宽度减小时，使切削宽度增

9、大，切削厚度减小切削变形和增大，切削厚度减小切削变形和摩擦变大），同时，切削宽度增大摩擦变大），同时，切削宽度增大后，散热条件改善，又有利于降低后，散热条件改善，又有利于降低切削温度。因而，当工艺系统刚性切削温度。因而，当工艺系统刚性足够时，采用小的主偏角切削，是足够时，采用小的主偏角切削，是降低切削温度、提高刀具的耐用度降低切削温度、提高刀具的耐用度的一个重要措施，尤其是切削难加的一个重要措施，尤其是切削难加工材料时效果更显著。工材料时效果更显著。3.3.负倒棱负倒棱br1br1、刀尖圆弧半径、刀尖圆弧半径rr 它们既使变形增大，同时又它们既使变形增大，同时又改善散热条件，因此对温度的影响改

10、善散热条件，因此对温度的影响不大。不大。 3 3、工件材料的影响、工件材料的影响主要通过本身的强度、硬度、导热系数等对切削温度产主要通过本身的强度、硬度、导热系数等对切削温度产生影响。工件的材料、速度对切削温度的影响（生影响。工件的材料、速度对切削温度的影响（ ）。）。 强度、硬度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。强度、硬度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。 如低碳钢，强度、硬度较低，变形小，产生的热量少，如低碳钢，强度、硬度较低，变形小，产生的热量少，且导热系数大，热量传出快，所以切削温度很低；且导热系数大，热量传出快，所以切削温度很低；40Cr40Cr硬度硬度接近中碳钢，强度略高，

11、但导热系数小，切削温度高；接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，切削温度高； 切削脆性材料时，塑性变形小，形成崩碎切屑，摩擦小，切削脆性材料时，塑性变形小，形成崩碎切屑，摩擦小，切削温度低。切削温度低。 如图如图4 4、刀具磨损的影响、刀具磨损的影响主后刀面磨损后，产生后角为零的窄边，使切削刃的主后刀面磨损后，产生后角为零的窄边，使切削刃的切削作用降低，推挤力和摩擦力增大，功耗增加，产生的切削作用降低，推挤力和摩擦力增大，功耗增加，产生的热量增多，故使切削温度上升。刀具磨损量增大，热量增多，故使切削温度上升。刀具磨损量增大， 切削温切削温度增高；度增高；5、切削液的影响、切削液的影响利用切削液的

12、润滑功能降低摩擦系数，减少切削热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，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。所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热容、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关比热容、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。如果用乳化液代替油类切削液，液不如水基切削液。如果用乳化液代替

13、油类切削液，加工生产率可提高加工生产率可提高5050一一100100。q 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响工件材料的影响 q 刀具磨损的影响刀具磨损的影响 q 切削液的影响切削液的影响 由上可知：由上可知： 为探讨刀具的磨损部位、工件材料性能的变化情况、已加为探讨刀具的磨损部位、工件材料性能的变化情况、已加工表面层材质变化等，应进一步研究工件、切屑和刀具上各点工表面层材质变化等，应进一步研究工件、切屑和刀具上各点的温度分布，即温度场。的温度分布，即温度场。 温度场可用人工热电偶法或其它方法如红外线胶片法温度场可用人工热电偶法或其它方法如红外线胶片法测出。图测出。图5 5

14、2121和图和图5 52222所示分别是切削钢料时主剖面内切屑、所示分别是切削钢料时主剖面内切屑、 工件、刀具的温度场和车削不同工件材料时，主剖面内前、工件、刀具的温度场和车削不同工件材料时，主剖面内前、 后刀面的温度场。后刀面的温度场。 第五节第五节 切削温度的分布切削温度的分布TJUniversity750刀具图5-21 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611C图图 5-22 5-22 切削不同材料时的温度场切削不同材料时的温度场 通过温度场分析得知：通过温度场分析得知：

15、 (1(1） 剪切面上各点温度几乎相等。可见剪切面上的应力剪切面上各点温度几乎相等。可见剪切面上的应力应变基本上是相等的；该处的温度是变形功所造成，在变形后应变基本上是相等的；该处的温度是变形功所造成，在变形后才升高的。才升高的。 (2(2） 前、后刀面的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀前、后刀面的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定的距离处。所以形成这样的分布，是由于前刀面靠近刃有一定的距离处。所以形成这样的分布，是由于前刀面靠近刀刃的部分，因内摩擦所造成的摩擦热沿刀面不断增加，而在刀刃的部分，因内摩擦所造成的摩擦热沿刀面不断增加，而在后边一段，内摩擦转化为外摩擦，摩擦热逐渐减少，热量又

16、在后边一段，内摩擦转化为外摩擦，摩擦热逐渐减少，热量又在不断传出，所以温度逐渐下降。不断传出，所以温度逐渐下降。 (3(3） 在切屑厚度方向上切削温度梯度很大，靠近前刀面在切屑厚度方向上切削温度梯度很大，靠近前刀面的一层的一层( (即底层即底层) )上温度很高，而离前刀面上温度很高，而离前刀面0.10.10.2 mm0.2 mm处，温处，温度就可能下降一半，度就可能下降一半， 这说明前刀面上的摩擦热集中在切屑的这说明前刀面上的摩擦热集中在切屑的底层。因此摩擦热对切屑底层金属的剪切强度及其与前刀面的底层。因此摩擦热对切屑底层金属的剪切强度及其与前刀面的摩擦系数有很大的影响，而切屑上层金属强度则不

17、会有显著的摩擦系数有很大的影响，而切屑上层金属强度则不会有显著的改变。改变。 (4(4） 在剪切区中，垂直剪切面方向上的温度梯度也很大，在剪切区中，垂直剪切面方向上的温度梯度也很大，这是因为当切削速度增高时，热量来不及传出所致。这是因为当切削速度增高时，热量来不及传出所致。 (5(5） 后刀面与工件的接触长度较小，温度的升、降是在后刀面与工件的接触长度较小，温度的升、降是在极短时间内完成的，因此加工表面受到的只是一次热冲击。极短时间内完成的，因此加工表面受到的只是一次热冲击。 (6(6工件材料塑性愈大，前刀面上的接触长度愈大，切削工件材料塑性愈大，前刀面上的接触长度愈大，切削温度的分布也就愈均

18、匀；反之工件材料的脆性愈大，则最高温温度的分布也就愈均匀；反之工件材料的脆性愈大，则最高温度所在的点离刀刃愈近。度所在的点离刀刃愈近。 (7(7） 工件材料的导热系数愈小，刀具前、后刀面的温度工件材料的导热系数愈小，刀具前、后刀面的温度愈高，愈高， 这是一些高温合金和钛合金切削加工性差的主要原因这是一些高温合金和钛合金切削加工性差的主要原因之一。之一。 切削温度的分布切削温度的分布刀具前刀面温度较高刀具前刀面温度较高其次是切屑底层其次是切屑底层工件表面温度最低工件表面温度最低各点处温度不等各点处温度不等最高温度在前刀面上离切最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处削刃一定距离处1 1、对工件材料和

19、切削力的影响：、对工件材料和切削力的影响：第六节第六节 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度对工件、刀具和切削过程的影响主要指的是对刀具、工件及切削时产生的各种物理现象主要指的是对刀具、工件及切削时产生的各种物理现象的影响：的影响：切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。面产生残余应力以及其它缺陷。对工件材料：切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料：切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并

20、不很大；切削温度对剪对工件材料硬度及强度的影响并不很大；切削温度对剪切区域的应力影响不很明显。切区域的应力影响不很明显。对切削力：工件材料预热至对切削力：工件材料预热至500-800后进行切削时，后进行切削时，切削力下降很多。但在高速切削时，切削温度经常达到切削力下降很多。但在高速切削时，切削温度经常达到500-800，但切削力下降却不多。这也间接证明，切削，但切削力下降却不多。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。目前加热切温度对剪切区域内工件材料强度影响不大。目前加热切削是切削难加工材料的一种较好的方法。削是切削难加工材料的一种较好的方法。2.2.对刀具材料的影响对刀具材料的影响适当提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。适当提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。各类刀具材料在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削各类刀具材料在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削温度范围。在最佳切削温度范围内，刀具的寿命最高，工温度范围。在最佳切削温度范围内，刀具的寿命最高，工件材料的切削加工性和符合要求。件材料的切削加工性和符合要求。3.3.对工件尺寸精度的影响对工件尺寸精度的影响车削外圆时，工件本身受热膨胀，直径发生变化切削后车削外圆时，工件本身受热膨胀，直径发