切削热与切削温度

1、5.1 切削热的产生与传出5.2 切削温度及其测量方法5.3 影响切削温度的因素 切削热和由它产生的切削温度是金属切削过程中又一重要物理现象。切削时消耗的能量约96%-99%转化为热能。大量的切削热使得切削区温度升高，直接影响刀具的磨损和工件的加工精度及表面质量.5.1 切削热的产生与传出切削时共有三个生热区: 即剪切面区、切削与前刀面接触区、后刀面与加工表面接触区。如图5.1所示。所以，切削热来源于切削时消耗的变形和刀具与切削、刀具与工件间的摩擦功。 如果忽略后刀面上的摩擦功和进给运动给运动做的功，并假定主运动所做的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热Pc 为式中 Pc 每秒钟产生的切

2、削热（J/s）； Fc 切削力（N）； vc 切削速度（m/s）。 切削热可由切削、工件、刀具和周围介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周围介质的状况。 工件材料的导热系数大时，由切削区传导到切削和工件的热量较多，因而切削区温度较低，但整个工件温升较快。切削导热系数较大的铜和铝时，切削区温度较低，故刀具使用寿命教高；但工件温升较快，由于热胀冷缩的影响，切削时测量的尺寸与冷至室温时的尺寸往往不符。 若工件材料的热导系数较小，切削热不容易从切屑和工件方面传导出去，因而切削区温度较高，加剧刀具磨损。例如，切削不锈钢和高温合金时，由于它们的导热系数小，切削区温度很高，刀具磨损

3、很快，必须采用耐热和耐磨性能较好的刀具材料，并且浇注充分的切削液予以冷却降温。 刀具材料的导热系数大时，切削区的热量容易从刀具方面传导出去，也能降低切削区的温度。例如，YG类硬质合金的导热系数普遍大于YT类硬质合金的导热系数，且抗弯强度较高，所以在切削导热系数小、热强性好的不锈钢和高温合金时，多采用YG6X、 YG6A等牌号的YG类硬质合金。 采用冷却性能较好的切削液也能有效的降低切削温度。此外，切削与刀具的接触时间也影响切削温度。例如，外圆车削时，切削形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中，传给刀具的切削热就减少了；但在进行半封闭式容屑的钻削加工时，切屑形成后仍较长时间与道具接触，由切屑所带

4、走的切削热再次传给刀具，使得切削温度升高。 例如，车削加工时，切削带走的切削热约为50%-80%,40%-10%传入车刀， 9%-3%传入工件，1%传入周围介质（如空气）。 钻削加工时，约有28%的切削热由切削带走，15%传入钻头，52%传入工件，5%传入周围介质。 切削温度一般是指刀具与工件接触区域的平均温度。 切削温度的测量方法很多，可归纳为以下情况： 单车刀法 自然热电偶法 双车刀法 热电偶法 插入刀具法 人工热电偶法 插入工件法 辐射热计法 PbS电池法切削温度测定法 辐射温度计法 锗光电二极管法 红外线干板（或胶片）法 热敏颜料法 热敏电阻法 其他 量热计法 金属组织观察法u5.2.

5、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的方法。 图5.2所示是在车床上利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图。 切削加工时，刀具和工件处在较高的切削温度作用下，形成热电偶的热端，工件与刀具的引出端形成热电偶的冷端。在此回路中必然有热电势产生，如用仪表将其值测出或记录下来，再根据事先标定的刀具-工件所组成热电偶的热电势与温度关系曲线（标定曲线），便可求得刀具与工件接触区的切削温度值。图5.3给出了YT15硬质合金与几种钢材组成的电偶标定曲线。 由此可以看出，用自然热电偶法测得的是切削区的平均温度，切削区指定点的温度则不能测得。另外,不同的刀具材料

6、与工件材料所组成的热电偶，均要进行标定。u 5.2.2 人工热电偶法 图5.4是用人工热电偶法测量刀具前刀面和工件某点温度的示意图。 这是将两种预先标定好的金属丝组成的热电偶热端焊接在刀具或者工件待测温度点上，尾端通过导线直接串接在电位差计或者毫伏表上，切削时根据表上的指示电势值，查对照表，便可得知欲测点的切削温度。 用人工热电偶法只能测与前刀面有一定距离某点处的温度。 图5.5和图5.6为采用人工热电偶法测量，并辅以传热学计算所得到的刀具、切削和工件的切削温度分布情况。 由图可以看出：1）前刀面上温度最高处并不在切削刃口处，而是在距离刃口有一定距离的位置，工件材料塑性越大，距离刃口越远，反之

7、越近。这是因为热量沿前刀面有个积累过程的缘故，这也是刀具磨损严重之处。2）切削底层的温度梯度最大，说明摩擦热集中在切削底层与前刀面的接触处。u5.3.1 切削用量对切削温度的影响 1. 切削速度vc 切削速度对切削温度有较显著的影响。其原因是：当切削速度提高时，单位时间的金属切除率成正比增多，刀具与工件及切削间的摩擦加剧，因为产生大量的切削热。由于第一变形区和第二变形区的热量向工件和切削内部传导需要一定的时间，因此，提高切削速度的结果是摩擦热大量的积聚在切削底层来不及传导出去，从而使切削温度上升。 但是随着切削速度的提高，单位切削功率和单位切削力有所减小，因此切削热和切削温度不与切削速度成正比

8、增加。图5.7给出了切削速度与切削温度的关系曲线。二者关系可表示成指数形式。 (5.2)式中 切削温度； vc 对切削温 度的影响系数； x vc 对切削温 度的影响指数。 一般情况下硬质合金刀具切钢时，x=0.26-0.41，进给量越大，则x越小。这是因为进给量越大，切削厚度大，切削的热容量大，带走的热量多，所以切削区的温度上升较为缓慢。 2. 进给量f 随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，使切削温度上升。但随着进给量的增大，单位切削力和单位切削功率将减小，此外，当进给量增大后，切削厚度增大，由切削带走的热量增多，同时切削与前刀面的接触长度加长，散热面积增大。综合以上几方面的影响，

9、切削温度随进给量的增加而升高，但升高的幅度不如切削速度那样显著。 图5.8是通过实验获得的进给量f对切削温度 的影响曲线，可表示为 3. 背吃刀量背吃刀量对切削温度的影响很小。这是因为背吃刀量增大后，切削区产生的热量虽然成正比增多，但因切削刃参加切削工作的长度也成正比增大，大大改善了散热条件，因此切削温度上升甚微。切削温度 与背吃刀量 的关系式为 (5.4) 切削用量三要素中，切削速度对切削温度的影响较为显著，进给量的影响次之，背吃刀量的影响微小。因此，为了有效的控制切削温度，以提高刀具使用寿命，选用大的背吃刀量和进给量比选用切削速度更为有利。5.3.2 刀具几何参数对切削温度的影响 1. 前

10、角图5.10表明，切削温度随前角的增大而降低。这是因为前角增大时，切削变形减小，单位切削力下降，产生的切削热减小的缘故。 2. 主偏角主偏角对切削温度的影响如图5.11所示。随主偏角的增大，切削温度升高。这是因为主偏角增大，一方面使切削刃工作长度缩短，切削热相对集中，同时刀尖角减小，散热条件变差，因此切削温度升高。 3. 负倒棱 及刀尖圆弧半径 负倒棱 在（0-2）f范围内变化、刀尖圆弧半径 在0-1.5mm范围内变化时，基本不影响切削温度。u5.3.3 工件材料对切削温度的影响 这里主要分析工件材料的强（硬）度、导热系数等力学物理性能及热处理状态对切削温度的影响。 工件材料的强（硬）度和导热

11、系数对切削温度有很大的影响。工件材料的强（硬）度越高，切削力越大，产生的切削热量也越多，切削温度就越高。工件材料的导热系数越大，由工件和切削传导出去的热量越多，切削温度就越低。图5.12给出了不同切削速度下，几种典型材料的切削温度。不难看出： （1）切削脆性材料时，切削温度一般比切削碳钢时低。切削灰铸铁HT200的切削温度约比切削45钢时低20%-30%。 （2）切削不锈钢和高温合金时，切削温度要比切削其材料时高得多（图5.12）。（3）切削合金结构钢时，因其强度普遍高于45钢，而导热系数又小与45钢，所以，切削合金结构钢时的切削温度一般高于切削45钢时的切削温度（图5.13）（4）切削热处理状态不同的材料，因强度和硬度不同，切削温度也不同。图5.14是切削三种不同热处理状态的45钢时切削温度的曲线。淬火状态（ ）的切削温度最高，调质状态（ ）次之，正火状态（ ）的切削温度最低。u5.3.4 其