切削原理与刀具5

第3章切削原理CuttingTheory切削原理与刀具3.3

切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature13.3.1切削热的来源与传出

切削热来源★切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传出切削热传出★主要来源QA=QD+QFF+QFR（3-12）（3-11）式中，QD

,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量2

切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；

切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。

切削热传至各部分比例：

一般情况是切屑带走的热量多。由于第Ⅰ、Ⅲ变形区塑性变形、摩擦产生热及其传导的影响，致使刀具中次之，工件中热量最少。例如切削钢不加切削液时，它们之间传热比例为：

Qch50%～86%；Qc40%～10%；

Qw9%～3%；Qf1%3.3.1切削热的来源与传出

3切削温度

切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。

3.3.1切削热的来源与传出

4

2.1.3.2切削温度

切削热是通过切削温度而对工件与刀具产生作用的。切削区域处温度的高低，决定于该处切削热的多少和散热的快慢。

通过推算和测定，在切屑中平均温度最高。切削区域内温度最高点是在前刀面上近刀刃处，例如在切削低碳钢时，若切削速度vc=200m/min、进给量f=0.25mm/r、离切削刃1mm处，温度可达到1000℃，它比切屑中平均温度高2～2.5倍，比工件中平均温度约高20倍。该点最高温度形成的原因，一方面受剪切区变形热的切屑连续摩擦产生的热影响有关；另一方面因热量集中不易散走所致。

因此，研究切削温度应该设法控制刀具上最高温度。

3.3.1切削热的来源与传出

53.3.2切削温度及分布

TJUniversity切削温度分布★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖处温度最高。★

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖处温度最高。750℃刀具图3-20二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611C6（1）切削温度计算

通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温度值。

以计算切削区域平均温度为例：

切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即：

式中Fz——主切削力（N）；

vc——切削速度（m/min）。

3.3.1切削热的来源与传出

7

由热量q引起的温度升高量△θ与材料的密度ρ、比热c有关，其关系式：

式中p——单位切削力（N/m2）；

c——比热容（J/kg·K）；

ρ——密度（kg/m3）。

3.3.1切削热的来源与传出

8影响切削温度的主要因素(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。(2)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时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度3.3.2切削温度及分布

工件材料对切削温度的影响

工件材料机械性能↑→切削温度↑工件材料导热性↑→切削温度↓9影响切削温度的主要因素(3)不锈钢lCrl8Ni9Ti和高温合金GHl3l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。(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。3.3.2切削温度及分布

工件材料对切削温度的影响

103.3.3影响切削温度的因素

切削用量的影响

式中θ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；

Cθ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指数。

经验公式（3-12）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削温度的系数及指数11（1）切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。（2）进给量f对切削温度也有一定的影响。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。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。（3）切削深度ap对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。切削用量对切削温度的影响3.3.1切削热的来源与传出

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切削用量对切削温度影响规律是：

切削用量ap、f和vc增大，切削温度增加，其中切削速度vc对切削温度影响最大，进给量f次之，切削深度ap影响最小，从影响指数zθ＞yθ＞xθ中也可以反映出该规律。

当切削用量ap、f和vc增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。但背吃刀量ap增大后，切屑与刀具接触面积以相同比例增大，散热条件显著改善；进给量f增大，切屑与前刀面接触长度增加，散热条件有所改善；切削速度增高，虽切削力减少，但切屑与前刀面接触长度减短，故散热较差。

切削用量对切削温度的影响，就是由生热与散热两方面作用的结果。由此可见，在金属切除率相同的条件下，为了减少切削温度影响，防止刀具迅速磨损，保持刀具耐用度，增大切削深度ap或给进量f比增大切削速度vc更有利。3.3.1切削热的来源与传出

133.3.3影响切削温度的因素

刀具几何参数的影响

前角o↑→切削温度↓主偏角r↓→切削温度↓负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小

工件材料的影响

工件材料机械性能↑→切削温度↑工件材料导热性↑→切削温度↓vc（m/min）图3-21切削速度、工件材料对切削温度的影响1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45钢(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=6~8，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨损的影响

冷却液的影响

14图3-31Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属3.3.1切削热的来源与传出

15刀具几何参数对切削温度的影响1．前角：前角γ。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。

2．主偏角：随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。3．负倒棱：负倒棱宽度bγ1在(0—2)f范围内变化，基本上不影响切削温度。4．刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径rε在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响平均切削温度。3.3.1切削热的来源与传出

16前角对切削温度的影响主偏角对切削温度的影响3.3.1切削热的来源与传出

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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。

刀具磨损对切削温度的影响

3.3.1切削热的来源与传出

18四、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，适当提高温度可提高韧性，提高刀具耐用度。3.3.1切削热的来源与传出

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（2）切削温度的测定

通过理论计算或利用测量的方法可确定切削温度在切屑、刀具和工件中的分布。

测量切削温度的方法有热电偶法、热辐射法、涂色法和红外线法等。其中热电偶法测温虽较近似，但装置简单、测量方便，是较为常用的测温方法。

①自然热电偶法自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。所示的测温装置示意图，是利用刀具在切削工件时组成闭合电路测温的。刀具引出端用导线接入毫伏计一级上；工件引出端用导线再通过起电刷作用的顶尖接入毫伏计另一极上。应使刀具与工件引出端处于室温，并使刀具、工件分别与机床绝缘。切削时，刀具与工件接触区产生高温（热端），与刀具、工件各自引出端的室温（冷端）差别而形成温差电势；此外，还由于接触3.3.1切削热的来源与传出

203.3.3切削温度的测量

自然热电偶法工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。★用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。mV图3-22人工热电偶工件刀具金属丝小孔★

可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。人工热电偶法红外测温法213.3.1切削热的来源与传出

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3.3.1切削热的来源与传出

23区刀具与工件材料不同而形成接触电势。上述电势值的和可用接入的毫伏计测出。

切削温度越高，电势值越大。它们之间的对应关系，可通过切削温度标定得到。

②人工热电偶法

人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。

如图示，在刀具被测点位置处作出一个小孔（φ＜0.5mm），孔中插入一对标准热电偶，它们与孔壁之间相互保持绝缘。在切削时热电偶接点感受到被测点产生的温度，该温