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1、第五章第五章 切削热与切削温度切削热与切削温度用刀具切削工件而产生的热称为切削热。切削热也是切削用刀具切削工件而产生的热称为切削热。切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程影响有多方面影过程中产生的重要物理现象，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要原
2、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。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。是有重要意义的。 5.1切削热的产生与传出切削热的产生与传出 切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形所产生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的热及切屑与前刀面
3、、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。消耗的功，绝大部分转化为切削热。 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：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 = Fcc Pc每秒钟内产生的切削热每秒钟内产生的切削热 Fc主切削力主切削力 c切削速度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：切削热由切屑、工件、刀具及周
4、围介质传导出去。影响散热主要因素： 工件材料的导热性能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。件热变形。 刀具材料的导热性能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，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。降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高。 周围介质周围介质 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采用冷却性能好的切削液及采用
5、高效冷却方式能传导出较多的切削热，切削区温度就较低。多的切削热，切削区温度就较低。 切屑与刀具的接触时间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。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。5.2切削温度及其测量方法切削温度及其测量方法 切削温度指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。切削温度指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。 测量切削
6、温度有多种方法。目前应用较广的是热电偶法：测量切削温度有多种方法。目前应用较广的是热电偶法： 把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的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
7、于两种导体材料的化学成分及冷热端之间的温度差。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。的值与冷热端温度差之间的关系。 5.2.1自然热电偶法自然热电偶法 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。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，端，处于室温状
8、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。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
9、。曲线上查出其对应的温度值。 5.2.2人工热电偶法人工热电偶法 在研究工件、刀具、刀屑上各点温度分布规律时，往往需在研究工件、刀具、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。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。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
10、接在毫伏表上，由于两金属丝组成的点上，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。情况。 前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距离处（该处前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距离处（该处
11、称为温度中心）。这是由于切削塑性金属材料时，切屑在沿称为温度中心）。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。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影响切削温度的因素5.3.1切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响1.切削速度切削速度 提高切削速度，切削温度将显著上升。因为切屑沿前刀面流出时，提高
12、切削速度，切削温度将显著上升。因为切屑沿前刀面流出时，由切屑底层与前刀面发生强烈摩擦而产生大量切削热，由于切削由切屑底层与前刀面发生强烈摩擦而产生大量切削热，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，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。另外，伴随着切而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升高。另外，伴随着切削速度的提高，单位时间内的金属切除量成正比例增加，消耗的削速度的提高，单位时间内的金属切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削热也会增大，故使切削温度上升。切削温度与切削功增大，切削热也会增大，故使切削温度上
13、升。切削温度与切削速度之间的经验关系式为速度之间的经验关系式为xcvVC Cv 与切削条件有关的系数；与切削条件有关的系数； x 反映反映vc对对的影响程度的指数。一般，的影响程度的指数。一般，x=0.26 0.41 2.进给量进给量 进给量增大，单位时间内的金属切除量增多，切削热增多，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，切除单位体积金属产生的热量减少了；同时增大而减
14、小，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量之间的经验关系式为 式中式中 Cf 与切削条件有关的系数与切削条件有关的系数 0.14 是反映是反映f对对的影响程度的指数。的影响程度的指数。0.14ffC 3.背吃刀量背吃刀量 背吃刀量对切削温度的影响很小。因为背吃刀量对切削温度的影响很小。因为ap增大以后，切削增大以后，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区产
15、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温度与背吃刀量之间的经验关系式为 式中式中 Cap 与切削条件有关的系数；与切削条件有关的系数； 0.04是反映是反映ap 对对的影响程度的指数。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，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。或进给量，比选用大
16、的切削速度有利。0.04papaC 5.3.2刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响 1.前角前角o 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。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角达响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角达18o20o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。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.主偏角主偏角主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集中；
17、但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。 5.3.3工件材料工件材料 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。大的影响。 工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，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。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、硬度虽然低于的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系钢，但它的导热系数小于
18、数小于45钢（约为钢（约为45钢的钢的1/3）切削温度比）切削温度比45钢高钢高40%。 切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，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，切灰铸铁表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切时的切削温度比切45钢大约低钢大约低25%。 5.3.4其他因素的影响其他因素的影响 1.刀具磨损对切削温度的影响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，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。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的影响 切削液对切削温度影响显著切削液对切削温度影响显著合理选用切削液，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。情况，改善散热条件，降低切削温度。