《《金属切削原理及刀具》图文课件-ppt-第5章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《金属切削原理及刀具》图文课件-ppt-第5章.ppt（22页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第5 5章章 切削热与切削温度切削热与切削温度 5.1 5.1 切削热的产生和传出切削热的产生和传出15.2 5.2 切削温度的测量方法切削温度的测量方法25.3 5.3 切削温度的分布切削温度的分布35.4 5.4 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素45.5 5.5 切削温度对切削过程的影响切削温度对切削过程的影响55.1 5.1 切削热的产生和传出切削热的产生和传出 5.1.1 5.1.1 切削热的产生切削热的产生 金属切削过程中，金属弹性形变金属切削过程中，金属弹性形变的能量以应变能形式储存在变形体中，的能量以应变能形式储存在变形体中，这部分能量没有消耗，且所占的比例这部分能
2、量没有消耗，且所占的比例很小（约占很小（约占1 12 2）可以忽略不）可以忽略不计。金属塑性变形的能量全部转变为计。金属塑性变形的能量全部转变为热能而散逸。在金属切削过程中工件热能而散逸。在金属切削过程中工件上的三个塑性变形区，每个塑性变形上的三个塑性变形区，每个塑性变形区都是一个热源。因此，切削时共有区都是一个热源。因此，切削时共有三个热源，如图所示。三个热源，如图所示。切削热的来源与传导切削热的来源与传导 如图所示为三个变形区产生热量的比例关系。由图可知，第一变形如图所示为三个变形区产生热量的比例关系。由图可知，第一变形区和第三变形区产生的热量随切削厚度的增大而增加。区和第三变形区产生的热
3、量随切削厚度的增大而增加。三个变形区产生热量的比例关系三个变形区产生热量的比例关系1 1第一变形区；第一变形区；2 2第二变形区；第二变形区；3 3第三变形区第三变形区 切削过程中所产生的热量主要靠切屑、工件和刀具传出，被周围介切削过程中所产生的热量主要靠切屑、工件和刀具传出，被周围介质带走的量很少（干切削时约占质带走的量很少（干切削时约占1 1）。）。车削与钻削时，切削热传入切屑、刀具和工件的百分比，见表车削与钻削时，切削热传入切屑、刀具和工件的百分比，见表5-15-1。切削热传入对象切屑工件刀具周围介质车削50%86%3%9%10%40%1%钻削28%52.5%14.5%5%表表5-1 切
4、屑、工件、刀具中切削热的分布切屑、工件、刀具中切削热的分布5.1.2 5.1.2 切削热的传出切削热的传出 5.2 5.2 切削温度的测量方法切削温度的测量方法 切削温度的测定方法很多，有热电偶法、辐射测温法等。但目前切削温度的测定方法很多，有热电偶法、辐射测温法等。但目前广为应用的是热电偶法。它具有简单、可靠，使用方便的优点。广为应用的是热电偶法。它具有简单、可靠，使用方便的优点。5.2.1 5.2.1 热电偶法热电偶法 热点偶法包括自然热点偶法和人工热电偶法。热点偶法包括自然热点偶法和人工热电偶法。1 1.自然热电偶法自然热电偶法 切削过程中，工件、刀具通常是由两种不同的金属材料组成的。切
5、削过程中，工件、刀具通常是由两种不同的金属材料组成的。在刀具与切屑和刀具与工件接触区总存在着相当高的切削温度，称为在刀具与切屑和刀具与工件接触区总存在着相当高的切削温度，称为热电偶的热端；离接触区较远的工件与刀具处一般保持在室温状态，热电偶的热端；离接触区较远的工件与刀具处一般保持在室温状态，称为热电偶的冷端。可用导线将工件与刀具的冷端接到仪表上，即可称为热电偶的冷端。可用导线将工件与刀具的冷端接到仪表上，即可将切削热电势显示和记录下来。根据事先作出热电偶的标定曲线（温将切削热电势显示和记录下来。根据事先作出热电偶的标定曲线（温度与毫伏值的对应关系曲线），即可求得刀具与切屑和刀具与工件接度与毫
6、伏值的对应关系曲线），即可求得刀具与切屑和刀具与工件接触面的平均温度，即切削温度。触面的平均温度，即切削温度。如图为车削时，利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图。图如图为车削时，利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图。图中，工件和刀具应与机床绝缘。中，工件和刀具应与机床绝缘。利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图1 1工件；工件；2 2车刀；车刀；3 3车床主轴尾部；车床主轴尾部；4 4铜销；铜销；5 5钢顶尖；钢顶尖；6 6毫伏计毫伏计 2 2.人工热电偶法人工热电偶法 人工热电偶是两种预先经过标定的金属丝组成的热电偶。人工热电偶是两种预先经过
7、标定的金属丝组成的热电偶。热电偶的热端固定在刀具或工件上预定要测量温度的位置上，热电偶的热端固定在刀具或工件上预定要测量温度的位置上，冷端通过导线串接在电位差计、毫伏表等完成其他显示和记冷端通过导线串接在电位差计、毫伏表等完成其他显示和记录的仪器上。根据记录的热电势值可以在相应的标定曲线录的仪器上。根据记录的热电势值可以在相应的标定曲线上查得测定点的温度值。如图（上查得测定点的温度值。如图（a a）所示为测量刀具前面某点）所示为测量刀具前面某点的温度示意图。如图（的温度示意图。如图（b b）所示为测量工件加工面中某点的温）所示为测量工件加工面中某点的温度示意图。度示意图。（a a）测量刀具前面
8、某点的温度示意图）测量刀具前面某点的温度示意图 （b b）测量工件加工面某点的温度示意图）测量工件加工面某点的温度示意图用人工热电偶法测量刀具和工件温度用人工热电偶法测量刀具和工件温度 5.2.2 5.2.2 辐射测温法辐射测温法 辐射测温法是一种非接触式测辐射测温法是一种非接触式测量方法。它是利用高温辐射能量来量方法。它是利用高温辐射能量来测量工件表面温度的。作为测量用测量工件表面温度的。作为测量用的传感器有光电传感器及热敏电阻的传感器有光电传感器及热敏电阻传感器两种。传感器两种。如图所示为用光电传感器测量如图所示为用光电传感器测量刀具与切屑接触面温度分布的示意刀具与切屑接触面温度分布的示意
9、图。光电传感器可以用锗光电二极图。光电传感器可以用锗光电二极管或硫化铅光电池。在刀片上打一管或硫化铅光电池。在刀片上打一个小的锥孔，一直通到刀具的前面个小的锥孔，一直通到刀具的前面上，从切屑底面测定辐射能，通过上，从切屑底面测定辐射能，通过标定求得切屑底面该点的温度。标定求得切屑底面该点的温度。用光电传感器测量刀具与切屑接触面温度分布的示意图用光电传感器测量刀具与切屑接触面温度分布的示意图1 1激光管；激光管；2 2光栅；光栅；3 3、4 4透镜；透镜；5 5光敏元件；光敏元件；6 6刀片；刀片；7 7刀体刀体 如图所示为用辐射测温法测量工件与刀具侧面温度分布的示意图。如图所示为用辐射测温法测
10、量工件与刀具侧面温度分布的示意图。所使用的传感器是热敏电阻传感器。这种测量方法的优点是测定区域的所使用的传感器是热敏电阻传感器。这种测量方法的优点是测定区域的直径只有直径只有0.15 mm0.15 mm，因此，可缩小不同测定点之间的距离，缺点是只能测，因此，可缩小不同测定点之间的距离，缺点是只能测量刀具侧面的温度而不能测量垂直切削刃工作部位中间剖面的温度。量刀具侧面的温度而不能测量垂直切削刃工作部位中间剖面的温度。用辐射测温法测量工件与刀具侧面的温度分布的示意图用辐射测温法测量工件与刀具侧面的温度分布的示意图5.3 5.3 切削温度的分布切削温度的分布如图所示为车削时正交平面内切屑、工件和刀具
11、的温度分布情况。如图所示为车削时正交平面内切屑、工件和刀具的温度分布情况。车削时正交平面内切屑、工件和刀具上的温度分布情况车削时正交平面内切屑、工件和刀具上的温度分布情况 切削温度分布的一些规律，即：切削温度分布的一些规律，即：（1 1）剪切平面上各点温度变化不大，几乎相同。）剪切平面上各点温度变化不大，几乎相同。（2 2）不论刀具前面还是主后刀面上的最高温度都处于离主切削刃一）不论刀具前面还是主后刀面上的最高温度都处于离主切削刃一定距离处（该处称为温度中心）。这说明切削塑性金属时，切屑沿刀具定距离处（该处称为温度中心）。这说明切削塑性金属时，切屑沿刀具前面流出过程中，摩擦热是逐步增大的，一直
12、至切屑流至黏结与滑动的前面流出过程中，摩擦热是逐步增大的，一直至切屑流至黏结与滑动的交界处，切削温度才达到最大值。此后，因进入滑动区摩擦逐渐减小，交界处，切削温度才达到最大值。此后，因进入滑动区摩擦逐渐减小，加上热量传出条件改善，切削温度又逐渐下降。加上热量传出条件改善，切削温度又逐渐下降。（3 3）切削底层（同刀具前而相接触的一层）温度最高，离切）切削底层（同刀具前而相接触的一层）温度最高，离切削底层越远温度越低。这主要是因为切削底层金属变形最大，且又削底层越远温度越低。这主要是因为切削底层金属变形最大，且又与刀具前面存在摩擦的缘故。切屑底层的高温将使其剪切强度下降，与刀具前面存在摩擦的缘故
13、。切屑底层的高温将使其剪切强度下降，并使其与刀具前面间的磨擦系数下降。并使其与刀具前面间的磨擦系数下降。（4 4）塑性越大的工件材料，在刀具前面上切削温度的分布越）塑性越大的工件材料，在刀具前面上切削温度的分布越均匀，且最高温度区距切削刃越远。这是因为塑性越大的材料，刀均匀，且最高温度区距切削刃越远。这是因为塑性越大的材料，刀具与刀屑接触长度较长的缘故。具与刀屑接触长度较长的缘故。（5 5）导热系数越低的工件材料，其刀具前面和主后刀面上的）导热系数越低的工件材料，其刀具前面和主后刀面上的温度也就越高，且最高温度区距切削刃越近，这就是一些高温合金温度也就越高，且最高温度区距切削刃越近，这就是一些
14、高温合金和钛合金难切削和刀具容易磨损的主要原因之一。和钛合金难切削和刀具容易磨损的主要原因之一。5.4 5.4 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 切削温度的高低，取决于切削热产生的多少和散热条件的好坏。切削温度的高低，取决于切削热产生的多少和散热条件的好坏。下面分析几个主要因素对它的影响。下面分析几个主要因素对它的影响。1.1.工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的强（硬）度越高，切削力越大，切削时消耗的功越工件材料的强（硬）度越高，切削力越大，切削时消耗的功越多，产生的切削热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热系多，产生的切削热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热系数直
15、接影响切削热的导出，导热系数越大，由工件和切屑传导出去数直接影响切削热的导出，导热系数越大，由工件和切屑传导出去的热量越多，切削温度就越低。的热量越多，切削温度就越低。2.2.刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 1 1）前角的影响）前角的影响 如图所示，切削温度随如图所示，切削温度随前角的增大而降低。这是因前角的增大而降低。这是因为前角增大时，切削变形减为前角增大时，切削变形减小，单位切削力下降，产生小，单位切削力下降，产生的切削热减少的缘故。但前的切削热减少的缘故。但前角增大到一定幅值时，再增角增大到一定幅值时，再增大前角，则因刀具的楔角太大前角，则因刀具的楔角太小而使散热体积减小，使切小
16、而使散热体积减小，使切削温度下降的幅度减小。削温度下降的幅度减小。工件材料：工件材料：4545钢；刀具材料：钢；刀具材料：YT15YT15切削用量：切削用量：f=0.1 mm/rf=0.1 mm/r，a ap p=3 mm=3 mm前角对切削温度的影响前角对切削温度的影响1 1v vc c=135 m/min=135 m/min；2 2v vc c=105 m/min=105 m/min；3 3v vc c=81 m/min=81 m/min 2 2）主偏角的影响）主偏角的影响 主偏角对切削温度的影响如图所示。随着主偏角的增大，切削温度主偏角对切削温度的影响如图所示。随着主偏角的增大，切削温度
17、升高，这是因为主偏角增大，使切削刃工作长度缩短，切削热相对集中，升高，这是因为主偏角增大，使切削刃工作长度缩短，切削热相对集中，刀尖角减小，散热条件变差。刀尖角减小，散热条件变差。工件材料：工件材料：4545钢；刀具材料：钢；刀具材料：YT15YT15切削用量：切削用量：f=0.5 mm/rf=0.5 mm/r，ap=4 mmap=4 mm主偏角对切削温度的影响主偏角对切削温度的影响1 1vc=135 m/minvc=135 m/min；2 2vc=105 m/minvc=105 m/min；3 3vc=81 m/minvc=81 m/min切削速度的影响切削速度的影响切削速度对切削温度有较切
18、削速度对切削温度有较显著的影响。实验证明，显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切随着切削速度的提高，切削温度将明显上升，其原削温度将明显上升，其原因是：当提高切削速度因是：当提高切削速度 时，单位时间的金属切除时，单位时间的金属切除量呈正比例增大。刀具与量呈正比例增大。刀具与工件及切屑间的摩擦加工件及切屑间的摩擦加 剧，消耗于金属变形和摩剧，消耗于金属变形和摩擦的功增大，因而产生大擦的功增大，因而产生大量的热。量的热。进给量的影响进给量的影响随着进给量的增大，单位随着进给量的增大，单位时间的金属切除量增大，时间的金属切除量增大，消耗的切削功和由此转化消耗的切削功和由此转化成的热量也将增大
19、使切削成的热量也将增大使切削温度上升。但随着进给量温度上升。但随着进给量的增大，单位切削力和单的增大，单位切削力和单位切削功率将减小，切除位切削功率将减小，切除单位体积金属产生的热量单位体积金属产生的热量也随之减小。也随之减小。背吃刀量背吃刀量背吃刀量对切削温度的背吃刀量对切削温度的影响很小。这是因为背影响很小。这是因为背吃刀量增大后，切削区吃刀量增大后，切削区产生的热量虽然呈正比产生的热量虽然呈正比例增大，但因切削刃参例增大，但因切削刃参加切削工作的长度也呈加切削工作的长度也呈正比例增大，改善了散正比例增大，改善了散热条件，因此，切削温热条件，因此，切削温度上升不多。度上升不多。3.3.切削
20、用量的影响切削用量的影响1 1.刀具磨损的影响刀具磨损的影响刀具磨损后，切削刃变钝，刀具磨损后，切削刃变钝，切削作用减小，挤压作用切削作用减小，挤压作用增大，切削区的变形增加。增大，切削区的变形增加。同时，磨损后的刀具实际同时，磨损后的刀具实际工作后角变成零度，使刀工作后角变成零度，使刀具后面与加工表面间的摩具后面与加工表面间的摩擦加大，使切削温度升高。擦加大，使切削温度升高。刀具磨损和切刀具磨损和切削液的影响削液的影响2 2.切削液的影响切削液的影响使用切削液对降低切削温度使用切削液对降低切削温度有明显效果。切削液有两个有明显效果。切削液有两个作用；一方面可以减小切屑作用；一方面可以减小切屑
21、与刀具前面、工件与刀具后与刀具前面、工件与刀具后面的摩擦；另一方面可以吸面的摩擦；另一方面可以吸收切削热，两者均使切削温收切削热，两者均使切削温度降低。但切削液对切削温度降低。但切削液对切削温度的影响，与其导热性能、度的影响，与其导热性能、比热、流量、浇注方式及本比热、流量、浇注方式及本身的温度有关。身的温度有关。4.4.刀具磨损和切削液的影响刀具磨损和切削液的影响实验表明：工件材料预实验表明：工件材料预热至热至500500800 800 后进行后进行切削，其切削力下降很切削，其切削力下降很多。但高速切削（温度多。但高速切削（温度达达800800900 900）时，时，切削力下降却不切削力下降
22、却不 多。这多。这也间接地证明了切削温也间接地证明了切削温度对剪切区工件材料强度对剪切区工件材料强度影响不大。度影响不大。1.1.对工件材料机械对工件材料机械性能的影响性能的影响硬质合金的性质之一是硬质合金的性质之一是高温时强度比较高，韧高温时强度比较高，韧性比较好。因此，适当性比较好。因此，适当提高切削温度，对于防提高切削温度，对于防止硬质合金崩刃，提高止硬质合金崩刃，提高其耐用度是有利的。其耐用度是有利的。2.2.对刀具材料的影响对刀具材料的影响5.5 5.5 切削温度对切削过程的影响切削温度对切削过程的影响 工件受热膨胀，直径发工件受热膨胀，直径发生变化，切削后不能达生变化，切削后不能达
23、到要求精度；工件受热到要求精度；工件受热变长，但因其装夹在机变长，但因其装夹在机床上不能自由伸长而发床上不能自由伸长而发生弯曲，加工后中部直生弯曲，加工后中部直径变大；刀头受热膨径变大；刀头受热膨 胀，胀，切削时的实际切削深度切削时的实际切削深度增加，使工件直径变小。增加，使工件直径变小。3.3.对工件尺寸精度对工件尺寸精度的影响的影响大量切削实验证明：对给大量切削实验证明：对给定的工件材料、刀具材料定的工件材料、刀具材料以不同的切削用量加工时，以不同的切削用量加工时，都可以得到一个最佳的切都可以得到一个最佳的切削温度，它使刀具磨损强削温度，它使刀具磨损强度最低，尺寸耐用度最高。度最低，尺寸耐用度最高。因此，可将热电偶测温器因此，可将热电偶测温器测出的切削温度作为控制测出的切削温度作为控制信号，并用电子线路和自信号，并用电子线路和自动控制装置来控制机床的动控制装置来控制机床的转速或进给量，使切削温转速或进给量，使切削温度经常处于最佳范围，以度经常处于最佳范围，以提高生产率和工件表面质提高生产率和工件表面质量。量。4.4.利用切削温度自动控利用切削温度自动控制切削速度或进给量制切削速度或进给量