刀具课件第5章.doc

第5章 切削热与切削温度 切削过程中所消耗的功绝大部分都转变为切削热，由它产生的切削温度将引起金属材料的物理力学性能发生变化，从而影响切削过程本身。尤为重要的是切削温度对刀具磨损、工件加工精度和表面质量具有明显的影响作用。因此，研究切削热和切削温度的变化规律，是研究金属切削过程的一个重要方面。5.1 切削热的产生和传出5.1.1 切削热的产生 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，这部分能量没有消耗，且所占的比例很小（约占12）可以忽略不计。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，切削时共有三个热源，如图5-1所示。图5-1 切削热的来源与传导这三个热源产生热量的比例与工件材料、切削条件等有关。加工塑性材料（钢料），在切削厚度较大、主后面磨损不大时，第三变形区产生的热量比例很小，第一变形区产生的热量比例最大。如图5-2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。当切削厚度大于0.4 mm时，第一变形区产生的热量约占6080。而当切削厚度很小时，由于严重的挤压作用，第三变形区所产生的热量则占相当大的比重。当加工灰铸铁等脆性材料时，因形成崩碎切屑，刀具与切屑接触长度很小，故第二变形区产生的热量比重下降，而第三变形区产生热量的比重相应增加。 图5-2 三个变形区产生热量的比例1第一变形区； 2第二变形区； 3第三变形区5.1.2 切削热的传出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1）。传入切屑、工件和刀具的热量比例除了与三个变形区产生的热量比例有关外，还与工件材料的导热系数、切屑与前面的接触长度以及切削条件等有关。车削与钻削时，切削热传入切屑、刀具和工件的百分比，见表5-1。表5-1 切屑、工件、刀具中切削热的分布 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%由表5-1可知，钻削时切削热传入工件的比例比车削时大得多。这是由于钻削属于半封闭式加工，切屑与工件和刀具的接触时间长，将自身所带的热量传给工件和刀具所致。 5.2 切削温度的测量方法 通常所说的切削温度，如无特别注明都是指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。切削温度的测量是切削实验研究中重要的技术，可以用来研究各因素对切削温度的影响，也可用来校核切削温度理论计算的准确性，还可以把所测得的切削温度作为控制切削过程的讯号源。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。 5.2.1 热电偶法 热点偶法包括自然热点偶法和人工热电偶法。 1.自然热电偶法 当两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，且该连接处受高温作用（称为热端），而两个导体的另一端处于低温（称为冷端），则在热端与冷端之间就会产生一个热电势。将毫伏表或电位差计接在两导体的冷端，则可测量出由热端与冷端产生的热电势。该两种不同成分导体的组合称为热电偶。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。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，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触面的平均温度，即切削温度。如图5-3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。图5-3 利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图1工件； 2车刀； 3车床主轴尾部； 4铜销； 5钢顶尖； 6毫伏计自然热电偶法测量切削温度的不足之处是此法不能测量切削区各部分的温度分布，且无法找到最高温度的位置，对非导体刀具材料（如陶瓷等）无法使用。2.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。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5-4（a）所示为测量刀具前面某点的温度示意图。如图5-4（b）所示为测量工件加工面中某点的温度示意图。（a）测量刀具前面某点的温度示意图 （b）测量工件加工面某点的温度示意图图5-4 用人工热电偶法测量刀具和工件温度为了正确反映切削过程的真实温度变化，要求放置人工热电偶金属丝的小孔直径越小越好。作为热电偶的金属丝应与工件（刀具）绝缘。改变小孔的位置，并利用传热学原理和有关公式进行推算，可求得工件（刀具）的温度分布。5.2.2 辐射测温法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传感器两种。如图5-5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，通过标定求得切屑底面该点的温度。图5-5 用光电传感器测量刀具与切屑接触面温度分布的示意图如图5-6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。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0.15 mm，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。 图5-6 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 切削温度的分布如图5-7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。工件材料：GGr15；刀具材料：YT14切削用量：=1.3 m/s；=4 mm；=0.5 mm/r图5-7 车削时正交平面内切屑、工件、刀具上的温度分布情况从图5-7中及其他一些切削实验中可以归纳出切削温度分布的一些规律，即（1）剪切平面上各点温度变化不大，几乎相同。（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，加上热量传出条件改善，切削温度又逐渐下降。（3）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，并使其与刀具前面间的磨擦系数下降。（4）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，刀具与刀屑接触长度较长的缘故。（5）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和钛合金难切削和刀具容易磨损的主要原因之一。 5.4 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。下面分析几个主要因素对它的影响。1.工件材料对切削温度的影响工件材料的强（硬）度和导热系数对切削温度有很大影响。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。2.切削用量对切削温度的影响1）切削速度切削速度对切削温度有较显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升，其原因是：当提高切削速度时，单位时间的金属切除率呈正比例增加。刀具与工件及切屑间的摩擦加剧，消耗于金属变形和摩擦的功增加，因而产生大量的热。由于第一变形区和第二变形区的热量向工件和切屑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地积聚在切屑底层而来不及传导出去，从而使切削温度升高。但是，随着切削速度的升高，单位切削力和切削功率有所减小，因此，切削热和切削温度不会与切削速度呈正比例增加。2）进给量随者进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，消耗的切削功和由此转化成的热量也将增加，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，切除单位体积金属产生的热量也随之减小。此外，当增大进给量后，切屑厚度增大，由切屑带走的热量增多，同时切屑与刀具前面的接触长度增长，散热面积增大。综合以上几方面的影响可知，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。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例增加，但因切削刃参加切削工作的长度也呈正比例增长，改善了散热条件，因此，切削温度上升不多。由上述分析可知，切削用量中切削速度对切削温度的影响较为显著，进给量对切削温度的影响次之，背吃刀量对切削温度的影响最小。因此，为了有效地控制切削温度以提高刀具耐用度，在允许的条件下，选用大的背吃刀量和进给量比选用大的切削速度更为有利。3.刀具几何参数对切削温度的影响1）前角如图5-8所示，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，产生的切削热减少的缘故。但前角增大到一定幅值时，再增大前角，则因刀具的楔角太小而使散热体积减小，使切削温度下降的幅度减小。工件材料：45钢；刀具材料：YT15 切削用量：=3 mm；=0.1 mm/r 1=135 m/min； 2=105 m/min； 3=81 m/min 图5-8 前角对切削温度的影响2）主偏角主偏角对切削温度的影响如图5-9所示。随着主偏角的增大，切削温度升高，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，散热条件变差的缘故。工件材料：45钢；刀具材料：YT15切削用量：=4 mm；=0.5 mm/r1=135 m/min； 2=105 m/min； 3=81 m/min图5-9 主偏角对切削温度的影响4.刀具磨损和切削液对切削温度的影响1）刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损后，切削刃变钝，切削作用减小，挤压作用增大，切削区的变形增加。同时，磨损后的刀具实际工作后角变成零度，使刀具后面与加工表面间的摩擦加大，使切削温度升高。切削速度越高，刀具磨损值对切削温度的影响越显著。切削合金钢时，由于其强（硬）度比碳素钢高而导热系数又较小，因此，合金钢的刀具磨损对切削温度的影响比碳素钢显著。2）切削液对切削温度的影响使用切削液对降低切削温度有明显效果。切削液有两个作用；一方面可以减小切屑与刀具前面、工件与刀具后面的摩擦；另一方面可以吸收切削热，两者均使切削温度降低。但切削液对切削温度的影响，与其导热性能、比热、流量、浇注方式及本身的温度有关。5.5 切削温度对切削过程的影响1.对工件材料机械性能的影响切削时温度虽然很高，但对工件材料强（硬）度的影响并不很大，对剪切区应力的影响不明显。其原因是：当切削速度较高时，工件变形速度很高，对增加工件材料强（硬）度的影响，足以抵消切削温度对降低工件强（硬）度的影响。另外，切削温度是在切削变形过程中产生的，因此，它对剪切区的应力应变状态来不及产生很大的影响，只对切屑底层的剪切强度产生影响。实验表明：工件材料预热至500800 后进行切削，其切削力下降很多。但高速切削（温度达800900 ）时，切削力下降却不多。这也间接地证明了切削温度对剪切区工件材料强度影响不大。2.对刀具材料的影响硬质合金的性质之一是高温时，强度比较高，韧性比较好。因此，适当提高切削温度，对于防止硬质合金崩刃，提高其耐用度是有利的。3.对工件尺寸精度的影响工件受热膨胀，直径发生变化，切削后不能达到要求精度；工件受热变长，但因其装夹在机床上不能自由伸长而发生弯曲，加工后中部直径变大；刀杆受热膨胀，切削时的实际切削深度增加，使工件直径变小。在精加工和超精加工时，切削温度对工件尺寸精度的影响特别突出，必须特别注意降低切削温度。4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量大量切削实验证明；对给定的刀具材料、工件材料以不同的切削用量加工时，都可以得到一个最佳的切削温度，它使刀具磨损强度最低，尺寸耐用度最高。因此，可用热电偶测出的切削温度作为控制讯号，并用电子线路和自动控制装置来控制机床的转速或进给量，使切削温度经常处于最佳范围，以提高生产率和工件表面质量。5.6 技能实训切削温度的测量1.实训要求（1）了解切削温度的形成过程。（2）掌握切削温度的测量原理。（3）能够独立完成切削温度的测量。（4）能够分析切削温度的影响因素。2.实训设备铸铁、45钢、45YTl5外圆车刀、75YTl5外圆车刀、热电偶测温器、CA6140机床。3.实训步骤（1）将铸铁装夹到CA6140机床上，将45YTl5外圆车刀装夹到刀架上。（2）选择适当的刀具与工件的接触区，将其与CA6140车床主轴尾部分别用导线连接到热电偶测温器上，并启动CA6140机床的切削工具。（3）选择不同的切削速度、进给量、背吃刀量进行切削，待热电偶测温器度数稳定后记录其相应的温度值，完成对切削力测量数据的填写，见表5-2。表5-2 切削力测量数据实验条件工件材料刀具结构材料