机械制造技术基础 第二章 第五节切削热及切削温度

第五节切削热及切削温度 一 切削热的产生和传导二 切削温度的测量三 影响切削温度的主要因素四 切削温度对切削过程的影响五 切削温度的分布 一 切削热的产生及传导 1 切削热的产生切削时消耗的能量98 99 转化为热量 其中只有1 2 以形成新表面和晶格扭曲等形式形成了潜藏能 根据金属的切削过程可知 切削时主要有三个发热区 第 变形区 切屑的弹 塑性变形功 产生的热为qs 第 变形区 切屑与前刀面的摩擦功 产生的热为qr 第 变形区 刀具后刀面与工件的摩擦功 2 切削热的传导 切削热的传导切削塑性金属 为研究问题方便 忽略后刀面与工件摩擦产生的热 则切削热分别由刀具 q 切屑 qc 工件 qw 及周围介质传出 比例较小忽略 具体比例如下 qc R1 qs R2 qrq 1 R2 qrqw 1 R1 qc其中 R1 剪切热传入切屑的比例 R2 摩擦热传入切屑的热 影响热传导的的主要因素 工件材料的导热系数 qc qw 则切削区的温度 刀具材料导热系数 q 则切削区的温度 刀 屑接触时间 则切削区的温度 影响R1 R2大小的因素 R1 通常V ac R1 R2 通常与工件 刀具材料的导热系数有关 如 工件材料的导热系数 R2 二 切削温度的测量 1 切削温度 一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度 2 切削温度的测量方法按原理分 热电偶法 主要为自然热电偶 人工热电偶 辐射温度计法 如 红外线测温仪 其他方法 热敏颜料法 金属组织观察法 3 热电偶法 人工热电偶 自然热电偶 热电偶工作原理 基于赛贝克效应 即两种不同成分的导体两端连接成回路 如连接两端温度不同 则在回路中就会产生电动势 这种现象称热电效应 而这种电动势称热电动势 将电位差计或毫伏表通过导线串接在冷端之间 就可测出所产生的电动势 再根据热电偶的标定曲线 就可知预测点的温度 自然热电偶 化学成分不同的刀具与工件或刀具与切屑 自然形成了热电偶对 优点 装置简单 耗资少 可以测切削区的平均温度 缺点 标定曲线不通用 不能测温度分布 人工热电偶 采用将两种预先经过标定的金属丝组成的热电偶或标准热电偶 优点 标定曲线通用 可测温度分布 但只能测离被测位置一定距离处的温度 缺点 耗资大虽可测温度分布 但误差大 埋热电偶的小孔会破坏实际温度场 总之目前还没有很准确的测量切削区温度的方法 测切削区的平均温度 通常采用自然热电偶 测切削区 前刀面 的温度分布 通常采用人工热电偶 三 影响切削温度的主要因素 切削温度的经验公式 C Vz fy apx 前刀面接触区平均温度 C 切削温度系数 V 切削速度 m min f 进给量 mm r ap 背吃刀量 mm z y x 相应的指数 1 切削用量的影响 切削速度v 切削温度 但与v不成比例增加 通常z 0 5 进给量f 切削温度 但f不成比例增加 通常y 0 3 背吃刀量ap 切削温度 基本不变 切削用量对切削温度影响程度由大至小的排列顺序为 v f ap 因此 为有效地控制温度提高刀具寿命 在机床允许的条件下 选用大的背吃刀量ap和进给量f 比选用大切削速度v更有利 2 刀具几何参数的影响 前角 o通常 o 180 200时 o 切削温度 影响程度较大 o 180 200时 o 切削温度 也 但影响程度较小 主偏角 r通常 主偏角 r 切削温度 其他参数变化对切削温度 影响不大 3 工件材料的影响 通常 工件材料的强度 硬度 切削温度 但不成比例增加 材料的导热系数 切削温度 不锈钢 高温合金导热系数低 切削温度高 4 刀具磨损的影响后刀面磨损到一定数值后 后刀面的磨损量VB 切削温度 5 切削液的影响切削液有明显的降温效果 从切削液的导热性来看 水基切削液 优于 乳化液 乳化液又 优于 油类切削液 四 切削温度对切削过程的影响 1 切削温度对工件材料被切削性能的影响切削温度较高 切削区工件材料的强度会降低 同时切削速度较高时 即切削温度较高 应变速率增大 又会使切削区工件材料的强度增大 最终的影响结果取决这正反两方面的主 次地位 通常 切削温度较高 切削区工件材料的强度会降低 材料的被切削性能好 表现为切削力有下降趋势 2 对刀具材料的影响适当提高切削温度 可提高刀具材料的强度 韧性 所以 硬度高 但强度 韧性差的刀具材料易采用较高切削速度 这样不易崩刃 如 陶瓷 金刚石 立方氮化硼 3 对工件尺寸精度的影响工件 刀杆受热膨胀 使切削加工后零件尺寸精度及形状精度降低 精加工时必须注意 4 利用切削温度自动控制切削速度或进給量 5 也可同时用切削温度与切削力作为控制型号 控制刀具磨损 五 切削温度的分布 可用人工热电偶或红外线胶片法 测出切削温度场 具体如图所示 由温度场可知 1 剪切面上的各点温度几乎相同 2 前刀面和后刀面上的最高温度都不在切削刃上 而是在离刀刃有一定距离的地方 3 在剪切区域中 垂直剪切面方向上的温度梯度很大 4 切屑底层上温度梯度很大 5 后刀面的接触长度较小 因此温