第五章 切削热与切削温度

第五章切削热与切削温度第1页，课件共33页，创作于2023年2月

切削热和由它产生的切削温度是金属切削过程中又一重要物理现象。切削时消耗的能量约96%--99%转化为热能。大量的切削热使得切削区温度升高，直接影响刀具的磨损和工件的加工精度及表面质量，切削温度也可作为自动化生产中的可控因素。因此，研究切削热和切削温度对生产实践有重要意义。第2页，课件共33页，创作于2023年2月5.1切削热的产生与传出切削时共有三个生热区:即剪切面区、切削与前刀面接触区、后刀面与加工表面接触区。如图5.1所示。所以，切削热来源于切削时消耗的变形和刀具与切削、刀具与工件间的摩擦功。第3页，课件共33页，创作于2023年2月

如果忽略后刀面上的摩擦功和进给运动给运动做的功，并假定主运动所做的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热Pc为式中Pc

——每秒钟产生的切削热（J/s）；

Fc

——切削力（N）；

vc

——切削速度（m/s）。切削热可由切削、工件、刀具和周围介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周围介质的状况。第4页，课件共33页，创作于2023年2月

工件材料的导热系数大时，由切削区传导到切削和工件的热量较多，因而切削区温度较低，但整个工件温升较快。切削导热系数较大的铜和铝时，切削区温度较低，故刀具使用寿命教高；但工件温升较快，由于热胀冷缩的影响，切削时测量的尺寸与冷至室温时的尺寸往往不符，加工时必须加以注意。若工件材料的热导系数较小，切削热不容易从切屑和工件方面传导出去，因而切削区温度较高，加剧刀具磨损。例如，切削不锈钢和高温合金时，由于它们的导热系数小，切削区温度很高，刀具磨损很快，必须采用耐热和耐磨性能较好的刀具材料，并且浇注充分的切削液予以冷却降温。第5页，课件共33页，创作于2023年2月

刀具材料的导热系数大时，切削区的热量容易从刀具方面传导出去，也能降低切削区的温度。例如，YG类硬质合金的导热系数普遍大于YT类硬质合金的导热系数，且抗弯强度较高，所以在切削导热系数小、热强性好的不锈钢和高温合金时，在缺少新型高性能硬质合金的情况下，多采用YG6X、YG6A等牌号的YG类硬质合金。采用冷却性能较好的切削液也能有效的降低切削温度。采用喷雾冷却法使切削液雾化后汽化，将能吸收更多的切削热而使切削温度降低。此外，切削与刀具的接触时间也影响切削温度。例如，外圆车削时，切削形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中，传给刀具的切削热就减少了；但在进行半封闭式容屑的钻削加工时，切屑形成后仍较长时间与道具接触，由切屑所带走的切削热再次传给刀具，使得切削温度升高。第6页，课件共33页，创作于2023年2月不同的切削加工方法，切削热由切削、刀具、工件和周围介质传导出去的比例也不同。例如，车削加工时，切削带走的切削热约为50%-80%,40%-10%传入车刀，9%-3%传入工件，1%传入周围介质（如空气）。切削速度越高，进给量（切削厚度）越大，由切屑带走的热量就越多。钻削加工时，约有28%的切削热由切削带走，15%传入钻头，52%传入工件，5%传入周围介质。第7页，课件共33页，创作于2023年2月5.2切削温度及其测量方法

切削温度一般是指刀具与工件接触区域的平均温度。切削温度的测量是实验研究的重要技术，是研究各种因素对切削温度影响大小的依据。此外，切削温度理论计算的准确性也需要通过实测数据来校验。切削温度的测量方法很多，可归纳为以下情况：第8页，课件共33页，创作于2023年2月

单车刀法自然热电偶法双车刀法热电偶法插入刀具法人工热电偶法插入工件法辐射热计法

PbS电池法切削温度测定法辐射温度计法锗光电二极管法红外线干板（或胶片）法热敏颜料法热敏电阻法其他量热计法金属组织观察法第9页，课件共33页，创作于2023年2月5.2.1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，组成热电回路测量切削温度的方法。图5.2所示是在车床上利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图。第10页，课件共33页，创作于2023年2月

切削加工时，化学成分不同的刀具和工件处在较高的切削温度作用下，形成热电偶的热端，工件与刀具的引出端形成热电偶的冷端。在此回路中必然有热电势产生，如用仪表将其值测出或记录下来，再根据事先标定的刀具-工件所组成热电偶的热电势与温度关系曲线（标定曲线），便可求得刀具与工件接触区的切削温度值。第11页，课件共33页，创作于2023年2月图5.3给出了YT15硬质合金与几种钢材组成的热电偶标定曲线。由此可以看出，用自然热电偶法测得的是切削区的平均温度，切削区指定点的温度则不能测得。另外,不同的刀具材料与工件材料所组成的热电偶，均要进行标定，使用起来不太方便。故在某些情况下尚需要采用人工热电偶法。第12页，课件共33页，创作于2023年2月5.2.2人工热电偶法

图5.4是用人工热电偶法测量刀具前刀面和工件某点温度的示意图。第13页，课件共33页，创作于2023年2月

这是将两种预先标定好的金属丝组成的热电偶热端焊接在刀具或者工件待测温度点上，尾端通过导线直接串接在电位差计或者毫伏表上，切削时根据表上的指示电势值，查对照表，便可得知欲测点的切削温度。安放热电偶金属丝的小孔直径要尽可能小，以反映切削过程中待测点的真实温度，同时对金属丝应采取绝缘措施。用人工热电偶法只能测与前刀面有一定距离某点处的温度。

图5.5和图5.6为采用人工热电偶法测量，并辅以传热学计算所得到的刀具、切削和工件的切削温度分布情况。第14页，课件共33页，创作于2023年2月第15页，课件共33页，创作于2023年2月

由图可以看出：1）前刀面上温度最高处并不在切削刃口处，而是在距离刃口有一定距离的位置，工件材料塑性越大，距离刃口越远，反之越近。这是因为热量沿前刀面有个积累过程的缘故，这也是刀具磨损严重之处。2）切削底层的温度梯度最大，说明摩擦热集中在切削底层与前刀面的接触处。第16页，课件共33页，创作于2023年2月5.3影响切削温度的因素5.3.1切削用量对切削温度的影响

1.切削速度vc

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，切削温度将随之升高。其原因是：当切削速度提高时，单位时间的金属切除率成正比增多，刀具与工件及切削间的摩擦加剧，消耗于切削层金属变形和摩擦的功增加，因为产生大量的切削热。由于第一变形区和第二变形区的热量向工件和切削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的积聚在切削底层来不及传导出去，从而使切削温度上升。但是随着切削速度的提高，单位切削功率和单位切削力有所减小，因此切削热和切削温度不与切削速度成正比增加。第17页，课件共33页，创作于2023年2月图5.7给出了切削速度与切削温度的关系曲线。二者关系可表示成指数形式。

(5.2)式中——切削温度；

——vc

对切削温度的影响系数；

x——vc

对切削温度的影响指数。第18页，课件共33页，创作于2023年2月

一般情况下硬质合金刀具切钢时，x=0.26-0.41，进给量越大，则x越小。这是因为进给量越大，切削厚度大，切削的热容量大，带走的热量多，所以切削区的温度上升较为缓慢。

2.进给量f

随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，消耗的切削功和由此转换成的热量也将增加，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，当进给量增大后，切削厚度增大，由切削带走的热量增多，同时切削与前刀面的接触长度加长，散热面积增大。综合以上几方面的影响，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。第19页，课件共33页，创作于2023年2月

图5.8是通过实验获得的进给量f对切削温度的影响曲线，可表示为

第20页，课件共33页，创作于2023年2月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增多，但因切削刃参加切削工作的长度也成正比增大，大大改善了散热条件，因此切削温度上升甚微。切削温度与背吃刀量的关系式为

(5.4)第21页，课件共33页，创作于2023年2月

由上诉分析可知，切削用量三要素中，切削速度对切削温度的影响较为显著，进给量的影响次之，背吃刀量的影响微小。因此，为了有效的控制切削温度，以提高刀具使用寿命，在允许的条件下，选用大的背吃刀量和进给量比选用切削速度更为有利。第22页，课件共33页，创作于2023年2月5.3.2刀具几何参数对切削温度的影响1.前角图5.10表明，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，产生的切削热减小的缘故。但前角增大到一定值再增大时，则因刀具的楔角减小而使散热体积减小，切削温度下降的幅度将减小。第23页，课件共33页，创作于2023年2月2.主偏角主偏角对切削温度的影响如图5.11所示。随主偏角的增大，切削温度升高。这是因为主偏角增大，一方面使切削刃工作长度缩短，切削热相对集中，同时刀尖角减小，散热条件变差，因此切削温度升高。第24页，课件共33页，创作于2023年2月3.负倒棱及刀尖圆弧半径

负倒棱在（0-2）f范围内变化、刀尖圆弧半径在0-1.5mm范围内变化时，基本不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，一方面使塑性变形增大，切削热随之增加；另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度的影响不大。第25页，课件共33页，创作于2023年2月5.3.3工件材料对切削温度的影响这里主要分析工件材料的强（硬）度、导热系数等力学物理性能及热处理状态对切削温度的影响。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，切削时消耗的功越多，产生的切削热量也越多，切削温度就越高。工件材料的导热系数越大，由工件和切削传导出去的热量越多，切削温度就越低。第26页，课件共33页，创作于2023年2月图5.12给出了不同切削速度下，几种典型材料的切削温度。第27页，课件共33页，创作于2023年2月不难看出：（1）切削脆性材料时，由于抗拉强度和延伸率均减小，切削变形很小，切削呈崩碎状，与前刀面的接触长度很短、摩擦小，所以产生的切削热较小，切削温度一般比切削碳钢时低。切削灰铸铁HT200的切削温度约比切削45钢时低20%-30%。（2）切削不锈钢和高温合金时，因为它们的导热系数小，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度，所以切削温度要比切削其材料时高得多（图5.12）。第28页，课件共33页，创作于2023年2月（3）切削合金结构钢时，因其强度普遍高于45钢，而导热系数又小与45钢，所以，切削合金结构钢时的切削温度一般高于切削45钢时的切削温度（图5.13）第29页