第五节-切削热和切削温度.ppt

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第二章金属切削原理与刀具内容提要q刀具的结构q刀具材料q金属切削过程及物理现象q切削力与切削功率q切削热和切削温度q刀具磨损与刀具寿命q切削用量的选择及工件材料加工性q高速切削及刀具第五节切削热和切削温度q刀具的结构q刀具材料q金属切削过程及物理现象q切削力与切削功率q切削热和切削温度q刀具磨损与刀具寿命q切削用量的选择及工件材料加工性q高速切削及刀具第五节切削热和切削温度切削热的产生和传导切削热的产生和传导切削温度的测量切削温度的测量影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素切削液切削液切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度对工件、刀具和切削过程的影响第五节切削热和切削温度切削热是切削过程中的重要物理现象之一。

切削热是切削过程中的重要物理现象之一。

切削时所消耗的能量，有切削时所消耗的能量，有98%98%99%99%转换为热能，因此可以近似转换为热能，因此可以近似地认为切削时所消耗的能量全部转换为热。

地认为切削时所消耗的能量全部转换为热。

大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前刀面上大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精的摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等。

度和已加工表面质量等。

研究研究切削热和切削温度切削热和切削温度也是也是分析工件加工质量和刀具寿分析工件加工质量和刀具寿命的重要内容。

命的重要内容。

一、切削热的产生和传导切削热的产生被切削的金属在刀具的作用下，发生被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性弹性和塑性变形变形而耗功而耗功切屑与前刀面、工件与后刀面之间的切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦摩擦也要耗也要耗功，也产生出大量的热量。

功，也产生出大量的热量。

切削热的来源就是切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。

擦功。

一、切削热的产生和传导切削热的产生切削时共有三个发热区域，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表接触区、后刀面与过渡表面接触区，三个发热区与面接触区，三个发热区与三个变形区相对应。

如右三个变形区相对应。

如右图所示图所示一、切削热的产生和传导v根据切削材料不同，发热区所占比例不同切削切削塑性塑性材料时，变形和摩擦都比较大，所以发材料时，变形和摩擦都比较大，所以发热较多。

切削速度提高时，因切屑的变形减小，所热较多。

切削速度提高时，因切屑的变形减小，所以塑性变形产生的热量百分比降低，而摩擦产生热以塑性变形产生的热量百分比降低，而摩擦产生热量的百分比增高。

量的百分比增高。

切削切削脆性脆性材料时，后刀面上摩擦产生的热量在切材料时，后刀面上摩擦产生的热量在切削热中所占的百分比增大。

削热中所占的百分比增大。

一、切削热的产生和传导对磨损量较小的刀具，后刀面与工件的摩擦较小，所以在计算切削热时，如果将后刀面的摩擦功所转化的热量忽略不计，则切削时所做的功，可按下式计算-为切削功率；即每秒钟所产生的切削热；单位为J/s。

一、切削热的产生和传导切削用量中，增加一倍时，相应的成比例地增大一倍，因而切削热也增大一倍；切削速度的影响次之，进给量的影响最小；其它因素对切削热的影响和它们对切削力的影响完全相同。

一、切削热的产生和传导在上述例子中，为什么没有考虑切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出？

因为向周围介质直接传出的热量，在干切削（不用切削液）时，所占比例在1%以下，故在分析和计算时可忽略不计。

一、切削热的产生和传导切削过程中的热量传导p工件材料的导热性能p刀具材料的导热系数其中工件材料的导热性能是影响热量传导的重要因素。

刀具材料的导热系数较高时，切削热易从刀具方面导出，切削区域温度随之降低，这有利于刀具寿命的提高。

切屑与刀具接触时间的长短，也影响刀具的切削温度。

工件材料的导热系数越低，通过工件和切屑传导出去的切削热量越少，这就必然会使通过刀具传导出去的热量增加。

例如切削航空工业中常用的钛合金时，因为它的导热系数只有碳素钢的1/31/4，切削产生的热量不易传出，切削温度因而随之增高，刀具就容易磨损。

外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落人机床的容屑盘中，故切屑的热量传给刀具不多。

钻削或其它半封闭式容屑的切削加工，切屑形成后仍与刀具及工件相接触，切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具，使切削温度升高。

一、切削热的产生和传导切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例，可举例如下:

车削加工时，切屑带走的切削热为50%86%，车刀传出40%10%，工件传出9%3%，周围介质（如空气）传出1%。

切削速度愈高或切削厚度愈大，则切屑带走的热量愈多。

钻削加工时，切屑带走切削热28%，刀具传14.5%，工件传出52.5%，周围介质传出5%。

二、切削温度的测量切削温度直接影响切削过程。

何谓切削温度？

切削温度直接影响切削过程。

何谓切削温度？

切削温度一般指切削温度一般指前刀面与切屑接触区域前刀面与切屑接触区域的平均温度。

的平均温度。

前刀面的平均温度前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。

和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。

二、切削温度的测量目前已有很多理论推算方法可以较为准确地计算切目前已有很多理论推算方法可以较为准确地计算切削温度，但是其具有削温度，但是其具有一定的局限性一定的局限性，且，且应用较繁应用较繁。

现在已经可以用现在已经可以用有限元方法有限元方法求出切削区域的近似温求出切削区域的近似温度场，但由于工程问题的复杂性，难免有一些假设。

度场，但由于工程问题的复杂性，难免有一些假设。

最为可靠的方法最为可靠的方法是对切削温度进行实际测量。

是对切削温度进行实际测量。

二、切削温度的测量切削温度测量方法切削温度测量方法热电偶法热电偶法辐射温度计法辐射温度计法其他测量方法其他测量方法目前应用较广的有两种：

目前应用较广的有两种：

自然热电偶法和人工热电偶法自然热电偶法和人工热电偶法二、切削温度的测量自然热电偶法自然热电偶法主要用于测定主要用于测定切削区切削区域的平均温度域的平均温度。

采用。

采用自然热电偶法的测温自然热电偶法的测温装置如右图所示。

装置如右图所示。

自然热电偶法测量切削温度示意图自然热电偶法测量切削温度示意图它是利用刀具和工件分别它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极作为自然热电偶的两极,组成组成闭合电路闭合电路测量切削温测量切削温度。

刀具引出端用导线接度。

刀具引出端用导线接入毫伏计的一极入毫伏计的一极,工件引工件引出端的导线通过起电刷作出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。

另一极。

测温时测温时,刀具与工件引刀具与工件引出端应处于出端应处于室温室温下下,且且刀具和工件应分别与机刀具和工件应分别与机床床绝缘绝缘。

切削加工时。

切削加工时,刀具与工件接触区产生刀具与工件接触区产生的高温的高温（热端热端）与刀具、与刀具、工件各自引出端的室温工件各自引出端的室温（冷端冷端）形成形成温差电势温差电势。

该电势值可用接入的毫伏计该电势值可用接入的毫伏计测出测出,切削温度越高切削温度越高,该电势该电势值越大值越大。

切削温度与热电势。

切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。

根据过切削温度标定得到。

根据切削实验中测出的热电势毫切削实验中测出的热电势毫伏值伏值,可在标定曲线上查出可在标定曲线上查出对应的温度值。

对应的温度值。

二、切削温度的测量人工热电偶法人工热电偶法人工热电偶法测量切削温度示意图人工热电偶法测量切削温度示意图可用于测量可用于测量刀具、切削和刀具、切削和工件上指定点的温度工件上指定点的温度，并，并可测得可测得温度分布场和最高温度分布场和最高温度的位置温度的位置。

其测温装置。

其测温装置如右图所示。

如右图所示。

在刀具或工件被测点处钻在刀具或工件被测点处钻一个小孔一个小孔（孔径越小越好孔径越小越好,通常通常0.5mm0.5mm），孔中插，孔中插入一对标准热电偶并使其入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持与孔壁之间保持绝缘绝缘。

切削时切削时,热电偶接点感受热电偶接点感受出被测点温度出被测点温度,并通过串并通过串接在回路中的毫伏计测出接在回路中的毫伏计测出电势值电势值,然后参照热电偶然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温标定曲线得出被测点的温度。

度。

三、影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素切削用量的影响切削用量的影响工件材料的影响工件材料的影响刀具角度的影响刀具角度的影响刀具磨损的影响刀具磨损的影响切削液的影响切削液的影响三、影响切削温度的主要因素切削用量的影响切削用量的影响实验得出的切削温度经验公式实验得出的切削温度经验公式其中其中实验测出的前刀面接触区平均温度（实验测出的前刀面接触区平均温度（）；）；切削温度系数；切削温度系数；切削速度（切削速度（m/min）；）；进给量（进给量（mm/r）；）；背吃刀量（背吃刀量（mm）；）；相应的指数。

相应的指数。

三、影响切削温度的主要因素高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时各系数表高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时各系数表刀具材刀具材料料加工方加工方法法高速钢高速钢车削车削1401401701700.350.350.450.450.20.20.30.30.080.080.100.10铣削铣削8080钻削钻削150150硬质合硬质合金金车削车削320320/（mm/rmm/r）0.150.150.050.050.10.10.410.410.20.20.310.310.30.30.260.26由表知，在切削用量三要素中，由表知，在切削用量三要素中，的指数最大，的指数最大，次之，次之，最小。

最小。

三、影响切削温度的主要因素这说明这说明切削速度切削速度对切削温度对切削温度影响最大影响最大，随切削速度的，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。

而提高，切削温度迅速上升。

而背吃刀量变化背吃刀量变化时，散热时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故面积和产生的热量亦作相应变化，故对切削温度的影对切削温度的影响很小响很小。

因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命，在机因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命，在机床允许的条件下，选用床允许的条件下，选用较大的吃刀深度和进给量，比较大的吃刀深度和进给量，比选用大的切削速度更为有利选用大的切削速度更为有利。

三、影响切削温度的主要因素工件材料对切削温度的影响与工件材料对切削温度的影响与材料的强度、硬度及导材料的强度、硬度及导热性有关热性有关。

材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功。

材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功愈多，切削温度也就愈高。

材料的导热性好，可以使愈多，切削温度也就愈高。

材料的导热性好，可以使切削温度降低。

例如，合金结构钢的强度普遍高于切削温度降低。

例如，合金结构钢的强度普遍高于4545钢，而导热系数又多低于钢，而导热系数又多低于4545钢，故切削温度一般均高钢，故切削温度一般均高于切削于切削4545钢的切削温度。

钢的切削温度。

工件材料的影响工件材料的影响三、影响切削温度的主要因素前角和主偏角对切削温度影响较大前角和主偏角对切削温度影响较大。

前角加大前角加大，变形和摩擦减小，因而切削热少。

，变形和摩擦减小，因而切削热少。

前角不能过大前角不能过大，否则刀头部分散热体积减小，不利于，否则刀头部分散热体积减小，不利于切削温度的降低。

主偏角减小将使刀刃工作长度增加，切削温度的降低。

主偏角减小将使刀刃工作长度增加，散热条件改善，因而使切削温度降低。

散热条件改善，因而使切削温度降低。

刀具角度的影响刀具角度的影响三、影响切削温度的主要因素在在后刀面的磨损值达到一定数值后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影后，对切削温度的影响响增大增大；切削速度愈高，影响就愈显著。

；切削速度愈高，影响就愈显著。

合金钢的强度大，导热系数小，所以合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢切削合金钢时刀